叠层结构的形成方法以及互连结构的形成方法

文档序号:9262249
叠层结构的形成方法以及互连结构的形成方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】

[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]可选的,所述第一时长和第三时长为零或其他非零时长。
[0009]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。
[0010]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:娃源流量为10sccm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I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。
[0011]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。
[0012]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娃,第二过渡层的材料为掺碳氮氧化娃,第三过渡层的材料为掺碳氧化硅。
[0013]可选的,所述刻蚀停止层的材料为掺碳氮化硅。
[0014]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100sccm, He流量为500sccm至lOOOOsccm,沉积腔室低频射频功率为O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I托至20托。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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lOOOsccm,沉积腔室温度为200度至400度,沉积腔室压强为I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10sccm至3000sccm。
[0019]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。
[0020]可选的,所述过渡层和介质层在同一反应腔室中形成。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]可选的,所述金属层为单层结构或多层结构。
[0024]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。
[0025]可选的,所述阻挡层的材料为T1、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。
[0026]与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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】
[0032]图1为互连结构的形成方法的流程示意图;
[0033]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;
[0034]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;
[0035]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;
[0036]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】
[0037]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。
[0038]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
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