CN104299958B - 互连结构及互连结构的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种互连结构及互连结构的形成方法，其中互连结构的形成方法包括：提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层；在所述介质层中形成开口，所述开口底部露出所述半导体基底表面；在所述开口内形成填充满开口的金属层，所述金属层表面与介质层顶部平齐；在所述金属层和所述介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC；在所述第一帽层表面形成第二帽层。本发明减小了互连结构中出现铜堆积现象的概率，提高了互连结构的电迁移寿命及可靠性。

Description

互连结构及互连结构的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及互连结构及互连结构的形成方法。

背景技术

随着超大规模集成电路工艺技术的不断进步，半导体器件的特征尺寸不断缩小，半导体器件的性能越来越强。然而，随着半导体尺寸的不断缩小，越来越小的互连结构中承载越来越高的电流，且互连结构的响应时间要求越来越短，传统铝互连结构已经不能满足要求。与铝相比，金属铜的电阻率更低且抗电迁移性更好，铜互连结构可以降低互连结构的电阻电容（RC）延迟，改善电迁移，提高器件的可靠性。因此，铜互连技术取代铝互连技术成为发展趋势。

然而，铜互连技术也有其缺陷。金属铜具有高迁移率，在硅及硅氧化物以及大部分介质材料中扩散非常快。一旦铜扩散进入半导体基底或介质层中，会影响器件的少数载流子寿命和结的漏电流，引起电路失效，可靠性下降。

为解决铜扩散的问题，现有技术通常在金属层以及介质层表面形成SiCN作为帽层，以阻挡铜扩散至上层介质层中。

尽管SiCN作为互连结构的帽层，在一定程度上可以减少铜扩散，但是现有技术形成的互连结构，仍然存在铜扩散的问题，且形成的互连结构中存在铜堆积（hillocks）现象，导致互连结构的性能差甚至造成器件失效。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种优化的互连结构及互连结构的形成方法，避免互连结构中铜堆积现象的出现，提高互连结构的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种互连结构的形成方法，包括：提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层；在所述介质层中形成开口，所述开口底部露出所述半导体基底表面；在所述开口内形成填充满开口的金属层，所述金属层表面与介质层顶部平齐；在所述金属层和所述介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC；在所述第一帽层表面形成第二帽层。

可选的，所述第一帽层的厚度为20埃至100埃。

可选的，所述第一帽层的形成工艺为等离子体化学气相沉积。

可选的，所述等离子体化学气相沉积的反应气体包括硼源气体和硅源气体，沉积工艺在He氛围中进行。

可选的，所述硼源气体为三甲基硼。

可选的，所述硅源气体为三甲基硅烷或四甲基硅烷中的一种或两种。

可选的，所述第一帽层的形成工艺参数为：沉积硅源气体的流量为200sccm至5000sccm，硼源气体的流量为200sccm至5000sccm，He的流量为500sccm至10000sccm，沉积高频射频功率为300瓦至3000瓦，沉积低频射频功率为300瓦至3000瓦，沉积反应腔室压强为1毫托至100托，沉积温度为200度至450度。

可选的，所述第二帽层的材料为SiCN或SiN。

可选的，所述第二帽层的厚度为50埃至500埃。

可选的，所述介质层为单层结构或多层结构。

可选的，所述介质层为单层结构时，所述介质层包括位于半导体基底表面的电介质层；所述介质层为双层结构时，所述介质层包括：位于半导体基底表面的刻蚀停止层和位于刻蚀停止层表面的电介质层。

可选的，所述电介质层的材料为SiO₂或低k介质材料。

可选的，所述低k介质材料为SiCOH、FSG、BSG、PSG或BPSG中的一种或几种。

可选的，所述金属层为单层结构或多层结构。

可选的，所述金属层为单层结构时，所述金属层包括位于开口底部和侧壁的金属体层；所述金属层为多层结构时，所述金属层包括：位于开口底部和侧壁的阻挡层、位于阻挡层表面的籽晶层和位于籽晶层表面的金属体层。

可选的，所述阻挡层的材料为Ti、Ta、W、TiN、TaN、TiSiN、TaSiN、WN或WC中的一种或几种。

可选的，所述金属体层的材料为Cu。

本发明还提供一种互连结构，包括：半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有填充满所述开口的金属层；第一帽层，所述第一帽层覆盖所述介质层和所述金属层，所述第一帽层的材料为SiBC；第二帽层，所述第二帽层位于第一帽层表面。

可选的，所述第二帽层的材料为SiCN、SiC或SiN中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供一种互连结构的形成方法，其中，在互连结构的金属层和介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC，所述第一帽层与金属层直接接触。在第一帽层形成工艺中存在含硼基团和含碳基团，所述基团均不会与金属层中的Cu发生反应。因此，在形成第一帽层的工艺过程中，金属层中的Cu不会被电离形成铜的化合物，减少了铜堆积现象的出现，改善了互连结构的电迁移特性，互连结构的性能得到提高。

而现有技术中，SiCN作为帽层直接与金属层接触，SiCN的形成工艺中存在NH₃基团，NH₃基团在帽层形成工艺的电场激励下，易与金属层中的Cu发生反应生成CuN，导致部分Cu被电离，电离后Cu离子具有更低的活化能，更容易发生扩散。因此现有技术形成的互连结构的抗电迁移能力低，容易出现铜堆积现象，互连结构的性能低下。

进一步的，所述第一帽层的形成工艺中的反应气体包括硼源气体，所述硼源气体为三甲基硼。三甲基硼在第一帽层的形成工艺中会分解出含碳基团，所述含碳基团为甲基团（CH₃-），甲基团起到保护介质层的作用，减小介质层受到损伤而造成介电常数增大的概率，从而避免互连结构的RC延迟变大，提高了互连结构的性能。

这是因为，当介质层的材料为SiCOH等低k介质材料时，低k介质材料大多为含有甲基团的多孔材料。由于低k介质材料本身具有多孔疏松的特性，介质层易受互连结构中的形成工艺影响，介质层中的甲基团被部分消耗，导致介质层的材料发生膨胀，其介电常数增大，互连结构的RC延迟增大。而在本发明中，所述第一帽层的形成工艺中的反应气体包括三甲基硼，三甲基硼分解后的甲基团可以为低k介质材料提供甲基团，将损失的甲基团弥补回来，且为介质层提供足够的甲基团，对介质层起到修复和保护的作用。

再进一步的，第一帽层的材料与金属层中的Cu粘附性好，在界面处不易发生Cu脱落现象；且第一帽层与第二帽层间也具有良好的粘附性，第一帽层为金属层和第二帽层提供了良好的界面态，有助于阻挡金属层中的Cu扩散至不期望区域，同时可以有效阻挡空气中的O₂沿界面处扩散至互连结构中，避免了金属层中的Cu被氧化，提高了互连结构的可靠性。

更进一步的，在第一帽层表面形成第二帽层，第二帽层的材料为SiCN或SiN。第二帽层的形成可以进一步阻挡金属层中的Cu扩散至介质层中，进一步阻挡空气中的O₂进入互连结构中，进一步的改善互连结构的电迁移特性。

本发明还提供一种互连结构，其中，在金属层和介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC，在第一帽层的表面形成第二帽层。所述第一帽层与金属层间的粘附性强，二者间的界面态良好，有助于阻挡金属层中的Cu扩散和空气中的O₂扩散至不期望区域，提高互连结构的可靠性，优化互连结构的电迁移特性。

进一步的，在第一帽层的表面形成第二帽层，所述第二帽层的材料为SiCN、SiC或SiN中的一种或几种。第二帽层可以进一步阻挡金属层中的Cu扩散，阻挡空气中的O₂扩散；且第二帽层与第一帽层间具有较强的附着性，减小了界面缺陷，从而使得阻挡Cu扩散和O₂扩散的性能更优越，互连结构的电迁移寿命得到进一步提高。

附图说明

图1为本发明一实施例互连结构形成方法的过程示意图；

图2至图10为本发明另一实施例互连结构形成过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术形成的互连结构铜堆积存在铜堆积问题，形成的互连结构性能低下。

为解决上述问题，针对互连结构的形成工艺进行研究，请参考图1：步骤S1、提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层；步骤S2、在所述介质层中形成开口，所述开口底部露出所述半导体基底表面；步骤S3、在所述开口内形成填充满开口的金属层，所述金属层表面与介质层顶部平齐；步骤S4、在所述金属层和介质层表面形成帽层，所述帽层的材料为SiCN或SiN。

SiCN或SiN的相对介电常数小（SiCN其相对介电常数为4至5.5），不会增加互连结构的RC延迟。因此，互连结构形成方法中，多采用SiCN或SiN作为帽层。所述帽层的形成，在一定程度上可以阻挡铜的扩散。

针对互连结构的形成工艺进行进一步的研究发现，互连结构中某些区域出现了铜堆积现象，而另一些区域相应的出现了诱生空洞，这些现象造成互连结构的性能低下；情况严重的，铜堆积会导致互连结构发生短路，诱生空洞会导致互连结构发生开路，造成互连结构性能失效。

以帽层的材料为SiCN为例，分析互连结构中出现铜堆积现象的原因如下：

帽层的形成工艺为等离子体化学气相沉积（Plasma Chemical VaporDeposition，PCVD），沉积工艺中的反应气体包括三甲基硅烷（（CH₃）₃SiH，3MS）或四甲基硅烷（（CH₃）₄Si，4MS）中的一种或两种，反应气体还包括NH₃。

等离子体化学气相沉积形成SiCN工艺过程中，首先向沉积反应腔室通入反应气体NH₃进行预处理。在沉积工艺的高频或直流电场激励下，NH₃被电离形成等离子体，该等离子体中含有大量的高能量电子。该高能量电子与金属层中的Cu发生碰撞，促使金属层中Cu的金属键断裂，Cu与NH₃发生化学反应生成CuN，形成电离的Cu。Cu被电离后具有很低的活化能，Cu的迁移率较电离前的迁移率更大，导致金属层中的Cu更易发生扩散。

因此，受沉积工艺中反应气体NH₃的影响，金属层中存在具有低活化能的电离Cu，Cu离子沿着电子运动反方向进行迁移的量显著增多，即电迁移增大。电迁移增大会使得互连结构中因Cu离子的迁移在局部区域出现铜堆积，相应的，另外一些区域因Cu离子缺失会出现诱生空洞。铜堆积和诱生空洞会导致互连结构出现开路或短路，造成互连结构性能退化，严重的导致互连结构失效。

帽层的材料为SiN时，SiN的形成工艺中也存在易与Cu结合形成CuN的NH₃，也会造成铜堆积现象的出现。

为解决上述问题，本发明提供一种优化的互连结构的形成方法，在金属层和电介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC，在所述第一帽层表面形成第二帽层。

所述第一帽层的形成工艺中不存在易与金属层中的Cu发生反应的基团，因此第一帽层的形成工艺对金属层中的Cu无不良影响，且第一帽层的形成，避免了后续第二帽层形成工艺中的NH₃与金属层中的Cu直接接触，避免Cu与NH₃发生反应形成大量具有低活化能的Cu离子，从而避免了铜堆积的出现对互连结构性能造成影响，互连结构的性能得到提高；且SiBC作为第一帽层材料，与金属层的Cu之间粘附性好，不易发生脱落，能够有效的阻止铜扩散和空气中的O₂扩散；所述第二帽层与第一帽层间粘附性好，可以进一步的阻挡金属层中的Cu扩散至不期望区域，进一步的阻挡空气中的O₂扩散至互连结构中。

本发明还提供一种优化的互连结构，在金属层和介质层表面形成有第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC，在第一帽层表面形成有第二帽层。所述互连结构的金属层与第一帽层间、第一帽层和第二帽层间，均具有良好的界面态，能有效的阻挡互连结构中的Cu扩散至不期望的区域，且阻挡空气中的O₂扩散至互连结构中，互连结构的电迁移寿命长，可靠性高。

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

图2至图10为本发明一实施例互连结构形成过程的剖面结构示意图。

请参考图2，提供半导体基底100，所述半导体基底100表面形成有介质层。

所述半导体基底100的材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述半导体基底100的材料也可以为硅锗化合物或绝缘体上硅（SOI，Silicon On Insulator）。

所述半导体基底100中可以形成有半导体器件，如MOS晶体管。在所述半导体衬底100上还可以形成有金属布线层，所述金属布线层用于与待形成的互连结构相连，也可用于后续形成的互连结构与外部或其他金属层的电连接。

所述介质层可以为单层结构，也可以为多层结构。

所述介质层为单层结构时，所述介质层包括位于半导体基底表面的电介质层。

本发明的实施例以所述介质层为多层结构作示范性说明。所述介质层包括：位于半导体基底100表面的刻蚀停止层101和位于刻蚀停止层101表面的电介质层102。

所述刻蚀停止层101的材料为SiN、SiC、SiOCN或SiCN中的一种或几种。

所述刻蚀停止层101的形成工艺可以为化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积。

所述电介质层102的材料为SiO₂或低k介质材料（低k介质材料指相对介电常数低于3.9的介质材料）。

所述低k介质材料为SiCOH、FSG（掺氟的二氧化硅）、BSG（掺硼的二氧化硅）、PSG（掺磷的二氧化硅）或BPSG（掺硼磷的二氧化硅）。所述低k介质材料多为含有甲基团的多孔材料。

采用低k介质材料作为互连结构的电介质层材料，可以降低互连结构的RC延迟。

所述电介质层102的形成工艺为化学气相沉积或旋转涂覆工艺。

本实施例中，所述刻蚀停止层101的材料为SiCN，所述刻蚀停止层101的厚度为150埃至500埃。所述电介质层102的材料为SiCOH，采用等离子化学气相沉积形成所述电介质层102。

后续会在电介质层102和刻蚀停止层101中形成开口，所述开口可以为双大马士革开口，也可以为单大马士革开口。

本实施例中以所述开口为双大马士革开口作示范性说明。

请参考图3，在电介质层102表面形成第一掩膜层103，所述第一掩膜层103具有第一开口201，所述第一开口201宽度与后续形成的沟槽宽度一致。

请参考图4，以第一掩膜层103（请参考图3）为掩膜版，沿第一开口201（请参考图3）刻蚀电介质层102，形成沟槽202，去除第一掩膜层103。

请参考图5，在所述沟槽202（请参考图4）底部和侧壁以及电介质层102表面形成第二掩膜层104，所述第二掩膜层104具有第二开口203，所述第二开口203宽度与后续形成的通孔宽度一致，第二开口203露出沟槽202的底部表面。

请参考图6，以第二掩膜层104（请参考图5）为掩膜版，沿第二开口203（请参考图5）刻蚀电介质层102和刻蚀停止层101至露出半导体基底100的表面，形成通孔204，去除第二掩膜层104。

所述沟槽202和所述通孔204构成双大马士革开口。所述沟槽202和所述通孔204的深度和宽度可以根据工艺需要进行调节。

需要说明的是，本实施例中，双大马士革开口的形成是先形成沟槽202，再形成通孔204；在本发明另一实施例中，也可以先形成通孔，再形成沟槽，不应过分限制本发明的保护范围。

请参考图7，在所述双大马士革开口（请参考图6）内形成填充满开口且覆盖电介质层102的金属层。

所述金属层可以为单层结构，也可以为多层结构。

所述金属层为单层结构时，所述金属层包括填充满开口且覆盖电介质层的金属体层。

本发明实施例以所述金属层为多层结构作示范性说明。所述金属层包括：位于开口底部和侧壁且覆盖电介质层102的阻挡层105、位于阻挡层105表面的籽晶层106和位于籽晶层106表面的金属体层107。

所述阻挡层105可以防止籽晶层106和金属体层107中的Cu向半导体基底100或电介质层102中扩散造成污染，提高互连结构的性能；且阻挡层105可以为籽晶层106的形成提供良好的界面态，使得形成的籽晶层106与阻挡层105具有较高的粘附性。

所述阻挡层105的材料为Ti、Ta、W、TiN、TaN、TiSiN、TaSiN、WN或WC中的一种或几种。所述阻挡层105可以为单层结构，也可以为多层结构。

所述阻挡层105的形成工艺可以为化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等工艺。

本实施例中，所述阻挡层105的材料为Ta，所述阻挡层105的厚度为10埃至500埃。采用物理气相沉积工艺形成所述阻挡层105。

所述籽晶层106作为后续金属体层形成的电镀工艺中的阴极，为后续形成金属体层作准备；所述籽晶层106也可以为后续形成金属体层提供良好的界面态，有助于形成于籽晶层106紧密粘结的金属体层，改善互连结构的电迁移。

所述籽晶层106可以为单层结构，也可以为由晶粒直径不同的小晶粒层和大晶粒层构成的多层结构。选用多层结构时，小晶粒层在大晶粒层之下，可以提高籽晶层106与阻挡层105之间的粘附性。

所述籽晶层106的形成工艺为物理气相沉积或化学气相沉积。

本实施例中，所述籽晶层106的形成工艺为物理气相沉积，与所述阻挡层105在同一个物理气相沉积设备内完成，所述籽晶层106的厚度为10埃至200埃。

所述金属体层107的材料为Cu，所述金属体层107的形成工艺为物理气相沉积或电镀法。

本实施例中，采用电镀法形成所述金属体层107。

将所述半导体基底100转移至电镀反应池中，电镀形成金属体层107。在电镀的过程中，金属铜填充满所述开口，另外部分金属铜溢出开口覆盖在所述籽晶层106表面，形成块铜。

所述电镀反应池中有电镀溶液、金属铜阳极和电源正负极。

所述电镀溶液主要由硫酸铜、硫酸和水组成，所述电镀溶液中还包含有催化剂、抑制剂、调整剂等多种添加剂。

所述电镀的过程为：所述籽晶层106连接电源的负极，所述金属铜阳极连接电源的正极，位于所述金属铜阳极上的铜原子发生氧化反应形成金属铜离子，位于所述籽晶层106表面附近的金属铜离子发生还原反应，生成的铜原子沉积在所述籽晶层106表面形成铜金属体层107。

请参考图8，研磨所述金属层至露出电介质层102的顶部。

本实施例中，采用化学机械研磨（CMP）的工艺，研磨所述金属层至露出电介质层102的顶部。

请参考图9，在所述金属层和所述电介质层102表面形成第一帽层108，所述第一帽层108的材料为SiBC。

所述第一帽层108的形成有以下好处：

首先，所述第一帽层108的材料为SiBC，SiBC的形成工艺中不存在易与金属层中的Cu发生反应的基团。因此，SiBC的形成工艺，不会造成金属层中的Cu发生电离，金属层中Cu的活化能高。在互连结构接入电流后，金属层中的Cu由于具有较高的活化能不易发生扩散，金属层中出现铜堆积现象的概率减小，互连结构的电迁移寿命得到提高，性能更优越；且SiBC与金属层中的Cu粘附性好，二者间界面态良好，金属层中的Cu与SiBC接触紧密，能够减少Cu沿有界面处扩散至不期望区域，减少空气中的O₂扩散进入互连结构中。

其次，后续会在第一帽层108表面形成第二帽层，第一帽层108与第二帽层也具有良好的粘附性，可以为金属层和第二帽层提供良好的界面态，增强阻挡金属层中Cu扩散的能力，增强阻挡空气中O₂扩散至互连结构的能力。且后续第二帽层的形成工艺中有等离子体氨，所述等离子体氨易造成Cu发生电离，电离后的Cu离子具备更低的活化能，因而更易发生扩散；第一帽层108的形成可以阻挡等离子体氨与金属层中的Cu接触，避免Cu发生电离现象，避免互连结构出现铜堆积的问题，改善互连结构的电迁移寿命，提高互连结构的可靠性。

最后，第一帽层108的材料SiBC具有较小的相对介电常数，对互连结构的RC延迟无影响。

本实施例中，所述第一帽层108的厚度为20埃至100埃。

所述第一帽层108的形成工艺为化学气相沉积。

本发明实施例中，优选采用等离子体化学气相沉积工艺（PCVD）工艺形成所述第一帽层108。

化学气相沉积工艺中的PCVD工艺，其特点是具有较低的反应温度，因此，采用PCVD工艺形成第一帽层108，可以减少金属层中的Cu受热发生严重扩散，从而提高互连结构的可靠性。

具体的，所述PCVD工艺的反应气体包括硅源气体和硼源气体，沉积工艺在He（氦气）氛围中进行。其中，所述硅源气体为3MS或4MS中的一种或两种，所述硼源气体为三甲基硼（（CH₃）₃B，TMB）。

本实施例中，PCVD的工艺参数为：反应气体中3MS或4MS中的一种或两种气体的流量为200sccm至5000sccm，TMB的流量为200sccm至5000sccm，He的流量为500sccm至10000sccm，其中沉积低频射频功率为300瓦至3000瓦，高频射频功率为300瓦至3000瓦，沉积的温度为200度至450度，沉积反应腔室压强为1毫托至100托。

本发明的实施例中，第一帽层108的形成工艺中，硼源气体采用TMB主要有两点好处：

首先，TMB在射频电场激励下会进行分解形成甲基团和含硼基团。甲基团和含硼基团与金属层中的Cu难以结合生成Cu的化合物，金属层中的Cu不会发生电离，因此当互连结构接入电流时，金属层中的铜的抗电迁移能力强，互连结构中不会出现铜堆积现象。

其次，TMB对介质层起到修复和保护的作用。

这是因为，介质层中的电介质层102的材料为低k介质材料时，低k介质材料多为含有甲基团的SiO₂。而低k介质材料本身具备多孔疏松的特性，刻蚀和CMP等工艺容易对低k介质材料造成损伤。具体的，在刻蚀形成开口和CMP工艺完成后，电介质层102中的甲基团会被部分消耗，造成低k介质材料发生膨胀，内部结构发生改变，导致电介质层102的介电常数变大，从而造成互连结构的RC延迟增大。

而本发明的实施例中，第一帽层108的反应气体中包括3MS或4MS，所述3MS或4MS在射频电场激励下分解成甲基团，所述甲基团可以弥补电介质层102中消耗的基团；第一帽层108的反应气体中还包括TMB，TMB在射频电场激励下分解成甲基团，所述甲基团不仅可以弥补电介质层102中消耗的甲基团，还可以为电介质层102提供足量的甲基团，在互连结构的后续形成工艺中，足量的甲基团起到保护电介质层102的作用。

请参考图10，在所述第一帽层108表面形成第二帽层109。

所述第二帽层109可以进一步阻挡金属层中的Cu扩散，进一步阻挡空气中的O₂扩散至互连结构中，且其相对介电常数低，不会对互连结构的RC延迟造成影响。

所述第二帽层109的材料为SiCN或SiN。

本实施例中，所述第二帽层108的材料为SiCN，所述第二帽层109的厚度为50埃至500埃。

所述第二帽层109的形成工艺为化学气相沉积。

优选的，本实施例中，所述第二帽层109的厚度为100埃至300埃。采用PCVD工艺形成所述第二帽层109。

具体的，所述PCVD工艺的反应气体包括硅源气体和氮源气体，沉积工艺在He氛围中进行。其中，所述硅源气体为3MS或4MS中的一种或两种，所述氮源气体为NH₃，反应气体中还可以包括N₂作为载体气体。

本实施例中，形成第二帽层109的PCVD工艺参数为：3MS或4MS中的一种或两种气体流量为200sccm至5000sccm，NH₃和N₂的流量为200sccm至1000sccm，He的流量为500sccm至10000sccm，采用射频PCVD工艺，其中沉积低频射频功率为0瓦至3000瓦，高频射频功率为500瓦至3000瓦，沉积的温度为200度至400度，沉积反应腔室压强为1毫托至100托。

以硅源气体为3MS为例，形成SiCN的反应方程式如下：

(CH₃)₃SiH+NH₃→SiCN+CH₄

具体的，首先向反应腔室内通入反应气体NH₃进行预处理，同时也可以通入N₂作为载体气体，其作用是排出反应腔室内的其他非氮源气体，反应气体NH₃在射频电场激励下电离形成大量等离子体氨，等离子体氨具有高能量电子；然后向反应腔室内通入反应气体3MS，等离子体氨与3MS发生碰撞，高能量电子为NH₃和3MS提供发生反应所需的激活能，促进NH₃和3MS分子的化学键断裂和重新组合，形成SiCN。

本发明实施中，形成第二帽层109之前，在金属层和电介质层102表面形成了第一帽层108。所述第一帽层108可以阻挡SiCN形成工艺中的NH₃与金属层中的Cu接触，避免金属层中的Cu发生电离，减小了金属层中Cu的扩散能力，提高了互连结构的电迁移寿命，提高了互连结构的可靠性。

综上，本发明提供的互连结构的形成方法的技术方案具有以下优点：

本发明实施例中，在金属层和介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC，其形成工艺不会对金属层中的Cu造成损伤，且可以避免后续第二帽层形成工艺对金属层中的Cu造成不良影响，减小互连结构的电迁移，提高互连结构的可靠性。

具体的，本发明的实施例中，SiBC的形成工艺中不存在易与金属层中的Cu发生反应的基团，因此，在形成第一帽层时，金属层中的Cu不会发生电离现象；且形成的第一帽层，阻挡了第二帽层形成工艺中的等离子体氨直接与金属层中的Cu接触。与现有技术相比，本发明实施例提供的互连结构的形成方法，可以有效的减少互连结构中的铜堆积现象，减小互连结构的电迁移，提高互连结构的可靠性。

而现有技术中，SiCN作为帽层直接与金属层接触，SiCN的形成工艺有等离子体氨，等离子体氨与金属层中的Cu接触，容易引起Cu发生电离，形成CuN，而电离后的Cu离子具有更低的活化能从而更易发生扩散，互连结构的抗电迁移能力弱，当互连结构接入电流时，互连结构中会出现铜堆积现象，导致互连结构的性能差甚至失效。

本发明的实施例中，第一帽层可以起到阻挡互连结构中的Cu扩散和空气中的O₂扩散的作用，第二帽层可以进一步阻挡互连结构中的Cu扩散至不期望区域，进一步阻挡空气中的O₂扩散至互连结构中。且第一帽层与金属层间、第一帽层与第二帽层间，均具有良好的界面态，界面态越好，层与层间的粘附性越好，对Cu和O₂的阻挡作用越强。

进一步的，本发明实施例中，第一帽层的形成工艺的反应气体包括三甲基硼，所述三甲基硼对互连结构的介质层起到修复和保护的作用。

这是因为，介质层为低k介质材料时，刻蚀和CMP等工艺容易对低k介质材料造成损伤，该损伤主要是因为低k介质材料中的甲基团被消耗引起的。而本发明实施例中，第一帽层的形成工艺中，反应气体三甲基硼会分解出甲基团，所述甲基团可以弥补介质层中消耗的甲基团，且为介质层提供足量的甲基团，对介质层起到保护作用，从而避免介质层因互连结构的工艺影响而造成介电常数增大，避免互连结构中RC延迟增大，提高了互连结构的可靠性及电学性能。

请参考图10，本发明还提供一种互连结构，包括：

半导体基底100，所述半导体基底100表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有填充满所述开口的金属层；

第一帽层108，所述第一帽层108覆盖所述介质层和所述金属层，所述第一帽层108的材料为SiBC；

第二帽层109，所述第二帽层109位于第一帽层108表面。

所述介质层可以为单层结构或多层结构。

所述介质层为单层结构时，所述介质层包括位于半导体基底100表面的电介质层102。

本实施例中，所述介质层为多层结构，所述介质层包括：位于半导体基底100表面的刻蚀停止层101和位于刻蚀停止层101表面的电介质层102。

所述刻蚀停止层101的材料为SiN、SiC、SiOCN或SiCN中的一种或几种。所述刻蚀停止层101可以为单层结构，也可以为多层结构。

所述电介质层102的材料为SiO₂、FSG、SiCOH、硼硅玻璃、磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。

所述开口可以为单大马士革开口，也可以为双大马士革开口。

所述金属层为单层结构或多层结构。

所述金属层为单层结构时，所述金属层包括位于所述开口底部和侧壁的金属体层。

本实施例中，所述金属层为多层结构，所述金属层包括：位于所述开口底部和侧壁的阻挡层105、位于阻挡层105表面的籽晶层106、位于籽晶层106表面的金属体层107。需要说明的是，所述阻挡层105和所述籽晶层106的结构时可选的而非必需的。

所述阻挡层105的材料为Ti、Ta、W、TiN、TaN、TiSiN、TaSiN、WN或WC中的一种或几种。所述阻挡层105为单层结构或多层结构。

所述金属体层107的材料为Cu。

所述第一帽层108的厚度为20埃至100埃。所述第二帽层109的材料为SiCN、SiC或SiN中的一种或几种。所述第二帽层109的厚度为50埃至500埃。

本发明提供的晶体管的技术方案具有以下优点：

互连结构的结构性能优越，采用了在金属层和介质层表面形成第一帽层和第二帽层的叠加结构，且所述第一帽层的材料为SiBC。第一帽层与金属层间粘附性好，界面处结合紧密，可以有效的阻挡互连结构中Cu扩散至不期望区域，阻挡空气中的O₂进入互连结构中发生Cu的氧化反应，减小互连结构的电阻，提高互连结构的可靠性。

进一步的，所述第二帽层与第一帽层附着性好，两者间具有良好的界面态，进一步减小了金属层中的Cu或空气中的O₂沿界面层扩散至不期望区域的可能性，进一步改善互连结构的电迁移，避免互连结构出现铜堆积现象，延长互连结构电迁移寿命，使得互连结构具有优异的性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (19)

1.一种互连结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层；

在所述介质层中形成开口，所述开口底部露出所述半导体基底表面；

在所述开口内形成填充满开口的金属层，所述金属层表面与介质层顶部平齐；

在所述金属层和所述介质层表面形成第一帽层，所述第一帽层的材料为SiBC，SiBC材料的第一帽层的形成工艺中存在含硼基团和含碳基团、且不存在易与金属层发生反应的基团，使得金属层不会被电离形成化合物，并减小介质层受到损伤而造成介电常数增大的概率；

在所述第一帽层表面形成第二帽层。

2.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述第一帽层的厚度为20埃至100埃。

3.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述第一帽层的形成工艺为等离子体化学气相沉积。

4.根据权利要求3所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述等离子体化学气相沉积的反应气体包括硼源气体和硅源气体，沉积工艺在He氛围中进行。

5.根据权利要求4所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述硼源气体为三甲基硼。

6.根据权利要求4所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述硅源气体为三甲基硅烷或四甲基硅烷中的一种或两种。

7.根据权利要求4所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述第一帽层的形成工艺参数为：沉积硅源气体的流量为200sccm至5000sccm，硼源气体的流量为200sccm至5000sccm，He的流量为500sccm至10000sccm，沉积高频射频功率为300瓦至3000瓦，沉积低频射频功率为300瓦至3000瓦，沉积反应腔室压强为1毫托至100托，沉积温度为200度至450度。

8.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述第二帽层的材料为SiCN或SiN。

9.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述第二帽层的厚度为50埃至500埃。

10.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述介质层为单层结构或多层结构。

11.根据权利要求10所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述介质层为单层结构时，所述介质层包括位于半导体基底表面的电介质层；所述介质层为双层结构时，所述介质层包括：位于半导体基底表面的刻蚀停止层和位于刻蚀停止层表面的电介质层。

12.根据权利要求11所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述电介质层的材料为SiO₂或低k介质材料。

13.根据权利要求12所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述低k介质材料为SiCOH、FSG、BSG、PSG或BPSG中的一种或几种。

14.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属层为单层结构或多层结构。

15.根据权利要求14所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属层为单层结构时，所述金属层包括位于开口底部和侧壁的金属体层；所述金属层为多层结构时，所述金属层包括：位于开口底部和侧壁的阻挡层、位于阻挡层表面的籽晶层和位于籽晶层表面的金属体层。

16.根据权利要求15所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述阻挡层的材料为Ti、Ta、W、TiN、TaN、TiSiN、TaSiN、WN或WC中的一种或几种。

17.根据权利要求15所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述金属体层的材料为Cu。

18.一种互连结构，其特征在于，包括：

半导体基底，所述半导体基底表面形成有介质层，所述介质层内形成有开口，所述开口内形成有填充满所述开口的金属层；

第一帽层，所述第一帽层覆盖所述介质层和所述金属层，所述第一帽层的材料为SiBC，SiBC材料的第一帽层的形成工艺中存在含硼基团和含碳基团、且不存在易与金属层发生反应的基团，使得金属层不会被电离形成化合物，并减小介质层受到损伤而造成介电常数增大的概率；

第二帽层，所述第二帽层位于所述第一帽层表面。

19.根据权利要求18所述的互连结构，其特征在于，所述第二帽层的材料为SiCN、SiC或SiN中的一种或几种。