半导体结构的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种半导体结构的形成方法。

背景技术：

随着超大规模集成电路(ultralargescaleintegration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，芯片单位面积内的半导体元器件数量不断增加，平面布线已经难以满足半导体元器件高密度分布的需求。

为了满足关键尺寸缩小过后的器件互连需要，现有技术中往往通过多层布线技术，利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成度。采用多层布线技术的半导体结构，通过互连结构实现不同层布线之间的电连接。

现有技术中互连结构主要是通过向开口内填充导电材料以形成互连结构。但是随着半导体结构尺寸的减小，向开口内填充导电材料的难度增大，造成所形成的互连结构内存在空洞，从而影响了所形成半导体结构的良品率和可靠性。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法，以提高所形成半导体器件的良品率和可靠性。

为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：

提供基底；在所述基底中形成第一开口；形成位于所述第一开口侧壁以及所述基底表面上的导电结构；在所述第一开口中形成保护层，所述保护层露出所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构；氧化部分厚度的导电结构；去除所述保护层以及被氧化的导电结构，形成第二开口；向所述第二开口内填充导电材料以形成互连结构。

可选的，所述保护层的材料包括氧化石墨烯。

可选的，形成保护层的步骤包括：向所述第一开口内填充前驱体，所述前驱体包含有氧化石墨烯；对所述前驱体进行固化处理，形成保护材料层；去除部分厚度的保护材料层，以露出所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的部分导电结构，形成保护层。

可选的，去除部分厚度的保护材料层的步骤中，采用氧气等离子体去除所述保护材料层的部分厚度；采用氧气等离子体去除所述保护材料层部分厚度的过程中，氧化部分厚度的导电结构。

可选的，填充前驱体的步骤中，向所述第一开口内填充流体状态的前驱体。

可选的，对所述前驱体进行固化处理的步骤包括：通过热固化或辐射固化的方式对所述前驱体进行固化处理。

可选的，通过热固化的方式对所述前驱体进行固化处理的步骤中，所述热固化的温度小于280℃。

可选的，通过辐射固化的方式对所述前驱体进行固化处理的步骤中，采用uv辐射对所述前驱体进行固化处理。

可选的，去除所述保护层的步骤包括：通过水洗的方式去除所述保护层。

可选的，在形成第二开口之后，填充导电材料之前，还包括：对所述半导体结构进行还原处理。

可选的，所述还原处理的步骤中，通过氢气或肼对所述半导体结构进行还原处理。

可选的，去除被氧化的导电结构的步骤包括：通过酸洗的方式去除所述被氧化的部分导电结构。

可选的，通过酸洗的方式去除所述部分厚度导电结构的步骤包括：通过盐酸清洗的方式去除所述被氧化的部分导电结构。

可选的，通过酸洗去除被氧化的部分导电结构的步骤中，在酸洗过程中加入氮气。

可选的，形成所述导电结构的步骤中，所述导电结构包括种子层，或者， 所述导电结构包括种子层以及位于种子层表面的部分电镀层。

可选的，形成包含有种子层的导电结构的步骤中，通过物理气相沉积的方式形成所述种子层。

可选的，填充导电材料的步骤中，通过电镀的方式填充导电材料形成互连结构。

可选的，在形成所述第一开口之后，在形成所述保护层之前，还包括：在所述第一开口侧壁和底部形成粘附层或阻挡层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过在所述第一开口中形成保护层，所述保护层露出所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构；之后通过使部分导电结构氧化，使位于所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构被氧化；再去除被氧化的导电结构，能够去除位于所述导电结构上的凸起结构。也就是说，本发明技术方案能够通过去除被氧化的导电结构，去除所述导电结构上，且位于所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的凸起结构，从而能够增大所述第二开口的尺寸，能够减少填充第二开口时空腔的形成，能够有效的改善导电材料的填充效果，提高所形成互连结构的电连接性能，改善所形成半导体结构的可靠性。

本发明可选方案中，所述保护层的材料是氧化石墨烯，可以通过固化包含有氧化石墨烯的前驱体而形成。所述前驱体呈流体状态，所以可以使所述保护层对所述第一开口具有良好的填充效果，能够提高所述保护层对所述第一开口的保护效果。而且氧化石墨烯具有良好的水溶性，所以能够通过水洗去除所述保护层，减少所述保护层的残留。此外氧化石墨烯还可以还原为导体性质的石墨烯，从而减少保护层对所形成互连结构导电性能的影响。

附图说明

图1至图3是一种半导体结构形成过程中间结构的剖面示意图；

图4至图10是本发明半导体结构形成方法一实施例各个步骤中间结构的剖面示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中的半导体结构存在良品率和可靠性不佳的问题。现结合现有技术中的半导体结构的形成过程分析其良品率和可靠性问题的原因：

参考图1和图2，示出了一种半导体结构形成过程中间结构的剖面示意图。

如图1所示，首先提供衬底10，所述衬底10内具有开口11；接着在所述开口11侧壁形成导电结构12。如图2所示，最后向所述开口11内填充导电材料形成互连结构13。

现有技术中常采用电镀工艺向所述开口11内填充导电材料。因此在填充导电材料形成互连结构13之前，需要在开口11侧壁和底部形成导电结构12。而且常常采用物理气相沉积的方式形成所述导电结构12。

如图3所示，由于所述导电结构12a还覆盖所述衬底10a表面，而且物理气相沉积工艺的台阶覆盖性较差，因此在形成所述导电结构12a之后，在所述开口侧壁与所述衬底10a表面连接处的所述导电结构12a上会形成凸起结构14a，出现收口现象。

由于所述凸起结构14a的形成，再向所述开口11a内填充导电材料形成互连结构13a时，容易在所述互连结构13a内形成空洞15。所述空洞15的形成会造成所述互连结构失效，从而影响形成所述半导体结构的良品率；也会造成所述互连结构在使用过程中失效，从而影响所形成半导体结构的可靠性。

为解决所述技术问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：

提供基底；在所述基底中形成第一开口；形成覆盖所述第一开口侧壁以及所述基底表面的导电结构；在所述第一开口中形成保护层，所述保护层露出所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构；氧化部分厚度的导电结构；去除所述保护层以及被氧化的导电结构，形成第二开口；向所述第二开口内填充导电材料以形成互连结构。

本发明通过在所述第一开口中形成保护层，所述保护层露出所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构；之后通过使部分导电结构氧化， 使位于所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构被氧化；再去除被氧化的导电结构，能够去除位于所述导电结构上的凸起结构。也就是说，本发明技术方案能够通过去除被氧化的导电结构，去除所述导电结构上，且位于所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的凸起结构，从而能够增大所述第二开口的尺寸，能够减少填充第二开口时空腔的形成，能够有效的改善导电材料的填充效果，提高所形成互连结构的电连接性能，改善所形成半导体结构的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图4至图10，示出了本发明半导体结构形成方法一实施例各个步骤中间结构的剖面示意图。

参考图4，提供基底100。

具体的，所述基底100用于为后续工艺提供操作平台。本实施例中，所述基底100为叠层结构基底。具体的，所述基底100包括碳氮化硅衬底以及依次位于碳氮化硅衬底上的第一介质层、第二介质层、第一氧化物层、氮化钛层以及第二氧化层。所述第一介质层的材料包括低k介质材料(介电常数大于或等于2.5、小于3.9)或超低k介质材料(介电常数小于2.5)；所述第二介质层的材料为低k介质材料。

在本发明其他实施例中，所述基底的材料还可以选自单晶硅、多晶硅或者非晶硅；所述基底也可以选自硅、锗、砷化镓或锗硅等化合物；所述基底还可以是其他半导体材料。此外，所述基底还可以选自具有外延层或外延层上硅材料。

继续参考图4，在所述基底100中形成第一开口110。

所述第一开口110用于形成互连结构。具体的，本实施例中，所述第一开口110包括用于形成互连线的沟槽110tr以及用于形成插塞的接触孔110ct。但是需要说明的，本实施例中，所述第一开口110包括所述沟槽110tr和所述接触孔110ct的做法仅为一示例。本发明其他实施例中，所述第一开口可以为沟槽和接触孔中的任意一种或两种。

具体的，在所述基底100内形成所述第一开口110的步骤包括：在所述基底100表面形成图形化层，所述图形化层用于定义所述第一开口110的尺寸和位置；以所述图形化层为掩膜，刻蚀所述基底100，在所述基底100内形成所述第一开口110。

所述图形化层可以是图形化的光刻胶层，采用涂布工艺和光刻工艺形成。此外，为了缩小后续所形成金属栅极结构的尺寸，缩小所形成半导体器件的尺寸，所述图形化层还可以采用多重图形化掩膜工艺形成。所述多重图形化掩膜工艺包括：自对准双重图形化(self-aligneddoublepatterned，sadp)工艺、自对准三重图形化(self-alignedtriplepatterned)工艺或自对准四重图形化(self-aligneddoubledoublepatterned,saddp)工艺。

需要说明的是，本实施例中，在形成第一开口110之后，所述形成方法还包括：在所述第一开口110侧壁和底部形成功能结构101。

具体的，所述功能结构101包括阻挡层和粘附层，所在阻挡层和粘附层依次位于所述第一开口110侧壁的表面。

所述阻挡层用于防止后续形成互连结构导电材料的原子扩散进入基底100内引起短路或桥接等电路问题。具体的，本实施例中，所述阻挡层的材料包括氮化钽。所述粘附层用于改善所形成的互连结构与所述第一开口110侧壁的界面结合性能。具体的，所述粘附层的材料包括钽。此外，可以通过化学气相沉积的方式在所述第一开口110侧壁的表面依次形成所述阻挡层和所述粘附层以构成功能结构101。

需要说明的是，氮化钽的机械性更好，但是电阻比较大；钽的电阻较小，但是机械性能不如氮化钽。而且钽与导电材料的界面结合性质比氮化钽要好。因此由阻挡层和粘附层构成的功能结构101能够有效提高所形成互连结构的可靠性。

参考图5，形成位于所述第一开口110侧壁以及所述基底100表面上的导电结构120。

所述导电结构120用于在后续填充导电材料形成互连结构的过程中实现电流导通。本实施例中后续采用电镀(electrochemicalplating，ecp)的方式 填充导电材料。在电镀时需要实现在填充导电材料的位置实现电流导通，因此需要在所述第一开口110的侧壁上形成所述导电结构120。由于后续所形成的互连结构的材料为铜，因此所述导电结构120的材料包括铜。本实施例中，所述导电结构120为铜种子层。

需要说明的是，所述导电结构120为铜种子层的做法仅为一示例。本发明其他实施例中，所述导电结构还可以包括种子层以及位于所述种子层表面的部分电镀层。

具体的，可以通过物理气相沉积的方式形成所述导电结构120中的所述种子层。而且在形成所述导电结构120的过程中，所述导电结构120还覆盖所述基底100的表面。由于物理气相沉积工艺的台阶覆盖性不佳，因此位于所述基底100表面与所述第一开口110侧壁连接处的导电结构120会形成凸起121。所述凸起121的形成会影响形成互连结构过程中导电材料的填充，容易在互连结构中形成空洞，从而影响所形成互连结构的可靠性，影响所形成半导体结构的成品率和可靠性。

参考图6和图7，在所述第一开口110中形成保护层130，所述保护层130露出所述第一开口110侧壁与所述基底100表面连接处的导电结构120。

所述保护层130用于在氧化所述凸起121的过程中保护所述第一开口110(如图5所示)侧壁以及底部的导电结构120。具体的，本实施例中，所述保护层130的材料包括氧化石墨烯(grapheneoxide)。

氧化石墨烯材料是在石墨烯的结构基础上，引入丰富的含氧官能团而形成的。因此氧化石墨烯表面含有羟基、环氧基，边缘具有羧基。这些含氧官能团均为亲水性基团，所以氧化石墨烯具有良好的水溶性。

所以形成所述保护层130的步骤包括：

如图6所示，向所述第一开口110内填充前驱体，所述前驱体包含有氧化石墨烯。

本实施例中，为了实现所述保护层130对所述第一开口110(如图5所示)的充分填充，所述前驱体的顶部表面高于所述基底100的表面，也就是说，所述前驱体填充所述第一开口110(如图5所示)并覆盖所述基底100的表面。

由于所述氧化石墨烯具有良好的水溶性，因此所述前驱体为流体状态，且所述前驱体的液面高度高于所述基底100的表面高度。由于所述前驱体为包含有氧化石墨烯的溶液，呈流体状态，因此所述前驱体对所述第一开口110(如图5所示)具有良好的填充效果，能够有效实现对所述第一开口110(如图5所示)侧壁和底部导电结构120的保护。

在填充所述前驱体之后，对所述前驱体进行固化处理，形成保护材料层130s。

本实施例中，通过热固化的方式对所述前驱体进行固化处理。具体的，通过热固化进行固化处理的步骤中，所述热固化的温度小于280℃。此外，由于所述前驱体的液面高度高于所述基底100的表面高度，因此所形成保护材料层130s填充所述第一开口并覆盖所述基底100的表面。

需要说明的是，通过热固化的方式进行所述固化处理的做法仅为一示例。本发明其他实施例中，还可以通过辐射固化的方式对所述前驱体进行固化。具体的，采用辐射固化的方式进行固化的过程中，可以采用uv辐射进行固化处理。

参考图7，在形成所述保护材料层130s之后，去除部分厚度的保护材料层，以露出所述第一开口110侧壁与所述基底100表面连接处的部分导电结构，形成保护层130。

具体的，本实施例中，采用氧气等离子体去除所述保护材料层130s的部分厚度。

采用氧气等离子体去除所述保护材料层130s的部分厚度的过程中，所述氧气等离子体能够去除部分厚度的保护层130，露出所述基底100表面与所述第一开口110(如图5所示)侧壁连接处的部分导电结构120，露出沉积所述导电结构120时所形成的凸起121。

继续参考图7，氧化部分厚度的导电结构120。

由于去除所述保护材料层130s的部分厚度的过程中所采用的等离子为氧气等离子体，具有较强的氧化性。因此去除所述保护材料层130s部分厚度的过程中，所述氧气等离子体还氧化部分厚度的导电结构120。也就是说，露出 导电结构120的部分厚度会被氧化，形成金属氧化物。所以，位于所述第一开口110侧壁与所述基底100表面连接处的凸起121也会被氧气等离子体氧化，形成氧化物。

需要说明的是，如果被氧化的所述导电结构120的厚度太小，则无法使所述凸起121完全氧化形成金属氧化物的凸起121，会影响后续所述凸起121的完全去除。因此本实施例中，在氧化刻蚀的步骤中，被氧化的导电结构120的厚度为所形成导电结构120厚度的一半以上，以保证后续能够完全去除所述凸起121。此外，可以通过多次反复氧化刻蚀实现超过一半厚度的导电结构120被氧化。

结合参考图8和图9，去除所述保护层130(如图7所示)以及被氧化的导电结构120，形成第二开口150。

具体的，首先如图8所示，通过水洗的方式去除所述保护层130(如图7所示)。本实施例中，所述保护层130的材料包括氧化石墨烯。所述氧化石墨烯具有良好的水溶性。因此可以通过水洗的方式去除，降低了去除所述保护层130(如图7所示)的工艺难度，减少了所述保护层130的残留。

接着如图9所示，通过酸洗的方式去除被氧化的部分厚度导电结构120。本实施例中，所述导电结构120的材料为金属铜，因此被氧化的所述导电结构120的材料为氧化铜。所以能够通过酸洗的方式去除所述氧化铜。具体的，可以采用盐酸清洗的方式去除被氧化的部分厚度导电结构120。

需要说明的是，本实施例中，在氧化刻蚀过程中，至少一半厚度的所述导电结构120被氧化，形成氧化物。因此在酸洗过后，剩余的所述导电结构120的厚度最多为所形成导电结构120厚度的一半。

由于在氧化刻蚀过程中所述凸起121被氧化成氧化物，因此在酸洗去除所述被氧化的部分厚度导电结构120的过程中，所述凸起121也被去除。所以与现有技术相比，所述第二开口150的开口尺寸较大。

此外，由于所述保护层130的覆盖，被所述保护层130覆盖的部分导电结构120并未被氧化，因此不会在酸洗过程中与酸性溶液反应，不会受到酸洗的影响。

需要说明的是，本实施例中，在酸洗去除被氧化的部分导电结构的步骤中，在酸洗过程中加入氮气。所述氮气用于与酸洗所采用溶液中溶解的氧反应，避免所述溶解的氧与剩余的导电结构120反应，降低剩余的导电结构120受到酸洗损伤的可能，提高所形成半导体器件的良品率。

最后结合参考图10，向所述第二开口150内填充导电材料形成互连结构160。

所述导电材料可以选自钨、铝、银、铬、钼、镍、钯、铂、钛、钽或者铜中的一种或多种。具体的，本实施例中，所述导电材料为铜。由于本实施例中，所述第一开口110(如图4所示)包括沟槽110tr和接触孔110ct。因此所述互连结构160包括互连线160tr和插塞160ct。具体的，可以通过电镀的方式向所述第二开口内填充导导电材料形成所述互连结构160。

本实施例中，形成所述互连结构160的电镀工艺具体参数为：电镀液选用cuso4溶液，cu²⁺浓度为30g/l至50g/l。并且在此溶液中加入多种无机和有机添加剂，无机添加剂为氯离子，其浓度为40mg/l至60mg/l；有机添加剂包含加速剂、抑止剂和平坦剂，其浓度分别为7ml/l至10ml/l、1ml/l至3ml/l、以及3ml/l至6ml/l；电镀的电流为4.5安培至45安培。但是需要说明的是，本实施例中，所述电镀工艺具体参数仅为一示例。

由于在去除被氧化的部分导电结构120时，所述凸起121被一并去除，因此填充导电材料的第二开口150的上端较宽，有利于提高导电材料的填充质量，减少导电材料填充过程中形成空洞的可能，能有效的提高所形成互连结构160的质量，提高器件制造良品率和器件可靠性。

在形成第二开口之后，在填充导电材料之前，所述形成方法还包括：对所述半导体结构进行还原处理，以还原残留在所述导电结构120表面的保护层120。本实施例中，所述保护层120的材料为氧化石墨烯，因此可以采用氢气或肼对所述半导体结构进行还原处理，以使所述氧化石墨烯还原成石墨烯。石墨烯材料为导体，因此石墨烯材料的残留不会影响所形成导电结构160的导电性能。

综上，本发明通过在所述第一开口中形成保护层，所述保护层露出所述 第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构；之后通过使部分导电结构氧化，使位于所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的导电结构被氧化；再去除被氧化的导电结构，能够去除位于所述导电结构上的凸起结构。也就是说，本发明技术方案能够通过去除被氧化的导电结构，去除所述导电结构上，且位于所述第一开口侧壁与所述基底表面连接处的凸起结构，从而能够增大所述第二开口的尺寸，能够减少填充第二开口时空腔的形成，能够有效的改善导电材料的填充效果，提高所形成互连结构的电连接性能，改善所形成半导体结构的可靠性。进一步，本发明可选方案中，所述保护层的材料是氧化石墨烯，可以通过固化包含有氧化石墨烯的前驱体而形成。所述前驱体呈流体状态，所以可以使所述保护层对所述第一开口具有良好的填充效果，能够提高所述保护层对所述第一开口的保护效果。而且氧化石墨烯具有良好的水溶性，所以能够通过水洗去除所述保护层，减少所述保护层的残留。此外氧化石墨烯还可以还原为导体性质的石墨烯，从而减少保护层对所形成互连结构导电性能的影响。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。