互連結(jié)構(gòu)的形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的來說涉及制造半導(dǎo)體設(shè)備的領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種在半導(dǎo)體器件中形成互連結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件通常是由半導(dǎo)體材料，例如硅片，經(jīng)過一系列工藝加工制作而成。硅片可能經(jīng)過，例如掩模、刻蝕、沉積等工藝以形成半導(dǎo)體器件的電路。隨著半導(dǎo)體器件的集成度不斷提高，金屬互連結(jié)構(gòu)快速發(fā)展并應(yīng)用在半導(dǎo)體器件中。多次掩模和刻蝕工藝能夠在硅片上的介質(zhì)層中形成凹槽區(qū)。然后，進(jìn)行沉積工藝，在介質(zhì)層的凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)沉積金屬層。沉積在介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層需要去除以隔離凹槽區(qū)的圖形并形成互連結(jié)構(gòu)。為了防止金屬層擴(kuò)散或侵入到介質(zhì)層內(nèi)，通常會(huì)在介質(zhì)層上沉積金屬層之前，先在介質(zhì)層上沉積阻擋層，然后金屬層沉積在阻擋層上。
[0003]去除介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層和阻擋層的常規(guī)方法，包括例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。CMP方法廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)中以拋光和平坦化介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層，以形成互連結(jié)構(gòu)。在CMP工藝中，硅片放在位于拋光盤上的拋光墊上，然后向硅片施加壓力使娃片壓向拋光墊，娃片和拋光墊彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)施加壓力拋光和平坦化娃片表面。在拋光過程中，將拋光液分配到拋光墊上，以利于拋光。CMP方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)硅片表面全局平坦化，但是，由于CMP存在較強(qiáng)的機(jī)械力，CMP方法對(duì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有有害的影響，尤其是當(dāng)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特征尺寸變的越來越小，銅和低k/超低k介質(zhì)層用于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)時(shí)，較強(qiáng)的機(jī)械力可能在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上引起與應(yīng)力相關(guān)的缺陷。
[0004]去除介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層的另一種方法是電化學(xué)拋光工藝。電化學(xué)拋光工藝去除金屬層具有很高的均勻性，同時(shí)對(duì)阻擋層的選擇比也很高，電化學(xué)拋光工藝是一種無應(yīng)力拋光工藝。然而，在電化學(xué)拋光工藝中，為了保證介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層全部去除，通常會(huì)有一個(gè)過度拋光過程。過度拋光之后，發(fā)現(xiàn)一些區(qū)域，比如，場(chǎng)區(qū)(fieldarea)、相鄰兩金屬線之間比較寬廣的區(qū)域或者孤立的金屬線的兩邊區(qū)域，在過度拋光階段，這些區(qū)域非凹槽區(qū)上的金屬層全部去除，使得阻擋層裸露出來，電流通過阻擋層傳導(dǎo)，導(dǎo)致在這些區(qū)域，阻擋層的上表面被氧化形成一層氧化物薄膜。換言之，在那些金屬互連線密度較低的區(qū)域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度會(huì)比在金屬互連線密度較高的區(qū)域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度厚，這是因?yàn)榻饘倩ミB線，比如銅線，的電阻要比阻擋層的電阻小很多，在銅線密度較高的區(qū)域電流更多地從銅線傳導(dǎo)。形成在阻擋層表面的氧化物薄膜會(huì)阻礙阻擋層的去除，如果阻擋層不能被均勻地去除，就會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的目的在于提出一種互連結(jié)構(gòu)的形成方法，包括下述步驟:提供具有介質(zhì)層的硅片；在介質(zhì)層上形成第一凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)，第一凹槽區(qū)用于形成互連結(jié)構(gòu)；在介質(zhì)層上形成第二凹槽區(qū)，第二凹槽區(qū)用于形成虛擬結(jié)構(gòu)；沉積阻擋層以覆蓋第一和第二凹槽區(qū)、以及非凹槽區(qū)；沉積金屬層，金屬層填滿第一和第二凹槽區(qū)并覆蓋非凹槽區(qū)上；將非凹槽區(qū)上的金屬層去除以暴露阻擋層；將非凹槽區(qū)上的阻擋層去除以暴露介質(zhì)層。
[0006]綜上所述，由于存在虛擬結(jié)構(gòu)，當(dāng)非凹槽區(qū)上的金屬層被拋光時(shí)，由于金屬層的導(dǎo)電性比阻擋層導(dǎo)電性高，電流將更多的從虛擬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，阻擋層的表面不會(huì)被氧化。非凹槽區(qū)上的阻擋層能夠容易地、均勻地、完全地被去除，以確保具有互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。
【附圖說明】
[0007]為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、所達(dá)成目的及效果，下面將結(jié)合實(shí)施例并配合圖式予以詳細(xì)說明，其中:
[0008]圖1揭示了一實(shí)施例的大馬士革工藝的流程圖。
[0009]圖2揭示了一實(shí)施例的大馬士革工藝的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3揭示了另一實(shí)施例的大馬士革工藝的流程圖。
[0011]圖4揭示了在硅片上的場(chǎng)區(qū)形成虛擬結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中，非凹槽區(qū)上的阻擋層未去除。
[0012]圖4 (a)是圖4沿A-A線的剖視圖。
[0013]圖4 (b)是圖4沿B-B線的剖視圖。
[0014]圖5揭示了在硅片上的場(chǎng)區(qū)形成虛擬結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中，非凹槽區(qū)上的阻擋層已去除。
[0015]圖5 (a)是圖5沿A-A線的剖視圖。
[0016]圖5 (b)是圖5沿B-B線的剖視圖。
[0017]圖6揭示了在硅片上相鄰兩金屬線之間的寬廣區(qū)域形成虛擬結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中，非凹槽區(qū)上的阻擋層已去除。
[0018]圖7揭示了在硅片上孤立的金屬線的兩邊區(qū)域形成虛擬結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中，非凹槽區(qū)上的阻擋層已去除。
[0019]圖8(a)至圖8(i)列舉了虛擬結(jié)構(gòu)的各種形狀示意圖。
[0020]圖9(a)揭示了未設(shè)置虛擬結(jié)構(gòu)的硅片在去除阻擋層后的掃描電子顯微鏡(SEM)的頂視圖。
[0021]圖9(b)揭示了形成有虛擬結(jié)構(gòu)的硅片在去除阻擋層后的掃描電子顯微鏡(SEM)的頂視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]參考圖1和圖2所示，揭示了在半導(dǎo)體器件中形成互連結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例的大馬士革工藝。在步驟110中，提供一硅片201或其他類似基板，硅片201具有金屬層間介質(zhì)層(IMD介質(zhì)層)202。IMD介質(zhì)層202的材料可以是二氧化硅或者類似于二氧化硅的材料，或者其他比二氧化硅的介電常數(shù)還要低的介質(zhì)材料以降低互連結(jié)構(gòu)之間的寄生電容。在步驟120中，第一凹槽區(qū)，例如，溝槽或通孔等，形成于頂D介質(zhì)層202上以構(gòu)成互連結(jié)構(gòu)。在步驟130中，在頂D介質(zhì)層202上沉積阻擋層203。可以采用，例如，化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)或原子層沉積(ALD)等方法在頂D介質(zhì)層202上沉積阻擋層203。阻擋層203覆蓋ηω介質(zhì)層202的凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)?？紤]到ηω介質(zhì)層202也可以具有孔狀結(jié)構(gòu)，因此，阻擋層203可以由能夠阻止后續(xù)工藝中沉積的金屬層204擴(kuò)散到頂D介質(zhì)層202內(nèi)的材料構(gòu)成，阻擋層203對(duì)頂D介質(zhì)層202和金屬層204具有很好的粘附性。通常，阻擋層203可以由以下材料構(gòu)成，比如，鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、鎢、氮化鎢、氮化硅鉭(TaSiN)以及氮化硅鎢(WSiN)等。
[0023]在步驟140中，在阻擋層203上沉積金屬層204?？梢圆捎茫?，物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或電鍍等方法。進(jìn)一步地，一些實(shí)際情形中，在沉積金屬層204之前，可以先在阻擋層203上沉積種子層。種子層的材料與金屬層204一致，其目的在于便于金屬層204沉積并粘附在阻擋層203上。金屬層204填滿第一凹槽區(qū)并覆蓋在MD介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上。另外，金屬層204可以由各種導(dǎo)電材料構(gòu)成，例如，銅、鋁、鎳、鋅、銀、金、錫、鉻、超導(dǎo)材料等。較佳地，金屬層204可以包括銅。進(jìn)一步地，金屬層204應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包括任何不同電導(dǎo)率的金屬所組成的合金，或者超導(dǎo)材料的合成物。
[0024]在步驟150中，金屬層204被沉積之后，將Hffi介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的金屬層204去除。可以采用，如電拋光或相類似的方法將MD介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的金屬層204去除。應(yīng)當(dāng)理解的是，拋光非凹槽區(qū)上的金屬層204包括了將金屬層204從沉積在Hffi介質(zhì)層202上的阻擋層203的非凹槽區(qū)上去除。關(guān)于電拋光的詳細(xì)描述，可以參見美國專利申請(qǐng)?zhí)?9/497，894，該專利所揭示的電拋光工藝適用于此。
[0025]接下來，在步驟160中，金屬層204由非凹槽區(qū)上被去除之后，將Hffi介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的阻擋層203去除?？梢圆捎?，例如濕法刻蝕、干法化學(xué)刻蝕、干法等離子刻蝕等將Hffi介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的阻擋層203去除。較佳地，使用XeF2氣相刻蝕的方法去除ηω介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的阻擋層203。如圖2所示，為了將ηω介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的金屬層204全部去除，在去除ηω介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的金屬層204時(shí)，實(shí)施過度拋光。過度拋光之后，MD介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的金屬層204全部去除，頂D介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的阻擋層203暴露出來。電流通過阻擋層203傳導(dǎo)，導(dǎo)致位于頂D介質(zhì)層202的非凹槽區(qū)上的一些區(qū)域，例如，場(chǎng)區(qū)(field area)、相鄰兩金屬線之間的寬廣區(qū)域以及孤立的金屬線的兩邊區(qū)域，等位置處的阻擋層203被氧化，從而在阻擋層203的表面形成一層氧化物薄膜205。要想去除阻擋層203，需要先將阻擋層203表面的氧化物薄膜205去除。此外，氧化物薄膜205的厚度與互連結(jié)構(gòu)的密度有關(guān)。也就是說，在金屬互連線密度較低的區(qū)域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度比在金屬互連線密度較高的區(qū)域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度厚，這是因?yàn)榻饘賹?04，比如銅層，的電阻要比阻擋層203的電阻小很多，在銅線密度較高的區(qū)域電流更多地從銅線傳導(dǎo)。氧化物薄膜205會(huì)阻擋層去除步驟中阻礙阻擋層203的去除，如果阻擋層203不能被均勻地去除，就會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的失效。
[0026]為了解決上述技術(shù)問題，參考圖3至圖5(b)所示，揭示了另一實(shí)施例的大馬士革工藝以在半導(dǎo)體器件中形成互連結(jié)構(gòu)。與前述的實(shí)施例所揭示的大馬士革工藝相比，本實(shí)施例的大馬士革工藝在介質(zhì)層的場(chǎng)區(qū)(field area)形成虛擬結(jié)構(gòu)200，以避免實(shí)施過度拋光金屬層204時(shí)在阻擋層203表面產(chǎn)生氧化物薄膜205。該實(shí)施例中的大馬士革工藝與前述的實(shí)施例中所揭示的大馬士革工藝在許多方面是相似的，除了位于場(chǎng)區(qū)的虛擬結(jié)構(gòu)200。后續(xù)將對(duì)該實(shí)施例中的