專利名稱：一種銅大馬士革結構及其制造方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路制造領域，尤其涉及一種銅大馬士革結構及其制造方法。
背景技術：
隨著半導體集成電路制造工藝的不斷進步，當半導體器件尺寸縮小至深亞微米時，金屬互連中的電阻(R)和電容(C)易產生寄生效應，導致金屬連線傳遞的時間延遲(RCtime delay)。為克服金屬互連中電阻(R)和電容(C)的寄生效應，常在超大規模集成電路集成工藝中，采用低阻值材料(銅)或低介電常數(low k dielectric)隔離物質。但銅易擴散進氧化硅和硅中，且銅的蝕刻較為困難。因此，現有技術采用雙大馬士革工藝，并填入 銅實現銅互連，以減少時間延遲，提高半導體器件間信號的傳播速度。雙大馬士革技術是一個導線線槽和金屬通孔同時進行金屬填充的工藝技術。如圖I所示，包含金屬通孔層的銅大馬士革結構是由第一銅金屬互連層250中的第一金屬互連線、第二銅金屬互連層100中的第二金屬互連線和金屬通孔300組成。第一金屬互連線和第二金屬互連線需連通的部分是通過金屬通孔相連，不需連通部分通過上下金屬互連層間的介質進行隔離。相比于導線線槽和金屬通孔分開形成的鋁制程的鎢通孔工藝，雙大馬士革工藝減少了金屬淀積和介質化學機械研磨過程，降低了晶圓成本，提高了晶圓生產率。但是，隨著半導體器件尺寸的進一步減小，無論是雙大馬士革工藝還是鋁制程的鎢通孔工藝，其金屬通孔本身電阻以及金屬通孔和金屬導線的接觸電阻已經成為影響半導體器件信號傳輸速度的重要因素。公式一'R=備
P,
公式一 · R = t
公式一和公式二分別為金屬通孔的通孔電阻和接觸電阻4-。其中￡為金屬通孔長，T為金屬通孔深度，W為金屬通孔寬度，P為金屬通孔本身電阻率，Pe為金屬通孔接觸電
阻率。其中，隨著金屬通孔特征尺寸的減小，金屬通孔橫截面積WT和接觸面積,X隨之
減少，致使金屬通孔電阻和接觸電阻增大，從而增加了金屬連線傳遞的時間延遲(Re timedelay)。因此，如何減少金屬通孔導致金屬連線傳遞的時間延遲，是目前業界急需解決的問題。

發明內容
本發明的主要目的為，針對上述問題，提出了一種銅大馬士革結構及其制造方法，該方法通過金屬互連線的直接接觸進行線路導通，不需導通部分通過嵌入隔離層進行隔離。為達成上述目的，本發明提供一種銅大馬士革結構，其結構包括上下疊加設置的第一銅金屬互連層和第二銅金屬互連層；所述第一銅金屬互連層具有圖形化的第一金屬互連線，以及第二銅金屬互連層具有圖形化的第二金屬互連線；所述第一金屬互連線和第二金屬互連線通過直接接觸進行線路導通，不導通部分通過嵌入在所述第一銅金屬互連層和/或第二銅金屬互連層中的金屬隔離層進行隔離。優選地，所述的金屬隔離層采用低介電常數的材料構成。優選地，所述的低介電常數材料的k值小于3. O。
優選地，所述的金屬隔離層為類氧化物材料。優選地，所述的金屬隔離層厚度為所述第一銅金屬互連層厚度的一半。為達成上述目的，本發明還提供一種用于制造銅大馬士革結構的方法，所述的方法包括如下步驟
步驟SI :在第二銅金屬互連層上自下而上依次沉積第一刻蝕阻擋層和金屬隔離層； 步驟S2 :光刻、刻蝕所述的金屬隔離層；
步驟S3 :在刻蝕后表面上沉積第二刻蝕阻擋層和第一銅金屬互連層間的介質，并對所述第一銅金屬互連層間的介質進行平坦化；
步驟S4 :光刻、刻蝕所述第一銅金屬互連層間的介質、第二刻蝕阻擋層和第一刻蝕阻擋層，得到所述第一銅金屬互連層中第一金屬互連線溝槽；
步驟S5 :在所述第一金屬互連線溝槽內填充銅金屬，得到第一銅金屬互連層。優選地，所述的光刻和刻蝕金屬隔離層、第一銅金屬互連層間的介質、第二刻蝕阻擋層和第一刻蝕阻擋層是通過傳統光刻和干法刻蝕。優選地，所述的第二刻蝕阻擋層和第一銅金屬互連層間的介質是通過化學氣相沉積方法形成的。優選地，所述的第一銅金屬互連層間的介質的平坦化是通過化學機械拋光方法實現。優選地，所述步驟S5中在第一金屬互連線溝槽(242)內填充銅金屬之前需沉積金屬阻擋層。優選地，所述金屬阻擋層是通過物理氣相方法形成的。優選地，在所述步驟S5中的第一銅金屬互連層是通過化學電鍍方法形成的。從上述技術方案可以看出，本發明的一種銅大馬士革結構及其制造方法，其采用第一銅金屬互連層中第一金屬互連線和第二銅金屬互連層中第二金屬互連線直接接觸實現線路導通并消除金屬通孔帶來的RC延遲；而在不需導通部分通過嵌入在第一銅金屬互連層和/或第二銅金屬互連層中的金屬隔離層進行隔離。因此，本發明的結構和制造方法可以很好的減少信號傳遞的時間延遲。


圖I為現有技術中包括金屬通孔層的銅大馬士革結構立體示意圖 圖2為本發明銅大馬士革結構的一具體實施例的立體示意3為本發明銅大馬士革制造方法的一個較佳實施例的流程示意4 11為圖2沿AA’方向剖切用以說明本發明的制作方法具體步驟時所形成結構的剖面示意圖
具體實施例方式體現本發明特征與優點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。
上述及其它技術特征和有益效果，將結合實施例及附圖2-11對本發明的銅大馬士革結構及其制造方法進行詳細說明。請參閱圖2，圖2為本發明實施例中銅大馬士革結構立體圖。如圖2所示，該銅大馬士革結構由第一銅金屬互連層250和第二銅金屬互連層100組成，并且，第一銅金屬互連層250具有圖形化的第一金屬互連線，第二銅金屬互連層100具有圖形化的第二金屬互連線。第一金屬互連線和第二金屬互連線通過直接接觸進行線路導通，不導通部分通過金屬隔離層220嵌入在第一銅金屬互連層250和/或第二銅金屬互連層100中實現線路的隔離。進一步地，在本發明的實施例中，為了滿足工藝的需求，第一金屬互連線和第二金屬互連線相互隔離部分是由第一刻蝕阻擋層210、金屬隔離層220、第二刻蝕阻擋層230和第一銅金屬互連層間的介質240組成的。值得注意的是，對于本領域的技術人員來說，可以很明了的理解該圖僅僅作為示意說明，實際的金屬連線部分與隔離部分可能與圖示的比例不一致。現結合附圖3 11，通過一個具體實施例對本發明形成圖2中所述的銅大馬士革結構的制造方法進行逐步詳細說明。需要說明的是，金屬隔離層220可以嵌入在第一銅金屬互連層250中，也可以嵌入在第二銅金屬互連層100中，當然也可以一部分嵌入在第二銅金屬互連層100中，另一部分嵌入在第一銅金屬互連層250中。下面僅以金屬隔離層220嵌入在第一銅金屬互連層250中為例進行詳細說明，其它兩種結構的制造方法與其基本相同，可參照本實施例修改，在此不再贅述。請參閱圖3，圖3為本發明銅大馬士革結構制造方法的一個較佳實施例的流程示意圖。在本實施例中，銅大馬士革結構制造方法包括步驟SI S5，步驟SI S5分別通過附圖4 11即圖2沿AA’方向的剖切示意圖，以說明本發明圖3所述的制作方法具體步驟時所形成的剖面結構。請參閱圖3，如圖3所示，在本發明的該實施例中，銅大馬士革結構制造方法包括如下步驟
步驟SI :請參閱圖4，在第二銅金屬互連層100上，通過化學氣相沉積方法沉積一層第一刻蝕阻擋層210，采用同種方法，在第一刻蝕阻擋層210上沉積一層金屬隔離層220。一般來說，金屬隔離層220是由低介電常數的材料組成，在本發明的一些實施例中，該低介電常數材料的k值小于3. O ;金屬隔離層220也是一種類氧化物材料；金屬隔離層220的厚度一般為第一銅金屬互連層250厚度的一半。
步驟S2 :請參閱圖5，在金屬隔離層220上定義和形成隔離層圖案，所說隔離層圖案是第一銅金屬互連層250和第二銅金屬互連層100中不需導通的地方保留該金屬隔離層220。然后，通過傳統的光刻和干法刻蝕方法刻蝕掉多余的金屬隔離層220，刻蝕到第一刻蝕阻擋層210時停止刻蝕。在本實施例中，刻蝕金屬隔離層220采用的是刻蝕速率選擇比高的刻蝕氣體進行刻蝕的。步驟S3 :請參閱圖6和圖7，如圖6所示，通過化學氣相沉積方法在第一刻蝕阻擋層210和剩余金屬隔離層220表面沉積第二刻蝕阻擋層230。在本實施例中，該第二刻蝕阻擋層230是一層氮化硅材料，且第二刻蝕阻擋層全部覆蓋在第一刻蝕阻擋層210和剩余金屬隔離層220之上。然后，通過化學氣相沉積方法在第二刻蝕阻擋層230上沉積第一銅金屬互連層間的介質240。如圖7所示，通過化學機械平坦化方法對第一銅金屬互連層間的介質240進行平坦化，得到平坦化后的第一銅金屬互連層間的介質表面241。步驟S4 :請參閱圖8和圖9，如圖8所示，在第一銅金屬互連層間的介質表面241 上定義并形成第一銅金屬互連層250中金屬導線的圖形，采用刻蝕速率選擇比高的刻蝕氣體對第一銅金屬互連層間的介質240進行刻蝕，刻蝕到第二刻蝕阻擋層230時停止；其中，刻蝕采用傳統的光刻和干法刻蝕方法。在本實施例中，刻蝕后第二刻蝕阻擋層230上還有部分第一銅金屬互連層間的介質240剩余。如圖9所示，通過刻蝕速率選擇比高的刻蝕氣體對裸露在外的第二刻蝕阻擋層230和第一刻蝕阻擋層210依次進行刻蝕，并得到第一金屬互連線溝槽242 ;其中，被第一銅金屬互連層間的介質240覆蓋的第二刻蝕阻擋層230或第一刻蝕阻擋層210以及被金屬隔離層220覆蓋的第一刻蝕阻擋層210存留下來。步驟S5 :請參閱圖10，在第一銅金屬互連層間的介質240表面和第一金屬互連線溝槽242內上通過物理氣相方法淀積一層金屬阻擋層，并通過化學電鍍方法實現金屬銅的填充，然后通過化學機械平坦化方法，去除第一銅金屬互連層間的介質240表面和第一金屬互連線溝槽242上的多余銅和金屬阻擋層，在這一過程中，有可能還會同時去除很小厚度的第一銅金屬互連層間的介質240。最后，形成了如圖11所示的第一銅金屬互連層250中第一金屬互連線和第二銅金屬互連層100中第二金屬互連線通過直接接觸進行線路導通，不導通部分通過金屬隔離層220嵌入在第一銅金屬互連層250中，也可以嵌入在第二銅金屬互連層100中，當然也可以一部分嵌入在第二銅金屬互連層100中，另一部分嵌入在第一銅金屬互連層250中進行隔離。其中，線路導通是通過第一金屬互連線和第二金屬互連線直接接觸實現的，不導通部分是通過由第一刻蝕阻擋層210、金屬隔離層220、第二刻蝕阻擋層230和第一銅金屬互連層間的介質240組成的隔離部分實現線路隔離的。綜上所述，本發明在銅金屬互連工藝中，采用第一銅金屬互連層中第一金屬互連線和第二銅金屬互連層中第二金屬互連線直接接觸進行線路導通，不導通部分通過金屬隔離層220嵌入在第一銅金屬互連層250中，也可以嵌入在第二銅金屬互連層100中，當然也可以一部分嵌入在第二銅金屬互連層100中，另一部分嵌入在第一銅金屬互連層250中進行隔離，從而可以實現線路導通并消除金屬通孔帶來的RC延遲。以上所述的僅為本發明的實施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護范圍內。 ·
權利要求
1.一種銅大馬士革結構，其包括上下疊加設置的第一銅金屬互連層(250)和第二銅金屬互連層(100);所述第一銅金屬互連層(250)具有圖形化的第一金屬互連線，以及第二銅金屬互連層(100)具有圖形化的第二金屬互連線； 其特征在于，所述第一金屬互連線和第二金屬互連線通過直接接觸進行線路導通，不導通部分通過嵌入在所述第一銅金屬互連層(250 )和/或第二銅金屬互連層(100 )中的金屬隔離層(220)進行隔離。
2.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述金屬隔離層(220)采用低介電常數的材料構成。
3.根據權利要求2所述的結構，其特征在于，所述低介電常數材料的k值小于3.O。
4.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述金屬隔離層(220)為類氧化物材料。
5.根據權利要求I所述的結構，其特征在于，所述金屬隔離層(220)厚度為所述第一銅金屬互連層(250)厚度的一半。
6.一種用于制造權利要求I所述的銅大馬士革結構的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟 步驟SI :在第二銅金屬互連層(100)上自下而上依次沉積第一刻蝕阻擋層(210)和金屬隔離層(220)； 步驟S2:光刻、刻蝕所述的金屬隔離層(220)； 步驟S3:在刻蝕后表面上沉積第二刻蝕阻擋層(230)和第一銅金屬互連層間的介質(240),并對所述第一銅金屬互連層間的介質(240)進行平坦化； 步驟S4 :光刻、刻蝕所述第一銅金屬互連層間的介質(240)、第二刻蝕阻擋層(230)和第一刻蝕阻擋層(210)，得到所述第一銅金屬互連層(250)中第一金屬互連線溝槽(242)； 步驟S5 :在所述第一金屬互連線溝槽(242)內填充銅金屬，得到第一銅金屬互連層(250)。
7.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述光刻和刻蝕金屬隔離層(220)、第一銅金屬互連層間的介質(240)、第二刻蝕阻擋層(230)和第一刻蝕阻擋層(210)是通過傳統光刻和干法刻蝕。
8.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第二刻蝕阻擋層(230)和第一銅金屬互連層間的介質(240 )是通過化學氣相沉積方法形成的。
9.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一銅金屬互連層間的介質(240)的平坦化是通過化學機械拋光方法實現。
10.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S5中在第一金屬互連線溝槽(242)內填充銅金屬之前需沉積金屬阻擋層。
11.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述金屬阻擋層是通過物理氣相方法形成的。
12.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S5中第一銅金屬互連層(250)是通過化學電鍍方法形成的。
全文摘要
本發明涉及一種銅大馬士革結構及其制造方法。其方法包括在第二銅金屬互連層上，沉積第一刻蝕阻擋層和金屬隔離層；光刻和刻蝕金屬隔離層；再沉積第二刻蝕阻擋層和第一銅金屬互連層間的介質并平坦化；然后刻蝕第一銅金屬互連層間的介質、第二刻蝕阻擋層和第一刻蝕阻擋層；在溝槽上填充銅金屬，得到并平坦化第一銅金屬互連層。綜上所述，本發明的結構是采用上下銅金屬互連層中具有圖形化的金屬互連線直接搭接，替代傳統互連結構中通孔結構來實現上下層金屬線的導通，不導通部分，通過嵌入在上下銅金屬互連層中的金屬隔離層實現隔離。因此，本發明可以徹底減少通孔導致的金屬連線傳遞的時間延遲。
文檔編號H01L21/768GK102881673SQ20121036635
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者黃仁東 申請人:上海集成電路研發中心有限公司