專利名稱：通孔的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種通孔的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的制作向超大規(guī)模集成電路(ULSI)發(fā)展，其內(nèi)部的 電路密度越來(lái)越大，所含元件數(shù)量不斷增加，使得晶片的表面無(wú)法提供 足夠的面積來(lái)制作所需的互連線(Interconnect)。為了配合元件縮小后 所增加的互連線需求，利用通孔實(shí)現(xiàn)的兩層以上的多層金屬互連線的設(shè) 計(jì)，成為超大規(guī)模集成電膝忮術(shù)所必須采用的方法。
傳統(tǒng)的金屬互連是由鋁金屬制作實(shí)現(xiàn)的，但隨著集成電路芯片中器 件特征尺寸的不斷縮小，金屬連線中的電流密度不斷增大，響應(yīng)時(shí)間不 斷縮短，傳統(tǒng)鋁互連線已達(dá)到工藝極限。當(dāng)工藝尺寸小于130nm以后，傳 統(tǒng)的鋁互連線技術(shù)已逐漸被銅互連線技術(shù)所取代。與鋁金屬相比，銅金 屬的電阻率更低、電遷移壽命更長(zhǎng)，利用銅工藝制作金屬互連線可以降 低互連線的RC延遲、改善電遷移等引起的可靠性問(wèn)題。但是，采用銅工 藝制作互連線也存在兩個(gè)問(wèn)題 一是銅的擴(kuò)散速度較快，二是銅的刻蝕 困難，因此，其所適用的工藝制作方法與鋁工藝完全不同。
圖l為說(shuō)明現(xiàn)有的銅金屬互連線制作方法的器件剖面示意圖，如圖l 所示，銅金屬互連線通常是利用大馬士革的方法形成，首先，在襯底101 上形成第一銅金屬層102，然后，在該金屬層102上沉積層間介電層1(B; 接著，在該層間介電層103上光刻出通孔圖案，并刻蝕形成通孔；再接著， 為使填充的銅金屬與通孔側(cè)壁的介電層粘附性良好，同時(shí)，防止銅金屬 向介電層內(nèi)擴(kuò)散，在填充金屬前先沉積一層粘附層104，該粘附層通常可 由Ta/TaN組合物形成。然后，在通孔內(nèi)形成銅的晶種層，再利用電鍍的 方法在通孔內(nèi)填充銅金屬105，并形成第二金屬層。該種金屬互連結(jié)構(gòu)可
以實(shí)現(xiàn)不同金屬層之間的電連通，其形成質(zhì)量對(duì)于電路的性能影響很大，
直接會(huì)影響到電路的電特性、RC延遲、工作速度等多個(gè)性能參數(shù)。
影響多層金屬互連線形成質(zhì)量的重要因素之一是應(yīng)力，在金屬線上
往往存在著應(yīng)力梯度由于金屬與介電材料的熱膨脹系數(shù)差異相當(dāng)大， 當(dāng)多層金屬互連線結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境的溫度產(chǎn)生較大的變化時(shí)，金屬互連 線與層間介電層所受到的熱應(yīng)力差異也會(huì)較大，結(jié)果使得多層金屬互連 線結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生所謂的應(yīng)力遷移，導(dǎo)致元件的使用壽命變短。
為解決這一應(yīng)力遷移現(xiàn)象引起的金屬互連線結(jié)構(gòu)形成質(zhì)量變差的問(wèn) 題，申請(qǐng)?zhí)枮?00420118360.3的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了 一種降低應(yīng)力遷移的 多層金屬互連線的布局，其在金屬層上設(shè)置介電溝槽，避免了因熱應(yīng)力 而導(dǎo)致的在通孔內(nèi)的介電層與金屬層之間產(chǎn)生裂縫，甚至造成電路斷路 的問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的可靠性。
但是，除上述因金屬與介電材料熱膨脹系數(shù)不同引起的應(yīng)力外，還 有其他原因會(huì)在金屬互連線上產(chǎn)生應(yīng)力制作層間的金屬內(nèi)連線時(shí)，在 通孔的底部形成的粘附層表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而填充的金屬表現(xiàn)為張應(yīng)力， 這就使得在上、下兩層金屬相連的粘附層處具有較大的應(yīng)力。因此，在 高溫下，銅金屬內(nèi)的晶格缺陷會(huì)向應(yīng)力小的地方遷移，結(jié)果導(dǎo)致位于通 孔下方的兩層金屬的交接處的金屬出現(xiàn)了空洞(SIV， Stress induced void),這一SIV的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致金屬互連結(jié)構(gòu)在高溫下的熱穩(wěn)定性及可靠 性下降，壽命縮短。
圖2為說(shuō)明現(xiàn)有的銅金屬互連線在高溫處理后的器件剖面示意圖， 如圖2所示，經(jīng)過(guò)高溫處理后，在通孔的底部一一上、下兩層銅金屬的 交界處，產(chǎn)生了空洞201,該SIV的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致兩層金屬連接間的接 觸電阻值上升，表現(xiàn)為金屬互連線的熱穩(wěn)定性和可靠性較差，壽命較短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通孔的形成方法，該方法改善了上、下兩層金屬間
的連接質(zhì)量，可以提高金屬互連線結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明提供的一種通孔的形成方法，包括步驟 提供表面具有第 一金屬層的襯底；
在所述襯底上沉積介電層，并在所述介電層上形成通孔開(kāi)口，且所
述通孔開(kāi)口的底部與所述第一金屬層相連；
在所述介電層上和所述通孔開(kāi)口的側(cè)壁及底部沉積具有第一厚度 的粘附層；
利用等離子體轟擊去除所述通孔開(kāi)口底部的粘附層； 沉積具有第二厚度的粘附層，且所述第二厚度小于所述第 一厚度； 在所述介電層上和通孔開(kāi)口內(nèi)形成第二金屬層。 其中，所述第一厚度在100至300A之間，所述第二厚度在30至 80 A之間。
其中，所述粘附層由物理氣相沉積方法形成。 其中，所述第一、第二金屬層為銅金屬，所述粘附層為Ta/TaN。 另外，在沉積具有第二厚度的粘附層后，填充金屬前，還可以包括 步驟
利用物理氣相沉積方法生長(zhǎng)一層晶種層。
本發(fā)明具有相同或相應(yīng)技術(shù)特征的另 一種通孔的形成方法，包括步
驟
提供襯底，所述襯底表面具有第一金屬層和第二金屬層，且所述第 一和第二金屬層之間由第 一介電層相隔離；
在所述襯底上沉積第二介電層，并在所述第二介電層上形成通孔開(kāi) 口 ，且所述通孔開(kāi)口的底部與所述第二金屬層相連；
在所述第二介電層上和所述通孔開(kāi)口的側(cè)壁及底部沉積具有第一 厚度的粘附層；
利用等離子體轟擊去除所述通孔開(kāi)口底部的粘附層；
沉積具有第二厚度的粘附層，且所述第二厚度小于所述第一厚度；
在所述第二介電層上和通孔開(kāi)口內(nèi)形成第三金屬層。
其中，所述第一介電層和第二介電層分別由黑鉆石和未摻雜的二氧 化硅形成。
其中，所述第一厚度在100至300A之間，所述第二厚度在10至 50A之間。
其中，所述第一、第二金屬層為銅金屬，所述粘附層為Ta/TaN。 此外，在沉積具有第二厚度的粘附層后，填充金屬前，還可以包括 步驟
利用物理氣相沉積方法生長(zhǎng)一層晶種層。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的通孔的形成方法，通過(guò)減薄通孔底部的粘附層厚度，有效 降低了兩層金屬間的應(yīng)力，使得高溫處理后，在通孔底部，兩層金屬相 接之處不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生少量的SIV，改善了多層金屬互連線結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn) 定性，可靠性，延長(zhǎng)了其使用壽命。


圖1為說(shuō)明現(xiàn)有的銅金屬互連線制作方法的器件剖面示意圖； 圖2為說(shuō)明現(xiàn)有的銅金屬互連線在高溫處理后的器件剖面示意圖； 圖3為SM測(cè)試結(jié)構(gòu)的示意圖4A至4E為說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施例的通孔形成方法的器件剖面
圖5為說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施例的通孔形成方法的流程圖6為兩層層間介電層之間的應(yīng)力隨溫度變化的曲線
圖7A至7E為說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的通孔形成方法的器件剖面
圖8為說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的通孔形成方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附 圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。
本發(fā)明的處理方法可^^皮廣泛地應(yīng)用到許多應(yīng)用中，并且可利用許多適 當(dāng)?shù)牟牧现谱?，下面是通過(guò)較佳的實(shí)施例來(lái)加以說(shuō)明，當(dāng)然本發(fā)明并不 局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所熟知的一般的替換無(wú) 疑地涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)， 為了便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，不 應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定，此外，在實(shí)際的制作中，應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬 度及深度的三維空間尺寸。
現(xiàn)代半導(dǎo)體器件制作中，需要制作大量的通孔，以實(shí)現(xiàn)多層金屬間 的互連，該多層金屬的互連質(zhì)量對(duì)電路的整體性能至關(guān)重要。為確保多 層金屬互連線結(jié)構(gòu)的形成質(zhì)量，在半導(dǎo)體制造業(yè)中通常會(huì)采用應(yīng)力遷移
(SM， Stress Migration)測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。所謂SM測(cè)試方法是 將待測(cè)多層金屬互連線結(jié)構(gòu)置于一個(gè)恒定高溫的環(huán)境下，并記錄該金屬 互連線結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間下的電阻值變化，通過(guò)測(cè)試得到的高溫處理前后 電阻值的變化，可以得知多層金屬互連線結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力遷移變化，從而 判斷該金屬層的形成質(zhì)量是否能夠滿足要求。
圖3為SM測(cè)試結(jié)構(gòu)的示意圖，器件制作時(shí)，可以同時(shí)在襯底上形 成SM測(cè)試結(jié)構(gòu)，對(duì)其的測(cè)試結(jié)果可以反映正式器件中對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的形成 質(zhì)量。如圖3所示，該SM測(cè)試結(jié)構(gòu)是由上、下金屬層301、 302及其 之間的通孔組成，SM測(cè)試時(shí)可采用兩探針?lè)ɑ蛩奶结樂(lè)?，在上、下?金屬上分別加上正、負(fù)電壓，以測(cè)試其電阻值，該SM測(cè)試結(jié)果可以反
映器件中金屬互連線結(jié)構(gòu)的形成質(zhì)量。
通常SM測(cè)試的最低要求為在150至200°C的溫度下，烘烤1000 小時(shí)，電阻值的變化小于20%，為確保產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)中通常要求這 一變化至少小于10%，且越小越好。SM測(cè)試的電阻包括兩部分 一是 上、下金屬層間的接觸電阻，二是單層金屬層內(nèi)的方塊電阻，前者的阻 值要比后者大得多，對(duì)SM測(cè)試結(jié)果的影響也更為明顯。對(duì)圖l所示的 金屬互連線結(jié)構(gòu)進(jìn)行SM測(cè)試，其在加溫前、后的電阻值變化率大約在 10%左右，對(duì)生產(chǎn)而言，還是希望能進(jìn)一步降低這一電阻變化率，以提 高金屬互連線的可靠性及壽命。分析高溫處理前后，這一較高電阻變化 率出現(xiàn)的原因，應(yīng)該是由于在高溫處理后，在其通孔的底部出現(xiàn)了如圖 2所示的SIV空洞所引起的，因此，要改善這一測(cè)試結(jié)果，就要先減少 或消除在通孔底部出現(xiàn)的圖2中所示的SIV。
本發(fā)明公開(kāi)了 一種通孔的形成方法，對(duì)通孔的形成方法進(jìn)行了改 進(jìn)，有效減少了通孔底部出現(xiàn)SIV的數(shù)量。圖4A至4E為說(shuō)明本發(fā)明 第一實(shí)施例的通孔形成方法的器件剖面圖，圖5為說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施 例的通孔形成方法的流程圖，下面結(jié)合圖4A至4E和圖5對(duì)本發(fā)明的 第 一實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)介紹。
圖4A為形成通孔開(kāi)口后的器件剖面圖，如圖4A所示，制作通孔 時(shí)，先提供表面具有第一金屬層102的襯底101 ( S501 )，該金屬層102 通常為銅；接著，在該襯底上沉積一層層間介電層103,該介電層通常 是由化學(xué)氣相沉積方法形成的未摻雜的氧化硅(USG )或黑鉆石(BD ), 其中，BD的K值較低，但機(jī)械強(qiáng)度較差，吸水性強(qiáng)， 一般用于位于中 間的多層金屬結(jié)構(gòu)中的層間隔離。
形成層間介電層103后，再對(duì)其進(jìn)行光刻、刻蝕，形成通孔開(kāi)口 110 (S502)，其中，通孔開(kāi)口 IIO的底部與第一金屬層102相連。
接著，在介電層103上和所述通孔開(kāi)口 110的側(cè)壁及底部沉積一層
具有第一厚度的粘附層(S503 )。圖4B為形成粘附層后的器件剖面圖， 如圖4B所示，為了防止通孔內(nèi)填充的銅金屬向介電層擴(kuò)散，同時(shí)也為 了提高銅金屬與介電層間的粘附性，在填充銅金屬之前，先要在通孔內(nèi) 沉積一層粘附層104。該粘附層通?？梢杂蒚a/TaN組合物形成，其第一 厚度大約在100至300A之間，如果過(guò)薄，不能起到阻擋銅擴(kuò)散、增強(qiáng) 粘附性的作用，如果太厚，則可能會(huì)導(dǎo)致通孔電阻升高。該粘附層的形 成通常是利用物理氣相沉積方法(PVD， Physical Vapor Deposition )實(shí) 現(xiàn)。在沉積該粘附層之前，也可以增加一步預(yù)清潔步驟，該步驟是利用 氫或氬等離子體對(duì)襯底進(jìn)行處理，以去除曝露的第一金屬層102表面的 氧化銅，提高接觸質(zhì)量。該預(yù)清潔步驟可以在生長(zhǎng)粘附層的物理氣相沉 積室中在位完成。
本步粘附層形成后，通孔底部的粘附層104的厚度較大，這會(huì)大大 增加通孔的接觸電阻，對(duì)互連線結(jié)構(gòu)的電性能不利。另外，底部粘附層 較厚還會(huì)導(dǎo)致兩層金屬間的應(yīng)力較大，這樣，在經(jīng)過(guò)高溫處理后，在兩 層金屬連接處(通孔底部粘附層附近)的銅金屬會(huì)出現(xiàn)SIV,因此，在 SM測(cè)試時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電阻升高較多的情況。為避免上述情況的發(fā)生，希 望能去除或減薄位于通孔底部的粘附層，同時(shí)，為了確保通孔側(cè)壁粘附 層的粘附與阻擋作用，要保持或加大側(cè)壁處的粘附層厚度。為實(shí)現(xiàn)這一 目的，在形成粘附層后，對(duì)其又進(jìn)行了反濺射(re-sputter)處理。
圖4C為進(jìn)行反濺射處理后的器件剖面圖，在形成粘附層后，利用 等離子體轟擊對(duì)其進(jìn)行反濺射處理以去除位于通孔開(kāi)口底部的粘附層 (S504)，該步等離子體轟擊也可以在同一PVD設(shè)備中進(jìn)行，所用等離 子體通常為氬等離子體。如圖4C所示，在反濺射處理后，粘附層進(jìn)行 了重新分布，形成了具有新的形貌的粘附層401:通孔底部的粘附層被 打至通孔的側(cè)壁上，露出了與通孔底部相連的下層的第一金屬層102, 同時(shí)，因底部的粘附層被打到側(cè)壁上，側(cè)壁的某些位置處的粘附層會(huì)變 厚，提高了粘附、阻擋的效果。但是，在這一處理過(guò)程中，側(cè)壁上的部分位置處的粘附層也會(huì)被打 去，變薄，結(jié)果不能保證其對(duì)銅金屬的阻擋和粘附效果。為了修復(fù)通孔 側(cè)壁上被部分去除或減薄的粘附層，后面還要再沉積一薄層粘附層。
圖4D為修復(fù)粘附層后的器件剖面圖，如圖4D所示，為修補(bǔ)通孔 側(cè)壁被破壞的粘附層，在反濺射處理后再在位進(jìn)行一次極短時(shí)間的修復(fù) 過(guò)程(flash time )，沉積具有第二厚度的粘附層(S505 )。因?yàn)樵赟504 的反濺射處理過(guò)程中，通孔底部的粘附層已經(jīng)被去除了，因此，實(shí)際上 決定最終形成的通孔底部的粘附層厚度的是本步的所沉積的粘附層的 厚度，即第二厚度。如果對(duì)本步修復(fù)時(shí)粘附層的厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制，可 以達(dá)到減小上、下兩層金屬間的應(yīng)力的目的，有效緩解通孔底部在高溫 處理后出現(xiàn)SIV的問(wèn)題。為此，本實(shí)施例中，本步的沉積的第二厚度要 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在S503中的粘附層的第一厚度，可以設(shè)置在30至80A之間， 如50A,既可以達(dá)到修復(fù)通孔側(cè)壁的目的，也可以僅在通孔底部形成很 薄的粘附層，減小兩層金屬接觸處的應(yīng)力。要控制沉積厚度，可以通過(guò) 減小反應(yīng)氣體流量、腔室壓強(qiáng)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但最簡(jiǎn)單的方法還是通過(guò) 對(duì)沉積時(shí)間的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。本步中對(duì)沉積時(shí)間的控制很嚴(yán)格， 一般不要 超過(guò)15秒的時(shí)間，較優(yōu)的沉積時(shí)間為5至10秒，如8秒。如圖4D所 示，本步修復(fù)步驟完成后，形成了具有新形貌的修復(fù)后粘附層402,該 粘附層在位于通孔側(cè)壁處較厚，在位于通孔底部則很薄，可以在確保粘 附和阻擋效果的情況下，減小金屬互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，因此，對(duì)其進(jìn)行高溫處理后，在通孔底部附近出現(xiàn)的SIV會(huì)明顯減少，甚至消除。
然后，可以進(jìn)入第二金屬層的形成過(guò)程，由于第二金屬層為銅材料， 其是利用化學(xué)電鍍的方法形成的，因此，在電鍍前，需要先在村底表面 形成銅晶種層。本實(shí)施例中，在對(duì)粘附層進(jìn)行修復(fù)后，還在同一 PVD 設(shè)備中進(jìn)行了銅晶種層的生長(zhǎng)，該層厚度大約在1500A左右，為電鍍形 成第二金屬層作好準(zhǔn)備。
圖4E為形成第二金屬層后的器件剖面圖，如圖4E所示，利用化學(xué) 電鍍的方法在襯底表面形成第二金屬層(S506)，同時(shí)，通孔內(nèi)也被該 第二金屬層填充，采用本發(fā)明的上述方法形成的位于通孔內(nèi)的第二金屬 層105與其下層的第一金屬層102之間的粘附層402很薄，可以有效降 價(jià)該金屬互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，提高其熱穩(wěn)定性及可靠性。
形成第二金屬層105后，可以進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，以去除位于層間 介電層103通孔上的銅和粘附層402,僅在通孔內(nèi)保留下銅連線。至此， 連接上、下兩層的通孔形成。
上述本發(fā)明的第一實(shí)施例說(shuō)明了如何通過(guò)減薄通孔底層的粘附層 厚度降低兩層金屬層間的應(yīng)力，以提高金屬互連結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。事實(shí) 上，除了兩層金屬與粘附層之間的應(yīng)力會(huì)引起SIV的出現(xiàn)，當(dāng)上、下兩 層層間介電層選材不同時(shí)，也會(huì)在層間產(chǎn)生較大的應(yīng)力，同樣會(huì)在層間 兩金屬層的交界處形成SIV，導(dǎo)致金屬互連線結(jié)構(gòu)性能的下降，圖6為 兩層層間介電層之間的應(yīng)力隨溫度變化的曲線，如圖6所示，圖中橫坐 標(biāo)表示的是加熱溫度的變化，縱坐標(biāo)表示的是兩層介電層間應(yīng)力隨溫度 的變化。其中，601為兩層層間介電層均為BD層的情況，602為兩層 分別為黑鉆石(BD)和未摻雜的氧化硅(USG)的情況，可以看到， 當(dāng)兩層介電層材料不同時(shí)，兩層介質(zhì)層間也會(huì)具有較大的應(yīng)力，且該應(yīng) 力會(huì)隨著溫度的升高而增大。這同樣會(huì)在兩層金屬層交界處引發(fā)空洞出
能有所改善，本發(fā)明的第二實(shí)施例就針對(duì)這種情況進(jìn)行了說(shuō)明。
圖7A至7E為說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的通孔形成方法的器件剖面 圖，下面結(jié)合圖7A至7E對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖7A為形成通孔開(kāi)口后的器件剖面圖，如圖7A所示，本實(shí)施例 中所提供的襯底表面已形成了多層金屬互連結(jié)構(gòu)，在襯底101上具有第 一金屬層102，第二金屬層105，且在第一和第二金屬層間由第一層間 介電層103隔離，并通過(guò)在第一層間介電層103內(nèi)形成通孔實(shí)現(xiàn)了第一 和第二金屬層間的互連，該通孔可以采用與本發(fā)明的第一實(shí)施例中的形
成方法形成。本實(shí)施例中，位于第一、第二金屬層間的第一層間介電層
103選用的材料為BD，其K值較低，對(duì)降低電路RC延遲有利。
為了在第二金屬層上再制作第三金屬層，首先要在上述襯底的表面 沉積一層第二層間介電層701，該介電層位于金屬互連結(jié)構(gòu)的頂層，為 了彌補(bǔ)BD的機(jī)械強(qiáng)度差、吸水強(qiáng)的問(wèn)題，位于頂層的該第二層間介電 層701采用了由化學(xué)氣相沉積方法形成的未摻雜的氧化硅(USG)。其 與下層的第一層間介質(zhì)層間會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。
形成該第二層間介電層701后，再對(duì)其進(jìn)行光刻、刻蝕，形成通孔 開(kāi)口 710,其中，通孔開(kāi)口 710的底部與第二金屬層105相連。
接著，為了防止通孔內(nèi)填充的銅金屬向介電層擴(kuò)散，同時(shí)也為了提 高銅金屬與介電層間的粘附性，在填充銅金屬之前，先在第二介電層701 上和通孔開(kāi)口 710的側(cè)壁及底部沉積一層具有第一厚度的粘附層702。 圖7B為形成粘附層后的器件剖面圖，如圖7B所示，該粘附層702由 Ta/TaN組合物形成，第一厚度大約在100至300A之間，如果過(guò)薄，不 能起到阻擋銅擴(kuò)散、增強(qiáng)粘附性的作用，如果太厚，則可能會(huì)導(dǎo)致通孔 電阻升高。在沉積該粘附層702之前，也可以增加一步預(yù)清潔步驟，該 步驟是利用氫或氬等離子體對(duì)襯底進(jìn)行處理，以去除曝露的第二金屬層 105表面的氧化銅，提高接觸質(zhì)量。
形成粘附層后，通孔底部的粘附層702的厚度較大，為去除或減薄 位于通孔底部的粘附層，進(jìn)行了反濺射(re-sputter)處理。
圖7C為進(jìn)行反濺射處理后的器件剖面圖，如圖7C所示，在形成 粘附層后，利用等離子體轟擊對(duì)其進(jìn)行反濺射處理以去除位于通孔開(kāi)口 底部的粘附層，以實(shí)現(xiàn)通孔內(nèi)粘附層的重新分布，重新分布后的粘附層 703的情況為通孔底部的粘附層被打至通孔的側(cè)壁上，露出了與通孔 底部相連的下層的第二金屬層105,同時(shí)，因底部的粘附層被打到側(cè)壁 上，側(cè)壁的某些位置處的粘附層會(huì)變厚。為了修復(fù)在這一反濺射處理過(guò)
程中，側(cè)壁上的部分位置處被打去，變薄的粘附層，隨后還要再修復(fù)一 次粘附層。
圖7D為修復(fù)粘附層后的器件剖面圖，如圖7D所示，為修補(bǔ)通孔 側(cè)壁被破壞的粘附層，在反濺射處理后再在位進(jìn)行一次極短時(shí)間的修復(fù) 沉積過(guò)程。本步沉積了具有第二厚度的的粘附層，該第二厚度決定了最 終在通孔底部形成的的粘附層厚度。本實(shí)施例中，除了兩層金屬間粘附 層的存在引起的應(yīng)力外，還由于第一介電層與第二介電層不同，產(chǎn)生了 額外的應(yīng)力，因此，本實(shí)施例中，在第二金屬層105和上層金屬之間會(huì) 產(chǎn)生更大的應(yīng)力，熱處理后，會(huì)產(chǎn)生更多的SIV。為此，本實(shí)施例中， 對(duì)通孔底部粘附層的厚度控制更為關(guān)#:。
為減小第二、第三金屬層間的總應(yīng)力，本實(shí)施例中沉積的第二厚度 大約在IO至50A之間，如為30A。其對(duì)沉積時(shí)間的控制要求更為嚴(yán)格， 一般不要超過(guò)IO秒的時(shí)間，較優(yōu)的沉積時(shí)間為3至8秒，此時(shí)，形成 的修復(fù)后的粘附層較為理想。如圖7D所示，本步修復(fù)步驟完成后，形 成了具有新形貌的修復(fù)后粘附層704，該粘附層在位于通孔側(cè)壁處較厚， 在位于通孔底部則4艮薄，可以在確保粘附和阻擋效果的情況下，減小金 屬互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，因此，對(duì)其進(jìn)行高溫處理后，在通孔底部附近出現(xiàn) 的SIV會(huì)明顯減少，甚至消除。
然后，可以進(jìn)入第三金屬層的形成過(guò)程，先在襯底表面形成銅晶種 層。本實(shí)施例中，在制作完粘附層后，在位進(jìn)行了銅晶種層的生長(zhǎng)，該 層厚度大約在1500A左右，為電鍍形成第三金屬層作好了準(zhǔn)備。
圖7E為形成第三金屬層后的器件剖面圖，如圖7E所示，利用化學(xué) 電鍍的方法在襯底表面形成第三金屬層，同時(shí)，通孔內(nèi)也被該第三金屬 層填充，采用本發(fā)明的上述方法形成的位于通孔內(nèi)的第三金屬層705與 其下層的第一金屬層102之間的粘附層402很薄，可以有效降價(jià)該金屬 互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，提高其熱穩(wěn)定性及可靠性。
由上述本發(fā)明的第一、二實(shí)施例可以看出，通孔中粘附層的厚度往 往是一個(gè)折衷值，既要滿足阻擋銅擴(kuò)散、粘附金屬與介電層的要求，又 要防止其過(guò)厚引發(fā)的應(yīng)力等一系列的問(wèn)題。本發(fā)明的通孔形成方法，對(duì) 不同結(jié)構(gòu)的通孔內(nèi)的粘附層的制作采用了不同的工藝條件，在通孔底部 形成了不同厚度的粘附層，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)地兼顧上述要求的目的。當(dāng)應(yīng)力 較小時(shí)，對(duì)修復(fù)粘附層時(shí)生長(zhǎng)的第二厚度的粘附層的控制可以較寬，反 之，當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)力較大時(shí)，對(duì)該粘附層的厚度就要進(jìn)行更加嚴(yán)格 的控制。
本發(fā)明第一實(shí)施例適用于通孔所在的層間介電層與位于其上、下的 介電層為同一介電材料的情況，本發(fā)明的第二實(shí)施例則適用于通孔所在 的介電層材料與位于其上或下層的介電層選材不同的情況。后者在通孔 處產(chǎn)生的應(yīng)力更大，為有效減弱這一應(yīng)力對(duì)金屬互連線結(jié)構(gòu)的影響，需 對(duì)其通孔底部的粘附層厚度進(jìn)行更嚴(yán)格的控制。
圖8為采用本發(fā)明的通孔形成方法前后的金屬互連線結(jié)構(gòu)的SM測(cè) 試結(jié)果。其中，本次SM測(cè)試條件為在200。C下烘烤500小時(shí)。如圖8 所示，圖中橫坐標(biāo)為在此SM測(cè)試條件下金屬互連線結(jié)構(gòu)的電阻變化率， 縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)某一電阻變化率的器件所占的百分比。801為采用本發(fā)明 的通孔形成方法前的金屬互連線結(jié)構(gòu)的SM測(cè)試結(jié)果，802為采用本發(fā) 明的通孔形成方法后的金屬互連線結(jié)構(gòu)的SM測(cè)試結(jié)果。該金屬互連線 結(jié)構(gòu)屬于本發(fā)明第二實(shí)施例中所述的情況，其上、下兩層介電層分別選 用了不同的介電材料一一USG和BD。可以看出，未采用本發(fā)明方法制 作通孔的金屬互連線結(jié)構(gòu)，在200。C下烘烤500小時(shí)后，其電阻變化率 達(dá)到8%，而采用本發(fā)明方法制作的通孔的互連線結(jié)構(gòu)，變化率還不到 4%，證明了采用本發(fā)明方法制作的結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所降低，熱穩(wěn)定性有所 提高。
本發(fā)明的通孔的形成方法，通過(guò)減薄通孔底部的粘附層厚度，有效 降低了兩層金屬間的應(yīng)力，改善了多層金屬互連線結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，可
靠性，延長(zhǎng)了其使用壽命。
本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明， 任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能 的變動(dòng)和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的 范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種通孔的形成方法，包括步驟提供表面具有第一金屬層的襯底；在所述襯底上沉積介電層，并在所述介電層上形成通孔開(kāi)口，且所述通孔開(kāi)口的底部與所述第一金屬層相連；在所述介電層上和所述通孔開(kāi)口的側(cè)壁及底部沉積具有第一厚度的粘附層；利用等離子體轟擊去除所述通孔開(kāi)口底部的粘附層；沉積具有第二厚度的粘附層，且所述第二厚度小于所述第一厚度；在所述介電層上和通孔開(kāi)口內(nèi)形成第二金屬層。
2、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第一厚度在 100至300A之間。
3、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第二厚度在 30至80 A之間。
4、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于所述粘附層由物 理氣相沉積方法形成。
5、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于所述第一、第二 金屬層為銅金屬，所述粘附層為Ta/TaN。
6、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于在沉積具有第二 厚度的粘附層后，填充金屬前，還包括步驟利用物理氣相沉積方法生長(zhǎng)一層晶種層。
7、 一種通孔的形成方法，包括步驟提供襯底，所述襯底表面具有第一金屬層和第二金屬層，且所述第 一和第二金屬層之間由第 一介電層相隔離；在所述襯底上沉積第二介電層，并在所述第二介電層上形成通孔開(kāi) 口，且所述通孔開(kāi)口的底部與所述第二金屬層相連；在所述第二介電層上和所述通孔開(kāi)口的側(cè)壁及底部沉積具有第一厚度的粘附層；利用等離子體轟擊去除所述通孔開(kāi)口底部的粘附層； 沉積具有第二厚度的粘附層，且所述第二厚度小于所述第一厚度； 在所述第二介電層上和通孔開(kāi)口內(nèi)形成第三金屬層。
8、 如權(quán)利要求7所述的形成方法，其特征在于所述第一介電層 和第二介電層分別由黑鉆石和未摻雜的二氧化硅形成。
9、 如權(quán)利要求7所述的形成方法，其特征在于所述第一厚度在 100至300A之間。
10、 如權(quán)利要求7所述的形成方法，其特征在于所述第二厚度在 10至50 A之間。
11、 如權(quán)利要求7所述的形成方法，其特征在于所述第一、第二 金屬層為銅金屬，所述粘附層為Ta/TaN。
12、 如權(quán)利要求7所述的形成方法，其特征在于在沉積具有第二 厚度的粘附層后，填充金屬前，還包括步驟利用物理氣相沉積方法生長(zhǎng)一層晶種層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通孔的形成方法，包括步驟提供表面具有第一金屬層的襯底；在所述襯底上沉積介電層，并在所述介電層上形成通孔開(kāi)口，且所述通孔開(kāi)口的底部與所述第一金屬層相連；在所述介電層上和所述通孔開(kāi)口的側(cè)壁及底部沉積具有第一厚度的粘附層；利用等離子體轟擊去除所述通孔開(kāi)口底部的粘附層；沉積具有第二厚度的粘附層，且所述第二厚度小于所述第一厚度；在所述介電層上和通孔開(kāi)口內(nèi)形成第二金屬層。本發(fā)明的通孔的形成方法，降低了兩層金屬間的應(yīng)力，改善了多層金屬互連線的熱穩(wěn)定性，可靠性，延長(zhǎng)了其使用壽命。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101207066SQ20061014779
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者琪 王 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司