一种器件结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体集成电路工艺技术领域，尤其涉及一种适用于后段金属互连的器件结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着摩尔定律的发展，后段制程的金属互连线之间的节距也在不断缩小。在后段制程中，通孔工艺应用于各层金属互连线之间的互连。为了避免通孔与下层金属互连线之间的位移偏离，传统的自对准方法通常是以缩小通孔的关键尺寸，来保证通孔与下层金属互连线之间的良好接触。但是，该方法增大了通孔内填充金属与金属互连线之间的接触电阻和自身的体电阻。
3.完全自对准通孔技术，首先需要在位于沟槽中的金属互连线表面与沟槽外介质层表面之间产生一定高度差，即在金属互连线表面上形成相对于介质层表面的凹形地形；然后，再在具有金属互连线的介质层表面上沉积干法蚀刻停止层。利用金属互连线表面形成的凹形地形，保证了通孔与下层金属互连线之间的完全对准，从而可通过最大限度地增大通孔的关键尺寸，来减小通孔的体电阻和接触电阻。
4.目前，主流技术方案是在下层铜金属互连线填充完成并进行平坦化后，利用湿法/干法蚀刻，在下层铜金属互连线上制作出凹形地形。但是，该种工艺过程中，干法蚀刻中的等离子体和湿法蚀刻中的化学试剂，都容易造成下层金属互连线的铜金属的损伤、表面凹凸不均等缺陷。
5.因此，如何有效地减少互连线金属的损伤，且实现通孔结构，是一个不小的挑战。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种器件结构及其制备方法。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.本发明提供一种器件结构制备方法，包括：
9.提供形成有第一介质层的衬底；
10.在所述第一介质层中形成表面露出的第一金属互连线；
11.在所述第一金属互连线表面上形成导电二维材料层图形；
12.在所述第一介质层和所述二维材料层上形成蚀刻停止层，并使得位于所述第一介质层上的所述蚀刻停止层的表面高于位于所述二维材料层上的所述蚀刻停止层的表面，以在所述二维材料层上方形成位于所述蚀刻停止层上的凹形结构；
13.在所述蚀刻停止层上形成第二介质层；
14.在所述第二介质层中形成底部停止于所述凹形结构底面上的所述蚀刻停止层表面的第一通孔；
15.去除位于所述凹形结构底面上的所述蚀刻停止层，形成底部停止于所述二维材料
层表面的第二通孔。
16.进一步地，所述在所述第一介质层和所述二维材料层上形成蚀刻停止层，并使得位于所述第一介质层上的所述蚀刻停止层的表面高于位于所述二维材料层上的所述蚀刻停止层的表面，以在所述二维材料层上方形成位于所述蚀刻停止层上的凹形结构，具体包括：
17.执行第一蚀刻停止层材料沉积，利用所述二维材料层表面的疏水和缺少悬空键特性，使所述第一蚀刻停止层材料选择性沉积在所述第一介质层上，形成第一蚀刻停止层，并使所述第一蚀刻停止层的表面高于所述二维材料层的表面，以在所述第一蚀刻停止层的表面与所述二维材料层的表面之间形成第一凹形结构；
18.对所述二维材料层表面进行改性处理，以增大所述二维材料层表面的活化能；
19.执行第二蚀刻停止层材料沉积，在所述第一蚀刻停止层和所述二维材料层上形成第二蚀刻停止层，并使位于所述第一蚀刻停止层上的所述第二蚀刻停止层的表面高于位于所述第一凹形结构底面上的所述第二蚀刻停止层的表面，以在位于所述第一蚀刻停止层上的所述第二蚀刻停止层的表面与位于所述第一凹形结构底面上的所述第二蚀刻停止层的表面之间形成第二凹形结构，从而在所述二维材料层上方形成位于所述第二蚀刻停止层上的所述凹形结构。
20.进一步地，所述二维材料层包括石墨烯层。
21.进一步地，采用选择性生长或者转移方式形成所述石墨烯层。
22.进一步地，通过对所述石墨烯层表面进行羟基化改性处理，使所述石墨烯层表面附着氢氧根活性基团，以增大所述石墨烯层表面的活化能。
23.进一步地，采用含羟基的羧酸类或多元醇类材料，对所述石墨烯层表面进行羟基化改性处理。
24.进一步地，采用大马士革镶嵌工艺，在所述第二介质层中形成所述第一通孔，和/或，采用湿法蚀刻工艺，去除位于所述凹形结构底面上的所述蚀刻停止层。
25.本发明还提供一种器件结构，自下而上包括：第一介质层、蚀刻停止层和第二介质层；
26.所述第一介质层中形成有表面露出的第一金属互连线；
27.所述第一金属互连线的表面上形成有导电二维材料层图形；
28.所述二维材料层上方形成有位于所述蚀刻停止层上的凹形结构，所述凹形结构的底面上设有贯穿所述蚀刻停止层的窗口；
29.所述第二介质层中形成有通孔，所述通孔的底部通过所述窗口与所述二维材料层的表面相连通。
30.进一步地，所述二维材料层具有改性表面。
31.进一步地，所述通孔的关键尺寸大于、等于或小于所述凹形结构的横向尺寸。
32.由上述技术方案可以看出，本发明通过在位于第一介质层中的第一金属互连线上形成二维材料层图形，可实现有效提高电子迁移速率，提高上下层金属互连线之间的导电性能；同时，利用二维材料层表面具有的疏水和缺少悬空键特性，使蚀刻停止层(第一蚀刻停止层)材料在第一介质层上产生选择性沉积，从而可在二维材料层上方的蚀刻停止层(第二蚀刻停止层)上形成凹形结构地貌，实现在第二介质层中形成通孔时，能够与第一金属互
连线之间通过凹形结构地貌实现自对准，并可适当放宽通孔的关键尺寸，有效保证了沉积在凹形结构地貌内的第二介质层材料能够被完全去除；此外，在形成通孔时，利用二维材料层上方具有的蚀刻停止层(第二蚀刻停止层)，可避免过度蚀刻对下方第一金属互连线造成损伤，在通孔形成后，再在凹形结构底面的蚀刻停止层(第二蚀刻停止层)上形成窗口，既能保证对第一金属互连线表面的完全释放，同时也避免了对第一金属互连线的损伤。
附图说明
33.图1为本发明一较佳实施例的一种器件结构示意图；
34.图2为本发明一较佳实施例的一种器件结构制备方法流程图；
35.图3-图9为本发明一较佳实施例的一种根据图2的方法制作一种器件结构时的工艺步骤示意图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
37.下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
38.请参阅图1，图1为本发明一较佳实施例的一种器件结构示意图。如图1所示，本发明的一种器件结构，自下而上包括：第一介质层11、蚀刻停止层14和第二介质层15。
39.在一可选实施例中，本发明的器件结构，可以是基于互补金属氧化物半导体后段通孔结构的器件结构。
40.在一可选实施例中，本发明的器件结构，也可以是基于鳍式场效应晶体管后段通孔结构的器件结构。
41.在一可选实施例中，第一介质层11可设置位于衬底(图略)上。
42.在一可选实施例中，衬底可以包括半导体材料衬底，如硅衬底、砷化镓衬底、锗衬底、锗硅衬底或全耗尽型绝缘层上硅衬底等。
43.在一可选实施例中，衬底上可形成有有源区，并可在有源区的衬底上形成有栅极和源漏等器件结构。
44.在一可选实施例中，在衬底与第一介质层11之间还可以设置其他介质材料层。
45.在一可选实施例中，第一介质层11可采用常规介电材料制作。例如，第一介质层11可采用氧化硅、碳氧化硅或黑钻石等介电材料制作。
46.第一介质层11中形成有表面露出的第一金属互连线13。在一可选实施例中，第一介质层11中形成有第一沟槽12结构，第一金属互连线13可通过填充形成在第一沟槽12中。
47.在一可选实施例中，第一金属互连线13的表面可与第一介质层11的表面相平齐。
48.在一可选实施例中，第一金属互连线13的表面也可高于或低于第一介质层11的表
面。
49.在一可选实施例中，第一介质层11及其中设有的第一金属互连线13共同构成第一金属互连层。
50.在一可选实施例中，第一金属互连层可以是设置在衬底上的多层金属互连层中位于最上层金属互连层之下的任意一层金属互连层。例如，当衬底上设有三层金属互连层时，第一金属互连层可以是第三层金属互连层之下的第一层金属互连层或第二层金属互连层。可以此类推。
51.请参阅图1。第一金属互连线13的表面上形成有具有导电性的二维材料层20的图形结构。
52.在一可选实施例中，二维材料层20图形的宽度可与第一金属互连线13的线宽对应，从而对第一金属互连线13的表面形成覆盖。
53.蚀刻停止层14覆盖在第一介质层11和二维材料层20的表面上。在位于二维材料层20上方的蚀刻停止层14上形成有凹形结构18。即位于二维材料层20上方的蚀刻停止层14的表面低于位于二维材料层20两侧的第一介质层11上的蚀刻停止层14的表面。
54.其中，凹形结构18的底面上设有贯穿蚀刻停止层14的窗口19，使得凹形结构18的底面与二维材料层20的表面之间形成连通。
55.在一可选实施例中，窗口19的横向尺寸可与二维材料层20图形的宽度对应。
56.进一步地，蚀刻停止层14可形成对窗口19侧面进行环绕的结构。
57.请参阅图1。第二介质层15中形成有通孔16。通孔16的位置可与第一金属互连线13的位置对应。即通孔16的位置可与凹形结构18、窗口19以及二维材料层20图形的上下位置对应。并且，通孔16的底部依次通过凹形结构18、窗口19与二维材料层20的表面相连通。
58.进一步地，在通孔16上方的第二介质层15中还可形成有第二沟槽17结构。其中，第二沟槽17的上端可在第二介质层15表面上形成开口，第二沟槽17的下端可与通孔16的顶部相连。
59.在一可选实施例中，通孔16及其上方相连的第二沟槽17一起在第二介质层15中构成大马士革镶嵌结构。
60.进一步地，大马士革镶嵌结构和凹形结构18、窗口19中还可填充有金属，形成通过二维材料层20与第一金属互连线13形成欧姆接触的导电通孔16，和位于导电通孔16上方第二沟槽17中与导电通孔16形成欧姆接触的第二金属互连线。
61.在一可选实施例中，二维材料层20可具有改性表面。
62.在一可选实施例中，二维材料层20可包括石墨烯层20’等能够提高电子迁移速率，强化金属互连线导电性能的二维材料层20。进一步地，石墨烯层20’的上表面可为改性表面，以改变石墨烯材料表面原本存在的疏水及缺少悬空键特性，这样在形成凹形结构18时，能够明显提高蚀刻停止层14材料在石墨烯层20’表面上的沉积能力。
63.在一可选实施例中，通孔16的关键尺寸可大于凹形结构18的横向尺寸。较佳地，通孔16的纵向投影轮廓可将凹形结构18的横向尺寸完全包含在内，如图1中位于右侧的一个通孔16的结构所示。
64.在另一可选实施例中，通孔16的关键尺寸可等于或基本等于凹形结构18的横向尺寸，如图1中位于左侧的另一个通孔16的结构所示。
65.在其他可选实施例中，通孔16的关键尺寸也可小于凹形结构18的横向尺寸。
66.在一可选实施例中，蚀刻停止层14可以是单层或多层叠层结构。
67.在一可选实施例中，蚀刻停止层14材料可包括氧化铝等可与第一介质层11和第二介质层15之间具有高蚀刻选择比的材料。
68.在一可选实施例中，第二介质层15材料可包括氧化硅、碳氧化硅或黑钻石等介电材料。
69.在一可选实施例中，第一金属互连线13材料可包括铜、钼和钌等金属中的至少一种或其合金。或者，第一金属互连线13材料可包括前述金属以外的其他金属或其合金。
70.在一可选实施例中，第二金属互连线材料可包括铜、钼和钌等金属中的至少一种或其合金。或者，第二金属互连线材料可包括前述金属以外的其他金属或其合金。
71.下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种器件结构制备方法进行详细说明。
72.请参阅图2。本发明的一种器件结构制备方法，可用于制备上述的一种器件结构，并可包括以下步骤：
73.步骤s1：提供形成有第一介质层的衬底。
74.请参阅图3。以制备基于鳍式场效应晶体管器件后段的通孔结构为例，可按照鳍式场效应晶体管制程，先在例如硅衬底上完成器件的鳍部和栅极、源漏等前段结构。
75.然后，在完成上述结构的硅衬底上开始执行后段工艺。
76.首先，可采用常规沉积工艺，在完成上述结构的硅衬底(图略)上形成例如氧化硅第一介质层11。
77.在一可选实施例中，在硅衬底与第一介质层11之间，还可以制备形成其他介质材料层以及相关的器件结构，例如栅极引出和源漏引出等器件结构。
78.步骤s2：在第一介质层中形成表面露出的第一金属互连线。
79.请参阅图3。在一可选实施例中，可采用光刻和蚀刻工艺，在第一介质层11的表面上形成第一沟槽12，并可采用金属填充工艺，在第一沟槽12中进行例如金属铜的填充。
80.然后，可采用例如化学机械研磨等工艺，对填充后的金属铜的表面进行平坦化处理，从而在第一沟槽12中形成第一金属互连线13。
81.第一介质层11及其中的第一金属互连线13共同构成第一金属互连层。
82.第一金属互连层可以是设置在硅衬底上的多层金属互连层中位于最上层金属互连层之下的任意一层金属互连层。
83.步骤s3：在第一金属互连线表面上形成导电二维材料层图形。
84.请参阅图4。在一可选实施例中，可采用选择性生长或者转移等方式，在第一金属互连线13的表面上形成具有导电性的例如石墨烯二维材料层20的图形，并可对第一金属互连线13的表面进行覆盖。利用石墨烯具有的二维碳原子结构，可以有效地提高电子迁移速率，强化金属互连线的导电性能。
85.步骤s4：在第一介质层和二维材料层上形成蚀刻停止层，并使得位于第一介质层上的蚀刻停止层的表面高于位于二维材料层上的蚀刻停止层的表面，以在二维材料层上方形成位于蚀刻停止层上的凹形结构。
86.请参阅图5。在一可选实施例中，可采用化学气相沉积或原子层沉积等工艺，先在
上述步骤形成的器件结构的表面上进行例如氧化铝等第一蚀刻停止层141材料沉积。
87.在进行第一蚀刻停止层141材料沉积时，可利用石墨烯层20’表面具有的疏水且缺少悬空键的特性，所造成的用于生成氧化铝的前驱体在石墨烯层20’表面难以吸附，因此难以形成氧化铝沉积的现象，使得氧化铝第一蚀刻停止层141材料选择性沉积在第一介质层11上。
88.氧化铝可以通过例如三甲基铝与水或者氧气等前驱体的原子层化学反应进行生长。
89.这样，经过沉积后，将仅在(或基本仅在)第一介质层11上形成第一蚀刻停止层141，并可使位于第一介质层11上的第一蚀刻停止层141的表面高于石墨烯层20’的表面。从而在位于第一介质层11上的第一蚀刻停止层141的表面与石墨烯层20’的表面之间形成过渡性的第一凹形结构181。其中，第一凹形结构181的侧壁由位于石墨烯层20’两侧的第一蚀刻停止层141的侧面形成，第一凹形结构181的底面由石墨烯层20’的表面形成。
90.接下来，需要在石墨烯层20’的表面上形成用于后续形成通孔16时的最终的蚀刻停止层14结构，并形成具有最终形貌的凹形结构18。
91.请参阅图6。在一可选实施例中，可采用例如羟基化改性处理工艺，对石墨烯层20’的表面进行改性处理，使石墨烯层20’表面附着氢氧根活性基团，以增大石墨烯层20’表面的活化能。
92.进一步地，可采用含羟基的羧酸类材料，例如3,4,9,10-苝四羧酸等材料，对石墨烯层20’表面进行羟基化改性处理。
93.进一步地，也可采用多元醇类材料，例如丙醇,丁醇等，对石墨烯层20’表面进行羟基化改性处理。
94.请参阅图7。在一可选实施例中，可再次采用化学气相沉积或原子层沉积等工艺，在上述步骤形成的器件结构的表面上进行例如氧化铝等第二蚀刻停止层142材料沉积。
95.在采用化学气相沉积或原子层沉积等工艺进行第二蚀刻停止层142材料沉积时，由于石墨烯层20’表面经过了羟基改性处理，对用于生成氧化铝的前驱体在石墨烯层20’表面上的吸附能力将产生较好的提高效果，从而能够在得到改性的石墨烯层20’表面上形成氧化铝第二蚀刻停止层142材料的致密沉积层。
96.这样，在之前已形成的第一蚀刻停止层141上，和经改性后的石墨烯层20’表面上，就形成了第二蚀刻停止层142，并可以之前已形成的第一凹形结构181为基础，利用氧化铝在第一蚀刻停止层141上沉积速率仍大于在改性后的石墨烯层20’表面上沉积速率的特点，使形成的位于第一蚀刻停止层141上的氧化铝第二蚀刻停止层142的表面高于位于第一凹形结构181底面(即石墨烯层20’表面)上的氧化铝第二蚀刻停止层142的表面。从而在位于第一蚀刻停止层141上的第二蚀刻停止层142的表面与位于第一凹形结构181底面上的第二蚀刻停止层142的表面之间形成第二凹形结构182。即在石墨烯层20’上方形成位于第二蚀刻停止层142上，并由第二凹形结构182形成的最终的凹形结构18。
97.第一蚀刻停止层141和第二蚀刻停止层142一起形成了用于后续形成通孔16时的最终的蚀刻停止层14结构。其中，位于石墨烯层20’上方的蚀刻停止层14包括第二蚀刻停止层142，位于石墨烯层20’以外区域上的蚀刻停止层14包括第一蚀刻停止层141和第二蚀刻停止层142的叠层结构。
98.并且，第一蚀刻停止层141和第二蚀刻停止层142一起形成了具有最终形貌的凹形结构18。
99.步骤s5：在蚀刻停止层上形成第二介质层。
100.请参阅图8。在一可选实施例中，可采用常规沉积工艺，在完成上述结构的硅衬底上形成例如氧化硅第二介质层15，以及掩模层等膜层。
101.第二介质层15用于形成第一金属互连层的上一层金属互连层，即第二金属互连层。
102.步骤s6：在第二介质层中形成底部停止于凹形结构底面上的蚀刻停止层表面的第一通孔。
103.请参阅图8。在一可选实施例中，可采用后段一体式工艺，并可采用大马士革镶嵌工艺，在第二介质层15中形成第一通孔161以及位于第一通孔161上方，并与第一通孔161相连的第二沟槽17结构。
104.利用已形成的凹形结构18，可在后段一体式工艺中，通过光刻自对准工艺，拓宽第一通孔161的关键尺寸，使得第一通孔161对下方的凹形结构18和第一金属互连线13在横向宽度上形成完全覆盖，从而可在针对第二介质层15的干法蚀刻工艺中，将凹形结构18中沉积的第二介质层15材料彻底去除，从而在第二介质层15中形成底部停止于凹形结构18底面上的蚀刻停止层14表面的第一通孔161。
105.图8中显示了位于右侧的一个第一通孔161的关键尺寸被拓宽至大于第一金属互连线13的线宽时的结构形态；并作为对比，显示了位于左侧的另一个第一通孔161的关键尺寸与第一金属互连线13的线宽相一致时的结构形态。
106.同时，氧化铝层作为干法蚀刻时的蚀刻停止层14，有效地避免了过度蚀刻造成的对下方第一金属互连线13的损伤。
107.步骤s7：去除位于凹形结构底面上的蚀刻停止层，形成底部停止于二维材料层表面的第二通孔。
108.请参阅图9。在一可选实施例中，可采用湿法蚀刻工艺，去除位于凹形结构18底面上的第二蚀刻停止层142，从而在凹形结构18底面上形成一个贯通的窗口19，使石墨烯层20’的表面被打开。
109.此时，第一通孔161的底部将因凹形结构18底面的打开，而进入到石墨烯层20’的表面上，从而在石墨烯层20’的表面上形成了高度被增加的且与石墨烯层20’的表面相连通的第二通孔162，即第二通孔162的底部停止于石墨烯层20’的表面上。第二通孔162替代了第一通孔161，并形成了具有最终形态的通孔16结构。
110.利用湿法蚀刻工艺，可有效去除位于凹形结构18底面上的氧化铝第二蚀刻停止层142，既保证了下层第一金属互连层的第一沟槽12的完全释放，同时又可以起到很好的保证铜第一金属互连线13不被损坏的作用。
111.后续还可以通过金属填充工艺，在形成的第二沟槽17和通孔16中完成例如金属铜的填充，形成第二金属互连线，和下端通过石墨烯层20’与第一金属互连线13形成良好欧姆接触的导电通孔16。
112.第二介质层15及其中的第二金属互连线共同构成位于第一金属互连层上层并以导电通孔16实现互连的第二金属互连层。
113.综上，本发明通过在位于第一介质层11中的第一金属互连线13上形成例如石墨烯二维材料层20图形，可实现有效提高电子迁移速率，提高上下层金属互连线之间的导电性能。同时，利用石墨烯二维材料层20表面具有的疏水和缺少悬空键特性，使例如氧化铝的第一蚀刻停止层141材料在第一介质层11上产生选择性沉积，从而可在石墨烯二维材料层20上方的例如氧化铝的第二蚀刻停止层142上，形成具有下弯表面的凹形结构18地貌，实现在第二介质层15中形成通孔16时，能够与第一金属互连线13之间通过凹形结构18地貌实现自对准，并可适当放宽通孔16的关键尺寸，有效保证了沉积在凹形结构18地貌内的第二介质层15材料能够被完全去除。此外，在形成通孔16时，利用石墨烯二维材料层20上方具有的第二蚀刻停止层142，可避免过度蚀刻对下方第一金属互连线13造成损伤，在通孔16形成后，再在凹形结构18底面的第二蚀刻停止层142上形成贯通的窗口19，既能保证对第一金属互连线13表面的完全释放，同时也避免了对第一金属互连线13的损伤。
114.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。