[发明专利]金属互连结构及金属层间通孔和互连金属线的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种金属互连结构及金属层间通孔和互连金属线的形成方法。

背景技术

实践中，业内通常采用镶嵌工艺形成金属互连结构，所述金属互连结构包括在接触塞上生成互连金属线，互连金属线上生成通孔，再在通孔上生成更上一层的互连金属线。重复多次以实现多金属层互连。

其中，第一层互连金属线采用单镶嵌工艺实现，其步骤包括：首先，如图1所示，在第一介质层20和第一金属层10上形成第一阻挡层30和第二介质层40(实践中，所述第一介质层20和所述第一金属层10之间也需夹有阻挡层12，为表述简便，本文件中，对所述阻挡层12不作表述，但在附图中予以标示)，所述第一金属层10嵌于所述第一介质层20中；随后，如图2所示，图形化所述第二介质层40和所述第一阻挡层30，以形成接触孔50；再后，如图3所示，形成第二阻挡层32，以覆盖所述第二介质层40以及所述接触孔50的底壁和侧壁；最后，在所述第二阻挡层32上形成第二金属层，以填充所述接触孔50。

当前，所述第二金属层通常采用铜。在所述第二阻挡层32上形成铜层的步骤包括：首先，如图4所示，在所述第二阻挡层32上形成第一铜层42，以提供种晶层；然后，如图5所示，在所述第一铜层42上电镀第二铜层44；最后，如图6所示，平坦化(如采用化学机械研磨工艺)所述第二铜层44、所述第一铜层42和所述第二阻挡层32，以暴露所述第二介质层40。

从第二互连金属线开始，业内通常采用双镶嵌工艺一次完成互连金属线及其下与之相连的通孔。该通孔又与下一层互连金属线相连。双镶嵌工艺与单镶嵌工艺的区别在于采用两层抗蚀剂层，两次曝光，两次刻蚀，同时在两层介电层中一次形成用以形成所述互连金属线的沟槽、和通孔。随后的金属化步骤与前述的单镶嵌工艺相似。

当前，随着器件尺寸的逐渐减小，所述接触孔50和所述沟槽的深宽比逐渐增加，填充所述接触孔50和所述沟槽以获得满足工艺要求的金属互连结构的难度越来越大，最常见的问题是，在以铜填充所述接触孔50和所述沟槽以获得通孔或互连金属线时，在所述通孔或所述互连金属线中形成有孔洞，所述孔洞易引发器件失效。

通常，以单镶嵌工艺形成互连金属线为例，在所述互连金属线中形成孔洞的原因之一被认为是：所述第二阻挡层32和所述第一铜层42(即种晶层)多采用溅射工艺形成，形成的所述第二阻挡层32和所述第一铜层42均覆盖所述沟槽的侧壁、底壁以及嵌有所述沟槽的第二介质层40，即，所述第二阻挡层32和所述第一铜层42覆盖位于所述沟槽开口处的尖角52，并且，覆盖所述尖角52的所述第二阻挡层32和所述第一铜层42的厚度高于覆盖所述侧壁、底壁以及嵌有所述沟槽的第二介质层40的所述第二阻挡层32和所述第一铜层42的厚度。由于所述沟槽的开口尺寸越来越小，在所述开口处易先完成金属层的填充，而形成锁颈效应，进而，阻止所述金属层继续填充所述沟槽，而在所述沟槽中形成孔洞。

此外，随着所述沟槽的深宽比逐渐增加，所述第二阻挡层32和所述第一铜层42也越来越难以附着于所述沟槽的侧壁，从而，无法形成电镀所需要的连续的种晶层，换言之，所述第二阻挡层32和所述第一铜层42越来越难以覆盖所述沟槽的侧壁、底壁以及嵌有所述沟槽的第二介质层40，致使铜的电镀无法在所述沟槽的下部进行，造成孔洞，甚至断线。

上述困难也发生在采用双镶嵌工艺生成金属线和通孔的过程中。

为减少所述孔洞的产生，本领域技术人员已进行多项尝试，基本思路是减小所述接触孔的深宽比，方法之一为减小所述第二阻挡层32的厚度，但所述第二阻挡层32(如，TaN/Ta)的厚度不可能无限减小，所述第二阻挡层32在其厚度小到一定程度以后将失去效用(如，对于22纳米工艺，所述第二阻挡层32的厚度通常不能小于6纳米)。

由此，需要新的金属互连方法，以减少所述孔洞(严重时，导致断线)的产生。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种金属层间通孔及互连金属线的形成方法，可显著减少孔洞的产生。本发明提供了一种金属互连结构，其内可基本不产生孔洞。

本发明提供的一种金属层间通孔的形成方法，包括：

在第一介质层和第一金属层上形成种晶层，所述第一金属层嵌于所述第一介质层中；

在所述种晶层上形成掩膜图形，所述掩膜图形暴露部分所述种晶层，暴露的所述种晶层覆盖部分所述第一金属层；

在暴露的所述种晶层上生长第二金属层；