金属互连结构及其制作方法
【专利摘要】本申请提供了一种金属互连结构及其制作方法。其中，该金属互连结构包括：内部互连层，包括具有第一通孔的第一介质层，以及填充于第一通孔中的内部金属层；顶层互连层，包括依次设置于内部互连层上的扩散阻挡层、缓冲介质层和第二介质层，依次贯穿第二介质层、缓冲介质层和扩散阻挡层并与第一通孔连通的第二通孔，以及填充于第二通孔中的顶层金属层，且缓冲介质层的机械强度大于第一介质层的机械强度。由于具有较大机械强度的缓冲介质层能够承受来自顶层金属层的较大压应力，从而减少了顶层金属层的较大压应力对位于其下方的介质层内部结构的损伤，进而降低了介质层发生击穿的几率。
【专利说明】
金属互连结构及其制作方法
技术领域
[0001] 本申请涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种金属互连结构及其 制作方法。
【背景技术】
[0002] 现有半导体领域中，半导体电路已经发展为具有多层互连的集成电路 (integrated circuit，1C)。在多层互连的1C中，形成金属互连结构的过程包括：通过刻 蚀介质层以形成沟槽或通孔，然后在沟槽或通孔中填充导电材料。其中，应用的很多新的材 料和工艺可以进一步改善器件的性能。例如超低介电常数（Ultra low K，ULK，其中K为介 电常数且小于或等于2. 5)的介电材料作为介质层能够有效降低集成电路的RC (电阻和电 容）延迟。
[0003] 现有金属互连结构通常包括具有第一通孔的第一介质层10'(通常为低介电材 料层），以及在第一介质层上依次形成的扩散阻挡层20'和第二介质层30'(通常为Si0 2 层），其中，第二介质层30'和扩散阻挡层20'中具有与第一介质层10'中的第一通孔连 通的第二通孔，并且第一通孔中填充有内部金属层410 '，第二通孔中填充有顶层金属层 420'，其结构如图1所示。
[0004] 但是，上述顶层金属层420'具有较大的压应力，会破坏第一介质层10'以及第 二介质层30'的内部结构，使第一介质层10'和第二介质层30'难以承受来自顶层金属 层420'的较大压应力，从而使第一介质层10'和第二介质层30'很容易发生击穿，并且 由于第一介质层KV和第二介质层30'具有很大的密度差，从而使第一介质层10'以及 第二介质层30'更容易受到损伤，进而提高了第一介质层10'和第二介质层30'发生击 穿的几率。
【发明内容】
[0005] 本申请旨在提供一种金属互连结构及其制作方法，以减少金属互连结构的顶层金 属层对位于其下方的介质层的损伤，并降低介质层发生击穿的几率。
[0006] 为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种金属互连结构，该金属互 连结构包括：内部互连层，包括具有第一通孔的第一介质层，以及填充于第一通孔中的内部 金属层；顶层互连层，包括依次设置于内部互连层上的扩散阻挡层、缓冲介质层和第二介质 层，依次贯穿第二介质层、缓冲介质层和扩散阻挡层并与第一通孔连通的第二通孔，以及填 充于第二通孔中的顶层金属层，且缓冲介质层的机械强度大于第一介质层的机械强度。
[0007] 进一步地，缓冲介质层包括依次设置于扩散阻挡层上的SiN层和第三介质层。
[0008] 进一步地，第一介质层和第三介质层的材料为低介电材料，并且第三介质层的密 度大于第一介质层的密度。
[0009] 进一步地，SiN层的厚度为50~500Λ
[0010] 进一步地，第三介质层的厚度为3000~5000,\,.
[0011] 进一步地，扩散阻挡层的材料为SiN或TiN，第二介质层的材料为Si02。
[0012] 进一步地，内部金属层和顶层金属层的材料为铜或铝。
[0013] 根据本申请的另一方面，提供了一种金属互连结构的制作方法，该制作方法包括 以下步骤：形成内部互连层，内部互连层包括具有第一通孔的第一介质层，以及填充于第一 通孔中的内部金属层；以及形成顶层互连层，顶层互连层包括依次设置于内部互连层上的 扩散阻挡层、缓冲介质层和第二介质层，依次贯穿第二介质层、缓冲介质层和扩散阻挡层并 与第一通孔连通的第二通孔，以及填充于第二通孔中的顶层金属层，其中缓冲介质层的机 械强度大于第一介质层的机械强度。
[0014] 进一步地，形成顶层互连层的步骤包括：在内部互连层上依次形成扩散阻挡材料 层、缓冲介质材料层和第二介质材料层；依次刻蚀贯穿第二介质材料层、缓冲介质材料层和 扩散阻挡材料层以形成第二通孔，从而形成第二介质层、缓冲介质层和扩散阻挡层；以及在 第二通孔中填充金属材料以形成所述顶层金属层。
[0015] 进一步地，形成缓冲介质材料层的步骤包括在扩散阻挡材料层上依次形成SiN材 料层和第三介质材料层，并且第三介质材料层的密度大于第一介质层的密度；在刻蚀缓冲 介质材料层的步骤中，依次刻蚀贯穿第三介质材料层和SiN材料层，以形成包括SiN层和第 三介质层的缓冲介质层。
[0016] 进一步地，在形成SiN材料层的步骤中，在SiN材料层的表面上形成抗紫外线涂 层。
[0017] 进一步地，形成第三介质材料层的步骤包括：在SiN材料层上形成低介电材料层； 对低介电材料层进行紫外线硬化处理以形成第三介质材料层。
[0018] 进一步地，SiN材料层的厚度为第三介质材料层的厚度为3:0tK)~5Q0QA。
[0019] 应用本申请的技术方案，在金属互连结构的顶层互连层中设置了缓冲介质层，且 缓冲介质层设置于顶层互连层中顶层金属层的下方以及第一介质层的上方，并且缓冲介质 层的机械强度大于第一介质层的机械强度。由于缓冲介质层具有较大的机械强度，并且设 置于顶层互连层下方，因此能够承受来自顶层金属层的较大压应力；同时由于缓冲介质层 还位于第一介质层上方，从而减少了顶层金属层的较大压应力对位于其下方的介质层内部 结构的损伤，进而降低了介质层发生击穿的几率。
【附图说明】
[0020] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示 意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0021] 图1示出了现有金属互连结构的剖面结构示意图；
[0022] 图2示出了本申请实施方式所提供的金属互连结构的剖面结构示意图；
[0023] 图3示出了本申请实施方式所提供的金属互连结构的制作方法的流程示意图；
[0024] 图4示出了在本申请实施方式所提供的金属互连结构的制作方法中，形成包括具 有第一通孔的第一介质层，以及填充于第一通孔中的内部金属层的内部互连层后的基体剖 面结构示意图；
[0025] 图5示出了在图4所示的内部互连层上依次形成扩散阻挡材料层、缓冲介质材料 层和第二介质材料层后的基体剖面结构示意图；
[0026] 图5-1示出了在图5所示的扩散阻挡材料层上依次形成SiN材料层和第三介质材 料层以形成缓冲介质材料层后的基体剖面结构示意图；
[0027] 图6示出了依次刻蚀贯穿图5所示的第二介质材料层、缓冲介质材料层和扩散阻 挡材料层以形成第二通孔，并形成第二介质层、缓冲介质层和扩散阻挡层后的基体剖面结 构示意图；
[0028] 图7示出了在图6所示的第二通孔中填充金属材料以形成顶层金属层后的基体剖 面结构示意图。
【具体实施方式】
[0029] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0030] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述【具体实施方式】，而非意图限制根 据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式 也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语"包含"和/或"包 括"时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0031] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如"在……之上"、"在……上方"、 "在……上表面"、"上面的"等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特 征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位 之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为"在其他器 件或构造上方"或"在其他器件或构造之上"的器件之后将被定位为"在其他器件或构造下 方"或"在其他器件或构造之下"。因而，示例性术语"在……上方"可以包括"在……上方" 和"在……下方"两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方 位），并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
[0032] 正如【背景技术】中所介绍的，现有金属互连结构的顶层金属层420'具有较强的压 应力，并且第一介质层KV和第二介质层30'具有很大的密度差，从而使第一介质层10' 和第二介质层30'很容易发生击穿。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种 金属互连结构及其制作方法。如图2所示，该金属互连结构包括：内部互连层，包括具有第 一通孔的第一介质层10,以及填充于第一通孔中的内部金属层410 ;顶层互连层，包括依次 设置于内部互连层上的扩散阻挡层20、缓冲介质层30和第二介质层50,依次贯穿第二介质 层50、缓冲介质层30和扩散阻挡层20并与第一通孔连通的第二通孔，以及填充于第二通孔 中的顶层金属层420,且缓冲介质层30的机械强度大于第一介质层10的机械强度。
[0033] 上述金属互连结构通过设置具有较大机械强度的缓冲介质层30,并且缓冲介质层 30设置于顶层互连层下方，使缓冲介质层30能够承受来自顶层金属层420的较大压应力； 同时由于缓冲介质层30还位于第一介质层10上方，从而减少了顶层金属层420的较大压 应力对位于其下方的第一介质层10的内部结构的损伤，进而降低了介质层发生击穿的几 率。
[0034] 在本申请上述的金属互连结构中，本领域的技术人员可以根据本申请的教导设定 缓冲介质层30的结构组成。优选地，缓冲介质层30包括依次设置于扩散阻挡层20上的 SiN层310和第三介质层320。进一步地，第一介质层10和第三介质层320的材料可以为 低介电材料，并且第三介质层320的密度大于第一介质层10的密度。由于上述缓冲介质层 30中具有密度较大的第三介质层320,从而使缓冲介质层30具有较大的机械强度，进而能 够承受来自顶层金属层420的较大压应力。
[0035] 在本申请上述的金属互连结构中，SiN层310和第三介质层320的厚度可以根 据实际需求进行设定，优选地，SiN层310的厚度为50~500Λ;第三介质层320的厚度为 3000~5000Λ在上述优选的厚度范围内，SiN层310和第三介质层320能够具有更大的机械 强度，进一步承受来自顶层金属层420的较大压应力。
[0036] 在本申请上述的金属互连结构中，扩散阻挡层20、第二介质层50、内部金属层410 和顶层金属层420的材料也可以根据实际需求进行设定，优选地，扩散阻挡层20的材料为 SiN或TiN，第二介质层50的材料为Si0 2;内部金属层410和顶层金属层420的材料为铜或 铝。更为优选地，内部金属层410和顶层金属层420的材料可以为具有更高导电率的铜材 料。其中，扩散阻挡层20还可以包括BD (Black Diamond，黑钻石，主要包含SiCOH)层以及 位于BD层上的二氧化硅层（由TE0S制备得到），上述扩散阻挡层20主要用来阻挡杂质进 入其所覆盖的介质层，从而提高器件结构的可靠性。
[0037] 同时，本申请还提供了一种金属互连结构的制作方法。如图3所示，该制作方法包 括以下步骤：形成内部互连层，内部互连层包括具有第一通孔的第一介质层，以及填充于第 一通孔中的内部金属层；以及形成顶层互连层，顶层互连层包括依次设置于内部互连层上 的扩散阻挡层、缓冲介质层和第二介质层，依次贯穿第二介质层、缓冲介质层和扩散阻挡层 并与第一通孔连通的第二通孔，以及填充于第二通孔中的顶层金属层，其中缓冲介质层的 机械强度大于第一介质层的机械强度。
[0038] 上述制作方法中，由于形成于顶层金属层下方的缓冲介质层具有较大的机械强 度，因此能够承受来自顶层金属层的较大压应力，同时由于缓冲介质层还位于第一介质层 上方，从而减少了顶层金属层的较大压应力对位于其下方的介质层内部结构的损伤，进而 降低了介质层发生击穿的几率。
[0039] 下面将更详细地描述根据本申请提供的金属互连结构的制作方法的示例性实施 方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限 于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻 底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中， 为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将 省略对它们的描述。
[0040] 图4至图7示出了本申请提供的金属互连结构的制作方法中，经过各个步骤后得 到的基体的剖面结构示意图。下面将结合图4至图7,进一步说明本申请所提供的金属互连 结构的制作方法。
[0041] 首先，形成包括具有第一通孔的第一介质层10,以及填充于第一通孔中的内部金 属层410的内部互连层，进而形成如图4所示的基体结构。形成该第一通孔的方法有很多 种，在一种优选的实施方式中，在第一介质层10中形成第一通孔的步骤包括：形成依次覆 盖于第一介质层10表面上的沟槽掩蔽层和图形化光刻胶，沿图形化光刻胶刻蚀沟槽掩蔽 层和第一介质层10以形成第一通孔。光刻的工艺条件可以根据实际工艺需求进行设定，在 此不再赘述。其中，第一介质层10的材料可以为低介电材料，内部金属层410的材料可以 为铜或铝，更为优选地，内部金属层410的材料可以为具有更高导电率的铜材料。
[0042] 完成形成包括具有第一通孔的第一介质层10,以及填充于第一通孔中的内部金属 层410的内部互连层的步骤之后，形成包括依次设置于内部互连层上的扩散阻挡层20、缓 冲介质层30和第二介质层50,依次贯穿第二介质层50、缓冲介质层30和扩散阻挡层20并 与第一通孔连通的第二通孔，以及填充于第二通孔中的顶层金属层420的顶层互连层，其 中缓冲介质层30的机械强度大于第一介质层10的机械强度。进一步地，上述扩散阻挡层 20还可以包括BD (Black Diamond，黑钻石，主要包含SiCOH)层以及位于BD层上的二氧化 硅层（由TE0S制备得到），上述扩散阻挡层20主要用来阻挡杂质进入其所覆盖的介质层， 从而提高器件结构的可靠性。
[0043] 在一种优选的实施方式中，形成顶层互连层的步骤可以包括：在内部互连层上依 次形成扩散阻挡材料层21、缓冲介质材料层31和第二介质材料层51，进而形成如图5所示 的基体结构；依次刻蚀贯穿第二介质材料层51、缓冲介质材料层31和扩散阻挡材料层21 以形成第二通孔，从而形成第二介质层50、缓冲介质层30和扩散阻挡层20,进而形成如图 6所示的基体结构；以及在第二通孔中填充金属材料以形成顶层金属层420,进而形成如图 7所示的基体结构。上述第二通孔可以通过光刻工艺形成，光刻的工艺条件可以根据实际 工艺需求进行设定，在此不再赘述。优选地，第二介质层50的材料为Si0 2，内部金属层410 的材料为铜或铝，进一步地，内部金属层410的材料可以为具有更高导电率的铜材料。
[0044] 在形成上述缓冲介质层30的步骤中，一种优选的实施方式为：在扩散阻挡材料层 21上依次形成SiN材料层311和第三介质材料层321，并且第三介质材料层321的密度大 于第一介质层10的密度，进而形成如图5-1所示的基体结构；在刻蚀缓冲介质材料层31的 步骤中，依次刻蚀贯穿第三介质材料层321和SiN材料层311，以形成包括SiN层310和第 三介质层320的缓冲介质层30。由于上述缓冲介质材料层31中具有密度较大的第三介质 层320,从而使后续形成的缓冲介质层30具有较大的机械强度，进而能够承受来自顶层金 属层420的较大压应力。
[0045] 形成该第三介质材料层321的方法有很多种，在一种优选的实施方式中，在SiN材 料层311上形成第三介质材料层321的步骤包括：在SiN材料层311上形成低介电材料层； 对低介电材料层进行紫外线硬化处理以形成第三介质材料层321。同时，在形成SiN材料层 311的步骤中，优选地，在SiN材料层311的表面上形成抗紫外线涂层。上述紫外线硬化处 理可以提高第三介质材料层321的机械强度，从而使后续形成的缓冲介质层30具有较大的 机械强度，进而能够承受来自顶层金属层420的较大压应力。同时，上述抗紫外线涂层能够 减少SiN材料层311在紫外线硬化处理的步骤中受到的紫外线照射。
[0046] 在上述优选的实施方式中，SiN层310和第三介质层320的厚度可以根据实际需 求进行设定，优选地，SiN层310的厚度为50~500A;第三介质层320的厚度为3000~5000A?在 上述优选的厚度范围内，SiN层310和第三介质层320能够具有更大的机械强度，进一步承 受来自顶层金属层420的较大压应力。
[0047] 从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：本申请 提供了一种在顶层互连层中设置有缓冲介质层的金属互连结构，缓冲介质层设置于顶层互 连层的下方以及第一介质层的上方，并且缓冲介质层的机械强度大于第一介质层的机械强 度。由于缓冲介质层具有较大的机械强度，并且设置于顶层互连层下方，因此能够承受来自 顶层金属层的较大压应力；同时由于缓冲介质层还位于第一介质层上方，从而减少了顶层 金属层的较大压应力对位于其下方的介质层内部结构的损伤，进而降低了介质层发生击穿 的几率。
[0048] 以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人 员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种金属互连结构，其特征在于，所述金属互连结构包括： 内部互连层，包括具有第一通孔的第一介质层，W及填充于所述第一通孔中的内部金 属层； 顶层互连层，包括依次设置于所述内部互连层上的扩散阻挡层、缓冲介质层和第二介 质层，依次贯穿所述第二介质层、所述缓冲介质层和所述扩散阻挡层并与所述第一通孔连 通的第二通孔，W及填充于所述第二通孔中的顶层金属层，且所述缓冲介质层的机械强度 大于所述第一介质层的机械强度。2. 根据权利要求1所述的金属互连结构，其特征在于，所述缓冲介质层包括依次设置 于所述扩散阻挡层上的SiN层和第=介质层。3. 根据权利要求2所述的金属互连结构，其特征在于，所述第一介质层和所述第=介 质层的材料为低介电材料，并且所述第=介质层的密度大于所述第一介质层的密度。4. 根据权利要求2所述的金属互连结构，其特征在于，所述SiN层的厚度为50~500A。5. 根据权利要求3所述的金属互连结构，其特征在于，所述第=介质层的厚度为 3000-5000A6. 根据权利要求1所述的金属互连结构，其特征在于，所述扩散阻挡层的材料为SiN或 TiN,所述第二介质层的材料为Si〇2。7. 根据权利要求1所述的金属互连结构，其特征在于，所述内部金属层和所述顶层金 属层的材料为铜或侣。8. -种金属互连结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括W下步骤： 形成内部互连层，所述内部互连层包括具有第一通孔的第一介质层，W及填充于所述 第一通孔中的内部金属层；W及 形成顶层互连层，所述顶层互连层包括依次设置于所述内部互连层上的扩散阻挡层、 缓冲介质层和第二介质层，依次贯穿所述第二介质层、所述缓冲介质层和所述扩散阻挡层 并与所述第一通孔连通的第二通孔，W及填充于所述第二通孔中的顶层金属层，其中所述 缓冲介质层的机械强度大于所述第一介质层的机械强度。9. 根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，形成所述顶层互连层的步骤包括： 在所述内部互连层上依次形成扩散阻挡材料层、缓冲介质材料层和第二介质材料层； 依次刻蚀贯穿所述第二介质材料层、所述缓冲介质材料层和所述扩散阻挡材料层W形 成所述第二通孔，从而形成所述第二介质层、所述缓冲介质层和所述扩散阻挡层；W及 在所述第二通孔中填充金属材料W形成所述顶层金属层。10. 根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于， 形成所述缓冲介质材料层的步骤包括在扩散阻挡材料层上依次形成SiN材料层和第 =介质材料层，并且所述第=介质材料层的密度大于所述第一介质层的密度； 在刻蚀所述缓冲介质材料层的步骤中，依次刻蚀贯穿所述第=介质材料层和所述SiN 材料层，W形成包括SiN层和第=介质层的所述缓冲介质层。11. 根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，在形成所述SiN材料层的步骤中， 在所述SiN材料层的表面上形成抗紫外线涂层。12. 根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，形成所述第=介质材料层的步骤 包括： 在所述SiN材料层上形成低介电材料层； 对所述低介电材料层进行紫外线硬化处理W形成所述第=介质材料层。13.根据权利要求10至12中任一项所述的制作方法，其特征在于，所述SiN材料层的 厚度为50~5日始，所述第=介质材料层的厚度为3〇〇〇~5〇〇〇A。
【文档编号】H01L23/532GK105990315SQ201510041947
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月27日
【发明人】周鸣
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司