互连结构的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种互连结构的形成方法。

背景技术：

半导体制造过程中产生的电迁移现象主要是指在电场的作用下导电离子运动造成元件或电路失效的现象。具体的，集成电路芯片内部采用金属互连线来传导工作电流，这种传导电流的金属在较高的电流密度作用下，沿电场反方向运动的电子将会与金属离子进行动量交换，结果使金属离子与电子流一样朝正极方向移动，相应所产生的金属离子空位向负极方向移动，这样就造成了互连线内金属净的质量传输，这种现象就是电迁移，进而导致金属线的某些部位出现空洞从而发生断路，而另外一些部位由于有晶须生长或出现小丘造成电路短路。

目前，普遍采用铜合金种子层的方法来改善电迁移现象，具体的，在籽晶层中掺杂改性元素，通过退火使得所述改性元素扩散至位于籽晶层表面的铜导电层中，用于改善导电层中顶部区域的电迁移特性。这种方法的优点在于：制作工艺简单，无需增加额外的工艺步骤。但是带来的缺点在于：在籽晶层中存留较多的改性元素，且所述改性元素在铜导电层中再分配，导致互连结构的电阻增加，从而导致现有技术形成的互连结构的电学性能较差。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种互连结构的形成方法，以提高互连结构的电学性能。

为解决上述问题，本发明提供一种互连结构的形成方法，包括：提供基底和位于基底上的介质层；在所述介质层中形成第一开口；在所述第一开口中和所述介质层的表面形成第一导电层；在所述第一导电层的表面形成合金层；在所述合金层的表面形成第二导电层；形成第二导电层后，进行退火处理。

可选的，所述合金层与所述介质层顶部表面之间的距离为30nm～100nm。

可选的，所述合金层的材料为铜合金。

可选的，所述铜合金中的改性元素为锰、铝或银。

可选的，所述铜合金中的改性元素的原子百分比浓度为0.5％～1.5％。

可选的，所述合金层的厚度为3nm～10nm。

可选的，形成所述合金层的工艺为物理气相沉积工艺。

可选的，所述第一导电层和第二导电层的材料为铜。

可选的，形成所述第一导电层和第二导电层的工艺为电镀工艺。

可选的，所述退火处理的参数为：采用的气体为n2或n2与h2的混合气体，温度为300摄氏度～410摄氏度。

可选的，进行所述退火处理后，还包括：平坦化所述第二导电层、合金层和第一导电层直至暴露出所述介质层的表面。

可选的，在形成第一导电层前，还包括：在所述第一开口的侧壁和底部、以及所述介质层的表面形成籽晶层。

可选的，还包括：在所述介质层中形成第一开口的同时在所述介质层中形成第二开口，所述第一开口的开口小于第二开口的开口；在所述第一开口中和所述介质层的表面形成第一导电层的同时在所述第二开口的侧壁和底部形成第一导电层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

由于在第一导电层和第二导电层之间形成合金层，通常合金层中具有改性元素，在退火过程中，所述合金层中的改性元素能够扩散至第一开口中的第一导电层内，且主要集中在第一开口内的顶部区域，由于改性元素进入第一导电层会形成钉扎效应，可显著降低第一导电层中原子及空位缺陷的漂移速率，降低第一开口中第一导电层内顶部区域空位的形成速率，从而改善第一开口内顶部区域的第一导电层的电迁移特性。另外，在第一导电层和第二导电层之间形成合金层，在退火过程中，所述合金层中的改性元素能够更加 容易的扩散至第一开口中的第一导电层中，从而避免在进行退火中需要较大的热预算；再次，在退火过程中，合金层中的改性元素向第一导电层和第二导电层中扩散，后续平坦化所述第二导电层、合金层和第一导电层直至暴露出所述介质层的表面后，改性元素只存在于第一开口中的第一导电层内，而在其它区域不会残留改性元素，从而降低了互连结构的电阻。提高了互连结构的电学性能。

附图说明

图1至图4是本发明第一实施例中互连结构形成过程的结构示意图；

图5至图7是本发明第二实施例中互连结构形成过程的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术形成的互连结构的电学性能较差。

针对现有技术中互连结构的形成方法进行研究，互连结构的形成方法为：提供基底和位于基底上的介质层；在所述介质层中形成开口；在所述开口的底部和侧壁、以及所述介质层的顶部表面形成籽晶层；在所述籽晶层中掺杂改性元素，所述改性元素例如为锰、或银；在掺杂改性元素后的籽晶层的表面形成导电层，所述导电层填充满所述开口；形成所述导电层后，进行退火处理。

退火处理之后，还包括：平坦化所述导电层直至暴露出介质层的表面。

研究发现，现有技术形成的互连结构的电学性能较差的原因在于：

在所述退火处理的过程中，通过籽晶层中的改性元素扩散至所述开口顶部区域的导电层中，从而达到改善开口顶部区域的导电层的电迁移特性。但是籽晶层中的改性元素扩散至所述开口顶部区域的导电层中后，还有较多的改性元素存在与籽晶层中，导致增加了互连结构的电阻。可见，现有技术中，不能同时改善互连结构的电迁移特性和电阻特性，从而使得互连结构的电学性能降低。

在此基础上，本发明提供一种互连结构的形成方法，包括：提供基底和位于基底上的介质层；在所述介质层中形成第一开口；在所述第一开口中和 所述介质层的表面形成第一导电层；在所述第一导电层的表面形成合金层；在所述合金层的表面形成第二导电层；形成第二导电层后，进行退火处理。所述方法能够提高互连结构的电学性能。

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。

第一实施例

图1至图4是本发明第一实施例中互连结构形成过程的结构示意图。

参考图1，提供基底100和位于基底上的介质层120。

所述基底100的材料为硅、锗、锗化硅、碳化硅或砷化镓；所述基底100的材料还可以为单晶硅、多晶硅、非晶硅或绝缘体上硅。本实施例中，所述基底100为硅基底。

所述基底100表面还可以形成有界面层以提高互连结构的电学性能。所述基底100内还可以形成有半导体器件，所述半导体器件为pmos晶体管、nmos晶体管、cmos晶体管、电容器、电阻器或电感器。所述基底100内还可以形成有底层金属层，所述底层金属层用于与所述半导体器件及待形成的互连结构相连接。所述底层金属层的材料例如可以为cu。

所述介质层120的材料为二氧化硅、低k介质材料(低k介质材料指相对介电常数大于等于2.6、小于3.9的介质材料)或超低k介质材料(超低k介质材料指相对介电常数小于2.6的介质材料)。

在所述基底100与介质层120之间还可以形成有刻蚀阻挡层，在后续形成第一开口的过程中，对所述刻蚀阻挡层的刻蚀速率远小于对介质层120的刻蚀速率，从而起到刻蚀停止作用，避免刻蚀工艺对基底100造成过刻蚀。

参考图2，在所述介质层120中形成第一开口121。

刻蚀介质层120，在所述介质层120中形成第一开口121。所述第一开口121可以贯穿所述介质层120的整个厚度，也可以是：在部分厚度的介质层120中形成第一开口121。当所述第一开口121贯穿所述介质层120的整个厚度时，所述第一开口121可以为单大马士革开口或双大马士革开口；当在部分厚度的介 质层120中形成第一开口121时，所述第一开口121为单大马士革开口。

当所述第一开口121为单大马士革开口时，可以采用各向异性干刻工艺刻蚀介质层120以形成第一开口121；当所述第一开口121为双大马士革开口时，可以采用先形成通孔后形成沟槽(viafirsttrenchlast)、先形成沟槽后形成通孔(trenchfirstvialast)或同时形成通孔和沟槽(viaandtrenchall-inoneetch)的方法形成双大马士革开口。

本实施例以第一开口121为单大马士革开口，且在部分厚度的介质层120中形成第一开口121作为示例。

参考图3，在所述第一开口121中和所述介质层120的表面形成第一导电层130。

在形成所述第一导电层130之前，还可以包括：在所述第一开口121的侧壁和底部、以及所述介质层120的顶部表面形成籽晶层(未图示)，以利用后续电镀第一导电层130。所述籽晶层的材料为铜，形成所述籽晶层的工艺可以为物理气相沉积工艺。

所述第一导电层130的材料为铜。形成第一导电层130的工艺为电镀工艺。

参考图4，在所述第一导电层130的表面形成合金层140。

所述合金层140的材料为铜合金。形成所述合金层140的工艺为物理气相沉积工艺。

所述合金层140中具有改性元素，所述改性元素可以为锰、铝或银。

所述合金层140中的改性元素的原子百分比浓度需要选择合适的范围，若所述合金层140中的改性元素的原子百分比浓度小于0.5％，导致后续在退火处理中扩散至第一开口121中顶部区域的第一导电层130的改性元素较少，不能有效的改善第一开口121内顶部区域的第一导电层130的电迁移特性；若所述合金层140中掺杂的改性元素的原子百分比浓度大于1.5％，导致后续在退火处理中扩散至第一开口121中顶部区域的第一导电层130的改性元素过多，会导致第一开口121中第一导电层130的电阻过大。故所述合金层140中掺杂的改性元素的原子百分比浓度选择为0.5％～1.5％。

所述合金层140与所述介质层120的顶部表面之间的距离为30nm～100nm，选择此范围出于以下考虑：若所述合金层140与所述介质层120的顶部表面之间的距离小于30nm，导致后续在退火处理中扩散至第一开口121中顶部区域的第一导电层130的改性元素过多，会导致第一开口121中第一导电层130的电阻过大；若所述合金层140与所述介质层120顶部表面之间的距离大于100nm，导致后续在退火处理中扩散至第一开口121中顶部区域的第一导电层130的改性元素较少，不能有效的改善第一开口121内顶部区域的第一导电层130的电迁移特性。

所述合金层140的厚度为3nm～10nm。所述合金层140的厚度选择此范围出于以下考虑：由于形成合金层140的物理气相沉积的速度较快，若合金层140的厚度小于3nm，导致对合金层140厚度的可控性变差；且若合金层140的厚度小于3nm，导致合金层140中容纳改性元素的能力过小；若合金层140的厚度大于10nm，导致工艺浪费。

继续参考图4，在所述合金层140表面形成第二导电层150。

所述第二导电层150的材料为铜。形成第二导电层150的工艺为电镀工艺。

形成第二导电层150后，进行退火处理。

所述退火处理的作用为：所述合金层140中的改性元素在退火过程中扩散至第一开口121中的第一导电层130内。

所述退火处理的参数为：采用的气体为n2或n2与h2的混合气体，温度为300摄氏度～410摄氏度。

在所述退火过程中，所述合金层140中的改性元素能够扩散至第一开口121中的第一导电层130内，且主要集中在第一开口121内的顶部区域，由于改性元素进入第一导电层130会形成钉扎效应，可显著降低第一导电层130中原子及空位缺陷的漂移速率，降低第一开口121中第一导电层130内顶部区域空位的形成速率，从而改善第一开口121内顶部区域的第一导电层130的电迁移特性。

所述钉扎效应指的是：一方面，在形成第一导电层130的过程中掺入改性元素，可以抑制第一导电层130中晶粒的长大，使得第一导电层130中的晶粒 得到细化，晶界的密度增加；另一方面，改性元素进入第一导电层130，主要分布在第一导电层130的晶界处，有效的阻止第一导电层130的原子或空位缺陷通过所述晶界进行移动。

另外，在退火过程中，合金层140中的改性元素向第一导电层130和第二导电层150中扩散，后续平坦化所述第二导电层150、合金层140和第一导电层130直至暴露出所述介质层120的表面后，改性元素只存在于第一开口121中的第一导电层130内，而在其它区域不会残留改性元素，相比现有技术中通过在籽晶层中掺杂改性元素并经过退火来改善互连结构的电迁移特性的情况，本发明能够不会在籽晶层中残留改性元素，从而降低了互连结构的电阻。即本发明在改善互连结构的电迁移特性的同时能够降低互连结构的电阻。

再次，在第一导电层130和第二导电层150之间形成合金层140，在退火过程中，能够避免改性元素需要通过整个合金层140的厚度扩散至第一开口121中的第一导电层130中，即本发明使得所述合金层140中掺杂的改性元素能够更加容易的扩散至第一开口121中的第一导电层130中，从而避免在进行所述退火处理中需要较大的热预算。

进行所述退火处理后，还包括：平坦化所述第二导电层150、合金层140和第一导电层130直至暴露出所述介质层120的表面。

接着，还可以形成覆盖所述介质层120和第一导电层130的顶层金属层。

第二实施例

图5至图7是本发明第二实施例中互连结构形成过程的结构示意图。

参考图5，图5为在图1基础上形成的示意图，在所述介质层120中形成第一开口231和第二开口232，所述第一开口231的开口小于第二开口232的开口。

刻蚀介质层120，在所述介质层120中形成第一开口231和第二开口232。

所述第一开口231和第二开口232可以贯穿所述介质层120的整个厚度，也可以是：在部分厚度的介质层120中形成第一开口231和第二开口232。

当所述第一开口231和第二开口232贯穿所述介质层120的整个厚度时，所述第一开口231和第二开口232可以为单大马士革开口或双大马士革开口；当 在部分厚度的介质层120中形成第一开口231和第二开口232时，所述第一开口231和第二开口232为单大马士革开口。

当所述第一开口231和第二开口232为单大马士革开口时，所述第一开口231的开口小于第二开口232的开口指的是：第一开口231的宽度尺寸小于第二开口232的宽度尺寸；当所述第一开口231和第二开口232为双大马士革开口时，所述第一开口231的开口小于第二开口232的开口指的是：第一开口231顶部的宽度尺寸小于第二开口232顶部的宽度尺寸。

本实施例以第一开口231和第二开口232为单大马士革开口，且在部分厚度的介质层120中形成第一开口231和第二开口232作为示例。

参考图6，在所述第一开口231中、第二开口232的侧壁和底部、以及所述介质层120的表面形成第一导电层240。

所述第一导电层240的材料为铜。形成第一导电层240的工艺为电镀工艺。

由于第一开口231的开口小于第二开口232的开口，当第一导电层240填充满第一开口231的临界时刻，第一导电层240还没有填充满第二开口232，此时只在第二开口232的侧壁和底部形成有第一导电层240。

在形成所述第一导电层240之前，还可以包括：在所述第一开口231和第二开口232的侧壁和底部、以及所述介质层120的表面形成籽晶层，以利于电镀第一导电层240。所述籽晶层的材料为铜，形成所述籽晶层的工艺可以为物理气相沉积工艺。

参考图7，在所述第一导电层240的表面形成合金层250。

需要说明的是，在第二开口232中的第一导电层240上方的合金层250部分位于第二开口232中，而在第一开口231中第一导电层240上方的合金层250并不位于第一开口231中。

所述合金层250为铜合金。形成所述合金层250的工艺为物理气相沉积工艺。

所述合金层250中具有改性元素，所述改性元素可以为锰、铝或银。

所述合金层250中的改性元素的原子百分比浓度为0.5％～1.5％。若所述合 金层250中掺杂的改性元素的浓度小于0.5％，导致后续在退火处理中扩散至第一开口231中顶部区域的第一导电层240的改性元素较少，且导致后续扩散至第二开口232中合金层250附近的第一导电层240和合金层250附近的第二导电层的改性元素较少，不能有效的改善第一开口231内顶部区域的第一导电层240的电迁移特性，且不能有效的改善第二开口232中的第一导电层240和第二导电层的电迁移特性；若所述合金层250中掺杂的改性元素的原子百分比浓度大于1.5％，导致后续在退火处理中扩散至第一开口231中顶部区域的第一导电层240的改性元素过多，且导致后续扩散至第二开口232中第一导电层240和第二导电层的改性元素过多，会导致第一开口231中第一导电层240的电阻过大，且导致第二开口232中第一导电层240和第二导电层的电阻过大。

所述合金层250与所述介质层120的顶部表面之间的距离为30nm～100nm，选择此范围出于以下考虑：若所述合金层250与所述介质层120的顶部表面之间的距离小于30nm，导致后续在退火处理中扩散至第一开口231中顶部区域的第一导电层240的改性元素过多，且导致后续扩散至第二开口232中第一导电层240和第二导电层的改性元素过多，会导致第一开口231中第一导电层240的电阻过大，且导致第二开口232中第一导电层240和第二导电层的电阻过大；若所述合金层250与所述介质层120顶部表面之间的距离大于100nm，导致后续在退火处理中扩散至第一开口231中顶部区域的第一导电层240的改性元素较少，且导致后续扩散至第二开口232中合金层250附近的第一导电层240和合金层250附近的第二导电层的改性元素较少，不能有效的改善第一开口231内顶部区域的第一导电层240的电迁移特性，且不能有效的改善第二开口232中的第一导电层240和第二导电层的电迁移特性。

所述合金层250的厚度为3nm～10nm。所述合金层250的厚度选择此范围出于以下考虑：若合金层250的厚度小于3nm，导致对合金层250厚度的可控性变差，且导致合金层250中容纳改性元素的能力过小；若合金层250的厚度大于10nm，导致工艺浪费。

继续参考图7，在所述合金层250的表面形成第二导电层260。

所述第二导电层260的材料为铜。形成第二导电层260的工艺为电镀工艺。

本实施例中，第二导电层260部分位于第二开口232中。

形成第二导电层260后，进行退火处理。

所述退火处理的作用为：所述合金层250中的改性元素在所述退火过程中扩散至第一开口231中的第一导电层240中，且扩散至第二开口232中第一导电层240和第二导电层260中。

所述退火处理的参数参照第一实施例中退火处理的参数，不再详述。

在所述退火过程中，所述第一开口231中的第一导电层240上方的合金层250中的改性元素能够扩散至第一开口231中的第一导电层240内，且主要集中在第一开口231内的顶部区域，由于改性元素进入第一导电层240会形成钉扎效应，可显著降低第一导电层240中原子及空位缺陷的漂移速率，降低第一开口231中第一导电层240内顶部区域空位的形成速率，从而改善第一开口231内顶部区域的第一导电层240的电迁移特性；另外，在退火过程中，合金层250中的改性元素向第一导电层130和第二导电层150中扩散，后续平坦化所述第二导电层150、合金层140和第一导电层130直至暴露出所述介质层120的表面后，改性元素只存在于第一开口231中的第一导电层240内、以及第二开口232中的第一导电层240和第二导电层260内，在其它区域不会残留改性元素，相比现有技术中通过在籽晶层中掺杂改性元素并经过退火来改善互连结构的电迁移特性的情况，本发明能够不会在籽晶层中残留改性元素，从而降低了互连结构的电阻。需要说明的是，合金层250中的改性元素能够扩散至第二开口232中的第一导电层240和第二导电层260。由于第一开口231的开口小于第二开口的开口，会使得第二开口232中改性元素比第一开口231中的改性元素多，但是第二开口232中改性元素在第二开口232中第一导电层240和第二导电层260的浓度较小，对于第二开口232中第一导电层240和第二导电层260的电阻不会造成较大的影响。即本发明针对具有第一开口231和第二开口232的互连结构的情况，在改善互连结构的电迁移特性的同时能够降低互连结构的电阻。

另外，在第一导电层240和第二导电层260之间形成合金层250，在退火过程中，能够避免改性元素需要通过整个合金层250的厚度扩散至第一开口231中的第一导电层240内，以及第二开口232中第一导电层240和第二导电层260 内。即本实施例中，使得所述合金层250中的改性元素能够更加容易的扩散至第一开口231中的第一导电层240中，以及第二开口232中第一导电层240和第二导电层260中，从而避免在进行所述退火处理中需要较大的热预算。

进行所述退火处理后，还包括：平坦化所述第二导电层260、合金层250和第一导电层240直至暴露出所述介质层120的表面。

接着，还可以包括：形成覆盖所述介质层120、第一导电层240和第二导电层260的顶层金属层。

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。