CN103700648A

CN103700648A - 用于高温电路的金属互连结构及制备方法

Info

Publication number: CN103700648A
Application number: CN201310699906.2A
Authority: CN
Inventors: 寇春梅; 黄蕴; 吴建伟; 洪根深
Original assignee: WUXI ZHONGWEI MICROCHIPS CO Ltd
Current assignee: WUXI ZHONGWEI MICROCHIPS CO Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103700648B

Abstract

本发明涉及一种用于高温电路的金属互连结构及制备方法，其包括衬底及、场氧层、多晶硅栅结构、有绝缘介质层及接触孔；接触孔内填充有阻挡缓冲层及插塞，阻挡缓冲层包覆插塞，阻挡缓冲层覆盖在接触孔的侧壁及接触孔的底部，且阻挡缓冲层还覆盖在绝缘介质层上；阻挡缓冲层上设置有金属层，所述金属层与插塞电连接，金属层上设有抗反射层；金属层内设有第二介质填充孔，所述第二介质填充孔贯通抗反射层及金属层，第二介质填充孔内填充有金属间介质层，且金属间介质层覆盖在抗反射层上。本发明结构简单紧凑，能在高温应用环境下抑制金属互连结构电迁移失效，使得集成电路在高温应用环境下具有较长的使用寿命，工艺步骤简单方便，安全可靠。

Description

用于高温电路的金属互连结构及制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属互连结构及制备方法，尤其是一种用于高温电路的金属互连结构及制备方法，属于集成电路的技术领域。

背景技术

在集成电路中，金属互联结构主要用于单管器件、电路模块之间的电学连接作用，通常情况下，金属互联结构由通孔和金属（Al或者Al合金材料等）构成。整个电路中拥有大量的通孔和金属互联线，连接每个金属层、器件层，形成整个电路的信号和电源网络，使电路能够正常工作。

在高温环境下，通孔内的金属材料和金属层受到激活能的影响，抗电迁移能力减弱，尤其在金属台阶处，由于金属覆盖性问题导致的金属层减薄，电流密度增加，在该位置上电迁移问题更为严重。

在传统的CMOS集成电路工艺中，金属互联通常由金属Al-Si-Cu和填充在通孔中Al-Si-Cu材料形成。其主要形成工艺流程图1~5所示：

第1步、如图1所示，衬底1先经过热氧化形成场氧层2，在衬底1的有源区淀积多晶硅材料，通过光刻腐蚀形成多晶硅栅结构3；

第2步、如图2所示，进行绝缘介质材料淀积，形成绝缘介质层4，对绝缘介质层4光刻腐蚀后形成接触孔11；

第3步、如图3所示，进行阻挡缓冲层5淀积，接着进行金属材料淀积，形成金属层6；金属层6的材料为Al-Si-Cu；阻挡缓冲层5的材料为TiN。

第4步、如图4所示，涂布光刻胶7，通过光刻显影，得到若干窗口12，窗口12贯通光刻胶7，以在金属层6的正上方形成金属条图形；

第5步、如图5所示，利用窗口12，通过金属腐蚀工艺，将金属层6被显影的部分刻蚀掉，即得到第一介质填充孔13，同时形成金属互联结构；

第6步、如图-6所示，采用PECVD方式淀积得到金属间间介质层8。

通过以上主要的六个工艺过程形成了一层通孔和金属的互联结构，其余金属层互联结构的工艺过程与此类似。由于高温应用环境下，由于在接触孔台阶处的强大电流密度，易造成该处的金属断路，并在其他连线处形成短路，导致整个电路电流增加、功能失效。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于高温电路的金属互连结构及制备方法，其结构简单紧凑，能在高温应用环境下抑制金属互连结构电迁移失效，使得集成电路在高温应用环境下具有较长的使用寿命，工艺步骤简单方便，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述用于高温电路的金属互连结构，包括衬底及位于所述衬底上的场氧层与多晶硅栅结构；所述场氧层及多晶硅栅结构上均覆盖有绝缘介质层，所述绝缘介质层内设有贯通所述绝缘介质层的接触孔；所述接触孔内填充有阻挡缓冲层及插塞，阻挡缓冲层包覆插塞，阻挡缓冲层覆盖在接触孔的侧壁及接触孔的底部，且阻挡缓冲层还覆盖在绝缘介质层上；阻挡缓冲层上设置有金属层，所述金属层与插塞电连接，金属层上设有抗反射层；金属层内设有第二介质填充孔，所述第二介质填充孔贯通抗反射层及金属层，第二介质填充孔内填充有金属间介质层，且金属间介质层覆盖在抗反射层上。

所述金属间介质层内涂布设置有SOG块，在所述金属间介质层及SOG块上覆盖有钝化介质层。

所述插塞的材料包括钨。所述阻挡缓冲层及抗反射层均为TiN层，抗反射层的厚度为10~30nm。

一种用于高温电路的金属互连结构的制备方法，所述金属互连结构的制备方法包括如下步骤：

a、提供衬底并在所述衬底上热氧化形成场氧层，并在衬底的有源区设置多晶硅栅结构；

b、在上述衬底上淀积设置绝缘介质层，选择性地掩蔽和刻蚀所述绝缘介质层，以在绝缘介质层内得到接触孔，所述接触孔贯通绝缘介质层，且接触孔位于衬底有源区的正上方；

c、在上述绝缘介质层上淀积设置阻挡缓冲层，所述阻挡缓冲层覆盖在绝缘介质层上并覆盖在接触孔的侧壁及底壁；

d、在上述设置有阻挡缓冲层的接触孔内淀积插塞材料层，所述插塞材料层填充在接触孔内并覆盖在阻挡缓冲层上；选择性地掩蔽和刻蚀所述插塞材料层，去除阻挡缓冲层上的插塞材料层，得到位于接触孔内的插塞；

e、在上述阻挡缓冲层上淀积得到金属层，并在所述金属层上淀积抗反射层；

f、选择性地掩蔽和刻蚀抗反射层及金属层，以得到第二介质填充孔，所述第二介质填充孔贯通抗反射层及金属层；

g、在上述第二介质填充孔内填充设置金属间介质层，所述金属间介质层填充在介质层填充孔内，并覆盖在抗反射层上。

还包括如下步骤：

h、在金属间介质层上涂布SOG材料，以在金属介质层上得到SOG层；

i、对SOG层平坦化，得到位于金属间介质层内的SOG块；

j、在上述金属介质层间淀积设置钝化介质层，所述钝化介质层覆盖在金属间介质层及SOG块上。

所述绝缘介质层通过PECVD或APCVD淀积在衬底上方，绝缘介质层的厚度为800~1200nm。

所述插塞材料包括钨，淀积的插塞材料层厚度为400~700nm。所述金属层为Al-Si-Cu，金属层的厚度为450~650nm。

所述金属间介质层的厚度为320~480nm；在金属间介质层上采用旋涂方式进行两次SOG材料涂布，每次涂布SOG材料的厚度为180~200nm；钝化介质层的厚度为300~500nm。

本发明的优点：在接触孔内设置阻挡缓冲层及插塞，通过阻挡缓冲层及插塞配合实现抗电迁移能力，结构简单紧凑，能在高温应用环境下抑制金属互连结构电迁移失效，使得集成电路在高温应用环境下具有较长的使用寿命，工艺步骤简单方便，安全可靠。

附图说明

图1~图6为现有金属互连结构的具体实施工艺步骤剖视图，其中

图1为在衬底上设置场氧层及多晶硅栅结构后的剖视图。

图2为在衬底上设置绝缘介质层并得到接触孔后的剖视图。

图3为在绝缘介质层上设置阻挡缓冲层及金属层后的剖视图。

图4为在金属层上涂布光刻胶并形成金属条图形后的剖视图。

图5为在金属层内得到第一介质填充孔后的剖视图。

图6为在第一介质填充孔内填充金属间介质层后的剖视图。

图7~图13为本发明金属互连结构的具体实施工艺步骤剖视图，其中

图7为本发明在衬底上设置场氧层及多晶硅栅结构后的剖视图。

图8为本发明在衬底上设置绝缘介质层并得到接触孔后的剖视图。

图9为本发明在接触孔内设置阻挡缓冲层及插塞后的剖视图。

图10为本发明在阻挡缓冲层上设置金属层及抗反射层后的剖视图。

图11为本发明得到第二介质填充孔后的剖视图。

图12为本发明在金属间介质层上涂布得到SOG层后的剖视图。

图13为本发明得到钝化介质层后的剖视图。

附图标记说明：1-衬底、2-场氧层、3-多晶硅栅结构、4-绝缘介质层、5-阻挡缓冲层、6-金属层、7-光刻胶、8-金属间介质层、9-插塞、10-SOG块、11-接触孔、12-窗口、13-第一介质填充孔、14-抗反射层、15-第二介质填充孔、16-钝化介质层及17-SOG层。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图13所示：为了能在高温应用环境下抑制金属互连结构电迁移失效，使得集成电路在高温应用环境下具有较长的使用寿命，本发明包括衬底1及位于所述衬底1上的场氧层2与多晶硅栅结构3；所述场氧层2及多晶硅栅结构3上均覆盖有绝缘介质层4，所述绝缘介质层4内设有贯通所述绝缘介质层4的接触孔11；所述接触孔11内填充有阻挡缓冲层5及插塞9，阻挡缓冲层5包覆插塞9，阻挡缓冲层5覆盖在接触孔11的侧壁及接触孔11的底部，且阻挡缓冲层5还覆盖在绝缘介质层4上；阻挡缓冲层5上设置有金属层6，所述金属层6与插塞9电连接，金属层6上设有抗反射层14；金属层6内设有第二介质填充孔15，所述第二介质填充孔15贯通抗反射层14及金属层6，第二介质填充孔15内填充有金属间介质层8，且金属间介质层8覆盖在抗反射层14上。

具体地，所述插塞9的材料包括钨。在接触孔11内设置阻挡缓冲层5及插塞9，能够实现抗电迁移能力，能够在高温应用环境条件下，抑制金属电迁移，提高电路高温工作寿命。

进一步，所述金属间介质层8内涂布设置有SOG块10，在所述金属间介质层8及SOG块10上覆盖有钝化介质层16。

所述阻挡缓冲层5及抗反射层14均为TiN层，抗反射层14的厚度为10~30nm。

如图7~图13所示，一种用于高温电路的金属互连结构的制备方法，所述金属互连结构的制备方法包括如下步骤：

a、提供衬底1并在所述衬底1上热氧化形成场氧层2，并在衬底1的有源区设置多晶硅栅结构3；

如图7所示，所述衬底1可以采用体硅或SOI（Silicon-On-Insulator），衬底1的厚度为SEMI标准厚度。在衬底1上通过热氧化形成场氧层2并在衬底1的有源区设置多晶硅栅结构3均可采用现有常用的工艺步骤，其中，场氧层2位于多晶硅栅结构3的外圈，多晶硅栅结构3的厚度为300~400nm。

b、在上述衬底1上淀积设置绝缘介质层4，选择性地掩蔽和刻蚀所述绝缘介质层4，以在绝缘介质层4内得到接触孔11，所述接触孔11贯通绝缘介质层4，且接触孔11位于衬底1有源区的正上方；

如图8所示：所述绝缘介质层4通过PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）或APCVD（常压化学气相淀积）淀积在衬底1上方，绝缘介质层4的厚度为800~1200nm。绝缘介质层4可以采用BPSG（硼磷硅玻璃，boro-phospho-silicate-glass）材料。本发明实施例中，在得到绝缘介质层4后，通过在绝缘介质层4上涂布光刻胶，光刻显影后进行接触孔刻蚀，以在绝缘介质层4内得到接触孔11，接触孔11的底部为衬底1的表面。在绝缘介质层4内得到接触孔11可以采用常规的工艺步骤，具体过程不再赘述。

c、在上述绝缘介质层4上淀积设置阻挡缓冲层5，所述阻挡缓冲层5覆盖在绝缘介质层4上并覆盖在接触孔11的侧壁及底壁；

本发明实施例中，阻挡缓冲层5为TiN层，在淀积阻挡缓冲层5后，阻挡缓冲层5会覆盖接触孔11的侧壁及底壁，并覆盖在绝缘介质层5上。

d、在上述设置有阻挡缓冲层5的接触孔11内淀积插塞材料层，所述插塞材料层填充在接触孔11内并覆盖在阻挡缓冲层5上；选择性地掩蔽和刻蚀所述插塞材料层，去除阻挡缓冲层5上的插塞材料层，得到位于接触孔11内的插塞9；

如图9所示：通过PECVD进行插塞材料层电极，插塞材料层采用钨，插塞材料层的厚度为400~700nm，在得到插塞材料层后，采用各向异性钨腐蚀，将覆盖在阻挡缓冲层5上的插塞材料层刻蚀掉，得到仅位于接触孔11内的插塞9，此时，阻挡缓冲层5包覆插塞9。在具体实施时，采用各向异性钨腐蚀时，按照过腐蚀10%~20%，以确保仅得到位于接触孔11内的插塞9。

e、在上述阻挡缓冲层5上淀积得到金属层6，并在所述金属层6上淀积抗反射层14；

如图10所示：所述金属层6为Al-Si-Cu，金属层6的厚度为450~650nm；抗反射层14的厚度为10~30nm，抗反射层14的材料也为TiN。金属层6与插塞9电连接，金属层6与阻挡缓冲层5共同形成金属体。

f、选择性地掩蔽和刻蚀抗反射层14及金属层6，以得到第二介质填充孔15，所述第二介质填充孔15贯通抗反射层14及金属层6；

如图11所示：为了能够形成第二介质填充孔15，可以在抗反射层14上涂布光刻胶，通过对光刻胶进行光刻显影，得到金属条图形，利用所述金属条图形对与所述金属条图像对应的抗反射层14及金属层6刻蚀去掉，从而得到第二介质填充孔15；进一步地，第二介质填充孔15不在插塞9的上方，即保留与插塞9连接的金属层6及抗反射层14。

g、在上述第二介质填充孔15内填充设置金属间介质层8，所述金属间介质层8填充在介质层填充孔15内，并覆盖在抗反射层14上。

采用PECVD工艺淀积金属间介质层（IMD）8。

还包括如下步骤：

h、在金属间介质层8上涂布SOG材料，以在金属介质层8上得到SOG层17；

i、对SOG层17平坦化，得到位于金属间介质层8内的SOG块10；本发明实施例中，采用常规的工艺对SOG层17进行平坦化，SOG块10填充在金属间介质层8的凹槽内。

j、在上述金属介质层8间淀积设置钝化介质层16，所述钝化介质层16覆盖在金属间介质层8及SOG块10上。本发明实施例中，钝化介质层16的材料可以与金属间介质层8相同。

如图12和图13所示：所述金属间介质层8的厚度为320~480nm；在金属间介质层8上采用旋涂方式进行两次SOG材料涂布，每次涂布SOG（spin on glass coating）材料的厚度为180~200nm；钝化介质层16的厚度为300~500nm。

通过上述工艺步骤后，能够得到用于高温电路的金属互连结构。在形成金属互连结构后，还可以根据具体的工艺要求制造其余的结构，此处不再赘述。

本发明在接触孔11内设置阻挡缓冲层5及插塞9，通过阻挡缓冲层5及插塞9配合实现抗电迁移能力，结构简单紧凑，能在高温应用环境下抑制金属互连结构电迁移失效，使得集成电路在高温应用环境下具有较长的使用寿命，工艺步骤简单方便，安全可靠。

Claims

1.一种用于高温电路的金属互连结构，包括衬底（1）及位于所述衬底（1）上的场氧层（2）与多晶硅栅结构（3）；所述场氧层（2）及多晶硅栅结构（3）上均覆盖有绝缘介质层（4），所述绝缘介质层（4）内设有贯通所述绝缘介质层（4）的接触孔（11）；其特征是：所述接触孔（11）内填充有阻挡缓冲层（5）及插塞（9），阻挡缓冲层（5）包覆插塞（9），阻挡缓冲层（5）覆盖在接触孔（11）的侧壁及接触孔（11）的底部，且阻挡缓冲层（5）还覆盖在绝缘介质层（4）上；阻挡缓冲层（5）上设置有金属层（6），所述金属层（6）与插塞（9）电连接，金属层（6）上设有抗反射层（14）；金属层（6）内设有第二介质填充孔（15），所述第二介质填充孔（15）贯通抗反射层（14）及金属层（6），第二介质填充孔（15）内填充有金属间介质层（8），且金属间介质层（8）覆盖在抗反射层（14）上。

2.根据权利要求1所述的用于高温电路的金属互连结构，其特征是：所述金属间介质层（8）内涂布设置有SOG块（10），在所述金属间介质层（8）及SOG块（10）上覆盖有钝化介质层（16）。

3.根据权利要求1所述的用于高温电路的金属互连结构，其特征是：所述插塞（9）的材料包括钨。

4.根据权利要求1所述的用于高温电路的金属互连结构，其特征是：所述阻挡缓冲层（5）及抗反射层（14）均为TiN层，抗反射层（14）的厚度为10~30nm。

5.一种用于高温电路的金属互连结构的制备方法，其特征，所述金属互连结构的制备方法包括如下步骤：

（a）、提供衬底（1）并在所述衬底（1）上热氧化形成场氧层（2），并在衬底（1）的有源区设置多晶硅栅结构（3）；

（b）、在上述衬底（1）上淀积设置绝缘介质层（4），选择性地掩蔽和刻蚀所述绝缘介质层（4），以在绝缘介质层（4）内得到接触孔（11），所述接触孔（11）贯通绝缘介质层（4），且接触孔（11）位于衬底（1）有源区的正上方；

（c）、在上述绝缘介质层（4）上淀积设置阻挡缓冲层（5），所述阻挡缓冲层（5）覆盖在绝缘介质层（4）上并覆盖在接触孔（11）的侧壁及底壁；

（d）、在上述设置有阻挡缓冲层（5）的接触孔（11）内淀积插塞材料层，所述插塞材料层填充在接触孔（11）内并覆盖在阻挡缓冲层（5）上；选择性地掩蔽和刻蚀所述插塞材料层，去除阻挡缓冲层（5）上的插塞材料层，得到位于接触孔（11）内的插塞（9）；

（e）、在上述阻挡缓冲层（5）上淀积得到金属层（6），并在所述金属层（6）上淀积抗反射层（14）；

（f）、选择性地掩蔽和刻蚀抗反射层（14）及金属层（6），以得到第二介质填充孔（15），所述第二介质填充孔（15）贯通抗反射层（14）及金属层（6）；

（g）、在上述第二介质填充孔（15）内填充设置金属间介质层（8），所述金属间介质层（8）填充在介质层填充孔（15）内，并覆盖在抗反射层（14）上。

6.根据权利要求5所述用于高温电路的金属互连结构的制备方法，其特征是，还包括如下步骤：

（h）、在金属间介质层（8）上涂布SOG材料，以在金属介质层（8）上得到SOG层（17）；

（i）、对SOG层（17）平坦化，得到位于金属间介质层（8）内的SOG块（10）；

（j）、在上述金属介质层（8）间淀积设置钝化介质层（16），所述钝化介质层（16）覆盖在金属间介质层（8）及SOG块（10）上。

7.根据权利要求5所述用于高温电路的金属互连结构的制备方法，其特征是：所述绝缘介质层（4）通过PECVD或APCVD淀积在衬底（1）上方，绝缘介质层（4）的厚度为800~1200nm。

8.根据权利要求5所述用于高温电路的金属互连结构的制备方法，其特征是：所述插塞材料包括钨，淀积的插塞材料层厚度为400~700nm。

9.根据权利要求5所述用于高温电路的金属互连结构的制备方法，其特征是，所述金属层（6）为Al-Si-Cu，金属层（6）的厚度为450~650nm。

10.根据权利要求6所述用于高温电路的金属互连结构的制备方法，其特征是：所述金属间介质层（8）的厚度为320~480nm；在金属间介质层（8）上采用旋涂方式进行两次SOG材料涂布，每次涂布SOG材料的厚度为180~200nm；钝化介质层（16）的厚度为300~500nm。