金屬互連結(jié)構(gòu)及其制作方法
【專利摘要】一種金屬互連結(jié)構(gòu)及其制作方法，其中制作方法包括：首先提供具有目標(biāo)電連接區(qū)域的半導(dǎo)體襯底；接著在所述半導(dǎo)體襯底上形成圖形化的無定形碳層或光刻膠層，所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層包括垂直相連的第一區(qū)域與第二區(qū)域；之后在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬層；然后回蝕所述金屬層，保留所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層側(cè)墻的所述金屬層，去除其它區(qū)域的所述金屬層，保留的所述金屬層對應(yīng)目標(biāo)電連接區(qū)域；再接著去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層以形成金屬互連線圖案；最后在所述金屬互連線圖案間填充介電材質(zhì)以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)方案，提供了一種寄生電容小、且導(dǎo)電性好的金屬互連結(jié)構(gòu)。
【專利說明】金屬互連結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬互連結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬互連結(jié)構(gòu)，是半導(dǎo)體器件不可或缺的結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體制造過程中，形成的金屬互連結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對半導(dǎo)體器件的性能及半導(dǎo)體制造成本有很大影響。
[0003]金屬互連結(jié)構(gòu)，包括金屬互連線圖案及填充在其間的介電材質(zhì)。兩層金屬互連結(jié)構(gòu)的金屬互連線圖案間、或某層金屬互連結(jié)構(gòu)的金屬互連線與其它金屬層之間存在寄生電容，該寄生電容不利于半導(dǎo)體器件的性能，過大甚至?xí)?dǎo)致介電層被擊穿。現(xiàn)有技術(shù)中，為了降低介電層的寄生電容，一般采用介電常數(shù)小的材質(zhì)作為介電層。行業(yè)內(nèi)，介電常數(shù)小的材質(zhì)可以選擇低K材質(zhì)(介電常數(shù)2.0 < k < 4.0)或超低K材質(zhì)(介電常數(shù)k〈2.0)。然而該些材質(zhì)，由于其比較松軟，機(jī)械強(qiáng)度差，在形成大的深寬比的溝槽時，易出現(xiàn)開口尺寸小，溝槽內(nèi)尺寸大的問題，在其內(nèi)填充導(dǎo)電材質(zhì)時會出現(xiàn)底部出現(xiàn)空洞(Void)，這也會導(dǎo)致形成的金屬互連結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性變差。
[0004]針對上述問題，本發(fā)明提出一種新的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法加以解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的問題是提出一種新的金屬互連結(jié)構(gòu)及其制作方法，以提供一種寄生電容小、且導(dǎo)電性好的金屬互連結(jié)構(gòu)。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，包括:
[0007]提供具有目標(biāo)電連接區(qū)域的半導(dǎo)體襯底；
[0008]在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成圖形化的無定形碳層或光刻膠層，所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層包括垂直相連的第一區(qū)域與第二區(qū)域；
[0009]在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬層；
[0010]回蝕所述金屬層，保留所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層側(cè)墻的所述金屬層，去除其它區(qū)域的所述金屬層，保留的所述金屬層對應(yīng)目標(biāo)電連接區(qū)域；
[0011]去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層以形成金屬互連線圖案；
[0012]在所述金屬互連線圖案間填充介電材質(zhì)以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。
[0013]可選地，所述目標(biāo)電連接區(qū)域為前層金屬互連結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電插塞。
[0014]可選地，所述第一區(qū)域為一個，所述第二區(qū)域為一個以上(包含一個)。
[0015]可選地，所述金屬層的材質(zhì)為鋁。
[0016]可選地，所述金屬層的材質(zhì)為氮化銅，回蝕所述金屬層步驟后，去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層以形成金屬互連線圖案步驟前，對側(cè)墻的所述金屬層進(jìn)行熱處理使得氮化銅變?yōu)殂~。
[0017]可選地，所述熱處理的溫度范圍為100-300攝氏度。
[0018]可選地，去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層為灰化法。[0019]可選地，所述灰化采用的氣體為CO2與CO的混合氣體、N2與H2的混合氣體中的至少ー種。
[0020]可選地，在所述金屬互連線圖案間所填充的介電材質(zhì)的介電常數(shù)k〈2. O。
[0021]可選地，所述目標(biāo)電連接區(qū)域形成在介電常數(shù)k〈2.0的介電材質(zhì)中。
[0022]基于上述制作方法，本發(fā)明還提供了一種新的金屬互連結(jié)構(gòu)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：針對介電層采用低K材質(zhì)或超低K材質(zhì)可能出現(xiàn)的導(dǎo)電材質(zhì)填充效果不佳造成導(dǎo)電性變差問題，本發(fā)明提出降低金屬連接結(jié)構(gòu)的金屬互連線圖案的面積或稱尺寸，換言之，降低電容上下極板的面積，上述方案是通過自對準(zhǔn)雙重圖案エ藝（Self aligned Double Patterning)實(shí)現(xiàn)的,具體地：首先在具有目標(biāo)電連接區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成圖形化的無定形碳層或光刻膠層，所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層包括垂直相連的第一區(qū)域與第二區(qū)域；接著在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬層；然后回蝕所述金屬層，保留所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層側(cè)墻的所述金屬層，去除其它區(qū)域的所述金屬層；之后去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層以形成金屬互連線圖案；可以看出，上述方法采用了側(cè)墻構(gòu)圖技術(shù)（Spacer Patterning),克服了在形成溝槽過程中需要的光刻エ藝由于自身衍射現(xiàn)象造成的溝槽尺寸極限，進(jìn)而降低了形成寄生電容上下極板的面積，更重要地，由于上下極板的尺寸進(jìn)行了減小，這使得上下極板有可能出現(xiàn)不對準(zhǔn)的情況，這能進(jìn)ー步降低寄生電容。
[0024]可選方案中，所述第一區(qū)域為ー個，所述第二區(qū)域為兩個及其以上，這使得形成的金屬互連線圖案為蛇形，滿足某些對金屬互連結(jié)構(gòu)的使用需求。
[0025]可選方案中，在所述金屬互連線圖案間所填充的介電材質(zhì)的介電常數(shù)k〈2.0，由于金屬互連線圖案已經(jīng)形成，因而在其內(nèi)填充超低K的介電材質(zhì)能進(jìn)ー步降低寄生電容。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖I是本發(fā)明實(shí)施例一提供的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法流程圖；
[0027]圖2是圖I流程中提供的半導(dǎo)體襯底的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是圖2中沿I - I線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4至圖5是依據(jù)圖I中流程形成的金屬互連結(jié)構(gòu)的兩個中間結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖6是圖5中沿II - II線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖7是依據(jù)圖I中流程形成的金屬互連結(jié)構(gòu)的再一個中間結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖8是圖7中沿III - III線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖9是依據(jù)圖I中流程形成的金屬互連結(jié)構(gòu)的最終結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖10是圖9中沿IV - IV線的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖11是圖9的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖12是本發(fā)明實(shí)施例ニ提供的金屬互連結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說明。由于本發(fā)明重在解釋原理，因此，未按比例制圖。
[0038]本發(fā)明提出的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域的后段制程，因而，以下實(shí)施例以在前層金屬互連結(jié)構(gòu)的上形成與之電連接的金屬互連結(jié)構(gòu)為例，詳細(xì)介紹本發(fā)明的制作方法。
[0039]實(shí)施例一
[0040]首先結(jié)合圖1的流程圖，執(zhí)行步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有目標(biāo)電連接區(qū)域。其中，該目標(biāo)電連接區(qū)域為金屬互連結(jié)構(gòu)中前層的導(dǎo)電插塞。其它實(shí)施例中，該目標(biāo)電連接區(qū)域也可以為與晶體管的源極、柵極或漏極直接電連接的導(dǎo)電插塞。
[0041]參見圖2所示，本實(shí)施例一中，基底可以為硅、鍺或硅鍺等，其上形成有多種有源、無源器件。有源器件例如為平面晶體管M0S，其結(jié)構(gòu)包括源極、漏極、源極與漏極之間的溝道區(qū)上依次形成有柵極絕緣層、柵極。其它實(shí)施例中，該MOS晶體管也可以為溝槽型MOS晶體管(Trench MOS)。MOS晶體管的源極、漏極、柵極上還可以形成有金屬硅化物以減小接觸電阻。
[0042]大部分情況下，有源、無源器件需經(jīng)過多層金屬互連結(jié)構(gòu)與其它器件或控制電路形成電連接，以實(shí)現(xiàn)各自功能。例如，MOS晶體管通過8層金屬互連結(jié)構(gòu)與位線、字線等相連，在8層金屬互連結(jié)構(gòu)之間，具體地，MOS晶體管與第一層金屬圖案(Metal I)之間、各層
金屬圖案(Metal I,Metal 2，......)之間通過導(dǎo)電插塞實(shí)現(xiàn)互連。繼續(xù)參照圖2所示,導(dǎo)電
插塞31為本實(shí)施例一的目標(biāo)電連接區(qū)域,該導(dǎo)電插塞31形成在層間介電層30 (優(yōu)選超低K材質(zhì))中，與前層金屬圖案(未圖示)相連，因而，也稱前層的導(dǎo)電插塞31 ;包含前層的導(dǎo)電插塞31的基底為本實(shí)施例一的半導(dǎo)體襯底。其它實(shí)施例中，與各種有源、無源器件直接相連的導(dǎo)電插塞，例如與MOS晶體管的源極、漏極、柵極直接相連的導(dǎo)電插塞也為本發(fā)明的目標(biāo)電連接區(qū)域，包含與各種有源、無源器件直接相連的導(dǎo)電插塞為本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底。
[0043]為方便理解本實(shí)施例的技術(shù)方案，本實(shí)施例一還給出了圖2中沿1-1線的剖視圖，參照圖3所示。
[0044]接著執(zhí)行步驟S12，如圖4所示，在所述半導(dǎo)體襯底上形成圖形化的無定形碳層或光刻膠層32，所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層32包括垂直相連的第一區(qū)域321與第二區(qū)域322。
[0045]該圖形化的無定形碳層或光刻膠層32的作用是提供金屬互連線圖案附著的核(Core)0本步驟圖形化的過程可以通過對無定形碳或光刻膠(正性光刻膠或負(fù)性光刻膠)進(jìn)行光刻及刻蝕工藝完成，所涉及的工藝參數(shù)為現(xiàn)有工藝，在此不再贅述。
[0046]然后執(zhí)行步驟S13，在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬層。
[0047]此處的金屬層做了擴(kuò)大解釋，不限于純金屬，本身或經(jīng)處理后可以作為金屬互連結(jié)構(gòu)中的金屬互連線圖案的材質(zhì)都可做為本發(fā)明的金屬層。
[0048]具體地，該金屬層的材質(zhì)可以為鋁或氮化銅。為了使得后續(xù)步驟S14中金屬層回蝕只留下位于側(cè)墻的金屬層部分，無定形碳層或光刻膠層32上的金屬層、半導(dǎo)體襯底上其它區(qū)域的金屬層全部去除，本步驟中，金屬層的形成方法優(yōu)選采用原子層沉積法(AtomicLayer Deposition,ALD)。原子層沉積法可以實(shí)現(xiàn)每次沉積一層原子厚度的金屬層，因而所沉積之處的金屬層厚度可以實(shí)現(xiàn)均一性。
[0049]之后執(zhí)行步驟S14,參照圖5所示，回蝕(Etch back)所述金屬層,保留所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層32側(cè)墻的所述金屬層33，去除其它區(qū)域的所述金屬層，保留的所述金屬層33對應(yīng)目標(biāo)電連接區(qū)域。
[0050]本步驟的回蝕是通過不采用掩膜板進(jìn)行干法刻蝕エ藝實(shí)現(xiàn)的。采用的干法刻蝕氣體根據(jù)金屬層的材質(zhì)選擇，對于鋁，例如為CCl4，對于氮化銅，可以采用CCl4或CF4，也可以采用各自材質(zhì)的現(xiàn)有エ藝或干法刻蝕氣體進(jìn)行處理。
[0051]由于導(dǎo)電插塞31所在區(qū)域較小，通過控制該層金屬互連結(jié)構(gòu)（金屬層33)的厚度即可實(shí)現(xiàn)側(cè)墻底部的區(qū)域覆蓋導(dǎo)電插塞31所在區(qū)域，本步驟中的對應(yīng)指保留的位于側(cè)墻的所述金屬層33至少覆蓋目標(biāo)電連接區(qū)域。
[0052]需要說明的是，對于氮化銅，由于其導(dǎo)電性不佳，因而在回蝕后，對該側(cè)墻的所述金屬層33需進(jìn)行熱處理使其轉(zhuǎn)換為銅，所述熱處理的溫度范圍為100-300攝氏度。
[0053]為清楚展示本實(shí)施例的技術(shù)方案，本實(shí)施例ー還給出了圖5中沿II - II線的剖視圖，參照圖6所示。
[0054]之后執(zhí)行步驟S15，參照圖7所示，去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層32以形成金屬互連線圖案33。
[0055]本步驟中，去除無定形碳層或光刻膠層32的エ藝采用現(xiàn)有エ藝，例如灰化法，為了避免對金屬層33 (金屬互連線圖案)的氧化，本步驟優(yōu)選采用非氧氣灰化，為CO2與CO的混合氣體、或N2與H2的混合氣體。
[0056]為方便結(jié)合圖6理解本實(shí)施例的技術(shù)方案，本實(shí)施例ー還給出了圖7中沿III-III線的剖視圖，參照圖8所示。
[0057]然后執(zhí)行步驟S16，如圖9所示，在所述金屬互連線圖案33間填充介電材質(zhì)34以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。
[0058]結(jié)合圖5與圖9所示，可以看出，介電材質(zhì)34占據(jù)了圖形化的無定形碳層或光刻膠層32的空間。從圖9沿IV - IV線的剖視圖圖10可以看出，金屬互連線圖案33與導(dǎo)電插塞31形成了電連接。
[0059]本步驟中填充的介電材質(zhì)34的介電常數(shù)k優(yōu)選k〈2. 0，由于金屬互連線圖案已經(jīng)形成，因而在其內(nèi)填充超低K的介電材質(zhì)能進(jìn)ー步降低寄生電容。
[0060]在具體實(shí)施過程中，由于金屬互連線圖案33 (側(cè)墻）具有弧面，為了形成平坦表面的金屬互連結(jié)構(gòu)，可對上述形成的金屬互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行平坦化工藝，例如CMP。
[0061]從圖9的俯視圖圖11可以看出，本實(shí)施例ー采用了側(cè)墻雙重構(gòu)圖エ藝，克服了在形成溝槽過程中需要的光刻エ藝，進(jìn)而克服了該光刻エ藝由于自身衍射現(xiàn)象造成的溝槽尺寸存在極限，從而實(shí)現(xiàn)了減小了金屬互連線圖案33的尺寸。
[0062]至此，本實(shí)施例一提供的金屬互連結(jié)構(gòu)已制作完畢?？梢钥闯?，相對于現(xiàn)有技術(shù)，該金屬互連結(jié)構(gòu)由于尺寸變小，因而降低了形成寄生電容上下極板的面積，更重要地，由于上下極板的尺寸進(jìn)行了減小，這使得上下極板有可能出現(xiàn)不對準(zhǔn)的情況，這能進(jìn)ー步降低寄生電容。
[0063]實(shí)施例ニ
[0064]本實(shí)施例ニ與實(shí)施例一大致相同，區(qū)別在于：所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層包括垂直相連的第一區(qū)域321’與第二區(qū)域322’，且第一區(qū)域321’為ー個，第二區(qū)域322’為2個，如圖12所示。[0065]通過與實(shí)施例一類似的制作方法，本實(shí)施例二形成的金屬互連線圖案33’為蛇形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以滿足一些特殊需求。其它實(shí)施例中，該第二區(qū)域也可以根據(jù)需要設(shè)置多個。
[0066]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)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，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)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、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.ー種金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括： 提供具有目標(biāo)電連接區(qū)域的半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成圖形化的無定形碳層或光刻膠層，所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層包括垂直相連的第一區(qū)域與第二區(qū)域； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬層； 回蝕所述金屬層，保留所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層側(cè)墻的所述金屬層，去除其它區(qū)域的所述金屬層，保留的所述金屬層對應(yīng)目標(biāo)電連接區(qū)域； 去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層以形成金屬互連線圖案； 在所述金屬互連線圖案間填充介電材質(zhì)以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述目標(biāo)電連接區(qū)域為前層金屬互連結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電插塞。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述第一區(qū)域為ー個，所述第二區(qū)域為ー個以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述金屬層的材質(zhì)為招。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述金屬層的材質(zhì)為氮化銅，回蝕所述金屬層步驟后，去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層以形成金屬互連線圖案步驟前，對側(cè)墻的所述金屬層進(jìn)行熱處理使得氮化銅變?yōu)殂~。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述熱處理的溫度范圍為100-300攝氏度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，去除所述圖形化的無定形碳層或光刻膠層采用灰化法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述灰化采用的氣體為CO2與CO的混合氣體、N2與H2的混合氣體中的至少ー種。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，在所述金屬互連線圖案間所填充的介電材質(zhì)的介電常數(shù)k〈2. O。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述目標(biāo)電連接區(qū)域形成在介電常數(shù)k〈2. 0的介電材質(zhì)中。
11.一種根據(jù)上述權(quán)利要求I至10中任意ー項制作方法形成的金屬互連結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L21/768GK103531525SQ201210226475
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月2日
【發(fā)明者】張海洋, 伍強(qiáng), 顧一鳴 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司