CN105826237A - 互连结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种互连结构及其形成方法，形成方法包括：提供衬底；在衬底上形成含碳的过渡层；采用含碳的反应气体在过渡层上沉积含碳量高于过渡层的粘附层，使沉积的粘附层的含碳量从靠近衬底的部分至远离衬底的部分逐渐增大；在粘附层上形成含碳量高于粘附层的第一介质层。互连结构包括：衬底、过渡层；设于过渡层上且含碳量高于过渡层的粘附层，粘附层的含碳量从靠近衬底的部分至远离衬底的部分逐渐增大；第一介质层，第一介质层的含碳量高于粘附层。本发明的有益效果在于：第一介质层能够通过粘附层实现与过渡层之间较好的粘附性，进而不容易在第一介质层中产生裂纹，这样互连结构的性能不容易因层间介质层产生裂纹而受到影响。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种互连结构及其形成方法。
背景技术
现有技术集成电路中的半导体器件越来越密集，实现半导体器件电连接的互连结构也不断增多，互连结构的电阻(R)及电容(C)产生了越来越明显的寄生效应，从而容易造成传输延迟(RCDelay)及串音(CrossTalk)等问题。
互连结构通常采用金属材料的导电插塞，为了防止金属扩散至互连结构中其他相邻的部件，现有技术在各个互连结构的导电插塞处设置扩散阻挡层(barrierlayer)，用于减少导电插塞中的金属向周围部件扩散的问题。
同时，为了降低互连结构中的寄生电容，现有技术中开始使用低K介电常数的材料，例如采用一些疏松多孔的低K材料或者超低K材料来形成所述介质层(Inter-LayerDielectric，ILD)。但是，这种采用低K或者超低K材料的互连结构容易产生裂纹(crack)，从而影响了互连结构的性能。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种互连结构及其形成方法，以减少互连结构中裂纹缺陷的产生，从而优化形成的互连结构的性能。
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：
提供衬底；
在所述衬底上形成含碳的过渡层；
采用含碳的反应气体在所述过渡层上形成粘附层，粘附层的含碳量高于所述过渡层的含碳量，且粘附层中的含碳量从靠近衬底部分至远离衬底部分的方向逐渐增大；
在所述粘附层上形成第一介质层，所述第一介质层的含碳量高于所述粘附层的含碳量。
可选的，提供衬底的步骤之后，形成过渡层的步骤之前，所述形成方法还包括：
在所述衬底上形成扩散阻挡层，所述过渡层形成于所述扩散阻挡层上。
可选的，扩散阻挡层的材料为掺碳氮化硅。
可选的，形成过渡层的步骤包括：
在所述衬底上形成含碳的第一过渡层；
在所述第一过渡层上形成第二过渡层，所述第二过渡层的含碳量高于第一过渡层。
可选的，所述第一过渡层和第二过渡层的材料为含碳氧化硅。
可选的，形成粘附层的步骤包括：
采用二乙氧基甲基硅烷气体和氧气作为反应气体，通过化学气相沉积的方式形成所述粘附层。
可选的，形成粘附层的步骤中：二乙氧基甲基硅烷气体的进给量逐渐增加，同时使氧气的进给量逐渐减小，以使粘附层的含碳量从靠近衬底至远离衬底的方向逐渐增大。
可选的，形成粘附层的步骤中，二乙氧基甲基硅烷气体进给量的变化率在50～1000mg/min/s的范围内，氧气进给量的变化率在50～1000sccm/s的范围内。
可选的，形成粘附层的步骤中：二乙氧基甲基硅烷气体的进给量范围在100～10000mg/min的范围内，氧气的进给量范围在50～10000mg/min的范围内。
可选的，所述第一介质层为多孔介质层。
可选的，形成第一介质层的步骤包括，采用松油烯气体作为形成所述第一介质层的反应物。
可选的，在形成第一介质层的步骤之后，所述形成方法还包括：
在所述第一介质层上形成第二介质层，所述第二介质层的材料与所述第一介质层相同。
可选的，所述第二介质层为多孔介质层。
此外，本发明还提供一种互连结构，包括：
衬底；
位于所述衬底上的含碳的过渡层；
设于所述过渡层上的粘附层，所述粘附层的含碳量高于所述过渡层的含碳量，且粘附层中的含碳量从靠近衬底部分至远离衬底部分的方向逐渐增大；
位于所述粘附层上的第一介质层，所述第一介质层的含碳量高于所述粘附层。
可选的，所述互连结构还包括位于衬底上的扩散阻挡层，所述过渡层位于所述扩散阻挡层上。
可选的，所述扩散阻挡层的材料为掺碳氮化硅。
可选的，所述过渡层包括：
形成于所述衬底上的含碳的第一过渡层；
形成于所述第一过渡层上，且含碳量高于所述第一过渡层的第二过渡层。
可选的，所述第一过渡层和第二过渡层的材料均为含碳氧化硅。
可选的，所述第一介质层为多孔介质层。
可选的，所述互连结构还包括设于所述第一介质层上的第二介质层。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
在所述衬底上形成含碳的过渡层，然后采用含碳的反应气体在所述过渡层上沉积含碳量高于所述过渡层的粘附层，并使沉积的粘附层的含碳量从靠近衬底的部分至远离衬底的部分逐渐增大，然后在所述粘附层上形成含碳量高于所述粘附层的第一介质层，这样粘附层与过渡层的交界处的含碳量相对接近，这样粘附层与过渡层的粘附性较强；并且粘附层与第一介质层的含碳量也相对较为接近，粘附层第一介质层的粘附性也较强，这样第一介质层能够通过粘附层实现与过渡层之间较好的粘附性，进而不容易在第一介质层中产生裂纹，这样互连结构的性能不容易因层间介质层产生裂纹而受到影响。
附图说明
图1至图7是本发明互连结构的形成方法一实施例中各个步骤的示意图。
具体实施方式
在现有技术中，疏松多孔的介质层与衬底上的扩散阻挡层之间的粘附性不佳，进而导致形成的介质层在形成之后不能很好地附着在衬底上，这会导致介质层容易在后续的常见制造工艺中受到影响，例如，因平坦化工艺受到机械力的作用而产生裂纹(crack)等。
因此，本发明提供一种互连结构的形成方法，包括以下步骤：
提供衬底；在所述衬底上形成含碳的过渡层；采用含碳的反应气体在所述过渡层上形成粘附层，粘附层的含碳量高于所述过渡层的含碳量，且粘附层中的含碳量从靠近衬底部分至远离衬底部分的方向逐渐增大；在所述粘附层上形成第一介质层，所述第一介质层含碳量高于所述粘附层的含碳量。
本发明形成的粘附层与过渡层的交界处的含碳量较为接近，这样粘附层与过渡层之间的粘附性较强；同时，粘附层与第一介质层交界处的含碳量也较为接近，这样粘附层第一介质层之间的粘附性也较强。所以，第一介质层能够通过粘附层实现与过渡层之间较好的粘附性，进而不容易在第一介质层中产生裂纹，这样互连结构的性能不容易因层间介质层产生裂纹而受到影响。
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。
参考图1至图7是本发明互连结构的形成方法一实施例中各个步骤的示意图。
首先参考图1，提供衬底50。在本实施例中，所述衬底50中可以形成源极、漏极和栅极等晶体管部件，在这些晶体管部件上还可能形成有一些互连结构，本发明对此不作限定。
在本实施例中，在形成过渡层的步骤之前，本实施例还包括以下步骤：所述衬底50上形成扩散阻挡层(图中未示出)。所述扩散阻挡层的作用是防止后续形成的互连结构中的金属渗入衬底50。
在本实施例中，形成掺碳氮化硅(NitrogenDopedCarbide,NDC)材料的扩散阻挡层。
结合参考图2和图3，在所述衬底50上形成含碳的过渡层。由于本实施例中衬底50上形成有扩散阻挡层，所以所述过渡层形成于所述扩散阻挡层上。
所述含碳的过渡层用于增加衬底50与后续形成的第一介质层之间的粘附性，因为衬底50一般为半导体材料，含碳量较低，而第一介质层中的含碳量则较高，这会导致衬底50与第一介质层之间的粘附性不佳。在衬底50与第一介质层之间形成所述含碳的过渡层，可以在衬底50与第一介质层之间起到“过渡缓冲”的作用(因为含碳的过渡层的含碳量低于后续形成的第一介质层，且粘附层的含碳量高于所述含碳的过渡层，同时低于所述第一介质层)，进而增加后续形成的第一介质层与衬底50之间的粘附力。
具体的，在本实施例中，形成所述含碳的过渡层包括以下步骤：
在所述衬底50上形成含碳的第一过渡层100；
在所述第一过渡层100上形成含碳量高于第一过渡层100的第二过渡层110。
具体的，在本实施例中，可以形成碳氧化硅材料(且含碳量不同)的第一过渡层100以及第二过渡层110。
继续参考图4，采用含碳的反应气体在所述过渡层上沉积含碳量高于所述过渡层的粘附层130，并使沉积的粘附层130的含碳量从靠近衬底50的部分至远离衬底50的部分逐渐增大，也就是说，所述粘附层130中的含碳量在垂直与衬底50表面的方向上逐渐增大。
这样的好处在于，粘附层130与过渡层(在本实施例中，具体为形成在第一过渡层100上的第二过渡层110)的交界处的含碳量相对较为接近，这样粘附层130与过渡层的粘附性较强；同时，粘附层130与后续形成的第一介质层的含碳量也相对较为接近，这样粘附层130与后续形成的第一介质层的粘附性也较强，所以后续形成的第一介质层能够通过所述粘附层130与过渡层较好地粘附在一起，进而不容易在第一介质层中产生裂纹，这样互连结构的性能不容易因层间介质层产生裂纹而受到影响。
在本实施例中，形成粘附层130的步骤包括：采用二乙氧基甲基硅烷(C5H14O2Si，DEMS)气体和氧气作为反应气体沉积形成所述粘附层130。
二乙氧基甲基硅烷的分子结构如下：
二乙氧基甲基硅烷气体和氧气的反应式如下：
C5H14O2Si+O2→SiOCH+H2O+CxOy↑
采用二乙氧基甲基硅烷作为反应气体的好处在于：
首先，这种气体单个分子中含有5个碳原子，碳原子数相对较低，较低的碳原子数的反应气体这样有利于控制形成的粘附层130的含碳量，进而形成本发明中含碳量从靠近衬底50的部分至远离衬底50的部分的方向逐渐增大的粘附层130。
然后，在本实施例中，使二乙氧基甲基硅烷气体的进给量逐渐增加，同时使氧气的进给量逐渐减小，以使沉积的粘附层130的含碳量从靠近衬底50的部分至远离衬底50的部分逐渐增大，具体来说，参考上述反应式，由于二乙氧基甲基硅烷气体和氧气反应形成水和含碳气体(例如，二氧化碳或者一氧化碳)，在二乙氧基甲基硅烷气体和氧气反应以形成SiOCH的过程中，逐渐增加二乙氧基甲基硅烷气体的进给量(流量)，同时减少氧气的进给量(流量)，这样反应形成的碳氧气体逐渐减少，这样就有更多的碳留在生成的SiOCH中，也就是说，沉积形成的SiOCH中含碳量从靠近衬底50的部分到远离衬底50的部分逐渐增加。
结合参考图5的表格所示，其中x、y、z三个曲线分别表示不同二乙氧基甲基硅烷气体变化量时，互连结构中不同厚度(深度)的互连结构中硅、氢、碳、氮和氧浓度/原子变化曲线。
图5中点划线11中隔出的部分为本实施例中粘附层130所在的厚度部分。从图5中可以看出，随着厚度的减小，粘附层130中的含碳量逐渐升高，且升高的坡脚α的角度在60度以内(不大于60度)，这意味着采用甲基硅烷气体作为碳源气体沉积形成的粘附层130中，碳的浓度上升斜率相对较小，也就是说，碳的浓度变化比较“平缓”，这样有利于使粘附层130靠近衬底50的部分的含碳量尽量接近衬底50，同时，粘附层130远离衬底50的部分，也就是靠近后续形成的第一介质层的部分的含碳量能够尽量接近第一介质层150的含碳量，进而同时顾及到含碳量较低的衬底50以及含碳量较高第一介质层，进而将衬底50和后续形成的第一介质层150较好的粘附在一起，防止第一介质层150因粘附力不佳而产生裂纹。
与此同时，粘附层130自身的含碳量过渡也比较平缓，粘附层130中因含碳量差异造成的应力差等差别也不至于过大而导致粘附层130本身机械强度不够。
在本实施例中，使含碳的二乙氧基甲基硅烷气体进给量的变化率在50～1000mg/min/s(毫克/分/秒)的范围内，并使氧气进给量的变化率50～1000sccm/s的范围内，这样进一步有利于使沉积形成的粘附层130的含碳量能够平缓地过渡，同时含碳量又不至于变化过慢导致粘附层130靠近第一介质层150的部分与第一介质层150相差过大导致粘附层130本身与第一介质层150之间粘附力不佳(因为粘附层130的厚度在实际的生产制造过程中是实现确定好的)。
但是以上参数仅仅是本发明的一个实施例，在实际操作时，二乙氧基甲基硅烷气体以及氧气的进给量的变化率应当根据实际情况进行调整。
同时，使二乙氧基甲基硅烷气体的进给量在100～10000mg/min的范围内，氧气的进给量在50～10000mg/min的范围内，以保证二乙氧基甲基硅烷气体和氧气的进给不至于过多或者过少而妨碍沉积反应的正常进行。
但是，同样的，这些参数仅仅是本实施例的一个示例，本发明对此并不作限定。
结合参考图6，在形成所述粘附层130之后，在所述粘附层130上形成含碳量高于所述粘附层130的第一介质层150。
所述第一介质层150起电学绝缘隔离作用，在后续步骤中，在所述第一介质层150中可能形成有金属插塞或者金属线等导电结构。
正如前文所述，由于本发明在第一介质层150与衬底50之间形成有粘附层130，第一介质层150可以通过所述粘附层130实现与衬底50等其他含碳量较低的材料层(如本实施例中在衬底50上形成的掺碳氮化硅材料的扩散阻挡层)之间较好的粘附。
在本实施例中，形成包含若干孔隙，也就是为多孔介质层的第一介质层150，疏松多孔结构的第一介质层150由于含有较多的气隙，因而总体的介电常数较低，这样可以有效地改善互连结构中金属插塞等导电结构之间的寄生电容，进而改善互连结构中的传输延迟(RCDelay)及串音(CrossTalk)等问题。
在本实施例中，可以采用松油烯(alpha-terpinene，ATRP)气体作为形成所述第一介质层150的反应物。单个松油烯分子含有6个碳原子，相对于本实施例中形成粘附层130所采用的二乙氧基甲基硅烷气体来说，含有的碳原子、数更多，因而形成的SiOCH材料的第一介质层150中的含碳量也高于粘附层130。
如前文所述，在形成所述第一介质层150之后，本实施例中可能在所述述第一介质层150中形成诸如金属插塞、金属互连线等导电结构，但是这属于本领域常见步骤，本发明对此不作赘述，同时也不作任何限定。
在本实施例中，在形成所述第一介质层150的步骤之后，还包括以下步骤：
在所述第一介质层150上形成第二介质层160。与所述第一介质层150的作用相同，所述第二介质层160的同样作为起电学绝缘隔离作用，在后续步骤中，在所述第二介质层160中也可能形成有金属插塞或者金属线等导电结构。
在本实施例中，可以形成与所述第一介质层150类似的，也就是为多孔介质层的第二介质层160，其好处与所述第一介质层150类似，用于改善互连结构中的传输延迟(RCDelay)及串音(CrossTalk)等问题。
所述第二介质层160的材料可以与所述第一介质层150相同。但是本发明对此并不限定。
此外，本发明还提供一种互连结构，参考图7，在本实施例中，所述互连结构包括：
衬底50；在本实施例中，所述衬底50中可以形成源极、漏极和栅极等晶体管部件，在这些晶体管部件上还可能形成有一些互连结构，本发明对此不作限定。
在本实施例中，在所述衬底50上还形成有扩散阻挡层(图中未示出)。所述扩散阻挡层的作用是防止后续形成的互连结构中的金属渗入衬底50。具体的，所述扩散阻挡层的材料为掺碳氮化硅(NitrogenDopedCarbide,NDC)。
所述互连结构还包括位于所述衬底50上的含碳的过渡层；由于本实施例中衬底50上形成有扩散阻挡层，所以所述过渡层形成于所述扩散阻挡层上。
具体的，在本实施例中，所述过渡层包括：
形成于所述衬底50上的含碳的第一过渡层100；
形成于所述第一过渡层100上，且含碳量高于所述第一过渡层100的第二过渡层110。
具体的，在本实施例中，第一过渡层100以及第二过渡层110的材料均为含碳氧化硅(第一过渡层100的含碳氧化硅与第二过渡层110含碳氧化硅的含碳量不同)。
所述互连结构还包括位于所述衬底50上的粘附层130，所述粘附层130的含碳量高于所述过渡层的含碳量，且所述粘附层130的含碳量从靠近衬底50的部分至远离衬底50的部分的方向逐渐增大。
这样的好处在于，粘附层130与过渡层(在本实施例中，具体为形成在第一过渡层100上的第二过渡层110)的交界处的含碳量相对较为接近，这样粘附层与过渡层的粘附性较强；同时，粘附层130与后续形成的第一介质层150的含碳量也相对较为接近，这样粘附层130与后续形成的第一介质层150的粘附性也较强，所以后续形成的第一介质层150能够通过所述粘附层130与过渡层较好地粘附在一起，进而不容易在第一介质层150中产生裂纹，这样互连结构的性能不容易因层间介质层产生裂纹而受到影响。
所述互连结构还包括位于所述粘附层130上的第一介质层150，所述第一介质层150的含碳量高于所述粘附层130。所述第一介质层150起电学绝缘隔离作用，在后续步骤中，在所述第一介质层150中可能形成有金属插塞或者金属线等导电结构。
正如前文所述，由于本发明在第一介质层150与衬底50之间设有粘附层130，第一介质层150可以通过所述粘附层130实现与衬底50等其他含碳量较低的材料层(如本实施例中在衬底50上形成的掺碳氮化硅材料的扩散阻挡层)之间较好的粘附。
在本实施例中，所述第一介质层150包含若干孔隙，为多孔介质层，也就是说，所述第一介质层150为疏松多孔结构。由于第一介质层150由于含有较多的气隙，因而总体的介电常数较低，这样可以有效地改善互连结构中金属插塞等导电结构之间的寄生电容，进而改善互连结构中的传输延迟(RCDelay)及串音(CrossTalk)等问题。
在本实施例中，所述互连结构还包括设于所述第一介质层150上的第二介质层160。与所述第一介质层150的作用相同，所述第二介质层160的同样作为起电学绝缘隔离作用，在后续步骤中，在所述第二介质层160中也可能形成有金属插塞或者金属线等导电结构。
此外需要说明的是，本发明的互连结构可以但不限于采用上述的形成方法得到。
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。
Claims (20)
1.一种互连结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成含碳的过渡层；
采用含碳的反应气体在所述过渡层上形成粘附层，粘附层的含碳量高于所述过渡层的含碳量，且粘附层中的含碳量从靠近衬底部分至远离衬底部分的方向逐渐增大；
在所述粘附层上形成第一介质层，所述第一介质层的含碳量高于所述粘附层的含碳量。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，提供衬底的步骤之后，形成过渡层的步骤之前，所述形成方法还包括：
在所述衬底上形成扩散阻挡层，所述过渡层形成于所述扩散阻挡层上。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，扩散阻挡层的材料为掺碳氮化硅。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成过渡层的步骤包括：
在所述衬底上形成含碳的第一过渡层；
在所述第一过渡层上形成第二过渡层，所述第二过渡层的含碳量高于第一过渡层。
5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述第一过渡层和第二过渡层的材料为含碳氧化硅。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成粘附层的步骤包括：采用二乙氧基甲基硅烷气体和氧气作为反应气体，通过化学气相沉积的方式形成所述粘附层。
7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，形成粘附层的步骤中：二乙氧基甲基硅烷气体的进给量逐渐增加，同时使氧气的进给量逐渐减小，以使粘附层的含碳量从靠近衬底至远离衬底的方向逐渐增大。
8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，形成粘附层的步骤中，二乙氧基甲基硅烷气体进给量的变化率在50～1000mg/min/s的范围内，氧气进给量的变化率在50～1000sccm/s的范围内。
9.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于，形成粘附层的步骤中：二乙氧基甲基硅烷气体的进给量范围在100～10000mg/min的范围内，氧气的进给量范围在50～10000mg/min的范围内。
10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一介质层为多孔介质层。
11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，形成第一介质层的步骤包括，采用松油烯气体作为形成所述第一介质层的反应物。
12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成第一介质层的步骤之后，所述形成方法还包括：
在所述第一介质层上形成第二介质层，所述第二介质层的材料与所述第一介质层相同。
13.如权利要求12所述的形成方法，其特征在于，所述第二介质层为多孔介质层。
14.一种互连结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的含碳的过渡层；
设于所述过渡层上的粘附层，所述粘附层的含碳量高于所述过渡层的含碳量，且粘附层中的含碳量从靠近衬底部分至远离衬底部分的方向逐渐增大；位于所述粘附层上的第一介质层，所述第一介质层的含碳量高于所述粘附层。
15.如权利要求14所述的互连结构，其特征在于，所述互连结构还包括位于衬底上的扩散阻挡层，所述过渡层位于所述扩散阻挡层上。
16.如权利要求15所述的互连结构，其特征在于，所述扩散阻挡层的材料为掺碳氮化硅。
17.如权利要求14所述的互连结构，其特征在于，所述过渡层包括：
形成于所述衬底上的含碳的第一过渡层；
形成于所述第一过渡层上，且含碳量高于所述第一过渡层的第二过渡层。
18.如权利要求17所述的互连结构，其特征在于，所述第一过渡层和第二过渡层的材料均为含碳氧化硅。
19.如权利要求14所述的互连结构，其特征在于，所述第一介质层为多孔介质层。
20.如权利要求14所述的互连结构，其特征在于，所述互连结构还包括设于所述第一介质层上的第二介质层。
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