金屬前介質層內連接孔及其形成方法

2023-05-15 09:10:51

專利名稱：金屬前介質層內連接孔及其形成方法
技術領域：
本發明涉及集成電路製造技術領域，特別涉及一種金屬前介質層內 連接孔及其形成方法。
背景技術：
超大頭見才莫集成電3各(Very Large Scale Integrated Circuit, VLSI ) 通常需要一層以上的金屬層提供足夠的互連能力，此多層金屬間的互連現。隨著器件臨界尺寸的逐漸減小，器件連接孔內接觸電阻的影響變得 愈發重要。高接觸電阻導致的如器件響應時間延長及可靠性下降等缺陷 成為工藝優化的瓶頸。由此，如何降低器件連接孔的接觸電阻成為本領 域技術人員面臨的主要問題。2007年1月3日公開的公開號為"CN1889248"的中國專利申請中提供 了 一種減小超大規模集成電路連接孔電阻的方法，採用難熔金屬矽化物 工藝，在連接孔底部生成難熔金屬矽化物層，作為多晶矽和單晶矽的接 觸面。其步驟包括刻蝕連接孔、HF刻蝕、難熔金屬膜賊射生長、第一 次快速熱處理(RTP1)、選擇性刻蝕、第二次快速熱處理(RTP2)。通過以 上過程，在連接孔底部，即通過連接孔暴露的多晶矽和單晶矽表面生長 出難熔金屬矽化物層，從而達到減小接觸電阻，進而加速器件響應時間、 提高器件工作可靠性的目的。當前，金屬前介質層內連接孔中的金屬接觸材料大多選用鴒，但是， 由於其自身導電性能的限制，即使應用上述方法，當工藝發展至65納米 及以下時，形成的器件連接孔內的接觸電阻仍然難以滿足產品要求。如 何進一步降低器件連接孔的接觸電阻成為本領域技術人員亟待解決的問 題。選用具有優異導電性能的材料作為連接孔內金屬接觸材料成為降低 器件連接孔內接觸電阻的指導方向。200710042151.3 由於自身具有的良好的導電性能及其在集成電路製程中的廣泛應用， 銅成為金屬前介質層內連接孔中金屬接觸材料的首選替換材料。然而， 實際生產發現，對於金屬前介質層內的連接孔，作為連接材料的銅極易 向半導體襯底中擴散，向器件導電溝道區的擴散會使導電溝道內電子處于禁帶中的狀態，致使導電溝道內少數載流子發生躍遷，最終導致器件漏電流過大；向淺溝槽隔離區的擴散易引發淺溝槽隔離區隔離失效，繼而增加淺溝槽隔離區漏電流，嚴重時甚至引發集成電路器件失效。 發明內容本發明提供了 一種金屬前介質層內連接孔，可具有減小的連接孔內接觸電阻；本發明提供了一種金屬前介質層內連接孔的形成方法，可形 成具有減小的接觸電阻的連接孔。本發明提供的一種金屬前介質層內連接孔，所述連接孔位於連接基 體上，包括形成於所述連接基體上的通孔和覆蓋所述通孔側壁及底部 的粘接層，所述連接孔還包括鴒填充層，所述鴒填充層形成於所述粘接 層上；所述連接孔還包含至少一層導電層，所述導電層的電導率高於鴒 填充層，所述導電層覆蓋所述鴒填充層。所述粘接層包含底粘接層和側粘接層，所述底粘接層覆蓋所述通孔 底部，所述側粘接層覆蓋所述通孔側壁；所述側粘接層和底粘接層間隔 相接；所述鵠填充層具有底鵠填充層和側鵠填充層，所述底鴒填充層形 成於所述底粘接層上；所述側鎢填充層形成於所述側粘接層上；所述側 鴒填充層和底鴒填充層間隔相接；所述側鴒填充層的厚度小於所述底鎢 填充層的厚度；所述底鎢填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分 之一；所述導電層材料包含銅、鈷、銠、銀、銥或金中的一種或其組合。本發明提供的一種金屬前介質層內連接孔，所述連接孔位於連接基 體上，包括形成於所述連接基體上的通孔和覆蓋所述通孔側壁及底部 的粘接層，所述連接孔還包含鴒填充層，所述鴒填充層形成於所述粘接5層上；所述連接孔還包含銅層，所述銅層覆蓋所述鴒填充層。所述鴒填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之一。本發明提供的一種金屬前介質層內連接孔的形成方法，包括提供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層；在所述粘接層上形成鴒填充層；在所述鴒填充層上形成至少一層導電層，所述導電層的電導率高於 所述鴒填充層。所述鴒填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之一；所述導 電層材料包含銅、鈷、銠、銀、銥或金中的一種或其組合。本發明提供的一種金屬前介質層內連接孔的形成方法，包括提供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層；在所述粘接層上形成鵠填充層；在所述鴒填充層形成銅層。所述鴒填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之一。 與現有^R術相比，本發明具有以下優點本發明提供的金屬前介質層內連接孔,通過包含至少一層覆蓋所述鴒 填充層的導電層，所述導電層的電導率高於鎢填充層，即利用包含鎢填 充層和導電層的組合結構，可使連接孔內具有更小的接觸電阻成為可能；本發明提供的金屬前介質層內連接孔的可選方式，選擇銅作為導電層 材料，可在形成具有減小的接觸電阻的連^^妄孔的同時，降低成本；本發明提供的金屬前介質層內連接孔的形成方法，通過形成至少一層 導電層，所述導電層的電導率高於所述鴒填充層，所述導電層覆蓋所述 鴒填充層，即通過形成包含鴒填充層和導電層的組合結構，可使形成具有更小的接觸電阻的連接孔成為可能；本發明提供的金屬前介質層內連接孔的形成方法的可選方式，選擇銅 作為導電層材料，可在形成具有減小的接觸電阻的連接孔的同時，降低 成本。


圖1為說明本發明實施例的金屬前介質層內連接孔的結構示意圖； 圖2為說明本發明實施例的形成金屬前介質層內連接孔的流程示意圖；圖3為說明本發明實施例的連接基體的結構示意圖；圖4為說明本發明實施例的形成通孔後的連接基體的結構示意圖；圖5為說明本發明實施例的形成粘^接層後的連接基體的結構示意圖；圖6為說明本發明實施例的形成鴒填充層後的連接基體的結構示意圖；圖7為說明本發明實施例的沉積導電層後形成的金屬前介質層內連 接孔的結構示意圖。
具體實施方式
儘管下面將參照附圖對本發明進行更詳細的描述，其中表示了本發 明的優選實施例，應當理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明 而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列的描述應當被理解為對於本 領域技術人員的廣泛教導，而並不作為對本發明的限制。亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實 現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實 施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和 耗費時間的，但是對於具有本發明優勢的本領域技術人員來說僅僅是常 規工作。在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下列 說明和權利要求書本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均 採用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助 說明本發明實施例的目的。當前，金屬前介質層內連接孔中的金屬接觸材料大多選用鴿，但是，由於其自身導電性能的限制，當工藝發展至65納米及以下時，形成的器 件連接孔內的接觸電阻難以滿足產品要求。如何進一步降低器件連接孔 的接觸電阻成為本領域技術人員亟待解決的問題。選用具有優異導電性能的材料作為連接孔內金屬接觸材料成為降低 器件連接孔內接觸電阻的指導方向。由於自身具有的良好的導電性能及其在集成電路製程中的廣泛應 用，銅成為金屬前介質層內連接孔中金屬接觸材料的首選替換材料。然 而，實際生產發現，對於金屬前介質層內的連接孔，作為連接材料的銅 極易向半導體襯底中擴散，易造成器件漏電流過大，嚴重時甚至引發集 成電路器件失效。為減小金屬前介質層連接孔內的接觸電阻，本發明的發明人經過分 析與實踐，提供了一種新的金屬前介質層內連接孔。如圖l所示，本發明提供的一種金屬前介質層內連接孔，所述連接孔 位於連接基體10上，包括形成於所述連接基體10上的通孔12和覆蓋所 述通孔12側壁及底部的粘接層14,所述連接孔還包括鴒填充層20,所述 鴒填充層20形成於所述粘接層14上；特別地，所述連接孔還包含至少一層導電層30,所述導電層30的電導率高於鎢填充層20，所述導電層30覆 蓋所述鴒填充層20。所述連接基體10經由在半導體襯底上定義器件有源區並完成淺溝 槽隔離、繼而形成柵極結構及源區和漏區後，進而沉積金屬前介質層(第 一層間介質層)後獲得。所述金屬前介質層覆蓋所述柵極結構及源區和漏區並填滿位於所 述才冊極結構間的線縫；所述柵極結構包含柵極、環繞棚-極的側牆及4冊氧 化層。所述柵極結構還可包含覆蓋所述柵極和側牆的阻擋層，所述阻擋 層還覆蓋源區和漏區及位於所述柵極結構間的線縫。所述通孔12貫穿所述金屬前介質層，或者，所述通孔12貫穿所述 金屬前介質層及其覆蓋的阻擋層。在形成所述粘接層之前，在所述通孔和半導體襯底間需預先形成粘 接基層，用以降低接觸電阻，所述粘接基層可選為矽化鎳(NiSi )。所述粘接層可包含順次形成的鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)及氮化鉭 (TaN )。所述粘接層包含底粘接層和側粘接層，所述底粘接層覆蓋所述通孔 底部，所述側粘接層覆蓋所述通孔側壁。所述側粘接層和底粘接層間隔 相接。所述通孔、粘接基層及粘接層的製作方法可選用任何傳統的工藝， 在此不再贅述。所述通孔、粘接基層及粘接層的結構及具體參數根據產 品要求及工藝條件確定。所述鴒填充層2 Q具有底鎢填充層和側鎢填充層，所述底鎢填充層形成 於所述底粘接層上；所述側鴒填充層形成於所述側粘接層上。所述側鴒 填充層和底鴒填充層間隔相接。所述側鴒填充層的厚度小於所述底鴒填充層的厚度。 所述底鴒填充層的厚度根據產品要求及工藝條件確定，所述底鎢填充層的厚度小於通孔高度，特別地，所述底鎢填充層的厚度可小於或等於所述通孔高度的二分之一，例如，所述通孔的高度為500納米，所述 底鴒填充層的厚度可選為100~ 200納米。所述導電層30材料包含銅(Cu)、鈷(Co)、銠(Rh)、銀(Ag)、 銥(Ir)或金(Au)中的一種或其組合。特別地，考慮到，銅自身具有的良好的導電性能以及其在集成電路 製程中的廣泛應用，本發明提供的一種金屬前介質層內連接孔，所述連 接孔位於連接基體上，包括形成於所述連接基體上的通孔和覆蓋所述 通孔側壁及底部的粘接層，所述連接孔還包含鵠填充層，所述鴒填充層 形成於所述粘接層上；特別地，所述連接孔還包含銅層，所述銅層覆蓋 所述鴒填充層。應用本發明提供的方法形成金屬前介質層內連接孔的步驟包括提 供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所述通孔側壁及底 部的粘接層；在所述粘接層上形成鎢填充層；在所述鴒填充層上形成至 少一層導電層，所述導電層的電導率高於所述鵠填充層。如圖2所示，應用本發明提供的方法形成金屬前介質層內連接孔的 具體步驟包括步驟2Q1:提供連接基體。如圖3所示，所述連接基體經由在半導體襯底40上定義器件有源 區並完成淺溝槽隔離、繼而形成相W及結構及源區和漏區(圖未示)後， 進而沉積金屬前介質層50 (第一層間介質層)後獲得。所述金屬前介質層50覆蓋所述柵極結構及源區和漏區並填滿位於 所述柵極結構間的線縫；所述柵極結構包含柵極、環繞柵極的側牆及柵 氧化層。所述柵極結構還可包含覆蓋所述柵極和側牆的阻擋層，所述阻 擋層還覆蓋源區和漏區及位於所述4冊極結構間的線縫。步驟2Q2:在所述連接基體上形成通孔。10如圖4所示，所述通孔12貫穿所述金屬前介質層50,或者，所述 通孔12貫穿所述金屬前介質層及其覆蓋的阻擋層。所述通孔12的製作方法可選用任何傳統的沉積、刻蝕工藝，在此 不再贅述。步驟203:形成覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層。如圖5所示，在形成所述粘接層6G之前，在所述通孔和半導體襯底間需預先形成粘接基層，用以降低接觸電阻，所述粘接基層可選為矽化鎳(NiSi )。所述粘接層60可包含順次形成的鈦(Ti )、氮化鈦(TiN)及氮化 鉭(TaN)。所述粘接層60包含底粘接層和側粘接層，所述底粘接層覆蓋所述 通孔底部，所述側粘接層覆蓋所述通孔側壁。所述側粘接層和底粘接層 間隔相4妄。所述通孔、粘接基層及粘接層的製作方法可選用化學氣相澱積 (CVD)等任何傳統的工藝，在此不再贅述。所述通孔、粘接基層及粘 接層的結構及具體參數根據產品要求及工藝條件確定。 步驟2Q4:在所述粘接層上形成鴒填充層。如圖6所示，所述鵠填充層20具有底鴒填充層和側鵠填充層，所述底 鵠填充層形成於所述底粘接層上；所述側鎢填充層形成於所述側粘接層 上。所述側鴒填充層和底鵠填充層間隔相接。所述側鴒填充層的厚度小於所述底鴒填充層的厚度。 所述底鴒填充層的厚度根據產品要求及工藝條件確定，所述底鎢填 充層的厚度小於通孔高度，特別地，所述底鎢填充層的厚度可小於或等 於所述通孔高度的二分之一，例如，所述通孔的高度為500納米，所述 底鴒填充層的厚度可選為100 ~ 200納米。步驟205:如圖7所示，在所述鴒填充層上形成至少一層導電層，所述導電層的電導率高於所述鎢填充層。所述導電層30材料包含銅(Cu)、鈷(Co)、銠(Rh)、銀(Ag)、 銥(Ir)或金(Au)中的一種或其組合。所述鵪填充層及導電層的形成方法可選用濺射、電鍍等任何傳統的 工藝，在此不再贅述。特別地，考慮到，銅自身具有的良好的導電性能以及其在集成電路 製程中的廣泛應用，應用本發明提供的方法形成金屬前介質層內連接孔 的步驟包括提供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所 述通孔側壁及底部的粘接層；在所述粘接層上形成鴒填充層；在所述鴒 填充層形成銅層。儘管通過在此的實施例描述說明了本發明，和儘管已經足夠詳細地描 述了實施例，申請人不希望以任何方式將權利要求書的範圍限制在這種 細節上。對於本領域技術人員來說另外的優勢和改進是顯而易見的。因 此，在較寬範圍的本發明不限於表示和描述的特定細節、表達的設備和 方法和說明性例子。因此，可以偏離這些細節而不脫離申請人總的發明 概念的精神和範圍。
權利要求
1.一種金屬前介質層內連接孔，所述連接孔位於連接基體上，包括形成於所述連接基體上的通孔和覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層，所述連接孔還包括鎢填充層，所述鎢填充層形成於所述粘接層上；其特徵在於所述連接孔還包含至少一層導電層，所述導電層的電導率高於鎢填充層，所述導電層覆蓋所述鎢填充層。
2. 根據權利要求1所述的金屬前介質層內連接孔，其特徵在於所 述粘接層包含底粘接層和側粘接層，所述底粘接層覆蓋所述通孔底部， 所述側粘接層覆蓋所述通孔側壁；所述側粘接層和底粘接層間隔相接。
3. 根據權利要求2所述的金屬前介質層內連接孔，其特徵在於所 述鵠填充層具有底鴒填充層和側鴒填充層，所述底鴒填充層形成於所述 底粘接層上；所述側鴒填充層形成於所述側粘接層上；所述側鴒填充層 和底鎢填充層間隔相^^妄。
4. 根據權利要求3所述的金屬前介質層內連接孔，其特徵在於所 述側鴒填充層的厚度d 、於所述底鴒填充層的厚度。
5. 根據權利要求3所述的金屬前介質層內連接孔，其特徵在於所 述底鎢填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之一。
6. 根據權利要求1所述的金屬前介質層內連接孔，其特徵在於所 述導電層材料包含銅、鈷、銠、銀、銥或金中的一種或其組合。
7. —種金屬前介質層內連接孔，所述連接孔位於連接基體上，包 括形成於所述連接基體上的通孔和覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接 層，所述連接孔還包含鴒填充層，所述鎢填充層形成於所述粘接層上； 其特徵在於所述連接孔還包含銅層，所述銅層覆蓋所述鴒填充層。
8. 根據權利要求7所述的金屬前介質層內連接孔，其特徵在於所 述鴒填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之一。
9. 一種金屬前介質層內連接孔的形成方法，其特徵在於，包括 提供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層； 在所述粘接層上形成鴒填充層；在所述鵠填充層上形成至少一層導電層，所述導電層的電導率高於 所述鴒填充層。
10. 根據權利要求9所述的金屬前介質層內連接孔的形成方法，其 特徵在於所述鴒填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之一。
11. 根據權利要求9所述的金屬前介質層內連接孔的形成方法，其 特徵在於所述導電層材料包含銅、鈷、銠、銀、銥或金中的一種或其 組合。
12. —種金屬前介質層內連接孔的形成方法，其特徵在於，包括 提供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層；在所迷粘接層上形成鴒填充層；在所述鴒填充層形成銅層。
13. 根據權利要求12所述的金屬前介質層內連接孔的形成方法， 其特徵在於所述鴒填充層的厚度小於或等於所述通孔高度的二分之
全文摘要
一種金屬前介質層內連接孔，所述連接孔位於連接基體上，包括位於所述連接基體上的通孔和覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層，所述連接孔還包括鎢填充層，所述鎢填充層形成於所述粘接層上；所述連接孔還包含至少一層導電層，所述導電層的電導率高於鎢填充層，所述導電層覆蓋所述鎢填充層。可具有減小的連接孔內接觸電阻。一種金屬前介質層內連接孔的形成方法，包括提供連接基體；在所述連接基體上形成通孔；形成覆蓋所述通孔側壁及底部的粘接層；在所述粘接層上形成鎢填充層；在所述鎢填充層上形成至少一層導電層，所述導電層的電導率高於所述鎢填充層。可形成具有減小的接觸電阻的連接孔。
文檔編號H01L23/522GK101330041SQ20071004215
公開日2008年12月24日 申請日期2007年6月18日 優先權日2007年6月18日
發明者張海洋, 韓秋華 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司