CN112582341B - 一种互连结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种互连结构及其制造方法，包括提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上形成层叠层，层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；对层叠层进行光刻刻蚀形成通孔层；在形成通孔层的通孔过程中或者形成通孔之后，通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；在通孔层的通孔和锯齿结构中同步生长金属材料，金属材料填满通孔层的通孔；沉积金属层，以在通孔层形成覆盖层；对塞覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的通孔层。因此，本发明通过在通孔侧壁形成锯齿状结构，增加CMP过程中研磨液的下渗路径，解决了钴缺失的问题，且工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路工艺技术领域，特别是涉及一种互连结构及其制造方法，用于解决制作工艺中互连线层的钴缺失。
背景技术
请参阅图1，图1所示为现有技术中在工艺节点大于10nm的情况下，对于该节点互连线层/通孔层层的金属连接线的互连，通常互连线层/通孔层层均采用金属钨(tungsten)，即W/W的方案，以及互连线层采用金属钴/通孔层层采用金属钨，即Co/W的方案。在上述方案中，互连线层/通孔层之间有一个粘结层(Ti/TiN)，该粘结层(Ti/TiN)可以在对所述V0通孔钨塞覆盖层进行钨化学机械平坦化工艺过程中阻断研磨液下渗与互连线层的金属钴产生反应，从而减少了金属钴的缺失(missing)，从而避免了降低电性和可靠性问题。
随着半导体器件尺寸的缩小，在先进工艺节点，互连线层通常采用金属钴填充，通孔层(via)采用金属钨填充。
目前，国际上多个研究机构都已经开展了对无需粘结层的选择性钨沉积工艺(selective W deposition)技术的研究，尤其应用在10nm及以下技术节点的通孔层Via 0(V0)的填充上，已经取得了一定的成果，由于7nm开始对互连线层(M0)中接触槽的RS有更高的要求，通常需要采用RS更低的钴金属来取代传统的钨金属。
然而，本领域技术人员清楚，如果通孔层采用无粘结层的金属钨沉积工艺，那么，通孔层和侧壁的氧化硅/氮化硅介质层粘结不是很好(如图2所示)，这会导致后续通孔层中钨在化学机械研磨(钨研磨W CMP)制造工序中，CMP的研磨液通过这个界面腐蚀下层(互连线层)中的钴，产生钴缺失(Co missing)问题，使得器件断路。
目前，业界通常采用调节研磨液(slurry)的成分和PH值，或者增加金属钨与介质层之间的粘附层来进行改善，会缓解上述情况但问题仍旧存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种互连结构及其制造方法，用于解决7nm及以下节点钴缺失，其通过利用膜层堆叠和选择性刻蚀，在刻蚀形成通孔之后，在通孔侧壁形成锯齿状结构，增加CMP过程中研磨液(slurry)的下渗路径，从而减少研磨液接触金属钴(cobalt)，以此缓解下层的钴缺失(cobalt missing)问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种互连结构，其包括：
一含有互连线层结构的衬底；其中，所述互连线层结构中互连线材料包括金属钴；
一层叠层，用于形成通孔层；所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层包括一层或以上，每一所述材料层均由所述介质层间隔，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，所述通孔层中的通孔填满金属材料，且在每一个所述通孔侧壁的材料层处横向形成1个锯齿结构。
进一步地，所述材料层与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料。
进一步地，所述材料层的材料包括非晶硅a-silicon、氮化物nitride、氧化铝AlO、多晶硅poly-silicon、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2或氮化铝AlN。
进一步地，所述介质层包括氧化物、掺杂SiO2、BDI、BDII、SiCOH或者含有SiCO元素的氧化硅。
进一步地，在所述通孔填满的金属材料包括钨、钌或钴。
进一步地，所述互连线层结构为互连线层结构M0；所述通孔层为通孔层V0。
为实现上述目的，本发明的又一技术方案如下：
一种互连结构的制造方法，其包括如下步骤：
步骤S1：提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层为N层，如果所述材料层包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料；其中，N为正整数；
步骤S2：在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，并且在形成所述通孔层的通孔过程中或者形成所述通孔之后，通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；
步骤S3：在所述通孔层的通孔和锯齿结构中同步生长金属材料，所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触；
步骤S4：沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层；
步骤S5：对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。
进一步地，在所述通孔填满的主体金属材料包括钨、钌或钴。
为实现上述目的，本发明的又一技术方案如下：
一种互连结构的制造方法，其包括如下步骤：
步骤S1＇：提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层为N层，如果所述材料层包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料；其中，N为正整数；
步骤S2＇：在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，沉积金属材料填充所述通孔层通孔的下部；通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔的上部侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；
步骤S3＇：沉积金属材料填充所述通孔层通孔的上部，以使所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触；
步骤S4＇：沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层；
步骤S5＇：对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种互连结构及其制造方法，其该技术方案利用膜层堆叠和选择性刻蚀，在刻蚀形成通孔之后，在通孔侧壁形成锯齿状结构，增加CMP研磨过程中研磨液(slurry)的下渗路径，从而减少研磨液(slurry)接触互连线层结构中的钴(cobalt)，缓解下层的钴缺失(cobalt missing)。
附图说明
图1所示为现有技术中的互连结构示意图
图2示例说明现有技术中的互连结构所引起钴缺失的原因
图3所示为本发明实施例中互连结构的形成方法的流程示意图
图4-11所示为本发明一较佳实施例(实施例1)中互连结构的形成过程示意图
图12-15所示为本发明一较佳实施例(实施例2)中互连结构的形成过程示意图
具体实施方式
下面结合附图3-15，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，本发明的互连结构及其制造方法，用于金属互连结构工艺过程中下层金属缺失问题。具体地，本发明思路为利用膜层堆叠和选择性刻蚀，在刻蚀形成通孔的过程中或者形成via之后，在via侧壁形成锯齿状结构，增加后续的CMP研磨过程中研磨液(slurry)的下渗路径，从而减少研磨液接触下层互连线层结构中的金属，如钴、钨、钌，避免了在后续通孔化学机械研磨制造工序中，CMP的研磨液腐蚀下层(互连线层)中的金属，所产生金属缺失问题。
在本发明的实施例中，该互连结构包括一含有互连线层结构的衬底和层叠层。其中，所述互连线层结构中互连线材料包括金属钴、钨、钌。层叠层用于形成通孔层；所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层包括一层或以上，每一所述材料层均由所述介质层间隔，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，所述通孔层中的通孔填满金属材料，且在每一个所述通孔侧壁的材料层处横向形成一锯齿结构。
也就是说，由于所述材料层与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料，可以利用膜层堆叠和选择性刻蚀，在刻蚀形成通孔之后，在通孔侧壁形成锯齿状结构，增加CMP过程中研磨液(slurry)的下渗路径。并且，可以根据工艺需要或器件后期的性能要求，在通孔中保留或不保留所形成的锯齿结构。
进一步地，所述材料层包括非晶硅a-silicon、多晶硅poly-silicon、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2或氮化铝AlN。较佳地，所述介质层包括氧化物、掺杂SiO2、BDI、BDII、SiCOH或者含有SiCO元素的氧化硅。
随着半导体技术节点的向下发展，器件的关键尺寸微缩，集成工艺中后段的金属互连线和通孔的尺寸也在不断微缩，这将要求金属互连线和通孔的电阻需要进一步降低，减少后端金属互连线的RC延迟问题。目前较多采用两种方法，即一方面通过更换金属填充材料降低金属互连线或通孔在小尺寸线宽下的电阻，如将铝更换为钨，或将钨更换为钴，或将钴更换为钌；一方面通过减少金属和介质层之间的粘附层、抗电迁移层和抗金属原子扩散层的厚度，如钛、氮化钛、钽、氮化钽，来减少金属互连线或通孔的电阻。其中，采用选择性沉积钨技术，即选择性在某些材料界面上进行钨沉积的方法，金属界面如钴、钨、钌、钛等，其他材料界面如非晶硅、多晶硅、单晶硅，使得在通孔中自下而上的进行钨填充。
下面通过两个具体的实施例来说明上述互连结构的形成方法。
实施例1
请参阅图3，图3所示为本发明实施例中互连结构的形成方法的流程示意图。在本发明的实施例中，互连结构的制造方法，其包括如下步骤：
步骤S1：提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层为N层，如果所述材料层包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料；其中，N为正整数；
步骤S2：在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，并且在形成所述通孔层的通孔过程中或者形成所述通孔之后，通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；
步骤S3：在所述通孔层的通孔和锯齿结构中同步生长金属材料，所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触；
步骤S4：沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层；
步骤S5：对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。
具体地，该形成过程请参阅图4-图11，图4-11所示为本发明一较佳实施例(实施例1)中互连结构的形成过程示意图。
在该本发明的实施例中，如图4所示，图中提供一含有互连线层M0结构2的衬底1。在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；如图5所示，该材料层为1层，如果希望有更好的防止研磨液(slurry)的下渗，所述材料层可以包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料。
在本发明的实施例中，刻蚀阻挡层可以是氮化硅silicon nitride，介质层可以是氧化物、掺杂SiO2、BDI、BDII、SiCOH或者含有SiCO元素的氧化硅，材料层a可以为与介质层具有不同刻蚀选择性的材料，即材料层a可以是非晶硅a-silicon、氮化物nitride、氧化铝AlO、多晶硅poly-silicon、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2或氮化铝AlN等。材料层a可以是多层堆叠在oxide之间，例如，最后形成nitride/oxide/a/oxide的层叠层结构。
如图6所示，图中所示对所述层叠层进行标准光刻刻蚀工艺后的结果图形，即形成图形化后的通孔层；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述介质层，也就是说，所述通孔层中的通孔已刻穿刻蚀阻挡层，停止在所述互连线层结构中互连线的表面上。
如图7所示，图中所示采用在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，并且在形成所述通孔层的通孔过程中或者形成所述通孔之后，通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构。
在本发明的实施例中，可以通过调节刻蚀气体或者增加湿法药液步骤，在通孔侧壁形成锯齿状结构。如当材料层a为非晶硅或多晶硅，介质层为掺杂SiO2、BDI、BDII、SiCOH或者含有SiCO元素的氧化硅时，可用碱性湿法药液浸润，如NH3OH，此时相对于氧化硅，NH3OH将刻蚀更多的非晶硅或多晶硅，在通孔侧壁形成锯齿状结构。
如图8所示，图中所示在所述通孔层的通孔和锯齿结构中同步生长金属材料，所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触。
如图9所示，图中所示依次沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层。
在本发明的实施例中，该金属层包括氮化钛、钨、钴和钌。例如采用选择性沉积钨技术，从下层金属互连线结构的底部进行自下而上的沉积。钨不仅在下层金属表面进行沉积，当材料层a为非晶硅和多晶硅时，钨将与硅反应，同时也在锯齿沟槽中沉积。
如图10所示，对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。通孔平坦化工艺采用的研磨液slurry多为酸性混合液，即PH<7，酸性溶液可与金属，如钨、钴、钌、铜等发生反应，从而通过化学和机械研磨相结合的方式将金属、介质层、材料层等去除。图中把部分材料层也平坦化去掉了(如图11所示)。
实施例2
在本发明的另一实施例中，互连结构的制造方法，其包括如下步骤：
步骤S1＇：提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层为N层，如果所述材料层包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料；其中，N为正整数；
步骤S2＇：在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，沉积金属材料填充所述通孔层通孔的下部；通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔的上部侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；
步骤S3＇：沉积金属材料填充所述通孔层通孔的上部，以使所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触；
步骤S4＇：沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层；
步骤S5＇：对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。
具体地，该形成过程请参阅图12-图15，图12-图15所示为本发明一较佳实施例(实施例2)中互连结构的形成过程示意图。
在该本发明的实施例中，如图12所示，图中提供一含有互连线层结构2的衬底1。在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；如图13所示，该材料层为2层，如果希望有更好的防止研磨液(slurry)的下渗，所述材料层可以包括多于2层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料。
在本发明的实施例中，刻蚀阻挡层可以是氮化硅silicon nitride，介质层可以是掺杂SiO2、BDI、BDII、SiCOH或者含有SiCO元素的氧化硅，材料层a可以为与silicon oxide具有不同刻蚀选择性的材料，即材料层a可以包括非晶硅a-silicon、多晶硅poly-silicon、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2或氮化铝AlN等。材料层a可以是多层堆叠在oxide之间，例如，最后形成nitride/oxide/nitride/oxide/a/oxide/a/oxide的层叠层结构。
在本发明的实施例中，所述互连线层结构为互连线层结构M0；所述通孔层为通孔层V0。如图14所示，图中所示对所述层叠层进行标准光刻刻蚀工艺后的结果图形，即形成图形化后的通孔层V0；其中，所述通孔层V0中的通孔贯穿所述介质层，也就是说，所述通孔层V0中的通孔已刻穿刻蚀阻挡层，停止在所述互连线层M0结构中互连线的表面上。
在本发明的实施例中，请参阅图15，先在通孔中部分填充金属材料(如钨)，即金属材料填充在通孔的下部，该通孔的上部具有至少一层材料层；再通过干法刻蚀或者湿法药液，在相应材料层的通孔侧壁形成一个或多个锯齿结构；再次淀积金属材料(如钨)，在通孔和锯齿中填充金属；最后执行通孔化学机械研磨工艺，将锯齿结构都磨掉或者留下几层锯齿结构。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种互连结构，其特征在于，包括：
一含有互连线层结构的衬底；其中，所述互连线层结构中互连线材料包括金属钴；
一层叠层，用于形成通孔层；所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层包括一层或以上，每一所述材料层均由所述介质层间隔，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，所述通孔层中的通孔填满金属材料，且在每一个所述通孔侧壁的材料层处横向形成1个锯齿结构。
2.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，所述材料层与所述介质层包括具有不同刻蚀选择性的材料。
3.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，所述材料层的材料包括非晶硅a-silicon、多晶硅poly-silicon、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2或氮化铝AlN。
4.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，所述介质层包括掺杂SiO2、BDI、BDII、SiCOH或者含有SiCO元素的氧化硅。
5.根据权利要求1所述的互连结构，其特征在于，在所述通孔填满的主体金属材料包括钨、钌或钴。
6.一种互连结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层为N层，如果所述材料层包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料；其中，N为正整数；
步骤S2：在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，并且在形成所述通孔层的通孔过程中或者形成所述通孔之后，通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；
步骤S3：在所述通孔层的通孔和锯齿结构中同步生长金属材料，所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触；
步骤S4：沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层；
步骤S5：对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。
7.根据权利要求6所述的互连结构的制造方法，其特征在于，在所述通孔填满的主体金属材料包括钨、钌或钴。
8.一种互连结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1＇：提供一含有互连线层结构的衬底，在衬底上沉积形成层叠层，所述层叠层从下到上依次包括刻蚀阻挡层、介质层、材料层和介质层；所述材料层为N层，如果所述材料层包括多层，每一材料层均由所述介质层间隔，所述材料层为与所述介质层具有不同刻蚀选择性的材料；其中，N为正整数；
步骤S2＇：在所述层叠层中形成图形化后的通孔层，沉积金属材料填充所述通孔层通孔的下部；通过干法刻蚀或者湿法药液浸润，在通孔的上部侧壁的材料层处横向刻蚀，以形成N个锯齿状结构；
步骤S3＇：沉积金属材料填充所述通孔层通孔的上部，以使所述金属材料填满所述通孔层的通孔；其中，所述通孔层中的通孔贯穿所述层叠层，至少一个所述通孔与所述互连线层结构相接触；
步骤S4＇：沉积金属层，以在所述通孔层形成覆盖层；
步骤S5＇：对所述覆盖层进行平坦化工艺，以形成平坦化的所述通孔层，其中，所述通孔层最终保留M个锯齿结构，所述M取自0、1、2…N中的一个数。
9.根据权利要求8所述的互连结构的制造方法，其特征在于，在所述通孔填满的主体金属材料包括钨、钌或钴。
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