铝互连结构及其形成方法与流程

本申请涉及半导体制造领域，具体来说，涉及一种铝互连结构及其形成方法。

背景技术：

在集成电路制造中，芯片内部采用金属互连线来连接半导体器件，当前常用的用作金属互连线的金属材料包括铝，铜，钨等。

图1至图3为现有技术中形成铝互连结构方法各步骤的结构示意图，所述方法包括：参考图1，提供半导体衬底110，在所述半导体衬底110上依次形成第一阻挡层120，含铝金属材料层130以及第二阻挡层140，其中，所述第一阻挡层120为钛层、氮化钛层或者钛层和氮化钛层中的任意一种或者多种的组合，所述含铝金属材料层130例如金属铝或者铝的合金材料，所述第二阻挡层140为钛层、氮化钛层或者钛层和氮化钛层中的任意一种或者多种的组合。随后在所述第二阻挡层140表面形成掩膜层150，所述的掩膜层150例如为图案化的光刻胶层。所述掩膜层150用于定义所述铝互连结构的位置和尺寸。

参考图2，在掩膜层150的保护下，依次刻蚀所述第二阻挡层140，含铝金属材料层130以及第一阻挡层120，继续参考图3，采用灰化工艺去除所述掩膜层150，形成所述铝互连结构。

然而，如图4所示，现有技术形成所述铝互连结构的方法，容易在所述含铝金属材料层130的侧壁形成孔洞160，影响所述铝互连结构的电连接性能。因此，需要提供一种新的铝互连结构的形成方法。

技术实现要素：

本申请技术方案要解决的技术问题是：针对现有铝互连结构的形成方法容易在含铝金属材料层侧壁产生孔洞的缺陷，提供一种改进的铝互连结构的形成方法，消除所述含铝金属材料层侧壁的孔洞。

本申请的一方面提供一种铝互连结构的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底表面依次形成有金属材料层和图案化的掩膜层，所述金属材料层包括含铝金属材料层；刻蚀所述金属材料层；去除所述图案化掩膜层；在25℃到40℃的温度条件下去离子水清洗所述铝互连结构。

在本申请的一些实施例中，去除所述图案化掩膜层的工艺为灰化工艺，其中，进行所述灰化工艺的气体包括h2o和o2。

在本申请的一些实施例中，采用溅射沉积工艺形成所述含铝金属材料层，其中，所述溅射沉积工艺在350℃至380℃的温度下进行。

在本申请的一些实施例中，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述金属材料层，其中，所述干法刻蚀工艺的刻蚀气体包括cl2，ccl4和bcl3中的一种或者多种。

在本申请的一些实施例中，所述干法刻蚀工艺的刻蚀气体还包括n2和chf3中的一种或者多种。

在本申请的一些实施例中，所述干法刻蚀工艺的刻蚀压强范围从8mt至20mt。

在本申请的一些实施例中，所述cl2或者ccl4或者bcl3的流量范围从30sccm到50sccm，所述的n2或者chf3的流量范围为5sccm至15sccm。

在本申请的一些实施例中，所述含铝金属材料层为al-cu合金。

在本申请的一些实施例中，所述金属材料层包括依次形成于所述半导体衬底表面的第一阻挡层，含铝金属材料层和第二阻挡层。

本申请的另一方面提供一种铝互连结构，所述铝互连结构由上述第一方面提供的任意一种方法形成。

本申请实施例所述铝互连结构及其形成方法，调整了所述去离子水的清洗工艺，在25℃到40℃的温度条件下清洗所述铝互连结构，减少了所述含铝金属材料层中产生孔洞的可能性。进一步，在灰化所述光刻胶图案的工艺中采用h2o/o2作为灰化气体；在在350℃至380℃的范围内进行含铝金属材料层的溅射沉积工艺；在刻蚀所述金属材料层的工艺中，调整所述蚀刻气体的组分，加入氮气或者chf3等气体，并调整刻蚀气体的流量，刻蚀温度等，进一步降低所述铝金属材料层中产生孔洞的可能性，提高铝互连结构的电连接性能和可靠性。

本申请中另外的特征将部分地在下面的描述中阐述。通过该阐述，使以下附图和实施例叙述的内容对本领域普通技术人员来说变得显而易见。本申请中的发明点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段及其组合来得到充分阐释。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：

图1至图3是现有技术一种铝互连结构制作方法各步骤的结构示意图；

图4是现有技术形成的铝互连结构侧壁有孔洞的结构示意图；

图5是本公开中铝溅射沉积工艺所使用工具的示意图；

图6是含铝金属材料层侧壁产生al·cl的示意图。

图7是为本申请实施例所述铝互连结构的形成方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。

下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。

形成铝互连结构的方法包括在所述半导体衬底表面依次形成金属材料层和图案化的掩膜层，其中所述金属材料层包括含铝金属材料层；以及刻蚀所述金属材料层，去除所述图案化掩膜层等步骤。在刻蚀所述金属材料层后，以及去除所述图案化掩膜层等步骤后，还包括清洗步骤，以去除进行所述步骤后膜层或者铝互连结构表面的污染和杂质。其中，形成所述金属材料层的工艺例如为气相沉积工艺，例如为溅射沉积工艺；刻蚀所述金属材料层的工艺例如为干法刻蚀工艺；所述图案化掩膜层例如为光刻胶层，去除所述图案化掩膜层的工艺例如为灰化工艺。所述的清洗步骤例如为去离子水清洗。

发明人研究发现，所述方法在含铝金属材料层侧壁产生的孔洞的与多个因素有关。

在发明人的研究中发现，所述孔洞主要产生在所述含铝金属材料层的侧壁，所述的含铝金属材料层例如为金属铝或者铝的合金，所述铝的合金比如al-cu合金。形成所述含铝金属材料层的工艺例如为溅射沉积工艺，图5所示为一种溅射沉积设备的示意图，包括腔体20，所述半导体衬底21设置在所述腔体20底部的承载台22上，所述腔体20顶部通过线圈产生电场和磁场，将通入所述腔体内的溅射气体转变为等离子体，从而执行所述溅射沉积工艺。所述溅射沉积工艺涉及功率，压力，温度等参数。

发明人研究发现，含铝金属材料层中孔洞的形成与溅射沉积工艺的温度有关。相对高的溅射沉积温度可导致含铝金属材料层的侧壁上形成更多的孔洞，并因此导致更高的孔洞密度。这是由于，当溅射温度升高时，所形成的含铝金属材料层中铝晶粒的粒度较小，因此铝晶粒的比表面积(单位质量物质所具有的总面积)较大，这会显著增加氯，氟等物质与铝接触及相互作用的面积，以及氯气等在铝晶粒之间通过的时间。其结果为在含铝金属材料层侧壁形成更多的易溶杂质(如al·cl等)，从而导致更多的孔洞在含铝金属材料层中形成。

发明人研究发现，刻蚀所述金属材料层的工艺也与含铝金属材料层中孔洞的形成有密切关系。例如，在干法刻蚀工艺中，当被蚀刻的含铝金属材料层是铝或铝基合金(如al-cu)时，所述刻蚀气体通常包括氯气(cl2)。

而cl2可能是导致含铝金属材料层的侧壁上孔洞形成的一个重要因素。如图6所示，cl2气体会进入到含铝金属材料层的侧壁上的铝晶粒的边界，使含铝金属材料层侧壁上的铝晶粒转变为含有al·cl的结合物280(或化合物，具体形式与渗入的氯的量以及在该位置氯元素与铝元素的比值有关)。al·cl一般通过离子键形成，因此可溶于水或水性溶液中，导致所述含铝金属材料层的侧壁上产生孔洞。

此外，在刻蚀工艺以及后续的清洗工艺中，刻蚀以及清洗环境中的一些杂质或污染物(例如氧气(o2)和水分(h2o))也可促进或者帮助cl原子或者离子与金属铝的结合，使所述含铝金属材料层侧壁的铝原子与cl原子或者离子结合，导致在所述使含铝金属材料层的侧壁上形成孔洞。例如，发明人发现，其它条件不变的情况下，若环境中还含有氧气，水分等时，在含铝金属材料层侧壁上形成的孔洞的密度显著增加。

在灰化所述图案化掩膜层的工艺中，通常采用包括氧和氟的气体，例如包括cf4和o2的灰化气体。然而，发明人研究发现，cf4的存在会使侧壁上孔洞的形成更加严重。这可能是由于在含铝金属材料层的侧壁上发生了以下过程而导致的：侧壁上或靠近侧壁的铝晶粒上形成的al·cl在cf4的作用下可以进一步转化为al·f。与al·cl相比，al·f更易溶于水或水溶液中。而且，在某些条件下，例如在高温下，al·f的迁移可能会加速，这使得孔洞形成的问题更加严重。因此，cf4的存在可能导致在含铝金属材料层中形成更多的孔洞。

此外，发明人研究发现，去离子水清洗的温度对含铝金属材料层中孔洞的形成具有十分重要的影响。较高的温度会使许多物质的反应性升高，如在刻蚀过程中渗入到含铝金属材料层中的氯，氟等元素会具有更高的反应性，因此更容易在高温水环境下溶解，导致含铝金属材料层中形成更多的孔洞。

鉴于以上描述，含铝金属材料层中孔洞的形成是多种因素共同作用的结果。对所述各种因素中工艺的改进和优化可以有效的减少含铝金属材料层中孔洞的形成。

因此，本申请实施例提供了一种铝互连结构的形成方法，所述方法可以减少含铝金属材料层中孔洞的形成。参考附图7所示，为本申请实施例所述铝互连结构的形成方法的工艺流程图，所述方法包括，步骤s1，提供半导体衬底，所述半导体衬底表面依次形成有金属材料层和图案化的掩膜层，所述金属材料层包括含铝金属材料层；步骤s2，刻蚀所述金属材料层；步骤s3，去除所述图案化掩膜层；步骤s4，在25℃到40℃的温度条件下用去离子水清洗所述铝互连结构。

形成的所述铝互连结构参考附图6所示，包括半导体衬底210，位于所述半导体衬底210上的金属材料层，其中，所述金属材料层包括依次位于所述半导体衬底210上的第一阻挡层220，含铝金属材料层230以及第二阻挡层240，所述其中，所述第一阻挡层220为钛层、氮化钛层或者钛层和氮化钛层中的任意一种或者多种的组合，所述含铝金属材料层230例如金属铝或者铝的合金材料，所述第二阻挡层240为钛层、氮化钛层或者钛层和氮化钛层中的任意一种或者多种的组合。

如前所述，温度升高，含铝金属材料层中的氯，氟等元素会具有更高的反应活性，因此更容易在高温水环境下溶解，导致含铝金属材料层中形成更多的孔洞，因此适当降低去离子水清洗的温度可显著减少孔洞的形成。因此去离子水清洗的过程要在尽量低的温度下进行，而同时还要保证清洗的效果。本申请实施例中，去离子水清洗的温度应控制在25℃至40℃的范围内，优选为30℃至35℃，以尽量减少孔洞的形成，并同时保证清洗的效果。发明人研究发现，当去离子水清洗的温度大于40℃时，含铝金属材料层中形成孔洞的数量增加，而且，温度越高，含铝金属材料层中形成的孔洞越多。例如去离子水清洗的温度在60℃时含铝金属材料层中形成的孔洞明显多于去离子水清洗的温度在40℃时。

在本申请的一些实施例中，去除所述图案化掩膜层的工艺为灰化工艺，进行所述灰化工艺的气体包括h2o和o2。其中，所述的h2o为气态水。本申请实施例已经提到，在灰化工艺气体包括cf4和o2的情况下，cf4会使所述含铝金属材料层侧壁形成al·f而促进孔洞的形成。因此，本实施例采用包括h2o和o2的灰化气体，完全避免了在所述含铝金属材料层侧壁形成al·f，可以显著减少所述含铝金属材料层侧壁孔洞的形成。

在本申请的一些实施方案中，除了使用h2o/o2来代替cf4/o2之外，控制灰化工艺的温度在一个恰当的低水平，也可以限制孔洞的形成，例如灰化温度为180摄氏度至250摄氏度，可选的，例如为180摄氏度，200摄氏度，225摄氏度，250摄氏度。发明人研究发现，当灰化温度大于250摄氏度时，所述含铝金属材料层侧壁孔洞增多。

在本申请的一个实施例中，采用包括h2o和o2的灰化气体，其中所述h2o和o2的流量比为2-4∶1，例如3∶1可以更好的限制所述所述含铝金属材料层侧壁空洞的产生。

在本申请的一个具体实施例中，采用包括h2o和o2的灰化气体，其中，所述h2o的流量范围为450-500sccm，o2的流量为150-200sccm，灰化温度为200摄氏度，反应腔压力为700mt至1000mt。所述工艺限制了所述所述含铝金属材料层侧壁空洞的产生。

在本申请一些实施例中，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述金属材料层，所述金属材料层包括含铝金属材料层。刻蚀所述金属材料层的刻蚀气体包括cl基气体，所述的cl基气体包括氯气，四氯化碳(ccl4)，三氯化硼(bcl3)中的一种或者多种的混合。可选的，所述刻蚀气体包括cl2与四氯化碳(ccl4)，三氯化硼(bcl3)中的一种或者两种的混合。

由于cl2的存在可能会与含铝金属材料层侧壁的al原子结合从而形成易溶性的al·cl等物质，因此，在本公开的一些实施例中，进一步优化了所述干法刻蚀工艺。具体来说，刻蚀所述金属材料层的刻蚀气体应具有比常规情况下更低的压力和更高的刻蚀温度，以减少所述含铝金属材料层侧壁的铝原子与环境中cl的结合。在本申请的一些实施例中，上述刻蚀工艺中的压力可以在8mt至20mt的范围内，并且优选为10mt至15mt。发明人研究发现，刻蚀工艺的其它工艺参数不变的情况下，刻蚀压力越小，含铝金属材料层侧壁的空洞越少。

在本申请的一些实施例中，所述的刻蚀温度在30摄氏度至50摄氏度之间，此外，所述氯气的流量可以在30sccm(standardcubiccentimetersperminute)至50sccm的范围内，并且优选地从35sccm至45sccm，所述四氯化碳(ccl4)或者三氯化硼(bcl3)的流量可以在30sccm至50sccm的范围内。发明人研究发现，刻蚀工艺的其它工艺参数不变的情况下，氯气的流量越小，含铝金属材料层侧壁的空洞越少。

在本申请的一些实施例中，所述刻蚀气体可以是cl2与一种或多种其它气体的组合，例如cl2和bcl3的组合。在一个具体的实施例中，所述的刻蚀气体包括cl2和bcl3，其中反应腔压力为12-15mt，cl2的流量为40sccm，bcl3的流量为45sccm，在惰性氛围下，例如在8sccm的氦气氛围下，进行干法刻蚀，可使所述含铝金属材料层侧壁上的孔洞密度进一步降低。

此外，在本申请的一些实施例中，所述的刻蚀气体还可以包括其它气体，例如氮气(n2)、三氟甲烷(chf3)中的任意一种或者多种的组合，所述的n2或者chf3的流量范围为5sccm至15sccm。在本申请的一些实施例中，所述的刻蚀气体可以包括cl2和n2；或者cl2和bcl3和n2；或者cl2和bcl3和n2和chf3，所述刻蚀气体可以显著降低所述含铝金属材料层的侧壁上的孔洞密度。

所述含铝金属材料层的溅射沉积工艺也会影响所述含铝金属材料层中孔洞的形成，因此通过优化所述含铝金属材料层溅射沉积工艺的参数，特别是溅射沉积工艺的温度，可进一步减少孔洞的形成。发明人研究发现，溅射温度升高可导致在所述含铝金属材料层中形成更多的孔洞。因此，在一些实施例中，所述含铝金属材料层的溅射温度为350℃至380℃，并且优选地360℃至370℃的范围。通过在所述温度条件下进行所述含铝金属材料层溅射沉积工艺，所述含铝金属材料层中的铝晶粒可以保持相对较大的粒度，这导致铝晶粒的比表面积相对较小。这样，c12在铝晶粒之间通过的时间减少，与铝晶粒的接触也较少，因此al·cl，al·f等形成的机会减少，因此减小了所述含铝金属材料层中形成孔洞的可能性。在本申请的一个具体实施例中，在所述含铝金属材料层的溅射沉积工艺采用惰性气体，例如ar气体作为溅射沉积工艺的辅助气体，溅射功率例如为1kw至2kw，例如1.2kw，1.5kw，1.8kw。所述所述含铝金属材料层的溅射沉积工艺中其它的工艺参数可以选用现有技术中的一些已知技术。

本申请还提供一种铝互连结构，采用本申请实施例所述铝互连结构的形成方法形成。

本申请实施例所述铝互连结构及其形成方法，调整了所述去离子水的清洗工艺，在25℃到40℃的温度条件下清洗所述铝互连结构，减少了所述含铝金属材料层中产生孔洞的可能性。进一步，在灰化所述光刻胶图案的工艺中采用h2o/o2作为灰化气体；在在350℃至380℃的范围内进行含铝金属材料层的溅射沉积工艺；在刻蚀所述金属材料层的工艺中，调整所述蚀刻气体的组分，加入氮气或者chf3等气体，并调整刻蚀气体的流量，刻蚀温度等，进一步降低所述铝金属材料层中产生孔洞的可能性。

应当注意，在实践中，上述优化的排序仅适用于一些实施例，而不是本公开的所有实施例。也就是说，在某些其他实施例或情况下，具有较低影响或优先级的某个因素可能在减少孔洞形成方面比某些高影响或优先级的因素更重要。此外，根据实际需要，可以实现上述优化或改造步骤中的一个或多个或全部，它或它们可以独立地进行或与任何其他合适的方法或改进组合进行。

此外，在一些实施例中，采用上述的一个或多个优化措施中来制造铝互连结构。与通过常规工艺制造的铝互连结构相比，根据本公开制造的铝互连结构具有明显减少的孔洞形成和较低的孔洞密度，从而提高了铝互连结构的电连接性能和可靠性。

综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。

应当理解，本实施例使用的术语″和/或″包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作″连接″或″耦接″至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。

类似地，应当理解，当诸如层、区域或半导体衬底之类的元件被称作在另一个元件″上″时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语″直接地″表示没有中间元件。还应当理解，术语″包含″、″包含着″、″包括″和/或″包括着″，在此使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本发明的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标志符在整个说明书中表示相同的元件。

此外，通过参考作为理想化的示例性图示的截面图示和/或平面图示来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的范围内。