CN102339789B - 金属互连结构的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种金属互连结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属互连线，所述金属互连线分为目标金属互连线和非目标金属互连线，相邻目标金属互连线之间沟槽的高宽比小于相邻目标金属互连线与非目标金属互连线之间沟槽的高宽比；形成覆盖所述金属互连线和半导体衬底的介质层，所述目标金属互连线之间的介质层中形成有闭合空洞，所述闭合空洞的顶端高于目标金属互连线的顶端；刻蚀介质层至露出目标金属互连线的表面，形成通孔，刻蚀过程中将闭合空洞侧壁刻穿使相邻通孔之间贯通；在所述通孔和闭合空洞内填充满金属，形成目标金属互连线间的互连结构。本发明的方法减小了金属互连线的密度，提高了器件的稳定性。

Description

金属互连结构的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种金属互连结构的形成方法。

背景技术

半导体集成电路的制作是一个极其复杂的过程，目的在于将特定电路的各种电子元件和线路，缩小制作在一半导体基底上。在半导体器件的特征尺寸(CD)进入深亚微米阶段后，为了得到更快的运算速度、更大的数据存储量以及更多的功能，半导体集成电路不断的向更高的元件密度方向发展；但是，随着器件集成度的不断提高，金属互连线的层数随之不断增加，金属互连线的密度也随之不断增大，这给半导体制作过程中金属互连布线工艺带来新的挑战。

图1～图2为现有多层金属互连线形成方法的剖面结构示意图。

参考图1，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100上形成金属互连线101、金属互连线102和金属互连线103，所述金属互连线之间具有沟槽。

所述半导体衬底100上还形成有半导体器件(图中未示出)和介质层(图中未示出)。

参考图2，形成覆盖所述金属互连线和半导体衬底表面的介质层104，刻蚀所述介质层104，形成通孔，所述通孔露出金属互连线的顶端表面；在所述通孔内填充满金属，形成插塞；在所述插塞上形成金属互连线105和金属互连线106。

形成所述介质层采用化学气相沉积工艺，由于金属互连线102和金属互连线103之间的间距较小，沉积介质层104时，在金属互连线102和金属互连线103之间会形成闭合空洞107，闭合空洞107有易于减小金属线之间的电容。

更多关于金属互连线的形成方法请参考公开号为“US20060160351A1”的美国专利。

在实际的半导体制作过程中，由于特征尺寸的不断减小以及半导体衬底单位面积上的器件数量增大，单位面积上金属互连线的密度也随之增大，使得相邻金属互连线之间的距离变得极小，在形成图3所示的金属互连线105和金属互连线106极易造成金属互连线之间的短接，影响器件的稳定性。

发明内容

本发明解决的问题是提供了一种金属互连结构的形成方法，减小了金属互连线的密度，改善金属互连线的布局，提高器件的稳定性。

为解决上述问题，本发明提供了一种金属互连结构的形成方法，包括步骤：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属互连线，所述金属互连线分为目标金属互连线和非目标金属互连线，相邻目标金属互连线之间沟槽的高宽比小于相邻目标金属互连线与非目标金属互连线之间沟槽的高宽比；

形成覆盖所述金属互连线和半导体衬底的介质层，所述目标金属互连线之间的介质层中形成有闭合空洞，所述闭合空洞的顶端高于目标金属互连线的顶端；

刻蚀介质层至露出目标金属互连线的表面，形成通孔，刻蚀过程中将闭合空洞侧壁刻穿使相邻通孔之间贯通；

在所述通孔和闭合空洞内填充满金属，形成目标金属互连线间的互连结构。

可选的，刻蚀所述通孔的方法为等离子体刻蚀工艺。

可选的，所述相邻目标金属互连线之间沟槽高宽比大于0.5。

可选的，所述空洞的顶端与目标金属线顶端表面的垂直距离为100～50000埃。

可选的，所述介质层的形成方法为等离子体增强化学气相沉积工艺。

可选的，所述通孔和空洞内填充满金属的方法为溅射工艺。

可选的，所述通孔和空洞内填充满的金属材料为钨。

可选的，所述金属互连线的材料为铝，铜或钨。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

在目标金属互连线之间的介质层中形成闭合空洞，在闭合空洞和目标金属互连线上的通孔填充满金属，形成目标金属互连线之间的互连结构，实现目标金属互连线之间的连接，相对于现有技术在介质层上形成金属互连线实现目标金属互连线之间的连接，增大了介质层上金属互连线的布线空间，减小了介质层上金属互连线的密度，改善介质层上金属互连线的布局，提高了器件的稳定性。

附图说明

图1～图2是现有技术多层金属互连线形成方法的剖面结构示意图；

图3是现有技术多层金属互连线形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图；

图4是本发明金属互连结构的形成方法流程示意图；

图5～图8为本发明金属互连结构的形成方法的剖面结构示意图；

图9是本发明第一实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图；

图10是本发明第二实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图；

图11是本发明第三实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图。

具体实施方式

发明人在采用现有技术制造金属互连线的过程中发现，可以通过控制金属互连线之间的间距，沉积介质层时，在较小间距的金属互连线之间的介质层中形成闭合空洞，间距较大金属互连线之间填充满介质层。随着半导体特征尺寸的不断减小，布线层数的不断增加，金属互连线的密度越来越大，形成金属互连线时，容易造成金属互连线之间的短接，影响器件的稳定性，为此发明人提出了一种利用金属互连线之间介质层中的闭合空洞制作金属互连线间互连结构的方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供了一种金属互连结构的形成方法，具体的流程示意图请参考图4，包括：

步骤S201，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属互连线，所述金属互连线分为目标金属互连线和非目标金属互连线，相邻目标金属互连线之间沟槽的高宽比大于相邻目标金属互连线与非目标金属互连线之间沟槽的高宽比；

步骤S202，形成覆盖所述金属互连线和半导体衬底的介质层，所述目标金属互连线之间的介质层中形成有闭合空洞，所述闭合空洞的顶端高于目标金属互连线的顶端；

步骤S203，刻蚀介质层至露出目标金属互连线的表面，形成通孔，刻蚀过程中将闭合空洞侧壁刻穿使相邻通孔之间贯通；

步骤S204，在所述通孔和闭合空洞内填充满金属，形成目标金属互连线间的互连结构。

图5～图8为本发明金属互连结构的形成方法的剖面结构示意图；图9是本发明第一实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图；图10是本发明第二实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图；图11是本发明第三实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图。

参考图5，提供半导体衬底300，所述半导体衬底300上形成有金属互连线，所述金属互连线包括目标金属互连线和非目标金属互连线，相邻目标金属互连线之间沟槽的高宽比大于相邻目标金属互连线与非目标金属互连线之间沟槽的高宽比，以目标金属互连线303、目标金属互连线302和非目标金属互连线301为例。

所述半导体衬底300上还形成有半导体器件区(图中未示出)和所述半导体器件区和金属互连线之间形成的介质层(图中未示出)。

所述金属互连线的形成方法为：在所述半导体衬底300上沉积一层金属层；在所述金属层上形成图形化的光刻胶层；以所述图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述金属层，形成金属互连线。

所述金属层的材料为铝、铜或钨。

所述目标金属互连线303与目标金属互连线302之间沟槽20的高宽比大于0.5，所述目标金属互连线302与相邻非目标金属互连线301之间沟槽30的高宽比小于目标金属互连线303与目标金属互连线302间之间沟槽20的高宽比。因此，在目标金属互连线和非目标金属互连线的高度一定的情况下，相邻目标金属互连线303与目标金属互连线302之间的间距a小于目标金属互连线302与相邻非目标金属互连线301之间的间距b，因此在其他工艺条件相同的条件下，在后续工艺中在目标金属线互连线之间容易形成闭合空洞，而目标金属互连线与相邻非目标金属互连线之间不易形成闭合空洞。

参考图6，形成覆盖所述目标金属互连线303、目标金属互连线302、非目标金属互连线301的介质层304，所述目标金属互连线303和目标金属互连线302之间的介质层304中形成有闭合空洞305。

所述介质层304的材料为二氧化硅(SiO2)。

形成所述介质层304的方法为等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)。

所述等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)采用的气体为SiH4。

所述闭合空洞305的形成过程为：采用化学气相沉积工艺沉积二氧化硅介质层时，目标金属互连线303和目标金属互连线302之间沟槽开口处会形成二氧化硅的堆积，由于二氧化硅的不断堆积，沟槽的开口沿二氧化硅堆积的方向不断减小(离目标金属线顶端表面越远，沟槽开口越小)，随着沉积过程的进行，最终使得开口的封闭，形成闭合空洞305，由于空洞是随着沉积的进行向上慢慢闭合的，因此所述空洞305的顶端高于目标金属线302的顶端。闭合空洞305的顶端与目标金属线302的顶端垂直距离c为100～50000埃，所述垂直距离c的大小通过控制目标金属互连线之间间距的大小和化学气相沉积工艺中介质层的沉积速率和溅射速率实现。

在形成闭合空洞305的过程中，由于目标金属互连线302和非目标金属互连线301之间的间距b大于目标金属互连线303与目标金属互连线302间的间距a，目标金属互连线302和非目标金属互连线301之间沟槽开口处也会形成二氧化硅的堆积，但由于目标金属互连线302和非目标金属互连线301之间的距离较大，不会形成闭合的空洞，目标金属互连线302和非目标金属互连线301之间会形成介质层凹陷。

在本发明的其他实施例中，为了去除金属互连线和非目标金属互连线之间的介质层凹陷，在形成介质层304后，采用高密度等离子体化学气相淀积工艺(HDPCVD)在介质层304上继续沉积一层二氧化硅介质层，用以填充目标金属互连线和非目标金属互连线之间形成的凹陷。

参考图7，刻蚀所述介质层304至露出目标金属互连线303和目标金属线302的表面，形成通孔306和通孔307，刻蚀过程中将闭合空洞305侧壁刻穿使相邻通孔306和通孔307之间贯通，在形成通孔306和通孔307的同时，在非目标金属互连线301上形成通孔308。

所述通孔306、通孔307和通孔308的刻蚀方法采用等离子体刻蚀工艺，所述等离子体刻蚀工艺采用的气体为三氟甲烷(CHF3)。

参考图8，在所述通孔306、通孔307、通孔308和闭合空洞305填充满金属，所述金属溢出通孔在所述介质层304上形成金属层(图中未示出)，采用化学机械研磨工艺研磨所述金属层，以所述介质层304为停止层，形成插塞306a、插塞307a、插塞308a和空洞金属层305a，所述插塞306a、插塞307a和空洞金属层305a构成目标金属互连线303和目标金属互连线302之间的互连结构。

所述金属的材料为钨，由于钨具有很好的填孔能力，因此在填充所述空洞305时，不会在空洞中形成金属的断层。

所述填充满金属的方法为溅射工艺。

在形成插塞后，还包括在插塞上形成第二层金属互连线，如在插塞308a上形成金属互连线309。

参考图9，本发明第一实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图，其中虚线部分表示未在介质层表面暴露的半导体结构，如：目标金属互连线303、目标金属互连线302、空洞金属层305a和非目标金属互连线301。

所述非目标金属线301、非目标金属互连线301a、非目标金属互连线301b分布在目标金属互连线302和目标金属互连线303周围，在进行化学气相沉积工艺形成非目标金属互连线和目标金属互连线上的介质层时，由于非目标金属互连线与相邻目标金属互连线之间的间距均大于相邻目标金属互连线之间的间距，因此非目标金属线301、非目标金属互连线301a与目标金属互连线302、目标金属互连线303之间不会形成闭合空洞，导致与闭合空洞305(图6所示)连通，影响后续目标金属互连线302和目标金属互连线303之间互连结构的形成。

所述插塞306a和插塞307a位于与坐标轴x平行的一条直线上。

与现有技术相比，插塞307a与金属互连线309的距离增大了，减小了金属互连线309与其相邻金属互连线的密度，改善了金属互连线的布局，提高了器件的稳定性。

图9所述的非目标金属互连线与目标金属互连线的布局仅为示例，并非对本发明的限定。

参考图10，为本发明第二实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图，其中虚线部分表示未在介质层表面暴露的半导体结构。

相比与第一实施例，本实施例中所述插塞306a和插塞307a分别位于与坐标轴x平行的不同直线上，所述插塞306a和插塞307a分别位于所述目标金属互连线303和目标金属互连线302的两端，插塞306a和插塞307a沿坐标轴y方向的垂直距离大于0，所述插塞306a、插塞307a和空洞金属层305a共同构成目标金属互连线303和目标金属互连线302的互连结构，实现目标金属互连线303和目标金属互连线302的连接。相对于第一实施例，所述插塞307a与金属互连线309的距离进一步增大，减小了金属互连线309与其相邻金属互连线的密度，改善了金属互连线的布局，提高了器件的稳定性。

所述插塞306a、插塞307a和空洞金属层305a的形成方法请参考第一实施例，具体的过程在此不再赘述。

图10所述的非目标金属互连线与目标金属互连线的布局仅为示例，并非对本发明的限定。

参考图11，为本发明第三实施例采用金属互连结构的形成方法形成的半导体结构的俯视结构示意图，其中虚线部分表示未在介质层表面暴露的半导体结构。

本实施例中半导体结构具体的形成方法请参考第一实施例，具体的过程在此不再赘述。

相比于第一实施例和第二实施例，本实施例为目标金属互连线的数量大于2时，形成的两目标金属互连线间的互连结构，以4根目标金属互连线为例，参考图11，包括：目标金属互连线302、目标金属互连线302a、目标金属互连线303和目标金属互连线303a。非目标金属互连线301、非目标金属互连线301a、非目标金属互连线301b和非目标金属互连线301c围绕在目标金属互连线302、目标金属互连线302a、目标金属互连线303和目标金属互连线303a周围，非目标金属互连线的数量根据具体的工艺条件确定。相邻目标金属互连线间的间距小于非目标金属互连线与相邻目标金属互连线的间距。目标金属互连线之间形成有空洞金属层305a，插塞306a、插塞307a和空洞金属层305a共同构成相距较远的目标金属互连线302和目标金属互连线303之间的互连结构，实现相距较远的目标金属互连线303和目标金属互连线302的连接，目标金属互连线302a与目标金属互连线303a之间的连接或者与非目标金属互连线之间连接采用现有工艺完成，在此不再赘述。

本实例中，通过插塞306a、插塞307a和介质层中空洞金属层305a共同实现相距较远的目标金属互连线302和目标金属互连线303之间的连接，而不需要在介质层上进行金属布线，提高了介质层上金属布线的空间，减小了介质层上金属互连线的密度，改善了金属互连线的布局，提高了器件的稳定性。

图11所述的非目标金属互连线与目标金属互连线的布局仅为示例，并非对本发明的限定。

综上，本发明实施例提供的金属互连结构的形成方法，在目标金属互连线之间的介质层中形成闭合空洞，在闭合空洞和目标金属互连线上的通孔填充满金属，形成目标金属互连线之间的互连结构，实现目标金属互连线之间的连接，相对于现有技术在介质层上形成金属互连线实现目标金属互连线之间的连接，增大了介质层上金属互连线的布线空间，减小了介质层上金属互连线的密度，改善介质层上金属互连线的布局，提高了器件的稳定性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种金属互连结构的形成方法，其特征在于，包括步骤：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属互连线，所述金属互连线分为目标金属互连线和非目标金属互连线，相邻目标金属互连线之间沟槽的高宽比大于相邻目标金属互连线与非目标金属互连线之间沟槽的高宽比；

形成覆盖所述金属互连线和半导体衬底的介质层，所述目标金属互连线之间的介质层中形成有闭合空洞，所述闭合空洞的顶端高于目标金属互连线的顶端；

刻蚀介质层至露出目标金属互连线以及非目标金属互连线的表面，形成通孔，刻蚀过程中将闭合空洞侧壁刻穿使相邻通孔之间贯通；

在所述通孔和闭合空洞内填充满金属，所述通孔内的金属形成插塞，所述目标金属互连线表面的插塞以及所述闭合空洞内填充的金属形成目标金属互连线间的互连结构；

在所述非目标金属互连线表面的插塞上形成第二层金属互连线，在远离所述非目标金属互连线的目标金属互连线的表面的插塞上形成第二层金属互连线，在与所述非目标金属互连线相邻的目标金属互连线的表面的插塞上不形成第二层金属互连线。

2.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，刻蚀所述通孔的方法为等离子体刻蚀工艺。

3.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述相邻目标金属互连线之间沟槽高宽比大于0.5。

4.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述空洞的顶端与目标金属线顶端表面的垂直距离为100～50000埃。

5.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述介质层的形成方法为等离子体增强化学气相沉积工艺。

6.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述通孔和空洞内填充满金属的方法为溅射工艺。

7.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述通孔和空洞内填充满的金属材料为钨。

8.如权利要求1所述的金属互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属互连线的材料为铝，铜或钨。