互連結構的形成方法
【技術領域】
[0001]本發明總的來說涉及制造半導體設備的領域，更具體地說，涉及一種在半導體器件中形成互連結構的方法。
【背景技術】
[0002]半導體器件通常是由半導體材料，例如硅片，經過一系列工藝加工制作而成。硅片可能經過，例如掩模、刻蝕、沉積等工藝以形成半導體器件的電路。隨著半導體器件的集成度不斷提高，金屬互連結構快速發展并應用在半導體器件中。多次掩模和刻蝕工藝能夠在硅片上的介質層中形成凹槽區。然后，進行沉積工藝，在介質層的凹槽區和非凹槽區沉積金屬層。沉積在介質層的非凹槽區上的金屬層需要去除以隔離凹槽區的圖形并形成互連結構。為了防止金屬層擴散或侵入到介質層內，通常會在介質層上沉積金屬層之前，先在介質層上沉積阻擋層，然后金屬層沉積在阻擋層上。
[0003]去除介質層的非凹槽區上的金屬層和阻擋層的常規方法，包括例如化學機械拋光(CMP)。CMP方法廣泛應用在半導體工業中以拋光和平坦化介質層的非凹槽區上的金屬層，以形成互連結構。在CMP工藝中，硅片放在位于拋光盤上的拋光墊上，然后向硅片施加壓力使娃片壓向拋光墊，娃片和拋光墊彼此相對運動，同時施加壓力拋光和平坦化娃片表面。在拋光過程中，將拋光液分配到拋光墊上，以利于拋光。CMP方法雖然能夠實現硅片表面全局平坦化，但是，由于CMP存在較強的機械力，CMP方法對半導體結構具有有害的影響，尤其是當半導體結構的特征尺寸變的越來越小，銅和低k/超低k介質層用于半導體結構時，較強的機械力可能在半導體結構上引起與應力相關的缺陷。
[0004]去除介質層的非凹槽區上的金屬層的另一種方法是電化學拋光工藝。電化學拋光工藝去除金屬層具有很高的均勻性，同時對阻擋層的選擇比也很高，電化學拋光工藝是一種無應力拋光工藝。然而，在電化學拋光工藝中，為了保證介質層的非凹槽區上的金屬層全部去除，通常會有一個過度拋光過程。過度拋光之后，發現一些區域，比如，場區(fieldarea)、相鄰兩金屬線之間比較寬廣的區域或者孤立的金屬線的兩邊區域，在過度拋光階段，這些區域非凹槽區上的金屬層全部去除，使得阻擋層裸露出來，電流通過阻擋層傳導，導致在這些區域，阻擋層的上表面被氧化形成一層氧化物薄膜。換言之，在那些金屬互連線密度較低的區域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度會比在金屬互連線密度較高的區域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度厚，這是因為金屬互連線，比如銅線，的電阻要比阻擋層的電阻小很多，在銅線密度較高的區域電流更多地從銅線傳導。形成在阻擋層表面的氧化物薄膜會阻礙阻擋層的去除，如果阻擋層不能被均勻地去除，就會導致半導體器件的失效。
【發明內容】
[0005]因此，本發明的目的在于提出一種互連結構的形成方法，包括下述步驟:提供具有介質層的硅片；在介質層上形成第一凹槽區和非凹槽區，第一凹槽區用于形成互連結構；在介質層上形成第二凹槽區，第二凹槽區用于形成虛擬結構；沉積阻擋層以覆蓋第一和第二凹槽區、以及非凹槽區；沉積金屬層，金屬層填滿第一和第二凹槽區并覆蓋非凹槽區上；將非凹槽區上的金屬層去除以暴露阻擋層；將非凹槽區上的阻擋層去除以暴露介質層。
[0006]綜上所述，由于存在虛擬結構，當非凹槽區上的金屬層被拋光時，由于金屬層的導電性比阻擋層導電性高，電流將更多的從虛擬結構傳導，阻擋層的表面不會被氧化。非凹槽區上的阻擋層能夠容易地、均勻地、完全地被去除，以確保具有互連結構的半導體器件的質量。
【附圖說明】
[0007]為詳細說明本發明的技術內容、所達成目的及效果，下面將結合實施例并配合圖式予以詳細說明，其中:
[0008]圖1揭示了一實施例的大馬士革工藝的流程圖。
[0009]圖2揭示了一實施例的大馬士革工藝的剖面結構示意圖。
[0010]圖3揭示了另一實施例的大馬士革工藝的流程圖。
[0011]圖4揭示了在硅片上的場區形成虛擬結構的頂視圖，其中，非凹槽區上的阻擋層未去除。
[0012]圖4 (a)是圖4沿A-A線的剖視圖。
[0013]圖4 (b)是圖4沿B-B線的剖視圖。
[0014]圖5揭示了在硅片上的場區形成虛擬結構的頂視圖，其中，非凹槽區上的阻擋層已去除。
[0015]圖5 (a)是圖5沿A-A線的剖視圖。
[0016]圖5 (b)是圖5沿B-B線的剖視圖。
[0017]圖6揭示了在硅片上相鄰兩金屬線之間的寬廣區域形成虛擬結構的頂視圖，其中，非凹槽區上的阻擋層已去除。
[0018]圖7揭示了在硅片上孤立的金屬線的兩邊區域形成虛擬結構的頂視圖，其中，非凹槽區上的阻擋層已去除。
[0019]圖8(a)至圖8(i)列舉了虛擬結構的各種形狀示意圖。
[0020]圖9(a)揭示了未設置虛擬結構的硅片在去除阻擋層后的掃描電子顯微鏡(SEM)的頂視圖。
[0021]圖9(b)揭示了形成有虛擬結構的硅片在去除阻擋層后的掃描電子顯微鏡(SEM)的頂視圖。
【具體實施方式】
[0022]參考圖1和圖2所示，揭示了在半導體器件中形成互連結構的一實施例的大馬士革工藝。在步驟110中，提供一硅片201或其他類似基板，硅片201具有金屬層間介質層(IMD介質層)202。IMD介質層202的材料可以是二氧化硅或者類似于二氧化硅的材料，或者其他比二氧化硅的介電常數還要低的介質材料以降低互連結構之間的寄生電容。在步驟120中，第一凹槽區，例如，溝槽或通孔等，形成于頂D介質層202上以構成互連結構。在步驟130中，在頂D介質層202上沉積阻擋層203。可以采用，例如，化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)或原子層沉積(ALD)等方法在頂D介質層202上沉積阻擋層203。阻擋層203覆蓋ηω介質層202的凹槽區和非凹槽區。考慮到ηω介質層202也可以具有孔狀結構，因此，阻擋層203可以由能夠阻止后續工藝中沉積的金屬層204擴散到頂D介質層202內的材料構成，阻擋層203對頂D介質層202和金屬層204具有很好的粘附性。通常，阻擋層203可以由以下材料構成，比如，鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、鎢、氮化鎢、氮化硅鉭(TaSiN)以及氮化硅鎢(WSiN)等。
[0023]在步驟140中，在阻擋層203上沉積金屬層204。可以采用，例如，物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或電鍍等方法。進一步地，一些實際情形中，在沉積金屬層204之前，可以先在阻擋層203上沉積種子層。種子層的材料與金屬層204一致，其目的在于便于金屬層204沉積并粘附在阻擋層203上。金屬層204填滿第一凹槽區并覆蓋在MD介質層202的非凹槽區上。另外，金屬層204可以由各種導電材料構成，例如，銅、鋁、鎳、鋅、銀、金、錫、鉻、超導材料等。較佳地，金屬層204可以包括銅。進一步地，金屬層204應當被認為包括任何不同電導率的金屬所組成的合金，或者超導材料的合成物。
[0024]在步驟150中，金屬層204被沉積之后，將Hffi介質層202的非凹槽區上的金屬層204去除。可以采用，如電拋光或相類似的方法將MD介質層202的非凹槽區上的金屬層204去除。應當理解的是，拋光非凹槽區上的金屬層204包括了將金屬層204從沉積在Hffi介質層202上的阻擋層203的非凹槽區上去除。關于電拋光的詳細描述，可以參見美國專利申請號09/497，894，該專利所揭示的電拋光工藝適用于此。
[0025]接下來，在步驟160中，金屬層204由非凹槽區上被去除之后，將Hffi介質層202的非凹槽區上的阻擋層203去除。可以采用，例如濕法刻蝕、干法化學刻蝕、干法等離子刻蝕等將Hffi介質層202的非凹槽區上的阻擋層203去除。較佳地，使用XeF2氣相刻蝕的方法去除ηω介質層202的非凹槽區上的阻擋層203。如圖2所示，為了將ηω介質層202的非凹槽區上的金屬層204全部去除，在去除ηω介質層202的非凹槽區上的金屬層204時，實施過度拋光。過度拋光之后，MD介質層202的非凹槽區上的金屬層204全部去除，頂D介質層202的非凹槽區上的阻擋層203暴露出來。電流通過阻擋層203傳導，導致位于頂D介質層202的非凹槽區上的一些區域，例如，場區(field area)、相鄰兩金屬線之間的寬廣區域以及孤立的金屬線的兩邊區域，等位置處的阻擋層203被氧化，從而在阻擋層203的表面形成一層氧化物薄膜205。要想去除阻擋層203，需要先將阻擋層203表面的氧化物薄膜205去除。此外，氧化物薄膜205的厚度與互連結構的密度有關。也就是說，在金屬互連線密度較低的區域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度比在金屬互連線密度較高的區域的阻擋層表面形成的氧化物薄膜的厚度厚，這是因為金屬層204，比如銅層，的電阻要比阻擋層203的電阻小很多，在銅線密度較高的區域電流更多地從銅線傳導。氧化物薄膜205會阻擋層去除步驟中阻礙阻擋層203的去除，如果阻擋層203不能被均勻地去除，就會導致半導體器件的失效。
[0026]為了解決上述技術問題，參考圖3至圖5(b)所示，揭示了另一實施例的大馬士革工藝以在半導體器件中形成互連結構。與前述的實施例所揭示的大馬士革工藝相比，本實施例的大馬士革工藝在介質層的場區(field area)形成虛擬結構200，以避免實施過度拋光金屬層204時在阻擋層203表面產生氧化物薄膜205。該實施例中的大馬士革工藝與前述的實施例中所揭示的大馬士革工藝在許多方面是相似的，除了位于場區的虛擬結構200。后續將對該實施例中的