通孔材料選擇和處理的制作方法

本公開的諸方面涉及半導體器件，尤其涉及在集成電路內路由導電層，諸如中部制程層。

背景

半導體制造工藝通常被分為三個部分：前端制程（feol）、中部制程（mol）和后端制程（beol）。前端制程包括晶片制備、隔離、阱形成、柵極圖案化、間隔物和摻雜植入。中部制程包括柵極和端子觸點形成。后端制程包括形成互連和電介質層以用于耦合到feol器件。

可以用使用等離子體增強化學氣相沉積（pecvd）來沉積的層間電介質（ild）材料的鑲嵌工藝來制造這些互連。由于芯片設計的增加的密度，半導體電路的這些互連層已變得更小并且更加難以路由。由于用于連接各個互連層的一些材料具有較高的電阻，這會影響這些“通孔”或電路徑的定時和/或電阻性質。作為示例，鎢常常用于各層之間的通孔。通孔的深度與直徑的比率被稱為縱橫比。鎢常常在“單鑲嵌”（sd）工藝中被處理，以將鎢材料沉積或以其他方式耦合到通孔中。銅常常在“雙鑲嵌”（dd）工藝中被處理。

概述

一種半導體互連可包括在第一導電互連層與第一中部制程（mol）互連層之間的第一導電材料的第一通孔。所述第一mol互連層在第一級上。所述第一通孔是用單鑲嵌工藝來制造的。該半導體互連還包括在所述第一導電互連層與第二mol互連層之間的第二導電材料的第二通孔。所述第二mol互連層在第二級上。所述第二通孔是用雙鑲嵌工藝來制造的。所述第一導電材料不同于所述第二導電材料。

一種制造中部制程（mol）互連的方法可包括：制造第一導電材料的第一通孔。所述第一通孔耦合到第一級上的第一mol互連層。所述第一通孔是用單鑲嵌工藝來制造的。所述方法還包括：制造第二導電材料的第二通孔和第一導電互連層。所述第二通孔是用雙鑲嵌工藝來制造的。所述第一導電互連層耦合到所述第一通孔。所述第一導電材料不同于所述第二導電材料。所述第二通孔耦合到第二級上的第二mol互連層。

一種半導體互連可包括：用于在第一導電互連層與第一中部制程（mol）互連層之間傳導電流的裝置。所述第一mol互連層在第一級上。第一裝置是在單鑲嵌工藝中用第一導電材料來制造的。所述互連還包括：用于在所述第一導電互連層與至少第二mol互連層之間傳導電流的裝置。所述第二mol互連層在第二級上。第二裝置是在雙鑲嵌工藝中用第二導電材料來制造的。所述第一導電材料不同于所述第二導電材料。

這已較寬泛地勾勒出本公開的特征和技術優勢以便下面的詳細描述可以被更好地理解。本公開的附加特征和優點將在下文描述。本領域技術人員應該領會，本公開可容易地被用作修改或設計用于實施與本公開相同的目的的其他結構的基礎。本領域技術人員還應認識到，這樣的等效構造并不脫離所附權利要求中所闡述的本公開的教導。被認為是本公開的特性的新穎特征在其組織和操作方法兩方面連同進一步的目的和優點在結合附圖來考慮以下描述時將被更好地理解。然而，要清楚理解的是，提供每一幅附圖均僅用于解說和描述目的，且無意作為對本公開的限定的定義。

附圖簡述

為了更全面地理解本公開，現在結合附圖參閱以下描述。

圖1a-1e解說根據本公開的一方面的“單鑲嵌”（sd）工藝。

圖2a-2k解說根據本公開的一方面的“雙鑲嵌”（dd）工藝。

圖3解說在離半導體芯片的表面不同距離處的兩個互連層。

圖4是解說根據本公開的一方面的用于制造中部制程（mol）層的方法的工藝流程圖。

圖5是示出其中可有利地采用本公開的一方面的示例性無線通信系統的框圖。

圖6是解說用于半導體組件（諸如以上公開的器件）的電路、布局和邏輯設計的設計工作站的框圖。

詳細描述

以下結合附圖闡述的詳細描述旨在作為各種配置的描述，而無意表示可實踐本文中所描述的概念的僅有的配置。本詳細描述包括具體細節以便提供對各種概念的透徹理解。然而，對于本領域技術人員將顯而易見的是，沒有這些具體細節也可實踐這些概念。在一些實例中，以框圖形式示出眾所周知的結構和組件以避免湮沒此類概念。如本文所述的，術語“和/或”的使用旨在代表“可兼性或”，而術語“或”的使用旨在代表“排他性或”。

本公開的各個方面提供了用于在集成電路內路由導電層（諸如中部制程層）的技術。用于集成電路的半導體制造的工藝流程可包括前端制程（feol）工藝、中部制程（mol）工藝和后端制程（beol）工藝。將理解，術語“層”包括膜且不應被解讀為指示縱向或橫向厚度，除非另外聲明。如本文所述的，術語“半導體基板”可指代已切割晶片的基板或可指代尚未切割的晶片的基板。類似地，術語晶片和管芯可互換使用，除非這種互換將難以置信。

根據本公開的一個方面，描述了混合通孔結構和形成該混合通孔結構的工藝。在一個配置中，對于半導體器件的一些互連層，使用單鑲嵌工藝將第一材料耦合到第一互連層。對于其他互連層，雙鑲嵌工藝將第二材料耦合到第二互連層。第二材料還可耦合到第一材料。本公開的該方面可降低各互連中的一些互連的電阻并增加總體電路性能。導電層還可以是半導體器件中的第一導電層（例如，金屬1（m1））。

半導體器件中的導電層之間的連接（也被稱為“通孔”）用于在半導體芯片的器件或區域之間路由信號。常常使用鑲嵌工藝來創建這些路徑。圖1a-1e中示出了“單鑲嵌”（sd）工藝。

圖1a解說晶片100，晶片100具有基板102、蝕刻停止層104、電介質層106和光致抗蝕劑層108。晶片100可以是管芯、芯片或其他器件而不脫離本公開的范圍。電介質層106可以是氧化物（諸如氧化硅）或其他絕緣材料而不脫離本公開的范圍。

如圖1b中所示，光致抗蝕劑層108被選擇性地圖案化，并且在電介質層106中形成開口110、112和114。開口110-114的深度116基于電介質層106的厚度。開口110的寬度118可不同于開口114的寬度120。開口的寬度與深度的比率被稱為開口110-114的“縱橫比”。可使用濕法化學蝕刻、等離子體蝕刻、或其他電介質材料移除技術來蝕刻電介質層106。若期望，蝕刻停止層104也可被移除。

在圖1c中，導電層122被添加到管芯100。導電層122被沉積在開口110-114中以及電介質層106的被暴露部分上。如此，基板102通過開口110-114電氣地和/或機械地耦合到導電層122。可使用電沉積或電鍍工藝來沉積導電層，或者導電層可被噴濺或以其他方式耦合到管芯100，以使得基本上用導電層122材料來填充開口110-114。一旦導電層122被沉積，開口110-114就可被稱為“通孔”或“互連路徑”。

導電層122可包括阻擋層，以使開口110-122和電介質層106的表面對齊。阻擋層部分可以是鉭、氮化鉭、氮化鈦、鈦-鎢、或其他材料。導電層122的阻擋層部分減少了材料從導電層到電介質層106和/或基板102的擴散。導電層122還可包括晶種層，以輔助開口110-114內導電層122與基板102之間的機械和/或電耦合。

在圖1d中，導電層122的諸部分被移除，以使得導電層122和電介質層106變得平坦。該工藝可被稱為化學機械平坦化（cmp），盡管可使用其他技術來執行平坦化而不脫離本公開的范圍。圖1e解說管芯100上的封裝導電層122的另一電介質層124。

對于一些開口110-114，導電層122可以是鎢或鋁。對于其他開口110-114，其他材料（諸如銅）可能是更為期望的。銅具有低于鎢的電阻。然而，銅可能不適合于具有大于二的縱橫比（例如，寬度118是深度116的一半大）的通孔。當形成第一導電層（諸如“金屬1（m1）”層）時，某些縱橫比的銅通孔也可被應用或耦合到較低的互連層。

圖2a-2k解說雙鑲嵌工藝。可使用“雙鑲嵌”工藝將銅耦合到半導體芯片。

圖2a解說晶片200（其也可以是管芯或其他器件），晶片200包括基板102、蝕刻停止層104、電介質層106、硬掩模層202和光致抗蝕劑層108。以類似于圖1a-1e的方式，光致抗蝕劑層108被圖案化，如圖2b中所示。

圖2c解說光致抗蝕劑層108圖案至硬掩模層202的轉移。雙鑲嵌工藝的該部分在一些設計中可被稱為硬掩模蝕刻或溝槽蝕刻。

圖2d解說平坦化層204和第二光致抗蝕劑層206被應用于晶片200。在雙鑲嵌工藝中，平坦化層204被放置在溝槽蝕刻內，以保護硬掩模層202的經蝕刻部分。圖2e解說第二圖案被轉移至第二光致抗蝕劑層206，其可被稱為將通孔圖案化。圖2f解說穿過平坦化層204、硬掩模層202以及電介質層106的至少一部分對第二圖案（即，通孔圖案）的部分蝕刻。

圖2g解說從晶片200移除第二光致抗蝕劑層206和平坦化層204。圖2h解說對電介質層106的另一蝕刻，該蝕刻限定了電介質層106中的互連的溝槽部分。電介質層1106中的蝕刻的通孔部分還延伸穿過電介質層106至蝕刻停止層104。

圖2i解說通過對蝕刻停止層104的被暴露部分進行蝕刻來打開互連的通孔部分的底部。該蝕刻現在暴露基板102。圖2j解說導電層214在蝕刻停止層104、電介質層106和硬掩模層202中的經蝕刻的體積內的沉積。可類似于圖1a-1e中所描述的導電層122來處理導電層214。圖2j解說對導電層214和硬掩模層202的諸部分的移除。可通過化學機械平坦化（cmp）、蝕刻或其他工藝來執行該移除。

在圖2a-2k中，描述了針對雙鑲嵌工藝的“用硬掩模的先溝槽”（tfhm）辦法。盡管描述了tfhm工藝，但可使用其他雙鑲嵌工藝（諸如“先溝槽后通孔”或“先通孔后溝槽”工藝，或其他雙鑲嵌工藝）而不脫離本公開的范圍。

盡管圖1a-1f和2a-2f中所示的工藝解說了到達基板102的導電層，但在中部制程內或者從后端制程到中部制程互連層中可使用用鑲嵌工藝創建的導電層。

圖3解說根據本公開的一方面的層互連。器件300包括電介質層106，其中提供了第一mol互連層302和第二mol互連層304。為了接入第一mol互連層302，可使用單鑲嵌工藝（類似于圖1a-1f中所示的單鑲嵌工藝）。第一通孔320被打開，并用第一導電材料306來填充。第一導電材料306可以是能被沉積或以其他方式放置到具有大的縱橫比的通孔320（例如，通孔的深度大于通孔的寬度的兩倍）中的材料。

為了接入第二mol互連層304，可使用雙鑲嵌工藝（類似于圖2a-2j中所示的雙鑲嵌工藝）。此外，該工藝還可用于接入第一通孔320的第一導電材料306。電介質層308被圖案化并且用第二導電材料310來填充開口，以形成第二通孔330和第一導電互連層340（340-1、340-2）。第一導電互連層340-1通過第二通孔330接入第二mol互連層304。在該配置中，第二導電材料310的第一導電互連層340-2通過第一導電材料306的第一通孔330接入第一mol互連層302。第二導電材料310可以是與第一導電材料306不同的材料，這是因為電介質層308中的開口可具有與電介質層106的開口不同的縱橫比。此外，可基于材料性質（諸如導電性）或者與器件300內的其他層的期望交互/期望非交互來選擇第二導電材料310。

如圖3中所示，用于接入第一mol互連層302的雙鑲嵌工藝還充當用于接入第二mol互連層304的單鑲嵌工藝的一部分。如此，不同的材料可基于不同的變量來接入不同的互連層。通孔的縱橫比可指定對某些材料（例如，鎢）的使用。通過第一通孔320和第二通孔330的第一導電材料306和第二導電材料310接入的電路的定時可能是關鍵的。因此，可通過本公開的該方面來選擇第一通孔320和第二通孔330的大小、以及接入該特定的第一mol互連層302的第一和第二導電材料的材料特性。

如此，本公開的一個方面描述了混合通孔結構和形成該混合通孔結構的工藝。對于器件300上的一些互連層302，使用單鑲嵌工藝沉積第一導電材料306，以形成至第一mol互連層302的第一通孔320。對于第二mol互連層304，使用雙鑲嵌工藝來沉積第二導電材料310，以形成至第二mol互連層304的第二通孔340。第二導電材料310還可耦合到第一導電材料306。本公開的該方面可降低互連中的一些互連的電阻，這可增加總體電路性能。第一導電互連層340還可以是器件300中的第一導電層（例如，金屬1（m1））。

圖4是解說根據本公開的一方面的用于制造中部制程（mol）層的方法400的工藝流程圖。在框402中，在單鑲嵌工藝中制造第一材料的第一通孔，該第一通孔耦合到第一級上的第一mol互連層。例如，如圖3中所示，第一通孔320被打開，并用第一導電材料306來填充。

在框404中，用雙鑲嵌工藝來制造第二材料的第二通孔和第一導電層。例如，如圖3中所示，電介質層308被圖案化并且用第二導電材料310來填充開口，以形成至第二mol互連層304的第二通孔330。第一導電互連層340-2的第二導電材料310還通過第一導電材料306的第一通孔320接入第一mol互連層302。第一導電材料306可以不同于第二導電材料310。例如，第二導電材料310可以是與第一導電材料306不同的材料，這是因為電介質層308中的開口可具有與電介質層106的開口不同的縱橫比。在該示例中，第二導電材料310的第二通孔330將第一導電互連層340-1耦合到第二mol互連層304。

根據本公開的進一步方面，描述了一種半導體互連。該互連包括：用于在第一導電互連層與至少第一級上的第一中部制程（mol）互連層之間傳導電流的裝置，該裝置是在單鑲嵌工藝中用第一導電材料來制造的。第一裝置可以是圖3中所示的通孔320。該器件還包括：用于在第一導電互連層與至少第二級上的第二mol互連層之間傳導電流的裝置，該裝置是在雙鑲嵌工藝中用第二導電材料來制造的，第一導電材料不同于第二導電材料。第二裝置可以是圖3中所示的通孔330。在另一方面中，前述裝置可以是被配置成執行由前述裝置敘述的功能的任何模塊或任何設備。

圖5是示出其中可有利地采用本公開的一方面的示例性無線通信系統500的框圖。出于解說目的，圖5示出了三個遠程單元520、530和550以及兩個基站540。將認識到，無線通信系統可具有遠多于此的遠程單元和基站。遠程單元520、530和550包括ic設備525a、525c和525b，這些ic設備包括所公開的器件。將認識到，其他設備也可包括所公開的器件，諸如基站、交換設備、和網絡裝備。圖5示出了從基站540到遠程單元520、530和550的前向鏈路信號580，以及從遠程單元520、530和550到基站540的反向鏈路信號590。

在圖5中，遠程單元520被示為移動電話，遠程單元530被示為便攜式計算機，而遠程單元550被示為無線本地環路系統中的固定位置遠程單元。例如，這些遠程單元可以是移動電話、手持式個人通信系統（pcs）單元、便攜式數據單元（諸如個人數據助理）、啟用gps的設備、導航設備、機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、固定位置數據單元（諸如儀表讀數裝置）、或者存儲或取回數據或計算機指令的其他設備、或者其組合。盡管圖5解說了根據本公開的各方面的遠程單元，但本公開并不被限定于所解說的這些示例性單元。本公開的各方面可以合適地在包括所公開的器件的許多設備中使用。

圖6是解說用于半導體組件（諸如以上公開的器件）的電路、布局和邏輯設計的設計工作站的框圖。設計工作站600包括硬盤601，該硬盤601包含操作系統軟件、支持文件、以及設計軟件（諸如cadence或orcad）。設計工作站600還包括促成對電路610或半導體組件612（諸如根據本公開的一方面的器件）的設計的顯示器602。提供存儲介質604以用于有形地存儲電路610或半導體組件612的設計。電路610或半導體組件612的設計可以文件格式（諸如gdsii或gerber）被存儲在存儲介質604上。存儲介質604可以是cd-rom、dvd、硬盤、閃存、或者其他合適的設備。此外，設計工作站600包括用于從存儲介質604接受輸入或者將輸出寫到存儲介質604的驅動裝置603。

存儲介質604上記錄的數據可指定邏輯電路配置、用于光刻掩模的圖案數據、或者用于串寫工具（諸如電子束光刻）的掩模圖案數據。該數據可進一步包括與邏輯仿真相關聯的邏輯驗證數據，諸如時序圖或網電路。在存儲介質604上提供數據通過減少用于設計半導體晶片的工藝數目來促成電路610或半導體組件612的設計。

對于固件和/或軟件實現，這些方法體系可以用執行本文所描述功能的模塊（例如，規程、函數等等）來實現。有形地體現指令的機器可讀介質可被用來實現本文所述的方法體系。例如，軟件代碼可被存儲在存儲器中并由處理器單元來執行。存儲器可以在處理器單元內或在處理器單元外部實現。如本文所用的，術語“存儲器”是指長期、短期、易失性、非易失性類型存儲器、或其他存儲器，而并不限于特定類型的存儲器或存儲器數目、或記憶存儲在其上的介質的類型。

如果以固件和/或軟件實現，則功能可作為一條或多條指令或代碼存儲在計算機可讀介質上。示例包括編碼有數據結構的計算機可讀介質和編碼有計算機程序的計算機可讀介質。計算機可讀介質包括物理計算機存儲介質。存儲介質可以是能被計算機存取的可用介質。作為示例而非限定，此類計算機可讀介質可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或能被用來存儲指令或數據結構形式的期望程序代碼且能被計算機訪問的任何其他介質；如本文中所使用的盤（disk）和碟（disc）包括壓縮碟（cd）、激光碟、光碟、數字多用碟（dvd）、軟盤和藍光碟，其中盤常常磁性地再現數據，而碟用激光光學地再現數據。上述的組合應當也被包括在計算機可讀介質的范圍內。

除了存儲在計算機可讀介質上，指令和/或數據還可作為包括在通信裝置中的傳輸介質上的信號來提供。例如，通信裝置可包括具有指示指令和數據的信號的收發機。這些指令和數據被配置成使一個或多個處理器實現權利要求中敘述的功能。

盡管已詳細描述了本公開及其優勢，但是應當理解，可在本文中作出各種改變、替代和變更而不會脫離如由所附權利要求所定義的本公開的技術。例如，諸如“上方”和“下方”之類的關系術語是關于基板或電子器件使用的。當然，如果該基板或電子器件被顛倒，則上方變成下方，反之亦然。此外，如果是側面取向的，則上方和下方可指代基板或電子器件的側面。而且，本申請的范圍并非旨在被限定于說明書中所描述的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法和步驟的特定配置。如本領域的普通技術人員將容易從本公開領會到的，根據本公開，可以利用現存或今后開發的與本文所描述的相應配置執行基本相同的功能或實現基本相同結果的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在將這樣的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟包括在其范圍內。

技術人員將進一步領會，結合本文的公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、電路、和算法步驟可被實現為電子硬件、計算機軟件、或兩者的組合。為清楚地解說硬件與軟件的這一可互換性，各種解說性組件、塊、模塊、電路、以及步驟在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此類功能性是被實現為硬件還是軟件取決于具體應用和施加于整體系統的設計約束。技術人員可針對每種特定應用以不同方式來實現所描述的功能性，但此類實現決策不應被解讀為致使脫離本公開的范圍。

結合本文的公開所描述的各種解說性邏輯框、模塊、以及電路可用設計成執行本文中描述的功能的通用處理器、數字信號處理器（dsp）、專用集成電路（asic）、現場可編程門陣列（fpga）或其他可編程邏輯器件、分立的門或晶體管邏輯、分立的硬件組件、或其任何組合來實現或執行。通用處理器可以是微處理器，但在替換方案中，處理器可以是任何常規的處理器、控制器、微控制器、或狀態機。處理器還可被實現為計算設備的組合，例如dsp與微處理器的組合、多個微處理器、與dsp核心協同的一個或多個微處理器、或者任何其他此類配置。

結合本公開所描述的方法或算法的步驟可直接在硬件中、在由處理器執行的軟件模塊中、或在這兩者的組合中體現。軟件模塊可駐留在ram、閃存、rom、eprom、eeprom、寄存器、硬盤、可移動盤、cd-rom或本領域中所知的任何其他形式的存儲介質中。示例性存儲介質耦合到處理器以使得該處理器能從/向該存儲介質讀寫信息。在替換方案中，存儲介質可以被整合到處理器。處理器和存儲介質可駐留在asic中。asic可駐留在用戶終端中。在替換方案中，處理器和存儲介質可作為分立組件駐留在用戶終端中。

在一個或多個示例性設計中，所描述的功能可以在硬件、軟件、固件、或其任何組合中實現。如果在軟件中實現，則各功能可以作為一條或多條指令或代碼存儲在計算機可讀介質上或藉其進行傳送。計算機可讀介質包括計算機存儲介質和通信介質兩者，包括促成計算機程序從一地向另一地轉移的任何介質。存儲介質可以是可被通用或專用計算機訪問的任何可用介質。作為示例而非限定，這樣的計算機可讀介質可以包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其他光盤存儲、磁盤存儲或其他磁存儲設備、或能被用來攜帶或存儲指令或數據結構形式的指定程序代碼手段且能被通用或專用計算機、或者通用或專用處理器訪問的任何其他介質。任何連接也被正當地稱為計算機可讀介質。例如，如果軟件是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數字訂戶線（dsl）、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術從web網站、服務器、或其他遠程源傳送而來，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、dsl、或諸如紅外、無線電、以及微波之類的無線技術就被包括在介質的定義之中。如本文中所使用的盤（disk）和碟（disc）包括壓縮碟（cd）、激光碟、光碟、數字多用碟（dvd）、軟盤和藍光碟，其中盤（disk）往往以磁的方式再現數據而碟（disc）用激光以光學方式再現數據。上述的組合應當也被包括在計算機可讀介質的范圍內。

提供對本公開的先前描述是為使得本領域任何技術人員皆能夠制作或使用本公開。對本公開的各種修改對本領域技術人員而言將容易是顯而易見的，并且本文中所定義的普適原理可被應用到其他變型而不會脫離本公開的精神或范圍。因此，本公開并非旨在被限定于本文中所描述的示例和設計，而是應被授予與本文中所公開的原理和新穎性特征相一致的最廣范圍。