CN113939905A - 半导体结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体结构及其制备方法，半导体结构包括：基底，设置于基底上的第一金属层，第一金属层包括多个第一金属线，且多个第一金属线间隔排布，设置于基底上的中空介质层，中空介质层位于第一金属线之间，以及介质着陆层，介质着陆层设置于第一金属层与中空介质层之间以及部分基底与中空介质层之间。

Description

半导体结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体结构及其制备方法。

背景技术

在半导体工艺的后段制程(Back End Of Line，BEOL)中，通常会对上层金属线的沟槽进行过刻蚀(Over Etch)，以确保上层金属线与对应的下层金属线实现电连接。

但是，由于半导体工艺中的关键尺寸(Critical Dimension，CD)越来越小，金属线的尺寸以及同层中相邻金属线之间的距离也变得越来越小，在刻蚀上层金属线的沟槽的过程中，该沟槽与对应的下层金属线的位置容易产生偏差，这将会导致位于下层相邻金属线之间的空气隙(Air Gap)被破坏，从而影响半导体结构的可靠性。

技术问题

本发明提供了一种半导体结构及其制备方法，有效地解决了在刻蚀上层金属线的沟槽的过程中，当沟槽与对应的下层金属线的位置产生偏差时，会导致位于下层相邻金属线之间的空气隙被破坏，从而影响半导体结构的可靠性的问题。

技术解决方案

一方面，本发明提供了一种半导体结构，所述半导体结构包括：

基底；

第一金属层，设置于所述基底上，包括多个第一金属线，多个所述第一金属线间隔排布；

中空介质层，设置于所述基底上，且位于所述第一金属线之间；以及，

介质着陆层，设置于所述第一金属层与所述中空介质层之间以及部分所述基底与所述中空介质层之间。

进一步优选的，所述半导体结构还包括层间介质层，所述层间介质层覆盖所述第一金属层、所述中空介质层以及所述介质着陆层，且所述层间介质层与所述中空介质层的材料相同。

进一步优选的，所述层间介质层与所述介质着陆层的材料不同。

进一步优选的，所述介质着陆层包括第一介质着陆层以及第二介质着陆层，所述第二介质着陆层位于所述第一介质着陆层上方，在刻蚀所述层间介质层的环境下，所述层间介质层与所述第一介质着陆层具有第一刻蚀选择比，所述层间介质层与所述第二介质着陆层具有第二刻蚀选择比，所述第一刻蚀选择比小于所述第二刻蚀选择比。

进一步优选的，所述半导体结构还包括第二金属层，所述第二金属层包括多个第二金属通孔，多个所述第二金属通孔穿过所述层间介质层以及所述介质着陆层而与对应的所述第一金属线相连接。

进一步优选的，所述中空介质层具有第一台阶覆盖率，所述介质着陆层具有第二台阶覆盖率，所述第一台阶覆盖率小于所述第二台阶覆盖率。

进一步优选的，所述第一金属线具有与所述基底接触的第一端以及与所述介质着陆层接触的第二端，所述第一端具有第一横截面积，所述第二端具有第二横截面积，所述第一横截面积小于所述第二横截面积。

另一方面，本发明还提供了一种半导体结构的制备方法，所述制备方法包括：

提供基底；

在所述基底上形成第一金属层，所述第一金属层包括多个第一金属线，多个所述第一金属线间隔排布；

在所述第一金属层以及部分所述基底上形成介质着陆层；

在所述介质着陆层上形成中空介质层，且所述中空介质层位于所述第一金属线之间。

进一步优选的，于所述在所述介质着陆层上形成中空介质层，且所述中空介质层位于所述第一金属线之间的步骤之后，还包括：

在所述中空介质层以及部分所述介质着陆层上形成层间介质层；

其中，所述层间介质层与所述中空介质层的材料相同，所述中空介质层具有第一台阶覆盖率，所述介质着陆层具有第二台阶覆盖率，所述第一台阶覆盖率小于所述第二台阶覆盖率。

进一步优选的，所述介质着陆层包括第一介质着陆层以及第二介质着陆层，所述在所述第一金属层以及部分所述基底上形成介质着陆层的步骤，具体包括：

在所述第一金属层以及部分所述基底上依次形成第一介质着陆层以及第二介质着陆层；

其中，在刻蚀所述层间介质层的环境下，所述层间介质层与所述第一介质着陆层具有第一刻蚀选择比，所述层间介质层与所述第二介质着陆层具有第二刻蚀选择比，所述第一刻蚀选择比小于所述第二刻蚀选择比。

进一步优选的，于所述在所述中空介质层以及部分所述介质着陆层上形成层间介质层的步骤之后，还包括：

刻蚀所述层间介质层以及所述介质着陆层，形成多个沟槽，所述多个沟槽暴露部分所述第一金属层；

在所述多个沟槽内沉积金属材料，形成包括多个第二金属通孔的第二金属层。

有益效果

本发明提供了一种半导体结构，包括：基底，设置于基底上的第一金属层，第一金属层包括多个第一金属线，且多个第一金属线间隔排布，设置于基底上的中空介质层，中空介质层位于第一金属线之间，以及介质着陆层，介质着陆层设置于第一金属层与中空介质层之间以及部分基底与中空介质层之间，本发明提供的半导体结构，通过在第一金属层与中空介质层之间设置介质着陆层，从而对位于第一金属层的第一金属线之间的空中介质层进行了有效保护，提高了半导体结构的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对根据本发明而成的各实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明而成的第一实施例所提供的半导体结构的剖面结构示意图。

图2是根据本发明而成的第一实施例所提供的半导体结构的制备方法的流程示意图。

图3a至图3d是根据本发明而成的第一实施例所提供的半导体结构的制备方法的工艺流程示意图。

图4是根据本发明而成的第二实施例所提供的半导体结构的剖面结构示意图。

图5是根据本发明而成的第二实施例所提供的半导体结构的制备方法的流程示意图。

图6a至图6e是根据本发明而成的第二实施例所提供的半导体结构的制备方法的工艺流程示意图。

本发明的实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本发明针对现有的半导体工艺，在刻蚀上层金属线的沟槽的过程中，当沟槽与对应的下层金属线的位置产生偏差时，会导致位于下层相邻金属线之间的空气隙被破坏，从而影响半导体结构的可靠性的问题，根据本发明而成的实施例用以解决该问题。

请参阅图1，图1示出了根据本发明而成的第一实施例所提供的半导体结构100的结构示意图，从图中可以很直观的看到根据本发明而成的第一实施例的各组成部分，以及各组成部分的相对位置关系。

如图1所示，该半导体结构100包括基底110、第一金属层120、中空介质层130以及介质着陆层140。

基底110包括：衬底111和位于衬底111上的介质层112。衬底111的材料可以为单晶硅(Si)、单晶锗(Ge)、或硅锗(GeSi)、碳化硅(SiC)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，绝缘体上锗(GOI)，或者还可以为其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物等。

第一金属层120设置于基底110上，包括多个第一金属线121，且多个第一金属线121间隔排布。第一金属线121的示例性材料为钨(W)。

中空介质层130设置于基底110上，且位于相邻的第一金属线121之间。需要说明的是，中空介质层130也可被称作为空气隙(Air Gap)，由于空气的介电常数远远低于氧化物的介电常数，通常用形成中空介质层130代替在第一金属线121之间填满氧化物，从而可以改善金属线之间的RC延迟(R：电阻；C：电容)。

介质着陆层140设置于第一金属层120与中空介质层130之间以及部分基底110与中空介质层130之间。需要说明的是，介质着陆层140用以作为相邻第一金属线121之间的中空介质层130的保护层，当刻蚀位于第一金属层120上方的金属过孔沟槽时产生了对准偏差，而使第一金属线121对应的金属过孔沟槽只有一部分落在第一金属线121上方，例如图1中所示出的第二金属通孔161’，本实施例所提供的半导体结构100可以保证第二金属通孔161’的另一部分落在位于相邻第一金属线121之间的介质着陆层140上，而不破坏位于相邻第一金属线121之间的中空介质层130，从而保证了半导体结构100的可靠性。

需要说明的是，在本实施例中，中空介质层130具有第一台阶覆盖率，介质着陆层140具有第二台阶覆盖率，其中，第一台阶覆盖率小于第二台阶覆盖率。也就是说，由于介质着陆层140具有更好的台阶覆盖率，所以，介质着陆层140更容易沉积在第一金属线121的上方以及侧边，从而有利于实现对中空介质层130的保护；而由于中空介质层130具有较差的台阶覆盖率，这将使得中空介质层130的材料不易沉积在相邻第一金属线121之间，从而有利于形成该中空介质层130的中空结构(也即，空气隙)。

进一步地，在根据本发明而成的一可能的变形例中，第一金属线具有与基底接触的第一端以及与介质着陆层接触的第二端，第一端具有第一横截面积，第二端具有第二横截面积，其中，第一横截面积小于第二横截面积。也就是说，在该变形例中，第一金属线具有上宽下窄的结构，这样的结构可以使得在形成中空介质层130时，中空介质层130的材料不易流入相邻第一金属线121之间，从而有利于形成该中空介质层130的中空结构(也即，空气隙)。

进一步地，请继续参阅图1，在本实施例中，半导体结构100还包括层间介质层150以及第二金属层160。

层间介质层150覆盖第一金属层120、中空介质层130以及介质着陆层140，且在本实施例中，层间介质层150与中空介质层130的材料相同。需要说明的是，在由本发明而成的其他变形例中，层间介质层可以选用其他台阶覆盖率更好的材料。

第二金属层160包括多个第二金属通孔161，多个第二金属通孔161穿过层间介质层150以及介质着陆层140而与对应的第一金属线121相连接。

需要说明的是，在本实施例中，层间介质层150与介质着陆层140的材料不同，因此，在同一刻蚀条件下，对层间介质层150进行刻蚀的速度要快于对介质着陆层140进行刻蚀的速度，也即，此时层间介质层150与介质着陆层140的刻蚀选择比大于1。举例来说，在根据本发明而成的一可能的变形例中，第一金属线为上文所述的上宽下窄的结构(也即，第一金属线为倒梯形，此时，相邻第一金属线之间的中空介质层为上窄下宽的正梯形)，当为了保证第二金属通孔与对应的第一金属线相连接而对第二金属通孔的沟槽进行过刻蚀、且第二金属通孔与对应的第一金属线的对准出现偏差时，由于此时处于刻蚀层间介质层的环境下，所以，在刻蚀溶液刻蚀至介质着陆层时，刻蚀速度会减慢，使得第二金属通孔的沟槽不会过多地陷入介质着陆层，且由于第一金属线的倒梯形结构，使得第二金属通孔的沟槽不会产生接触到第一金属线之间的中空介质层的可能性，从而达到对中空介质层进行保护的目的。

具体的，介质着陆层140的材料包括但不限于氮化硅(SiN)、碳氮化硅(SiCN)、硅(Si)，以及其他含碳的物质。

请参阅图2以及图3a至图3d，图2是根据本发明而成的第一实施例所提供的半导体结构100的制备方法的流程示意图，图3a至图3d是根据本发明而成的第一实施例所提供的半导体结构100的制备方法的工艺流程示意图，如图2所示，该半导体结构100的制备方法包括：

基底提供步骤S101：提供基底110；

第一金属层形成步骤S102：在基底110上形成第一金属层120，第一金属层120包括多个第一金属线121，多个第一金属线121间隔排布；

介质着陆层形成步骤S103：在第一金属层120以及部分基底110上形成介质着陆层140；

中空介质层形成步骤S104：在介质着陆层140上形成中空介质层130，且中空介质层130位于第一金属线121之间；

层间介质层形成步骤S105：在中空介质层130以及部分介质着陆层140上形成层间介质层150；

沟槽刻蚀步骤S106：刻蚀层间介质层150以及介质着陆层140，形成多个沟槽，多个沟槽暴露部分第一金属层120；

第二金属层形成步骤S107：在多个沟槽内沉积金属材料，形成包括多个第二金属通孔161的第二金属层160。

本发明提供了一种半导体结构100，包括：基底110，设置于基底110上的第一金属层120，第一金属层120包括多个第一金属线121，且多个第一金属线121间隔排布，设置于基底110上的中空介质层130，中空介质层130位于第一金属线121之间，以及介质着陆层140，介质着陆层140设置于第一金属层120与中空介质层130之间以及部分基底110与中空介质层130之间，本发明提供的半导体结构100，通过在第一金属层120与中空介质层130之间设置介质着陆层140，从而对位于第一金属层120的第一金属线121之间的中空介质层130进行了有效保护，提高了半导体结构100的可靠性。

请参阅图4，图4示出了根据本发明而成的第二实施例所提供的半导体结构200的结构示意图，从图中可以很直观的看到根据本发明而成的第二实施例的各组成部分，以及各组成部分的相对位置关系。

如图4所示，该第二实施例与第一实施例的结构大致相同，其中，第二实施例中的基底210(包括衬底211和介质层212)与第一实施例中的基底110(包括衬底111和介质层112)的作用以及设置位置相同；第二实施例中的第一金属层220(包括多个第一金属线221)与第一实施例中的第一金属层120(包括多个第一金属线121)的作用以及设置位置相同；第二实施例中的中空介质层230与第一实施例中的中空介质层130的作用以及设置位置相同；第二实施例中的介质着陆层240与第一实施例中的介质着陆层140的作用相同；第二实施例中的层间介质层250与第一实施例中的层间介质层150的作用以及设置位置相同；第二实施例中的第二金属层260与第一实施例中的第二金属层160的作用以及设置位置相同。

其不同之处在于，在本实施例中，介质着陆层240包括第一介质着陆层241以及第二介质着陆层242，第二介质着陆层242位于第一介质着陆层241上方，在刻蚀层间介质层250的环境下，层间介质层250与第一介质着陆层241具有第一刻蚀选择比，层间介质层250与第二介质着陆层242具有第二刻蚀选择比，其中，第一刻蚀选择比小于第二刻蚀选择比。也就是说，在同一刻蚀条件下，对层间介质层150进行刻蚀的速度要快于对第一介质着陆层241进行刻蚀的速度，对第一介质着陆层241进行刻蚀的速度要快于对第二介质着陆层242进行刻蚀的速度。

容易理解的是，由于在本实施例中，介质着陆层240是多层结构，可以更加有效地对中空介质层230进行保护。进一步地，举例来说，在根据本发明而成的一可能的变形例中，第一金属线为上文所述的上宽下窄的结构(也即，第一金属线为倒梯形，此时，相邻第一金属线之间的中空介质层为上窄下宽的正梯形)，当为了保证第二金属通孔与对应的第一金属线相连接而对第二金属通孔的沟槽进行过刻蚀、且第二金属通孔与对应的第一金属线的对准出现偏差时，由于此时处于刻蚀层间介质层的环境下，所以，在刻蚀溶液刻蚀至介质着陆层时，刻蚀速度会减慢，使得第二金属通孔的沟槽不会过多地陷入介质着陆层，且由于第一金属线的倒梯形结构，使得第二金属通孔的沟槽不会产生接触到第一金属线之间的中空介质层的可能性，从而达到对中空介质层进行保护的目的。且在本实施例中，第二金属通孔的沟槽刻蚀的速度是在逐步减小，不会发生刻蚀速度突变，并且，第二金属通孔的沟槽刻蚀的速度可以更大程度地减小。

请参阅图5以及图6a至图6e，图5是根据本发明而成的第二实施例所提供的半导体结构200的制备方法的流程示意图，图6a至图6e是根据本发明而成的第二实施例所提供的半导体结构200的制备方法的工艺流程示意图，如图5所示，该半导体结构200的制备方法包括：

基底提供步骤S201：提供基底210；

第一金属层形成步骤S202：在基底210上形成第一金属层220，第一金属层220包括多个第一金属线221，多个第一金属线221间隔排布；

介质着陆层形成步骤S203：在第一金属层220以及部分基底210上依次形成第一介质着陆层241以及第二介质着陆层242；

中空介质层形成步骤S204：在第二介质着陆层242上形成中空介质层230，且中空介质层230位于第一金属线221之间；

层间介质层形成步骤S205：在中空介质层230以及部分介质着陆层240上形成层间介质层250；

沟槽刻蚀步骤S206：刻蚀层间介质层250以及介质着陆层240，形成多个沟槽，多个沟槽暴露部分第一金属层220；

第二金属层形成步骤S207：在多个沟槽内沉积金属材料，形成包括多个第二金属通孔261的第二金属层260。

本发明提供了一种半导体结构200，包括：基底210，设置于基底210上的第一金属层220，第一金属层220包括多个第一金属线221，且多个第一金属线221间隔排布，设置于基底210上的中空介质层230，中空介质层230位于第一金属线221之间，以及介质着陆层240，介质着陆层240设置于第一金属层220与中空介质层230之间以及部分基底210与中空介质层230之间，并且，介质着陆层240包括材料不同的第一介质着陆层241以及第二介质着陆层242，本发明提供的半导体结构200，通过在第一金属层220与中空介质层230之间设置介质着陆层240，从而对位于第一金属层220的第一金属线221之间的中空介质层230进行了有效保护，提高了半导体结构200的可靠性。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

综上所述，虽然本发明已将优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种半导体结构，其中，所述半导体结构包括：

基底；

第一金属层，设置于所述基底上，包括多个第一金属线，多个所述第一金属线间隔排布；

中空介质层，设置于所述基底上，且位于所述第一金属线之间；以及，

介质着陆层，设置于所述第一金属层与所述中空介质层之间以及部分所述基底与所述中空介质层之间。

2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述半导体结构还包括层间介质层，所述层间介质层覆盖所述第一金属层、所述中空介质层以及所述介质着陆层，且所述层间介质层与所述中空介质层的材料相同。

3.根据权利要求2所述的半导体结构，其中，所述层间介质层与所述介质着陆层的材料不同。

4.根据权利要求2所述的半导体结构，其中，所述介质着陆层包括第一介质着陆层以及第二介质着陆层，所述第二介质着陆层位于所述第一介质着陆层上方，在刻蚀所述层间介质层的环境下，所述层间介质层与所述第一介质着陆层具有第一刻蚀选择比，所述层间介质层与所述第二介质着陆层具有第二刻蚀选择比，所述第一刻蚀选择比小于所述第二刻蚀选择比。

5.根据权利要求2所述的半导体结构，其中，所述半导体结构还包括第二金属层，所述第二金属层包括多个第二金属通孔，多个所述第二金属通孔穿过所述层间介质层以及所述介质着陆层而与对应的所述第一金属线相连接。

6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述中空介质层具有第一台阶覆盖率，所述介质着陆层具有第二台阶覆盖率，所述第一台阶覆盖率小于所述第二台阶覆盖率。

7.根据权利要求1所述的半导体结构，其中，所述第一金属线具有与所述基底接触的第一端以及与所述介质着陆层接触的第二端，所述第一端具有第一横截面积，所述第二端具有第二横截面积，所述第一横截面积小于所述第二横截面积。

8.一种半导体结构的制备方法，其中，所述制备方法包括：

提供基底；

在所述基底上形成第一金属层，所述第一金属层包括多个第一金属线，多个所述第一金属线间隔排布；

在所述第一金属层以及部分所述基底上形成介质着陆层；

在所述介质着陆层上形成中空介质层，且所述中空介质层位于所述第一金属线之间。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，于所述在所述介质着陆层上形成中空介质层，且所述中空介质层位于所述第一金属线之间的步骤之后，还包括：

在所述中空介质层以及部分所述介质着陆层上形成层间介质层；

其中，所述层间介质层与所述中空介质层的材料相同，所述中空介质层具有第一台阶覆盖率，所述介质着陆层具有第二台阶覆盖率，所述第一台阶覆盖率小于所述第二台阶覆盖率。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述介质着陆层包括第一介质着陆层以及第二介质着陆层，所述在所述第一金属层以及部分所述基底上形成介质着陆层的步骤，具体包括：

在所述第一金属层以及部分所述基底上依次形成第一介质着陆层以及第二介质着陆层；

其中，在刻蚀所述层间介质层的环境下，所述层间介质层与所述第一介质着陆层具有第一刻蚀选择比，所述层间介质层与所述第二介质着陆层具有第二刻蚀选择比，所述第一刻蚀选择比小于所述第二刻蚀选择比。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其中，于所述在所述中空介质层以及部分所述介质着陆层上形成层间介质层的步骤之后，还包括：

刻蚀所述层间介质层以及所述介质着陆层，形成多个沟槽，所述多个沟槽暴露部分所述第一金属层；

在所述多个沟槽内沉积金属材料，形成包括多个第二金属通孔的第二金属层。

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