专利名称：具有基本平坦的顶表面的通孔的制作方法
技术领域：
本发明涉及通孔和形成通孔的方法，更具体地，涉及通孔和形成具有基本平坦的顶表面的通孔。
背景技术：
通孔是公知的金属结构，其接触硅区、硅化物区或金属迹线，并从这些地方的顶表面垂直向上延伸，以接触金属互连结构中覆盖的金属迹线的底表面。接触硅区或硅化物区的顶表面的通孔也称作接触孔。
图1A-1D示出了说明现有技术下形成通孔的方法的剖视图。如图IA所示，所述方法使用常规形成的半导体晶圆100，其包括形成在半导体结构112中的导电结构110以及接触并叠加在导电结构110和半导体结构112上的非导电结构114。导电结构110可以代表硅区(例如源区或漏区)、形成在硅或多晶硅上的硅化物区或金属迹线。如图IA进一步所示，所述方法开始于在非导电结构114的顶表面上形成图形化的光刻胶层120。图形化的光刻胶层120是以常规方式形成的，其包括以下步骤淀积一层光刻胶；将光投射通过称为掩膜的图形化的暗/明玻璃板，以在光刻胶层上形成图形化的图像，以软化暴光的光刻胶区；以及去除软化的光刻胶区，以在非导电结构114的顶表面上暴露区域。(为了清楚，只示出了一个暴露的区域。)如图IB所示，在形成了图形化的光刻胶层120之后，刻蚀非导电结构114的暴露区域，以形成开口 122，其暴露导电结构110的顶表面。在形成开口 122之后，去除图形化的光刻胶层120。如图IC所示，一旦去除了图形化的光刻胶层120，就在非导电结构114上保形淀积钛/氮化钛层124，以铺垫(line)开口 122并且接触导电结构110的顶表面。在此之后，在钛/氮化钛层124上保形淀积钨层126，以填充开口 122。钛/氮化钛层124和钨层126均以常规方式淀积，例如通过使用化学气相淀积、等离子体气相淀积或原子层淀积。如图IC进一步所示，钨层126的淀积形成缝130，其垂直延伸至开口 122的中心。随着钨的淀积，开口 122的宽度逐渐变小，直至开口 122的侧壁上的钨在开口 122的中心交汇，以填充开口 122。缝130继而代表钨在开口 122的中心交汇的点。如图ID所示，在淀积了钨层126之后，使用常规化学机械抛光去除钨层126和钛/氮化钛124，以暴露非导电结构114的顶表面，并且形成通孔132，其包括剩余部分的钛/氮化钛层124和钨层126。常规化学机械抛光的一个问题是，即通常所说的晶内偏析，抛光中使用的化学制品频繁腐蚀(attack)缝130,并且形成腔体134,如图ID中进一步所示。在形成常规金属互连结构期间，在非导电结构114和通孔132上淀积金属层，作为形成金属迹线工艺的一部分。淀积的金属层114继而填充通孔132中的腔体134。因此，在常规金属互连工艺中，腔体134不会带来明显的问题。然而，当金属互连结构包括碳纳米管开关，该开关通过向下延伸以接触通孔132的顶表面而闭合，此时腔体134的存在会阻止碳纳米管开关与通孔132的顶表面进行可预测且可靠的电气连接。图2A-2C示出说明现有技术下碳纳米管开关200的示例的剖视图。如图2A-2C所示，开关200包括在半导体结构212中形成的导电结构210、接触并且叠加在导电结构210和半导体结构212上的非导电结构214以及延伸穿过非导电结构214以接触导电结构210的通孔216。导电结构210继而可以代表硅区(例如源区或漏区)、形成在硅或多晶硅上的硅化物区或金属迹线。如图2A-2C进一步所示，开关200还包括接触非导电结构214和通孔216的顶表面的支撑层220。支撑层220(通常用氮化物实现)包括暴露通孔216的顶表面的开口 222。另夕卜，开关200进一步包括接触下支撑结构220并且在开口 222上延伸的碳纳米管结构224。图2A示出具有基本平坦的顶表面的通孔216和处于打开开关位置的碳纳米管结构224，而图2B示出具有基本平坦的顶表面的通孔216和处于闭合开关位置的碳纳米管结构224。因此，如图2B所示，当开关200闭合时，碳纳米管结构224向下延伸，以与通孔216的基本平坦的顶表面进行可预测且可靠的电气连接。然而，如图2C所示，当通孔216遭受晶内偏析时，通孔216不再具有基本平坦的顶表面，而是具有腔体226。结果是，当开关200闭合且碳纳米管结构224向下延伸至通孔216时，碳纳米管结构224只接触通孔216的边缘，因此不再能够与通孔216进行可预测且可靠的电气连接。已经提出了对通孔晶内偏析问题的许多解决方案。例如，美国专利申请公开2009/0256217讨论了将材料电镀至腔体，在腔体内形成硅并且热循环硅以将硅转化为硅化物，以及通过大马士革或常规金属工艺在通孔的顶部上形成金属盖。尽管提出了对通孔晶内偏析问题的许多解决方案，但仍需要替换方法来形成具有基本平坦的顶表面的通孔
发明内容
本发明的半导体结构提供了一种具有基本平坦的顶表面的通孔，该通孔改进了受通孔顶表面的平坦性所影响的结构。本发明的半导体结构包括导电结构和非导电结构。半导体结构还包括具有顶表面的通孔。通孔的整个顶表面是基本平坦的。通孔具有接触导电结构和非导电结构的第一导电材料。通孔还具有接触第一导电材料并且与非导电结构隔开的第二导电材料，以及接触第二导电材料并且与第一导电材料隔开的第三导电材料。本发明的一种形成半导体结构的方法，包括在非导电结构中形成开口。开口暴露导电结构。非导电结构具有顶表面。所述方法还包括淀积第一导电材料以接触非导电结构。第一导电层铺垫开口并且接触导电结构。所述方法额外的包括淀积第二导电层以接触第一导电层，以及去除第二导电层和第一导电层以暴露非导电结构的顶表面，并且在开口中形成通孔。通孔具有顶表面。所述方法进一步包括淀积第三导电层以接触非导电层和通孔，淀积第四导电层以接触第三导电层，以及去除第四导电层和第三导电层以暴露非导电结构的顶表面。本发明的另一种形成半导体结构的方法，包括在非导电结构中形成开口。开口暴露导电结构。非导电结构具有顶表面。所述方法还包括淀积第一导电层以接触非导电结构。第一导电层铺垫开口并且接触导电结构。所述方法额外的包括淀积第二导电层以接触第一导电层，以及去除第二导电层和第一导电层以暴露非导电结构的顶表面，并且在开口中形成通孔。所述方法进一步包括淀积第三导电层以接触非导电结构和通孔。所述第一导电层和所述第三导电层包括相同的导电材料。
图1A-1D是说明现有技术下形成通孔的方法的剖视图。图2A-2C是说明现有技术下碳纳米管开关200示例的剖视图。图3A-3B是说明根据本发明形成通孔的示例方法的剖视图。
具体实施例方式图3A-3B示出了说明根据本发明形成通孔的示例方法的剖视图。如下面详细说明 的，本发明在晶圆上形成通孔，使其位于非导电结构中的开口内并且与底层导电结构电气连接，使得通孔的整个顶表面都是基本平坦的，并且通孔的顶表面与非导电结构的顶表面基本位于同一个平面。本发明的方法遵循与图1A-1D所示相同的步骤来形成通孔132，第一处不同在于，如图3A所示，通过在非导电结构114和通孔132上保形淀积钛/氮化钛层310。因此，当所述化学机械抛光形成腔体134时，钛/氮化钛层310铺垫腔体134。之后，在钛/氮化钛层310上保形淀积钨层312。因此，当化学机械抛光形成腔体134时，钨层312填充腔体134。钛/氮化钛层310和钨层312以常规方式淀积，例如通过使用化学气相淀积、等离子体气相淀积或原子层淀积。如图3B所示，在淀积了钨层312之后，使用常规化学机械抛光去除钨层312和钛/氮化钛层310，以暴露非导电结构114的顶表面，并且形成通孔314，其包括通孔132和剩余部分的钛/氮化钛层310以及钨层312。在腔体134非常浅的某些情况下，通孔314包括通孔132和仅剩余部分的钛/氮化钛层310。根据本发明，通孔314被形成为具有如下顶表面，其中通孔314的整个顶表面都是基本平坦的，并且与非导电结构114的顶表面基本位于相同的平面。实验结果显示，通孔314不具有晶内偏析并且在晶圆上的平坦度约为+/-50A。因此，当化学机械抛光腐蚀缝130并且形成具有腔体134的通孔132时，本发明用钛/氮化钛层310和钨层312填充腔体134，然后用第二化学机械抛光去除多余的材料，从而留下通孔314。另一方面，当化学机械抛光形成无腔体134的通孔132时，本发明淀积钛/氮化钛层310和钨层312，然后去除这些层而没有对通孔132造成任何损伤。因此，本发明确保通孔的整个顶表面总是被形成为基本平坦的。本发明的优势之一是，具有基本平坦的顶表面的通孔特别适合碳纳米管应用。例如，通孔的基本平坦的顶表面允许碳纳米管开关(例如开关200)是可预测且可靠的闭合。本发明相对于现有技术的解决方案具有许多额外优点。例如，本发明不需要与电镀或形成硅化物相关的时间和成本。而且，形成覆盖通孔顶表面的金属盖需要掩膜步骤以及与该掩膜步骤相关的成本。
在大马士革工艺中，必须淀积非导电材料，然后经掩膜和刻蚀以形成盖的开口。之后，淀积金属并且接着经平坦化以形成盖。类似地，在常规金属工艺中，淀积金属层，然后经掩膜和刻蚀以形成盖。除了与掩膜步骤相关的成本之外，形成覆盖通孔顶表面的金属盖也是依赖于版图 的。这继而意味着，每个具有不同版图的晶圆也必然产生与额外掩膜步骤相关的成本。相比之下，本发明不是依赖于版图的，可以应用于所有晶圆。应当理解，上述描述是本发明的示例，并且在实施本发明时可以使用这里描述的发明的各种替换。因此，意图在于，权利要求定义本发明的范围，并且由此涵盖了这些权利要求及其等价物范围内的结构和方法。
权利要求
1.一种形成半导体结构的方法，包括 在非导电结构中形成开口，所述开口暴露导电结构，所述非导电结构具有顶表面； 淀积第一导电层，以接触所述非导电结构，所述第一导电层铺垫所述开口并且接触所述导电结构； 淀积第二导电层，以接触所述第一导电层； 去除所述第二导电层和所述第一导电层，以暴露所述非导电结构的顶表面，并且在所述开口中形成通孔，所述通孔具有顶表面； 淀积第三导电层，以接触所述非导电结构和所述通孔； 淀积第四导电层，以接触所述第三导电层；和 去除所述第四导电层和所述第三导电层，以暴露所述非导电结构的顶表面。
2.根据权利要求I所述的方法，其中在去除了所述第四导电层和所述第三导电层之后，所述通孔的整个顶表面是基本平坦的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在去除了所述第四导电层和所述第三导电层之后，所述非导电结构的顶表面和所述通孔的顶表面基本位于共同的平面内。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述通孔具有腔体，所述第三导电层铺垫所述腔体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第四导电层填充所述腔体。
6.根据权利要求3所述的方法，其中 所述第一导电层和所述第三导电层包括相同的导电材料；和 所述第二导电层和所述第四导电层包括相同的导电材料。
7.根据权利要求3所述的方法，其中 通过化学机械抛光去除所述第二导电层和所述第一导电层；和 通过化学机械抛光去除所述第四导电层和所述第三导电层。
8.根据权利要求3所述的方法，其中 所述第一导电层和所述第三导电层是钛/氮化钛；和 所述第二导电层和所述第四导电层是钨。
9.一种形成半导体结构的方法，包括 在非导电结构上形成开口，所述开口暴露导电结构，所述非导电结构具有顶表面； 淀积第一导电层，以接触所述非导电结构，所述第一导电层铺垫所述开口并且接触所述导电层； 淀积第二导电层，以接触所述第一导电层； 去除所述第二导电层和所述第一导电层，以暴露所述非导电结构的顶表面，并且在所述开口中形成通孔；和 淀积第三导电层，以接触所述非导电结构和所述通孔，所述第一导电层和所述第三导电层包括相同的导电材料。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括淀积第四导电层，以接触所述第三导电层。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括去除所述第四导电层和所述第三导电层，以暴露所述非导电结构的顶表面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述通孔具有腔体，所述第三导电层铺垫所述腔体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第四导电层填充所述腔体。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第二导电层和所述第四导电层包括相同的 导电材料。
15.根据权利要求11所述的方法，其中 通过化学机械抛光去除所述第二导电层和所述第一导电层；和 通过化学机械抛光去除所述第四导电层和所述第三导电层。
16.根据权利要求11所述的方法，其中 所述第一导电层和所述第三导电层是钛/氮化钛；和 所述第二导电层和所述第四导电层是钨
17.—种半导体结构,包括 导电结构； 非导电结构；和 通孔，所述通孔具有顶表面，所述通孔的整个顶表面是基本平坦的，所述通孔具有 第一导电材料，所述第一导电材料接触所述导电结构和所述非导电结构； 第二导电材料，所述第二导电材料接触所述第一导电材料并且与所述非导电结构隔开；和 第三导电材料，所述第三导电材料接触所述第二导电材料并且与所述第一导电材料隔开。
18.根据权利要求17所述的半导体结构，其中所述通孔进一步包括第四导电材料，所述第四导电材料接触所述第三导电材料并且与所述第二导电材料隔开。
19.根据权利要求17所述的半导体结构，其中所述第一导电材料和所述第三导电材料基本上相同，并且与所述第二导电材料不同。
20.根据权利要求17所述的半导体结构，其中所述第一导电材料和所述第三导电材料是钛/氮化钛，并且所述第二导电材料是钨。
全文摘要
一种通孔(314)，其接触非导电结构(114)和底层的导电结构(110)，并且具有顶表面，其中通孔(314)的整个顶表面是基本平坦的。通孔的基本平坦的整个顶表面改进了受通孔(314)顶表面的平坦度所影响的结构。
文档编号H01L21/28GK102971834SQ201180033619
公开日2013年3月13日 申请日期2011年5月31日 优先权日2010年7月8日
发明者M·E·阿克里克, T·J·穆蒂尼奥 申请人:美国国家半导体公司