專利名稱：雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)，尤其涉及一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，超大規(guī)模集成電路芯片的集成度已經(jīng)高達(dá)幾億乃至幾十億個(gè)器件的規(guī)模，兩層以上的多層金屬互連技術(shù)廣泛使用。傳統(tǒng)的金屬互連是由鋁金屬制成的，但隨著集成電路芯片中器件特征尺寸的不斷減小，金屬互連線中的電流密度不斷增大，要求的響應(yīng)時(shí)間不斷減小，傳統(tǒng)鋁互連線已經(jīng)不能滿足要求，工藝尺寸小于130nm以后，銅互連線技術(shù)已經(jīng)取代了鋁互連線技術(shù)。與鋁相比，金屬銅的電阻率更低，銅互連線可以降低互連線的電阻電容(RC)延遲，改善電遷移，提高器件的可靠性。當(dāng)前主流的銅互連線技術(shù)為雙鑲嵌技術(shù)(Dual Damascene)。金屬銅作為互連線材料也有缺點(diǎn)，銅容易擴(kuò)散進(jìn)入襯底或者介質(zhì)層中，在銅互連層形成后，需要在其上形成介質(zhì)帽蓋層來防止其擴(kuò)散。但是銅與常用的介質(zhì)帽蓋層材料之間的附著力較差，因此仍會(huì)導(dǎo)致銅元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入其周圍的介質(zhì)層中，使得相鄰的互連線之間的擊穿電壓(Voltage Breakdown, VBD)降低，導(dǎo)致器件的時(shí)間相關(guān)電介質(zhì)擊穿(TDDB，Time Dependent DielectricBreakdown)問題。為了解決銅與介質(zhì)帽蓋層之間的粘附問題，常用的解決方法是在形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)之后在其上形成鈷鎢磷材質(zhì)的金屬帽蓋，以此來防止銅擴(kuò)散，避免電遷移，具體可以參見申請(qǐng)?zhí)枮?00510105104. χ的中國(guó)專利公開的一種金屬帽蓋的形成方法。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)形成的一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面示意圖，包括半導(dǎo)體襯底10 ；介質(zhì)層11，覆蓋所述半導(dǎo)體襯底10，所述介質(zhì)層11 一般為低k(low k)介質(zhì)層或超低k(ultra low k)介質(zhì)層；所述介質(zhì)層11中形成有開口，所述開口可以是通孔，或雙鑲嵌結(jié)構(gòu)中的通孔和溝槽的組合結(jié)構(gòu)，所述開口中填充有銅栓塞12 ；所述銅栓塞的表面覆蓋有鈷鎢磷13。所述鈷鎢磷13的形成方法一般是使用含鈷、含鎢和含磷的鍍液無電鍍敷形成的，由于在刻蝕形成所述開口過程中會(huì)對(duì)開口側(cè)壁的介質(zhì)層11造成損傷，金屬離子14特別是鈷離子容易擴(kuò)散進(jìn)入所述介質(zhì)層11中。由于低k材料和超低k材料比較疏松，其中具有大量的空洞，因此更容易導(dǎo)致金屬離子14的擴(kuò)散，造成TDDB問題，影響雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是在形成鈷鎢磷的過程中，金屬離子容易擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)層，影響雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽(trench)，在所述溝槽底部的第一介質(zhì)層中形成通孑L (via)；在所述溝槽和通孔中填充金屬銅；
在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷；去除所述第二介質(zhì)層；在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層?？蛇x的，所述第一介質(zhì)層的材料為低k材料或超低k材料?？蛇x的，所述第二介質(zhì)層和第一介質(zhì)層的材料不同，所述第二介質(zhì)層的介電常數(shù)大于所述第一介質(zhì)層的介電常數(shù)。可選的，所述第二介質(zhì)層的材料選自氮化硅、氧化硅或黑鉆石(BD，BlackDiamond) 0可選的，所述第二介質(zhì)層的厚度等于所述溝槽的深度?？蛇x的，所述第三介質(zhì)層的材料為低k材料或超低k材料。可選的，所述第三介質(zhì)層為膠狀的低k材料或超低k材料，旋涂(spin on)形成所
述第三介質(zhì)層?？蛇x的，所述第三介質(zhì)層的材料為SiLK，聚酰亞胺(polyimide)，降冰片烯聚合物(polynorbornenes),苯環(huán)丁烯(Benzocyclobutene)或聚四氟乙烯(PTFE)0可選的，在旋涂形成所述第三介質(zhì)層之后，還包括對(duì)所述第三介質(zhì)層進(jìn)行凍結(jié)?？蛇x的，對(duì)所述第三介質(zhì)層進(jìn)行凍結(jié)包括對(duì)所述第三介質(zhì)層進(jìn)行曝光和/或烘
M ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本技術(shù)方案在半導(dǎo)體襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，在第二介質(zhì)層中形成溝槽，在第一介質(zhì)層中形成通孔，之后在所述溝槽和通孔中填充金屬銅，在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷后，去除所述第二介質(zhì)層并在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。由于第三介質(zhì)層是在形成鈷鎢磷之后形成的，鈷鎢磷的形成過程對(duì)其沒有影響，因此第三介質(zhì)層中并沒有擴(kuò)散的金屬離子；而且在形成鈷鎢磷時(shí)，第一介質(zhì)層位于第二介質(zhì)層下方，也不會(huì)受擴(kuò)散的金屬離子的影響，因此可以有效的避免TDDB問題，有利于提高雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。進(jìn)一步的，本技術(shù)方案的第二介質(zhì)層的材料與第一介質(zhì)層的材料不同，第二介質(zhì)層的厚度等于溝槽的深度，因此在第二介質(zhì)層中形成所述溝槽的過程中，第一介質(zhì)層可以作為刻蝕阻擋層，有利于制造工藝的簡(jiǎn)化。進(jìn)一步的，所述第三介質(zhì)層的材料為膠狀的低k材料或超低k材料，其形成方法為旋涂，可以有效的提高填充性。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法的流程示意圖；圖3至圖8是本發(fā)明實(shí)施例的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)有技術(shù)在雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的表面形成鈷鎢磷時(shí)，金屬離子容易擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)層，容易導(dǎo)致TDDB問題，降低了雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。
本技術(shù)方案在半導(dǎo)體襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，在第二介質(zhì)層中形成溝槽，在第一介質(zhì)層中形成通孔，之后在所述溝槽和通孔中填充金屬銅，在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷后，去除所述第二介質(zhì)層并在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。由于第三介質(zhì)層是在形成鈷鎢磷之后形成的，鈷鎢磷的形成過程對(duì)其沒有影響，因此第三介質(zhì)層中并沒有擴(kuò)散的金屬離子；而且在形成鈷鎢磷時(shí)，第一介質(zhì)層位于第二介質(zhì)層下方，也不會(huì)受擴(kuò)散的金屬離子的影響，因此可以有效的避免TDDB問題，有利于提高雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。進(jìn)一步的，本技術(shù)方案的第二介質(zhì)層的材料與第一介質(zhì)層的材料不同，第二介質(zhì)層的厚度等于溝槽的深度，因此在第二介質(zhì)層中形成所述溝槽的過程中，第一介質(zhì)層可以作為刻蝕阻擋層，有利于制造工藝的簡(jiǎn)化。進(jìn)一步的，所述第三介質(zhì)層的材料為膠狀的低k材料或超低k材料，其形成方法為旋涂，可以有效的提高填充性。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施方式
的限制。圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法的流程示意圖，包括步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；步驟S22，在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽，在所述溝槽底部的第一介質(zhì)層中形成通孔；步驟S23，在所述溝槽和通孔中填充金屬銅；步驟S24，在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷；步驟S25，去除所述第二介質(zhì)層；步驟S26，在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。圖3至圖8示出了本發(fā)明實(shí)施例的銅互連結(jié)構(gòu)的形成方法的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖，下面結(jié)合圖2和圖3至圖8對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。結(jié)合圖2和圖3，執(zhí)行步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層。具體的，提供半導(dǎo)體襯底20，所述半導(dǎo)體襯底20上依次形成有第一介質(zhì)層21和第二介質(zhì)層22，其中，第一介質(zhì)層21位于半導(dǎo)體襯底20上，第二介質(zhì)層22位于第一介質(zhì)層21上。所述半導(dǎo)體襯底20可以是單晶硅，也可以是硅鍺化合物，還可以是絕緣體上硅(SOLSilicon On Insulator)結(jié)構(gòu)或硅上外延層結(jié)構(gòu)，其中還可以形成有MOS晶體管等半導(dǎo)體器件(圖中未示出)，本實(shí)施例中所述半導(dǎo)體襯底20為硅襯底。所述第一介質(zhì)層21可以是半導(dǎo)體工藝中常用的層間介質(zhì)層(ILD)材料，本實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)層21為低k材料，如氟硅玻璃(FSG)，摻碳氧化硅(SiOC)等，也可以為超低k材料，如納米孔二氧化硅(NPQ等。所述第二介質(zhì)層22的材料也可以是常用的層間介質(zhì)層材料，作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，第二介質(zhì)層22和第一介質(zhì)層21的材料不同，第二介質(zhì)層22的介電常數(shù)大于所述第一介質(zhì)層21的介電常數(shù)。具體的，本實(shí)施例中第二介質(zhì)層22的材料選自氧化硅、氮化硅或
黑鉆石。結(jié)合圖2和圖4，執(zhí)行步驟S22，在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽，在所述溝槽底部的第一介質(zhì)層中形成通孔。具體的，在所述第二介質(zhì)層22中形成溝槽M，在所述第一介質(zhì)層21中形成通孔23。所述溝槽M和通孔23的形成方法可以是傳統(tǒng)雙鑲嵌結(jié)構(gòu)形成過程中的先溝槽后通孔的方法或先通孔后溝槽的方法，即使用光刻膠或硬掩膜層分別定義出所述溝槽M和通孔23的圖形，之后分別刻蝕形成溝槽M和通孔23。作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，所述第二介質(zhì)層22的材料與第一介質(zhì)層21不同，且第二介質(zhì)層22的厚度等于溝槽M的深度，因而在刻蝕形成所述溝槽M的過程中，第一介質(zhì)層21可以作為刻蝕阻擋層，使得刻蝕過程在第一介質(zhì)層21的表面停止，而不需要去調(diào)節(jié)刻蝕菜單或是再形成額外的刻蝕阻擋層，有利于簡(jiǎn)化制造工藝，提高效率。結(jié)合圖2和圖5，執(zhí)行步驟S23，在所述溝槽和通孔中填充金屬銅。具體的，在所述溝槽和通孔中填充金屬銅25，所述金屬銅25的形成方法可以是電化學(xué)鍍(ECP)。在一具體實(shí)施例中，在形成金屬銅25之前，還可以在所述溝槽和通孔的底部和側(cè)壁形成阻擋層，用于防止銅離子的擴(kuò)散，所述阻擋層的材料可以是鉭或氮化鉭，其形成方法為濺射法。在電化學(xué)鍍形成金屬銅25之后，還可以對(duì)其表面進(jìn)行平坦化，以使得金屬銅25的表面與所述第二介質(zhì)層22的表面齊平，平坦化的方法可以是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。結(jié)合圖2和圖6，執(zhí)行步驟S24，在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷。具體的，在所述金屬銅25的表面形成鈷鎢磷沈，其形成方法可以是使用含鈷、含鎢和含磷的鍍液進(jìn)行無電鍍敷，在金屬銅25的表面自對(duì)準(zhǔn)的形成所述鈷鎢磷沈，當(dāng)然，所述鈷鎢磷沈的形成方法還可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他方法。結(jié)合圖2和圖7，執(zhí)行步驟S25，去除所述第二介質(zhì)層。具體的，去除所述第二介質(zhì)層，暴露出所述第一介質(zhì)層21的表面以及金屬銅25的側(cè)壁。所述第二介質(zhì)的去除方法可以是干法刻蝕或濕法刻蝕。結(jié)合圖2和圖8，執(zhí)行步驟S26，在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。具體的，在所述第一介質(zhì)層21上、所述金屬銅25的側(cè)壁上形成第三介質(zhì)層27。所述第三介質(zhì)層27的材料可以是低k材料或超低k材料，其形成方法可以是現(xiàn)有技術(shù)常用的化學(xué)氣相沉積(CVD)，等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)等。作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，所述第三介質(zhì)層27的材料為膠狀的低k材料或超低k材料，其形成方法為旋涂，具體的，第三介質(zhì)層27的材料可以為SiLK，聚酰亞胺，降冰片烯聚合物，苯環(huán)丁烯或聚四氟乙烯等。由于在去除所述第二介質(zhì)層之后，金屬銅25的表面高出所述第一介質(zhì)層21的表面，使得整個(gè)表面形貌凹凸不平，采用化學(xué)氣相沉積或等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積等常規(guī)的形成方法，會(huì)導(dǎo)致填充性問題，產(chǎn)生如臺(tái)階覆蓋率(stepcoverage)低等問題。采用旋涂的方法可以使膠狀的材料均勻的分布在第一介質(zhì)層21上、金屬銅25的側(cè)壁，有效的改善了填充性；此外，為了進(jìn)一步改善填充性，本實(shí)施例中旋涂形成的第三介質(zhì)層27還覆蓋所述鈷鎢磷沈的表面。在旋涂形成第三介質(zhì)層27之后，為了使膠狀的材料定形，還對(duì)其進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)的方法可以是曝光和/或烘焙，在一具體實(shí)施例中，可以使用紫外線(UV)對(duì)其進(jìn)行曝光，之后采用適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行烘焙，使其凍結(jié)定形，保持形成后的形貌，便于之后在其上形成其他膜層。當(dāng)然，根據(jù)第三介質(zhì)層27選擇的具體材料的不同，也可以僅通過曝光或僅通過烘焙對(duì)其進(jìn)行凍結(jié)。由于所述第三介質(zhì)層27是在形成鈷鎢磷沈之后才形成的，因此不受鈷鎢磷沈的形成過程的污染，其中沒有擴(kuò)散進(jìn)入的金屬離子；而且在形成鈷鎢磷沈的過程中，第一介質(zhì)層21受到其上覆蓋的第二介質(zhì)層的保護(hù)，也不會(huì)收到金屬離子擴(kuò)散的影響，因此，本實(shí)施例可以有效的避免TDDB問題，有利于提高形成的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。綜上，本技術(shù)方案在半導(dǎo)體襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，在第二介質(zhì)層中形成溝槽，在第一介質(zhì)層中形成通孔，之后在所述溝槽和通孔中填充金屬銅，在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷后，去除所述第二介質(zhì)層并在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。由于第三介質(zhì)層是在形成鈷鎢磷之后形成的，鈷鎢磷的形成過程對(duì)其沒有影響，因此第三介質(zhì)層中并沒有擴(kuò)散的金屬離子；而且在形成鈷鎢磷時(shí)，第一介質(zhì)層位于第二介質(zhì)層下方，也不會(huì)受擴(kuò)散的金屬離子的影響，因此可以有效的避免TDDB問題，有利于提高雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的可靠性。進(jìn)一步的，本技術(shù)方案的第二介質(zhì)層的材料與第一介質(zhì)層的材料不同，第二介質(zhì)層的厚度等于溝槽的深度，因此在第二介質(zhì)層中形成所述溝槽的過程中，第一介質(zhì)層可以作為刻蝕阻擋層，有利于制造工藝的簡(jiǎn)化。進(jìn)一步的，所述第三介質(zhì)層的材料為膠狀的低k材料或超低k材料，其形成方法為旋涂，可以有效的提高填充性。本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽，在所述溝槽底部的第一介質(zhì)層中形成通孔；在所述溝槽和通孔中填充金屬銅；在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷；去除所述第二介質(zhì)層；在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一介質(zhì)層的材料為低k材料或超低k材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層和第一介質(zhì)層的材料不同，所述第二介質(zhì)層的介電常數(shù)大于所述第一介質(zhì)層的介電常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層的材料選自氮化硅、氧化硅或黑鉆石。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層的厚度等于所述溝槽的深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第三介質(zhì)層的材料為低k材料或超低k材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第三介質(zhì)層為膠狀的低k材料或超低k材料，旋涂形成所述第三介質(zhì)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第三介質(zhì)層的材料為SiLK，聚酰亞胺，降冰片烯聚合物，苯環(huán)丁烯或聚四氟乙烯。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在旋涂形成所述第三介質(zhì)層之后，還包括對(duì)所述第三介質(zhì)層進(jìn)行凍結(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，對(duì)所述第三介質(zhì)層進(jìn)行凍結(jié)包括對(duì)所述第三介質(zhì)層進(jìn)行曝光和/或烘焙。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第三介質(zhì)層還覆蓋所述鈷鎢磷的表面。
全文摘要
一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上依次形成有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；在所述第二介質(zhì)層中形成溝槽，在所述溝槽底部的第一介質(zhì)層中形成通孔；在所述溝槽和通孔中填充金屬銅；在所述金屬銅的表面形成鈷鎢磷；去除所述第二介質(zhì)層；在所述第一介質(zhì)層上、所述金屬銅的側(cè)壁形成第三介質(zhì)層。本發(fā)明有利于避免金屬離子擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)層，提高可靠性。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102569167SQ20101059289
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者周俊卿, 張海洋 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(北京)有限公司