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金屬互連的形成方法

2023-09-10 03:55:40 2

專利名稱:金屬互連的形成方法
技術領域:
本發明涉及半導體製造領域,尤其涉及一種金屬互連的形成方法。
背景技術:
隨著半導體技術的發展,超大規模集成電路晶片的集成度已經高達幾億乃至幾十億個器件的規模,兩層以上的多層金屬互連技術廣泛使用。傳統的金屬互連是由鋁金屬製成的,但隨著集成電路晶片中器件特徵尺寸的不斷減小,金屬互連線中的電流密度不斷增大,要求的響應時間不斷減小,傳統鋁互連線已經不能滿足要求,工藝尺寸小於130nm以後,銅互連線技術已經取代了鋁互連線技術。與鋁相比,金屬銅的電阻率更低,銅互連線可以降低互連線的電阻電容(RC)延遲,改善電遷移,提高器件的可靠性。互連金屬的形成方法主要包括下列幾個步驟提供半導體結構,所述半導體結構內形成有待沉積金屬的開口 ;採用電鍍法,在半導體結構上沉積一層金屬層,比如銅或者鋁,所述金屬層填充並覆蓋所述開口 ;對沉積有金屬層的半導體結構進行退火工藝,使沉積的金屬材質晶格化,以降低金屬電阻;以所述開口的頂部為研磨停止層,對所述金屬層進行研磨,形成金屬互連。公開號為CN 101740480A的中國專利申請文件中提供了一種金屬互連的形成方法。經過上述金屬互連工藝後,所述半導體結構的形變較為嚴重,導致所述半導體結構在後續工藝中無法在腔室內放置平整,較為嚴重的形變會影響所述半導體結構的電學性能,甚至造成半導體結構的斷裂。如圖I所不,在半導體結構001上沉積一層金屬層002後,可能如a所不,因金屬層的壓力導致半導體結構001的突起;也可能如b所示,因金屬層的拉力導致半導體結構001的凹陷。隨著半導體結構內開口深度的加大,例如用於形成傳感和線圈的開口一般為2. 5微米 4微米,用於填充所述開口和覆蓋所述開口的金屬層厚度也隨之加大,因金屬層導致的半導體結構的形變問題更加明顯。

發明內容
本發明解決的問題是提供一種金屬互連的形成方法,以解決形成金屬互連導致的半導體結構形變的問題。為解決上述問題,本發明提供一種金屬互連的形成方法,包括提供半導體結構,所述半導體結構內形成有若干數目的開口 ;沉積金屬填充所述開口,並覆蓋所述開口形成金屬層;去除部分金屬層,形成覆蓋開口的保留金屬層,所述保留金屬層的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米;對所述半導體結構進行退火工藝;去除所述保留金屬層。可選的,所述開口的深度範圍為2. 5微米 4. 5微米。可選的,所述金屬層的厚度範圍為3. 5微米 5. 5微米。
可選的,所述退火工藝的退火溫度範圍為150°C 300°C。可選的,所述退火工藝的退火時間為60S 200S。
可選的,所述退火工藝的氣體為氮氣。可選的,所述開口為通孔或溝槽或通孔和溝槽的組合。可選的,填充有金屬的開口為電感結構。可選的,所述金屬層的材料為銅或者鋁。可選的,所述沉積金屬的工藝為電鍍法。與現有技術相比,上述方案具有以下優點對金屬層進行退火前,首先去除部分金屬層,僅保留金屬層覆蓋所述開口,所述保留金屬層的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米,然後再進行退火工藝,使填充的金屬晶格化,降低電阻,最後以開口頂部為研磨停止層,再次進行研磨以形成金屬互連。一方面避免在退火工藝中,覆蓋開口的金屬層過厚而導致半導體結構發生形變,另一方面保留金屬層可以避免退火工藝中,開口內的金屬被退火環境損傷,同時退火環境會造成開口內金屬的形變,退火後研磨保留金屬層可以使開口頂部具有光滑的表面。


圖I為半導體結構因金屬沉積導致形變的結構示意圖;圖2為半導體結構因形成金屬互連導致形變的曲率變化示意圖;圖3至圖7是本發明金屬互連的形成方法過程示意圖;圖8為金屬層應力和退火參數的關係不意圖;圖9為金屬層電阻和退火參數的關係示意圖。
具體實施例方式現有金屬互連會使得半導體結構發生形變,導致所述半導體結構在後續工藝中無法在腔室內放置平整,較為嚴重的形變影響所述半導體結構的電學性能,甚至造成半導體結構的斷裂。發明人對金屬互連引起的半導體結構的形變進行一系列的測量,如圖2所示,其中,橫坐標X代表半導體結構依次經過的金屬互連的步驟,縱坐標Y為半導體結構經過與橫坐標對應的工藝步驟後,半導體結構對應的曲率半徑,依次如下首先,X為I表示提供半導體結構,並在所述半導體結構表面形成第一介質層,X為2表不刻蝕所述第一介質層形成第一開口,接著沉積第一金屬層,所述第一金屬層填充並覆蓋所述第一開口 ;X為3表不對所述第一金屬層進行退火工藝,使所述第一金屬層晶格化,降低第一金屬層的電阻;X為4、5表示以第一開口的頂部為研磨停止層,對第一金屬層進行兩次研磨,形成第一金屬互連;X為6、7表不在所述第一導電結構上形成第二介質層,並在所述第二介質層內形成第二開口,沉積第二金屬層,所述第二金屬層填充並覆蓋所述第二開口,所述第二開口的深度大於第一開口的深度;X為8表示對所述第二金屬層進行退火工藝,使所述第二金屬層材質晶格化,降低金屬層的電阻;X為9、10表示以第二開口的頂部為研磨停止層,對第二金屬層進行兩次研磨,形成第二金屬互連。結合圖2所示可以發現,所述半導體結構的曲率變化主要發生在對金屬層進行退火的步驟中,即半導體結構的 形變主要因金屬層的退火導致。進一步地,繼續參考圖2,開口深度越深,填充開口後覆蓋在開口上方的金屬層越厚,則因退火導致的半導體結構的曲率變化就越大。如第二開口的尺寸大於第一開口,對應形成的第二金屬層的厚度大於第一金屬層的厚度,即步驟8中第二金屬層退火後導致的曲率變化高於步驟3中第一金屬層退火後導致的曲率變化。為解決上述問題,本發明提供一種金屬互連的形成方法,包括提供半導體結構,所述半導體結構內形成有若干數目的開口 ;沉積金屬填充所述開口,並覆蓋所述開口形成金屬層;化學機械研磨部分金屬層,形成覆蓋開口的保留金屬層,所述保留金屬層的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米;對所述半導體結構進行退火工藝;以所述開口頂部為研磨停止層,化學機械研磨保留金屬層,形成金屬互連。本發明對金屬層進行退火前,首先去除部分金屬層,僅保留金屬層覆蓋所述開口,所述保留金屬層的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米,然後再進行退火工藝,使填充的金屬晶格化,降低電阻,最後以開口頂部為研磨停止層,再次進行研磨以形成金屬互連。一方面避免在退火工藝中,覆蓋開口的金屬層過厚而導致半導體結構發生形變,另一方面保留金屬層可以避免退火工藝中,開口內的金屬被退火環境損傷,同時退火環境會造成開口內金屬的形變,退火後研磨保留金屬層可以使金屬互連具有光滑的表面。為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂,下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施,本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。如圖3所示,首先提供半導體結構100,所述半導體結構100包括器件區,所述器件區包含有電晶體等器件。所述半導體結構100內還形成有若干數目的開口 200,本圖示出了其中的4個,作為其他實施例,還可以為其他數目。所述開口 200可以為通孔或溝槽或通孔和溝槽的組合,後續工藝將對所述開口200進行填充形成金屬互連。本實施例中,所述金屬互連可以用於製作半導體結構的線圈和電感等器件。所述線圈和電感將與位於半導體結構100內的器件區相電連接。用於形成線圈和電感等結構的開口 200深度範圍為2. 5微米 4. 5微米,較深的開口 200將導致後續形成的填充並覆蓋的金屬層較厚,進而導致半導體結構的形變問題較為嚴重。本實施例中,所述開口 200的深度為3. O微米。如圖4所示,沉積金屬填充開口 200,並在開口 200表面上形成金屬層300。所述金屬層300的厚度範圍為3. 5微米 5. 5微米。本實施例中,金屬層300的最大厚度值為3. 5微米。所述金屬層300的沉積方法為電鍍法。所述金屬層的材料為銅或者鋁。本實施例中,所述金屬層的材料為銅。其中,因填充開口 200,則與開口 200處對應的金屬層300的表面為凹陷狀。如圖5所示,去除金屬層300的一部分,並在開口 200上方形成有保留金屬層300',所述保留金屬層300'的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米。所述去除方式為化學機械研磨。去除的部分金屬層厚度範圍為2. 45微米 4. 95微米,即去除的一部分金屬層為覆蓋在開口上方原總金屬層的70% 90%。所述化學機械研磨可以採用較快的速率進行研磨,以達到提高工藝速率的效果。本實施例中,所述去除的部分金屬層的厚度為2. 5微米。保留的金屬層300'的厚度為I. O微米。 為避免後續的退火工藝造成半導體結構的形變,應將覆蓋開口 200的金屬層300全部進行化學機械研磨。但若沒有保留的金屬層300'覆蓋所述開口 200,則可能導致開口200內的金屬在退火工藝中被氧化;而且退火工藝也會造成開口 200內的金屬會有部分發生形變,進而開口 200頂部的金屬表面不光滑平整,影響半導體結構的電學參數。保留金屬層300'覆蓋所述開口 200,可以避免開口 200內金屬被高溫氧化,後續對保留金屬層300'進行化學機械研磨,還可以使得填充有金屬的開口 200頂部具有較平整表面;同時僅保留I. O微米 2. 5微米的保留金屬層300',其較薄的厚度範圍也不會對半導體結構的形變造成影響。如圖6所示,對半導體結構進行退火工藝400,主要使位於開口 200內的金屬材質晶格化,降低金屬電阻。所述退火工藝的退火溫度範圍為150°C 300°C。所述退火工藝的退火時間為60S 200S。所述退火工藝的氣體為氮氣。作為較佳實施例,所述退火溫度範圍為200°C 250°C,較佳的退火時間範圍為90S 180S。本實施例中,退火溫度為200°C,退火時間為90S。繼續參考圖6,所述保留金屬層300'的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米,其較薄的厚度範圍在退火工藝中僅會引起較小的形變,不會對半導體結構的形狀造成影響,避免了因形變造成半導體結構在後續工藝腔室內無法放置平整的問題,同時避免因形變影響半導體結構的電學性能,甚至造成半導體結構斷裂的問題。在退火工藝中,保留金屬層300'覆蓋所述開口 200,可以避免開口 200內金屬被高溫氧化,後續對保留金屬層300'進行化學機械研磨,還可以使得填充有金屬的開口 200頂部具有較平整表面。如圖7所示,去除保留金屬層300',填充有金屬的開口 200為電感或線圈結構,以形成金屬互連,所述金屬互連與半導體結構內部的器件區相電連接。本實施例中,所述金屬互連用於製作電感。所述去除方法可以為化學機械研磨方法。與前一步的化學機械研磨相比較,保留金屬層300'的研磨速率可以較小,避免過快的研磨損壞填充金屬的開口 200。上述發明中,退火工藝的較佳退火溫度範圍為200°C 250°C,較佳的退火時間範圍為90S 180S。下面發明人將分別從金屬層應力和退火參數的關係及金屬層電阻和退火參數的關係進行實驗,驗證較佳的退火溫度範圍和較佳的退火時間範圍。圖8為金屬層應力和退火參數的關係示意圖,橫坐標為退火時間,縱坐標為金屬層的應力大小,並分別採用退火溫度160°C、200°C和250°C進行實驗。圖9為金屬層電阻和退火參數的關係示意圖。橫坐標為退火時間,縱坐標為金屬層的電阻大小,並分別採用退火溫度160°C、200°C和250°C進行實驗。結合圖8和圖9可以發現,本發明退火工藝中,較佳退火溫度範圍為200°C 250°C,較佳的退火時間範圍為90S 180S,在上述範圍內,所述金屬層應力和金屬電阻基本保持不變的數值範圍。
本發明對金屬層進行退火前,首先去除部分金屬層,僅保留金屬層覆蓋所述開口,所述保留金屬層的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米,然後再進行退火工藝,使填充的金屬晶格化,降低電阻,最後以開口頂部為研磨停止層,再次進行研磨以形成金屬互連。一方面避免在退火工藝中,覆蓋開口的金屬層過厚而導致半導體結構發生形變,另一方面保留金屬層可以避免退火工藝中,開口內的金屬被退火環境損傷,同時退火環境會造成開口內金屬的形變,退火後研磨保留金屬層可以使金屬互連具有光滑的表面。
雖然本發明披露如上,但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員,在不脫離本發明的精神和範圍內,均可作各種更動與修改,因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種金屬互連的形成方法,包括 提供半導體結構,所述半導體結構內形成有若干數目的開口 ;沉積金屬填充所述開口,並覆蓋所述開口形成金屬層;去除部分金屬層,形成覆蓋開口的保留金屬層,所述保留金屬層的厚度範圍為I. O微米 2. 5微米;對所述半導體結構進行退火工藝;去除所述保留金屬層。
2.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述開口的深度範圍為2.5微米 4. 5微米。
3.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述金屬層的厚度範圍為3. 5微米 5. 5微米。
4.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述退火工藝的退火溫度範圍為150°C 300°C。
5.根據權利要求4所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述退火工藝的退火時間為 60S 200S。
6.根據權利要求5所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述退火工藝的氣體為氮氣。
7.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述開口為通孔或溝槽或通孔和溝槽的組合。
8.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,填充有金屬的開口為電感結構。
9.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述金屬層的材料為銅或者招。
10.根據權利要求I所述金屬互連的形成方法,其特徵在於,所述沉積金屬的工藝為電鍍法。
全文摘要
本發明提供一種金屬互連的形成方法,包括提供半導體結構,半導體結構內形成有若干數目的開口;沉積金屬填充所述開口,覆蓋所述開口形成金屬層;化學機械研磨部分金屬層,覆蓋開口頂部形成保留金屬層,所述保留金屬層的厚度範圍為1.0微米~2.5微米;對所述半導體結構進行退火工藝;化學機械研磨保留金屬層,形成金屬互連。本發明對金屬層進行退火前,首先去除部分金屬層,僅保留金屬層覆蓋所述開口,所述保留金屬層的厚度範圍為1.0微米~2.5微米,然後再進行退火工藝,使填充的金屬晶格化,降低電阻,最後以開口頂部為研磨停止層,再次進行研磨以形成金屬互連,避免在退火工藝中,覆蓋開口的金屬層過厚而導致半導體結構發生形變。
文檔編號H01L21/768GK102623388SQ201110032380
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月30日 優先權日2011年1月30日
發明者劉達, 沈旭昭, 潘見, 王辛, 鄭利平 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司

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