互连结构的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明总的来说涉及制造半导体设备的领域，更具体地说，涉及一种在半导体器件中形成互连结构的方法。
【背景技术】
[0002]半导体器件通常是由半导体材料，例如硅片，经过一系列工艺加工制作而成。硅片可能经过，例如掩模、刻蚀、沉积等工艺以形成半导体器件的电路。随着半导体器件的集成度不断提高，金属互连结构快速发展并应用在半导体器件中。多次掩模和刻蚀工艺能够在硅片上的介质层中形成凹槽区。然后，进行沉积工艺，在介质层的凹槽区和非凹槽区沉积金属层。沉积在介质层的非凹槽区上的金属层需要去除以隔离凹槽区的图形并形成互连结构。为了防止金属层扩散或侵入到介质层内，通常会在介质层上沉积金属层之前，先在介质层上沉积阻挡层，然后金属层沉积在阻挡层上。
[0003]去除介质层的非凹槽区上的金属层和阻挡层的常规方法，包括例如化学机械抛光(CMP)。CMP方法广泛应用在半导体工业中以抛光和平坦化介质层的非凹槽区上的金属层，以形成互连结构。在CMP工艺中，硅片放在位于抛光盘上的抛光垫上，然后向硅片施加压力使娃片压向抛光垫，娃片和抛光垫彼此相对运动，同时施加压力抛光和平坦化娃片表面。在抛光过程中，将抛光液分配到抛光垫上，以利于抛光。CMP方法虽然能够实现硅片表面全局平坦化，但是，由于CMP存在较强的机械力，CMP方法对半导体结构具有有害的影响，尤其是当半导体结构的特征尺寸变的越来越小，铜和低k/超低k介质层用于半导体结构时，较强的机械力可能在半导体结构上引起与应力相关的缺陷。
[0004]去除介质层的非凹槽区上的金属层的另一种方法是电化学抛光工艺。电化学抛光工艺去除金属层具有很高的均匀性，同时对阻挡层的选择比也很高，电化学抛光工艺是一种无应力抛光工艺。然而，在电化学抛光工艺中，为了保证介质层的非凹槽区上的金属层全部去除，通常会有一个过度抛光过程。过度抛光之后，发现一些区域，比如，场区(fieldarea)、相邻两金属线之间比较宽广的区域或者孤立的金属线的两边区域，在过度抛光阶段，这些区域非凹槽区上的金属层全部去除，使得阻挡层裸露出来，电流通过阻挡层传导，导致在这些区域，阻挡层的上表面被氧化形成一层氧化物薄膜。换言之，在那些金属互连线密度较低的区域的阻挡层表面形成的氧化物薄膜的厚度会比在金属互连线密度较高的区域的阻挡层表面形成的氧化物薄膜的厚度厚，这是因为金属互连线，比如铜线，的电阻要比阻挡层的电阻小很多，在铜线密度较高的区域电流更多地从铜线传导。形成在阻挡层表面的氧化物薄膜会阻碍阻挡层的去除，如果阻挡层不能被均匀地去除，就会导致半导体器件的失效。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的在于提出一种互连结构的形成方法，包括下述步骤:提供具有介质层的硅片；在介质层上形成第一凹槽区和非凹槽区，第一凹槽区用于形成互连结构；在介质层上形成第二凹槽区，第二凹槽区用于形成虚拟结构；沉积阻挡层以覆盖第一和第二凹槽区、以及非凹槽区；沉积金属层，金属层填满第一和第二凹槽区并覆盖非凹槽区上；将非凹槽区上的金属层去除以暴露阻挡层；将非凹槽区上的阻挡层去除以暴露介质层。
[0006]综上所述，由于存在虚拟结构，当非凹槽区上的金属层被抛光时，由于金属层的导电性比阻挡层导电性高，电流将更多的从虚拟结构传导，阻挡层的表面不会被氧化。非凹槽区上的阻挡层能够容易地、均匀地、完全地被去除，以确保具有互连结构的半导体器件的质量。
【附图说明】
[0007]为详细说明本发明的技术内容、所达成目的及效果，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明，其中:
[0008]图1揭示了一实施例的大马士革工艺的流程图。
[0009]图2揭示了一实施例的大马士革工艺的剖面结构示意图。
[0010]图3揭示了另一实施例的大马士革工艺的流程图。
[0011]图4揭示了在硅片上的场区形成虚拟结构的顶视图，其中，非凹槽区上的阻挡层未去除。
[0012]图4 (a)是图4沿A-A线的剖视图。
[0013]图4 (b)是图4沿B-B线的剖视图。
[0014]图5揭示了在硅片上的场区形成虚拟结构的顶视图，其中，非凹槽区上的阻挡层已去除。
[0015]图5 (a)是图5沿A-A线的剖视图。
[0016]图5 (b)是图5沿B-B线的剖视图。
[0017]图6揭示了在硅片上相邻两金属线之间的宽广区域形成虚拟结构的顶视图，其中，非凹槽区上的阻挡层已去除。
[0018]图7揭示了在硅片上孤立的金属线的两边区域形成虚拟结构的顶视图，其中，非凹槽区上的阻挡层已去除。
[0019]图8(a)至图8(i)列举了虚拟结构的各种形状示意图。
[0020]图9(a)揭示了未设置虚拟结构的硅片在去除阻挡层后的扫描电子显微镜(SEM)的顶视图。
[0021]图9(b)揭示了形成有虚拟结构的硅片在去除阻挡层后的扫描电子显微镜(SEM)的顶视图。
【具体实施方式】
[0022]参考图1和图2所示，揭示了在半导体器件中形成互连结构的一实施例的大马士革工艺。在步骤110中，提供一硅片201或其他类似基板，硅片201具有金属层间介质层(IMD介质层)202。IMD介质层202的材料可以是二氧化硅或者类似于二氧化硅的材料，或者其他比二氧化硅的介电常数还要低的介质材料以降低互连结构之间的寄生电容。在步骤120中，第一凹槽区，例如，沟槽或通孔等，形成于頂D介质层202上以构成互连结构。在步骤130中，在頂D介质层202上沉积阻挡层203。可以采用，例如，化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或原子层沉积(ALD)等方法在頂D介质层202上沉积阻挡层203。阻挡层203覆盖ηω介质层202的凹槽区和非凹槽区。考虑到ηω介质层202也可以具有孔状结构，因此，阻挡层203可以由能够阻止后续工艺中沉积的金属层204扩散到頂D介质层202内的材料构成，阻挡层203对頂D介质层202和金属层204具有很好的粘附性。通常，阻挡层203可以由以下材料构成，比如，钛、钽、氮化钛、氮化钽、钨、氮化钨、氮化硅钽(TaSiN)以及氮化硅钨(WSiN)等。
[0023]在步骤140中，在阻挡层203上沉积金属层204。可以采用，例如，物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或电镀等方法。进一步地，一些实际情形中，在沉积金属层204之前，可以先在阻挡层203上沉积种子层。种子层的材料与金属层204一致，其目的在于便于金属层204沉积并粘附在阻挡层203上。金属层204填满第一凹槽区并覆盖在MD介质层202的非凹槽区上。另外，金属层204可以由各种导电材料构成，例如，铜、铝、镍、锌、银、金、锡、铬、超导材料等。较佳地，金属层204可以包括铜。进一步地，金属层204应当被认为包括任何不同电导率的金属所组成的合金，或者超导材料的合成物。
[0024]在步骤150中，金属层204被沉积之后，将Hffi介质层202的非凹槽区上的金属层204去除。可以采用，如电抛光或相类似的方法将MD介质层202的非凹槽区上的金属层204去除。应当理解的是，抛光非凹槽区上的金属层204包括了将金属层204从沉积在Hffi介质层202上的阻挡层203的非凹槽区上去除。关于电抛光的详细描述，可以参见美国专利申请号09/497，894，该专利所揭示的电抛光工艺适用于此。
[0025]接下来，在步骤160中，金属层204由非凹槽区上被去除之后，将Hffi介质层202的非凹槽区上的阻挡层203去除。可以采用，例如湿法刻蚀、干法化学刻蚀、干法等离子刻蚀等将Hffi介质层202的非凹槽区上的阻挡层203去除。较佳地，使用XeF2气相刻蚀的方法去除ηω介质层202的非凹槽区上的阻挡层203。如图2所示，为了将ηω介质层202的非凹槽区上的金属层204全部去除，在去除ηω介质层202的非凹槽区上的金属层204时，实施过度抛光。过度抛光之后，MD介质层202的非凹槽区上的金属层204全部去除，頂D介质层202的非凹槽区上的阻挡层203暴露出来。电流通过阻挡层203传导，导致位于頂D介质层202的非凹槽区上的一些区域，例如，场区(field area)、相邻两金属线之间的宽广区域以及孤立的金属线的两边区域，等位置处的阻挡层203被氧化，从而在阻挡层203的表面形成一层氧化物薄膜205。要想去除阻挡层203，需要先将阻挡层203表面的氧化物薄膜205去除。此外，氧化物薄膜205的厚度与互连结构的密度有关。也就是说，在金属互连线密度较低的区域的阻挡层表面形成的氧化物薄膜的厚度比在金属互连线密度较高的区域的阻挡层表面形成的氧化物薄膜的厚度厚，这是因为金属层204，比如铜层，的电阻要比阻挡层203的电阻小很多，在铜线密度较高的区域电流更多地从铜线传导。氧化物薄膜205会阻挡层去除步骤中阻碍阻挡层203的去除，如果阻挡层203不能被均匀地去除，就会导致半导体器件的失效。
[0026]为了解决上述技术问题，参考图3至图5(b)所示，揭示了另一实施例的大马士革工艺以在半导体器件中形成互连结构。与前述的实施例所揭示的大马士革工艺相比，本实施例的大马士革工艺在介质层的场区(field area)形成虚拟结构200，以避免实施过度抛光金属层204时在阻挡层203表面产生氧化物薄膜205。该实施例中的大马士革工艺与前述的实施例中所揭示的大马士革工艺在许多方面是相似的，除了位于场区的虚拟结构200。后续将对该实施例中的