CN104979268A - 叠层结构的形成方法以及互连结构的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种叠层结构的形成方法以及互连结构的形成方法，其中叠层结构的形成方法包括：提供衬底；在衬底表面形成刻蚀停止层，且刻蚀停止层的材料中含有氮原子；在刻蚀停止层表面形成过渡层，且形成过渡层的工艺的反应原材料包括硅源、氮源气体和氧源气体，其中，氮源气体的流量从第一流量递减至零，氧源气体的流量从零递增至第二流量；在过渡层表面形成介质层。本发明通过在刻蚀停止层和介质层之间形成过渡层，且形成过渡层的工艺过程中的氮源气体流量递减至零、氧源气体流量从零递增至第二流量，提高了刻蚀停止层和介质层之间的粘附性，优化了刻蚀停止层和介质层之间的结合能力，从而防止介质层与刻蚀停止层之间分层或分离。

Description

叠层结构的形成方法以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，特别涉及叠层结构的形成方法以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，集成电路芯片的集成度已经高达几亿乃至几十亿个器件的规模，两层以上的多层互连技术被广泛使用。

传统的互连结构是由铝金属制备而成的，但是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；因此，铜金属已经取代铝金属作为互连结构的材料。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，尽管采用铜金属作为互连结构的材料能在一定程度上改善互连结构的性能，互连结构的性能仍有待提高，互连结构中的介质层与刻蚀停止层之间容易出现分层问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种叠层结构的形成方法以及互连结构的形成方法，解决介质层与刻蚀停止层之间粘附性差的问题，提高介质层与刻蚀停止层之间的结合能力，防止介质层与刻蚀停止层之间出现分层或分离的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种叠层结构的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成刻蚀停止层，且刻蚀停止层的材料中至少包括氮原子；在所述刻蚀停止层表面形成过渡层，且形成过渡层的工艺的反应原材料包括硅源、氮源气体和氧源气体，其中，氮源气体流量从第一流量递减至零，氧源气体流量从零递增至第二流量；在所述过渡层表面形成介质层，且所述介质层的材料中至少包括氧原子。

可选的，采用沉积工艺形成所述过渡层，且沉积工艺的沉积时长分为第一时长、第二时长以及第三时长，其中，第一时长内氮源气体流量为第一流量、氧源气体流量为零，第二时长内氮源气体流量从第一流量递减至零、氧源气体流量从零递增至第二流量，第三时长内氮源气体流量为零、氧源气体流量为第二流量。

可选的，所述第一时长和第三时长为零或其他非零时长。

可选的，所述氮源气体的流量从第一流量递减至零的方式为：线性式递减、抛物线式递减或指数函数式递减，所述氧源气体的流量从零递增至第二流量的方式为：线性式递增、抛物线式递增或指数函数式递增。

可选的，采用化学气相沉积工艺形成所述过渡层，所述化学气相沉积工艺的工艺参数为：硅源流量为100sccm至2000sccm或者2g/m至10g/m，氮源气体流量从2000sccm递减至零，氧源气体流量从零递增至500sccm，沉积腔室压强为1托至10托，沉积腔室功率为100瓦至1000瓦，沉积腔室温度为250度至400度。

可选的，所述硅源为含碳硅烷，含碳硅烷为甲基二乙氧基硅烷或八甲基环四硅氧烷中的一种或两种；所述氮源气体为NH₃或N₂中的一种或两种。

可选的，所述过渡层为第一过渡层、第二过渡层以及第三过渡层的叠层结构，其中，第一过渡层的材料为掺碳氮化硅，第二过渡层的材料为掺碳氮氧化硅，第三过渡层的材料为掺碳氧化硅。

可选的，所述刻蚀停止层的材料为掺碳氮化硅。

可选的采用化学气相沉积工艺形成所述刻蚀层停止层，化学气相沉积工艺的工艺参数为：反应气体包括硅烷气体、氮源气体和He，硅烷气体流量为200sccm至2000sccm，氮源气体流量为200sccm至1000sccm，He流量为500sccm至10000sccm，沉积腔室低频射频功率为0瓦至1000瓦，沉积腔室高频射频功率为500瓦至1500瓦，沉积腔室温度为200度至400度，沉积腔室压强为1托至20托。

可选的，所述硅烷气体为三甲基硅烷或四甲基硅烷中的一种或两种，氮源气体为NH₃或N₂中的一种或两种。

可选的，所述介质层的材料为氧化硅、低k介质材料或超低k介质材料。

可选的，所述低k介质材料为掺氟玻璃或掺碳玻璃，所述超低k介质材料为多孔的SiCOH。

可选的，所述介质层的材料为超低k介质材料时，采用化学气相沉积工艺形成所述介质层，化学气相沉积工艺的工艺参数为：反应原材料包括硅烷和氧源气体，硅烷流量为0.2g/m至2g/m，氧源气体流量为50sccm至1000sccm，沉积腔室温度为200度至400度，沉积腔室压强为1托至20托，沉积腔室功率为100瓦至1000瓦，向腔室内通入造孔剂，所述造孔剂流量为100sccm至3000sccm。

可选的，所述硅烷为甲基二乙氧基硅烷或八甲基环四硅氧烷中的一种或两种；所述氧源气体为O₂。

可选的，所述过渡层和介质层在同一反应腔室中形成。

相应的，本发明还提供一种互连结构的形成方法，包括：采用上述提供的方法形成叠层结构，所述叠层结构依次包括衬底、刻蚀停止层、过渡层以及介质层；刻蚀所述介质层、过渡层以及刻蚀停止层，形成开口，所述开口暴露出衬底表面；形成填充满所述开口的金属层，且所述金属层还覆盖于介质层表面；去除位于所述介质层表面的金属层，暴露出介质层表面。

可选的，采用干法刻蚀工艺形成所述开口，且所述开口为单大马士革开口或双大马士革开口。

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，所述金属体层的材料为Cu。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明实施例提供一种叠层结构的形成方法，在衬底表面形成刻蚀停止层，且刻蚀停止层的材料中含有氮原子；在刻蚀停止层表面形成过渡层，且形成过渡层的工艺的反应气体包括硅源气体、氮源气体和氧源气体，其中，氮源气体流量从第一流量递减至零，因此与刻蚀停止层交界界面处的过渡层的材料中含有一定量的氮原子，减少所述交界界面附近刻蚀停止层和过渡层材料之间的差异性，从而减少所述交界界面处由于晶格失配带来的结构缺陷，结构缺陷的减少有利于过渡层与刻蚀停止层之间接触更紧密，从而提高刻蚀停止层与过渡层之间的粘附性。

并且，形成过渡层的工艺的反应气体中氧源气体流量从零递增至第二流量，因此与介质层交界界面处的过渡层的材料中含有一定量的氧原子，所述氧原子的存在减少所述交界界面附近介质层和过渡层的材料之间的差异性，从而减少所述交界界面处由于晶格失配带来的结构缺陷，使得过渡层和介质层之间的结合更紧密，提高介质层与过渡层之间的粘附性。因此，通过本发明实施例提供的叠层结构的方法，采用了特殊的工艺形成过渡层，通过所述过渡层使得刻蚀停止层与介质层之间的结合更紧密，从而防止介质层与刻蚀停止层之间出现分层甚至分离的问题，提高半导体生产良率。

进一步，本发明实施例中，为了使形成的刻蚀停止层的相对介电常数就尽量的小，采用掺碳氮化硅作为刻蚀停止层的材料；而形成过渡层的工艺中的反应气体包括硅源气体，且所述硅源气体为硅烷气体，因此形成的过渡层的材料中包含有碳原子，所述过渡层材料中碳原子的存在进一步减小了过渡层与刻蚀停止层交界处的晶格失配，从而进一步优化了刻蚀停止层与过渡层之间的粘附性。并且，本发明实施例中介质层的材料为多孔的SiCOH，介质层的材料中包含有碳原子，因此，过渡层材料中的碳原子的存在也进一步减小了过渡层与介质层交界处的晶格失配，从而进一步降低了所述交界处的结构缺陷，进一步优化了介质层与过渡层之间的粘附性，进而进一步提高了介质层与刻蚀停止层之间的结合能力。

更进一步，本发明实施例中过渡层和介质层在同一反应腔室中形成，避免在形成过渡层后将过渡层置于外界环境中可能造成的污染，使得过渡层具有洁净的表面，从而更有利于在过渡层表面形成与过渡层粘附性强的介质层，且节约了半导体生产时间，提高了半导体生产效率。

本发明实施例还提供一种互连结构的形成方法，在上述提供的方法形成的叠层结构的基础上，在介质层、过渡层以及刻蚀停止层内形成开口，且形成填充满所述开口的金属层，所述金属层还覆盖于介质层表面；由于叠层结构中过渡层的存在，使得刻蚀停止层与介质层之间结合紧密，因此，在去除位于介质层表面的金属层时，介质层会承受一定的外力作用，而由于刻蚀停止层与介质层之间紧密结合，能够防止在所述外力作用下发生介质层与刻蚀停止层之间分离的问题，从而提高了形成的互连结构的电学性能和可靠性。

附图说明

图1为互连结构的形成方法的流程示意图；

图2至图4为本发明一实施例提供的叠层结构形成过程的剖面结构示意图；

图5至图6为本发明一实施例提供的氮源气体流量随时间变化的关系示意图；

图7至图8为本发明一实施例提供的氧源气体流量随时间变化的关系示意图；

图9至图14为本发明又一实施例提供的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的性能仍有待提高。

针对互连结构的形成方法进行研究，互连结构的形成方法包括以下步骤，请参考图1，步骤S1、提供衬底，在所述衬底表面形成刻蚀停止层；步骤S2、在所述刻蚀停止层表面形成介质层；步骤S3、在所述介质层表面形成图形化的掩膜层；步骤S4、以所述掩膜层为掩膜，刻蚀所述介质层和刻蚀停止层形成沟槽，直至暴露出衬底表面；步骤S5、形成填充满所述沟槽的金属层，所述金属层还覆盖于介质层表面；步骤S6、采用化学机械抛光工艺去除高于介质层表面的金属层。

上述提供的互连结构的形成方法，在采用化学机械抛光工艺去除高于介质层表面的金属层的过程中，会出现介质层与刻蚀停止层之间出现分层甚至分离的问题，造成互连结构性能低下甚至失效；并且，采用上述方法形成的互连结构，在后续的芯片封装过程中，也有可能造成介质层与刻蚀停止层之间出现分层甚至分离的问题，造成芯片封装性能低下甚至失效。

针对互连结构的形成方法进行进一步研究发现，造成上述问题的原因在于：

由于互连结构的RC延迟是集成电路速度最主要的制约因素，为了减小互连结构的寄生电容，通常采用低k介质材料甚至超低k介质材料作为介质层的材料，而为了降低介电常数，低k介质材料或超低k介质材料一般具有多孔、疏松结构，由于介质层具有多孔、疏松的结构，使得介质层与刻蚀停止层之间的结合能力差，介质层与刻蚀停止层之间的粘附性差，当对介质层施加一定的外力作用时，可能会导致介质层与刻蚀停止层之间出现分层的问题，甚至有可能导致介质层与刻蚀停止层之间分离。

综合上述分析可知，解决刻蚀停止层与介质层之间的附着性差的问题，即可防止介质层从刻蚀停止层表面分离，为此，提供一种叠层结构的形成方法，在形成刻蚀停止层之后，形成过渡层，由于介质层的材料中含有Si和O，因此，当过渡层的材料中也含有Si和O且过渡层为致密结构时，能够在一定程度上提高介质层与刻蚀停止层之间的粘附层。

作为一个实施例，采用化学气相沉积工艺形成所述过渡层，所述沉积工艺的反应气体包括甲基二乙氧基硅烷（（CH₃CH₂O）₂HCH₃Si，DEMS）和O₂，在一定沉积工艺条件下形成过渡层，所述过渡层的材料为氧化硅。

上述形成过渡层的方法，在一定程度上可以提高刻蚀停止层与介质层之间的粘附性，然而，上述方法提高刻蚀停止层与介质层之间的粘附性的能力有限，刻蚀停止层与介质层之间分层甚至分离的问题仍然存在。针对上述提供的叠层结构的形成方法进行进一步分析发现，由于过渡层的材料为氧化硅，而刻蚀停止层的材料多为掺碳氮化硅，过渡层与刻蚀停止层的材料间的晶格常数差异性较大，造成过渡层与刻蚀停止层的界面处存在较大的热应力、反相边界、堆垛层错、位错、微孪晶等多种结构缺陷，所述结构缺陷导致中间介质层与刻蚀停止层之间的粘附性差，后续在对介质层施加一定的外界作用时，介质层与过渡层会与刻蚀停止层之间分层甚至分离，仍然难以解决介质层与刻蚀停止层之间粘附性差的问题。

综合上述分析可知，若能保证过渡层的材料与刻蚀停止层的材料的晶格常数接近，则可减少或避免过渡层与刻蚀停止层界面处的结构缺陷，那么，刻蚀停止层与中间过度层之间、中间过度层与介质层之间均可以获得较强的粘附性，从而能够防止介质层与刻蚀停止层之间出现分层甚至分离的问题，提高半导体生产良率。

为此，本发明提供一种半导体结构的形成方法，在刻蚀停止层表面形成过渡层，且形成过渡层的工艺的反应气体包括硅烷气体、氮源气体和氧源气体，其中，氮源气体的流量从第一流量递减至零，氧源气体的流量为零递增至第二流量。本发明与刻蚀停止层交界处的过渡层的材料为含硅、氮的材料，与刻蚀停止层的材料的晶格常数接近，从而防止过渡层与刻蚀停止层界面处出现结构缺陷，增加过渡层与刻蚀停止层之间的粘附性，且与介质层交界处的过渡层的材料为含硅、氧的材料，从而防止过渡层与介质层界面处出现结构缺陷，增加过渡层与介质层之间的粘附性，使得介质层与刻蚀停止层之间具有较强的粘附性，防止介质层与刻蚀停止层之间分层甚至分离，提高半导体生产良率。

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3为本发明一实施例提供的叠层结构形成过程的剖面结构示意图。

请参考图2，提供衬底200。

所述衬底200的材料为单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述衬底200的材料也可以为硅锗化合物或绝缘体上硅（SOI，Silicon On Insulator），所述衬底200的材料还可以为锗、锗化硅或砷化镓。

所述衬底200中可以形成有半导体器件，如MOS晶体管。在所述衬底200内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。

本实施例中，所述衬底200为硅衬底。

请继续参考图2，在所述衬底200表面形成刻蚀停止层201，且所述刻蚀停止层201的材料中至少包括氮原子。

所述刻蚀停止层201的作用为：后续在形成介质层后刻蚀介质层形成暴露出衬底200表面的通孔，刻蚀工艺对刻蚀停止层201的刻蚀速率远小于对介质层的刻蚀速率，起到刻蚀停止作用，避免对衬底200造成过刻蚀，提高半导体结构的可靠性。

所述刻蚀停止层201的材料为氮化硅、掺碳氮化硅、掺碳氮氧化硅中的一种或几种。

由于刻蚀停止层201的材料的相对介电常数会影响叠层结构的相对介电常数，进而影响后续形成的互连结构的相对介电常数，为了尽量减小叠层结构的相对介电常数，降低互连结构的RC延迟，采用具有较小相对介电常数的材料作为刻蚀停止层201的材料。

由于与氮化硅、掺碳氮氧化硅相比较而言，掺碳氮化硅的相对介电常数较小，因此本实施例中，所述刻蚀停止层201的材料为掺碳氮化硅（NDC：nitride doped carbon），所述刻蚀停止层201的厚度为100埃至500埃。

采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述刻蚀停止层201。

作为一个实施例，采用化学气相沉积工艺形成所述刻蚀层停止层201，化学气相沉积工艺的工艺参数为：反应气体包括硅烷气体、氮源气体和He，硅烷气体流量为200sccm至2000sccm，氮源气体流量为200sccm至1000sccm，He流量为500sccm至10000sccm，沉积腔室低频射频功率为0瓦至1000瓦，沉积腔室高频射频功率为500瓦至1500瓦，沉积腔室温度为200度至400度，沉积腔室压强为1托至20托。

其中，硅烷气体为三甲基硅烷（（CH₃）₃SiH，3MS）或四甲基硅烷（（CH₃）₄Si，4MS）中的一种或两种，氮源气体为NH₃或N₂中的一种或两种。

以硅源气体为3MS为例，形成刻蚀停止层201的材料的反应方程式如下：

(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，形成掺碳氮化硅。

在其他实施例中，刻蚀停止层的材料也可以为氮化硅或掺碳氮氧化硅。

请参考图3，在所述刻蚀停止层201表面形成过渡层202。

刻蚀停止层201的材料为掺碳氮化硅、氮化硅、碳化硅或掺碳氮氧化硅，而后续形成的介质层的材料为多孔疏松的材料，且介质层的材料中含有较多的硅、氧原子，若直接在刻蚀停止层201表面形成介质层，由于介质层的材料和刻蚀停止层201的材料的晶格常数相差较大，会造成介质层与刻蚀停止层201交界界面处产生晶格缺陷，使得介质层与刻蚀停止层201的粘附性差。因此，本实施例中所述过渡层202的作用为：形成过渡层202后，使得过渡层202与刻蚀停止层201交界界面处的结构缺陷少，提高过渡层202与刻蚀停止层201之间的粘附性；且降低过渡层202与后续形成的介质层交界界面处的结构缺陷，使得过渡层202与后续形成的介质层之间的粘附性强，进而使介质层与刻蚀停止层201之间结合能力强。

综合上述分析可知，过渡层202与刻蚀停止层201交界界面处的结构缺陷少，那么在靠近所述交界界面的过渡层202的材料与刻蚀停止层201的材料的晶格常数应该尽量接近，从而减少所述界面处的结构缺陷，使得过渡层202与刻蚀停止层201结合紧密，增加过渡层202与刻蚀停止层201之间的粘附性；同样的，过渡层202与后续形成的介质层交界界面处的结构缺陷少，那么在靠近所述交界界面处的过渡层202的材料与介质层的材料的晶格常数也应该尽量接近，从而减少所述界面处的结构缺陷，使得过渡层202与介质层之间接合紧密，增加过渡层202与介质层之间的粘附性。

由于刻蚀停止层201的材料中至少含有氮原子，且为减小刻蚀停止层201材料的相对介电常数，刻蚀停止层201的材料中还含有硅原子，因此形成过渡层202的工艺的反应原材料包括氮源气体、硅源，且由于本实施例中刻蚀停止层201的材料为掺碳氮化硅，为了使形成的过渡层202与刻蚀停止层201界面处的结构缺陷尽可能的少，所述硅源为含碳硅烷，从而为形成过渡层202提供碳原子，过渡层202内碳原子的存在有利于进一步减小刻蚀停止层201与过渡层202之间的结构缺陷；且由于后续形成的介质层的材料中含有氧原子，为了使形成的过渡层202与介质层界面处的结构缺陷尽可能的少，形成过渡层202的工艺的反应原材料还包括氧源气体。

采用沉积工艺形成所述过渡层202，且沉积工艺的沉积时长T分为第一时长t1、第二时长t2以及第三时长t3，T=t1+t2+t3，其中，在第一时长t1内氮源气体流量为第一流量v1、氧源气体流量为零，在第二时长t2内氮源气体流量从第一流量v1递减至零、氧源气体流量从零递增至第二流量v2，在第三时长t3内氮源气体流量为零、氧源气体流量为第二流量v2。

所述第一时长t1和第三时长t3为零或其他任意非零时长，可根据实际工艺需要来确定。

请参考图5至图6，图5和图6示出了氮源气体流量随时间变化的关系示意图，其中，图5中第一时长t1和第三时长t3为零，图6中第一时长t1和第三时长t3为非零时长，氮源气体流量从第一流量v1递减至零的方式为：线性式递减、抛物线式递减或指数函数式递减，其中，线性式递减的斜率k1与第一流量v1以及第二时长t2有关，斜率k1为第一流量v1与第二时长t2的比值。

请参考图7至图8，图7和图8示出了氧源气体流量随时间变化的关系示意图，其中，图7中第一时长t1和第三时长t3为零，图8中第一时长t1和第三时长t3为非零时长，氧源气体流量从第二流量v2递增至零的方式为：线性式递增、抛物线式递增或指数函数式递增，其中，线性式递增的斜率k2与第二流量v2以及第二时长t2有关，斜率k2为第二流量v2与第二时长t2的比值。

需要说明的是，若第一时长t1和第三时长t3为非零时长，那么，第二时长t2的值不应过短，避免在第二时长t2内氮源气体和氧源气体的变化率过大，氮源气体和氧源气体的变化率缓慢有利于形成结构致密的过渡层202。

采用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积工艺形成所述过渡层202。

作为一个实施例，采用化学气相沉积工艺形成所述过渡层202，且沉积工艺的第一时长t1和第三时长t3为零，所述化学气相沉积工艺的工艺参数为：含碳硅烷流量为100sccm至2000sccm或者2g/m至10g/m，氮源气体流量从2000sccm递减至零，氧源气体流量从零递增至500sccm，沉积腔室压强为1托至10托，沉积腔室功率为100瓦至1000瓦，沉积腔室温度为250度至400度。

其中，含碳硅烷流量为100sccm至2000sccm指的是含碳硅烷本身为气体状态时的流量，单位sccm为标况毫升每分；含碳硅烷流量为2g/m至10g/m指的是含碳硅烷本身为液态状态时的硅烷流量，经过气化处理后将液态状态转化为气体状态，单位g/m为克每分。

其中，含碳硅烷为四甲基二乙氧基硅烷（（CH₃CH₂O）₂HCH₃Si，DEMS）或八甲基环四硅氧烷（C₈H₂₄O₄Si₄）中的一种或两种，所述氮源气体为NH₃或N₂中的一种或两种。

由于形成过渡层的工艺过程中，氮源气体流量从第一流量递减至零，氧源气体流量从零递增至第二流量，因此，形成的过渡层202为第一过渡层、第二过渡层以及第三过渡层的叠层结构，其中，所述第一过渡层的材料为掺碳氮化硅，第二过渡层的材料为掺碳氮氧化硅，第三过渡层的材料为掺碳氧化硅。

刻蚀停止层201的材料为掺碳氮化硅，而与刻蚀停止层201交界的第一过渡层的材料也为掺碳氮化硅，因此刻蚀停止层201与第一过渡层的材料的晶格常数接近，使得在刻蚀停止层201表面形成的第一过渡层与刻蚀停止层201交界界面处的结构缺陷少，刻蚀停止层201与第一过渡层之间具有较强的粘附性；而第二过渡层与第一过渡层之间的材料相似，因此第二过渡层与第一过渡层之间也具有较强的粘附性，同理，第二过渡层与第三过渡层之间的粘附性也很强。因此，本实施例形成的过渡层202与刻蚀停止层201之间结合紧密，刻蚀停止层201与过渡层202之间具有强粘附性。

请参考图4，在所述过渡层202表面形成介质层203，所述介质层的材料中至少包括氧原子。

所述介质层203的材料为二氧化硅、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）或超低k介质材料（超低k介质材料指相对介电常数低于2.8的介质材料）。

所述低k介质材料多为含有甲基团的多孔材料。具体的，所述低k介质材料为掺氟玻璃或掺碳玻璃。

本实施例中，所述介质层203的材料为超低k介质材料，所述超低k介质材料为多孔的SiCOH，介质层203的厚度为1000埃至8000埃。

由于过渡层202中的第三过渡层的材料为掺碳氧化硅，超低k介质材料与掺碳氧化硅之间的晶格常数相差较小，因此，在第三过渡层表面形成介质层203后，介质层203与第三过渡层交界界面处缺陷少，使得介质层203与过渡层202之间结合紧密，进而使得介质层203难以与刻蚀停止层201分层甚至分离，提高半导体生产良率。

为了提高半导体生产效率，所述介质层203和过渡层202在同一反应腔室中形成，并且，由于在形成过渡层202的工艺过程中向反应腔室内通入了硅烷气体和氧源气体，在形成过渡层202后，仅需向反应腔室内通入造孔剂、以及改变反应腔室工艺条件，即可在反应腔室内进行介质层203的生长，避免了将形成有过渡层202的叠层结构置于外界环境时可能受到的污染，保持过渡层202表面洁净，使得在过渡层202表面形成的介质层203与过渡层202之间的结合更紧密，更有利于提高刻蚀停止层201与介质层203之间的粘附性。

作为一个实施例，采用化学气相沉积工艺形成所述介质层203，化学气相沉积工艺的工艺参数为：反应原材料包括硅烷和氧源气体，硅烷流量为0.2g/m至2g/m，氧源气体流量为50sccm至1000sccm，沉积腔室温度为200度至400度，沉积腔室压强为1托至20托，沉积腔室功率为100瓦至1000瓦，向腔室内通入造孔剂，所述造孔剂流量为100sccm至3000sccm。

其中，所述硅烷为甲基二乙氧基硅烷或八甲基环四硅氧烷中的一种或两种；所述氧源气体为O₂。

综上，本发明提供的叠层结构的形成方法的技术方案具有以下优点：

首先，刻蚀停止层的材料中含有氮原子，介质层的材料中含有氧原子；本发明采用了特殊的工艺在刻蚀停止层表面形成过渡层，形成过渡层的工艺的反应气体包括硅源气体、氮源气体和氧源气体，其中，氮源气体流量从第一流量递减至零，氧源气体流量从零递增至第二流量，使得靠近刻蚀停止层表面的过渡层的材料中含有氮原子，而靠近介质层的过渡层材料中含有氧原子；因此刻蚀停止层与过渡层交界处的材料晶格常数相差较小，介质层与过渡层交界处的材料晶格常数相差较小，减少了由于晶格失配带来的结构缺陷，从而使刻蚀停止层与过渡层之间、介质层与过渡层之间的粘附性强，从而提高了介质层与刻蚀停止层之间的结合能力。

其次，本发明实施例中采用掺碳氮化硅作为刻蚀停止层的材料，减小了叠层结构的相对介电常数，且形成过渡层的工艺的反应气体中的硅源气体为硅烷气体，使得形成的过渡层中含有碳原子，过渡层中碳原子的存在能够进一步减小刻蚀停止层与过渡层之间的晶格失配，从而进一步提高过渡层与刻蚀停止层之间的粘附性，进而进一步优化刻蚀停止层与介质层之间的结合能力。

相应的，本发明还提供一种互连结构的形成方法，图2至图4、图9至图14为本发明又一实施例提供的互连结构形成过程的剖面结构示意图。

请参考图2至图4，采用上一实施例提供的方法形成叠层结构，所述叠层结构依次包括：衬底200、刻蚀停止层201、过渡层202以及介质层203，所述衬底200、刻蚀停止层201、过渡层202以及介质层203的材料以及形成工艺在此不再赘述。

后续会在介质层203、过渡层202和刻蚀停止层201内形成开口，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9，在介质层203表面形成第一掩膜层204，所述第一掩膜层204具有第一开口205，所述第一开口205宽度与后续形成的沟槽宽度一致。

请参考图10，以第一掩膜层204（请参考图9）为掩膜，沿第一开口205（请参考图9）刻蚀部分厚度的介质层203，形成沟槽206，去除第一掩膜层204。

请参考图11，在所述沟槽206（请参考图10）底部和侧壁以及介质层203表面形成第二掩膜层207，所述第二掩膜层207具有第二开口208，所述第二开口208宽度与后续形成的通孔宽度一致，第二开口208露出沟槽206的底部表面。

请参考图12，以第二掩膜层207（请参考图11）为掩膜，沿第二开口208（请参考图11）刻蚀介质层203、过渡层202以及刻蚀停止层201，直至暴露出衬底200表面，形成通孔209，去除第二掩膜层207。

所述沟槽206和所述通孔209构成双大马士革开口。所述沟槽206和所述通孔209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206，再形成通孔209；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13，形成填充满所述开口的金属层，所述金属层还覆盖于介质层203表面。

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介质层203表面的阻挡层210、位于阻挡层210表面的籽晶层211和位于籽晶层211表面的金属体层212。

所述阻挡层209可以防止籽晶层211和金属体层212中的Cu向衬底200或介质层203中扩散造成污染，提高互连结构的性能；且阻挡层210可以为籽晶层211的形成提供良好的界面态，使得形成的籽晶层211与阻挡层210具有较高的粘附性。

所述阻挡层210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210可以为单层结构，也可以为多层结构。

所述阻挡层210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210的材料为Ti，所述阻挡层210的厚度为10埃至150埃。采用物理气相沉积工艺形成所述阻挡层210。

所述籽晶层211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211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211紧密粘结的金属体层，改善互连结构的电迁移。

所述籽晶层211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211与阻挡层210之间的粘附性。

所述籽晶层211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211的形成工艺为物理气相沉积，与所述阻挡层210在同一个物理气相沉积设备内完成，所述籽晶层211的厚度为10埃至200埃。

所述金属体层212的材料为Cu，所述金属体层212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212。

将所述衬底200转移至电镀反应池中，电镀形成金属体层212。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211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211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211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211表面形成铜金属体层212。

请参考图14，去除高于介质层203顶部的金属层。

本实施例中，采用化学机械抛光工艺掩膜所述金属层，直至暴露出介质层203顶部表面。

在研磨过程中，介质层203会受到一定程度的外力作用，而本实施例中，介质层203与刻蚀停止层201之间形成有过渡层202，且所述过渡层202与介质层203之间具有较强的粘附性，所述过渡层202与刻蚀停止层201之间也具有较强的粘附性，使得介质层203与刻蚀停止层201之间的粘附能力很强，从而防止在研磨过程中，造成介质层203与刻蚀停止层201之间分层或分离，避免介质层203从刻蚀停止层表面脱落。

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：

本发明形成具有衬底、刻蚀停止层、过渡层、介质层的叠层结构，由于采用了特殊的工艺形成所述过渡层，使得在过渡层的连接作用下，刻蚀停止层与介质层之间结合紧密；在介质层、过渡层以及刻蚀停止层内形成开口后，形成填充满开口的金属层，且所述金属层还覆盖于介质层表面；去除位于介质层表面的金属层，所述去除金属层的工艺会对介质层施加一定的外力作用，而由于本发明形成的介质层与刻蚀停止层之间紧密结合，能够防止介质层在外力作用下与介质层发生分层或分离，提高形成的互连结构的可靠性和电学性能。

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 (20)

1.一种叠层结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底表面形成刻蚀停止层，且刻蚀停止层的材料中至少包括氮原子；

在所述刻蚀停止层表面形成过渡层，且形成过渡层的工艺的反应原材料包括硅源、氮源气体和氧源气体，其中，氮源气体流量从第一流量递减至零，氧源气体流量从零递增至第二流量；

在所述过渡层表面形成介质层，且所述介质层的材料中至少包括氧原子。

2.如权利要求1所述叠层结构的形成方法，其特征在于，采用沉积工艺形成所述过渡层，且沉积工艺的沉积时长分为第一时长、第二时长以及第三时长，其中，第一时长内氮源气体流量为第一流量、氧源气体流量为零，第二时长内氮源气体流量从第一流量递减至零、氧源气体流量从零递增至第二流量，第三时长内氮源气体流量为零、氧源气体流量为第二流量。

3.如权利要求2所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述第一时长和第三时长为零或其他非零时长。

4.如权利要求1或2所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述氮源气体的流量从第一流量递减至零的方式为：线性式递减、抛物线式递减或指数函数式递减，所述氧源气体的流量从零递增至第二流量的方式为：线性式递增、抛物线式递增或指数函数式递增。

5.如权利要求1所述叠层结构的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺形成所述过渡层，所述化学气相沉积工艺的工艺参数为：硅源流量为100sccm至2000sccm或者2g/m至10g/m，氮源气体流量从2000sccm递减至零，氧源气体流量从零递增至500sccm，沉积腔室压强为1托至10托，沉积腔室功率为100瓦至1000瓦，沉积腔室温度为250度至400度。

6.如权利要求5所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述硅源为含碳硅烷，含碳硅烷为甲基二乙氧基硅烷或八甲基环四硅氧烷中的一种或两种；所述氮源气体为NH₃或N₂中的一种或两种。

7.如权利要求1所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述过渡层为第一过渡层、第二过渡层以及第三过渡层的叠层结构，其中，第一过渡层的材料为掺碳氮化硅，第二过渡层的材料为掺碳氮氧化硅，第三过渡层的材料为掺碳氧化硅。

8.如权利要求1所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的材料为掺碳氮化硅。

9.如权利要求8所述叠层结构的形成方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺形成所述刻蚀层停止层，化学气相沉积工艺的工艺参数为：反应气体包括硅烷气体、氮源气体和He，硅烷气体流量为200sccm至2000sccm，氮源气体流量为200sccm至1000sccm，He流量为500sccm至10000sccm，沉积腔室低频射频功率为0瓦至1000瓦，沉积腔室高频射频功率为500瓦至1500瓦，沉积腔室温度为200度至400度，沉积腔室压强为1托至20托。

10.如权利要求9所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述硅烷气体为三甲基硅烷或四甲基硅烷中的一种或两种，氮源气体为NH₃或N₂中的一种或两种。

11.如权利要求1所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料为氧化硅、低k介质材料或超低k介质材料。

12.如权利要求11所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述低k介质材料为掺氟玻璃或掺碳玻璃，所述超低k介质材料为多孔的SiCOH。

13.如权利要求11所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料为超低k介质材料时，采用化学气相沉积工艺形成所述介质层，化学气相沉积工艺的工艺参数为：反应原材料包括硅烷和氧源气体，硅烷流量为0.2g/m至2g/m，氧源气体流量为50sccm至1000sccm，沉积腔室温度为200度至400度，沉积腔室压强为1托至20托，沉积腔室功率为100瓦至1000瓦，向腔室内通入造孔剂，所述造孔剂流量为100sccm至3000sccm。

14.如权利要求13所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述硅烷为甲基二乙氧基硅烷或八甲基环四硅氧烷中的一种或两种；所述氧源气体为O₂。

15.如权利要求1所述叠层结构的形成方法，其特征在于，所述过渡层和介质层在同一反应腔室中形成。

16.一种互连结构的形成方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求1至15任一项提供的方法形成叠层结构，所述叠层结构依次包括衬底、刻蚀停止层、过渡层以及介质层；

刻蚀所述介质层、过渡层以及刻蚀停止层，形成开口，所述开口暴露出衬底表面；

形成填充满所述开口的金属层，且所述金属层还覆盖于介质层表面；

去除位于所述介质层表面的金属层，暴露出介质层表面。

17.如权利要求16所述互连结构的形成方法，其特征在于，采用干法刻蚀工艺形成所述开口，且所述开口为单大马士革开口或双大马士革开口。

18.如权利要求16所述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。

19.如权利要求18所述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。

20.如权利要求19所述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，所述金属体层的材料为Cu。