互連結(jié)構(gòu)及其形成方法
【專利摘要】一種互連結(jié)構(gòu)及其形成方法，其中互連結(jié)構(gòu)包括：基底，所述基底中形成有通孔；所述通孔內(nèi)形成有Cu插塞，所述Cu插塞在所述通孔開口邊緣形成了凹陷；第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷，所述第二擴散阻擋層覆蓋所述基底、Cu插塞和第一擴散阻擋層；位于所述第二擴散阻擋層上的互連線。本發(fā)明提供的互連結(jié)構(gòu)可以防止Cu插塞中的Cu擴散進入互連線中。
【專利說明】互連結(jié)構(gòu)及其形成方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體領域，特別設計到一種互連結(jié)構(gòu)及其形成方法。

【背景技術】
[0002] 隨著集成電路的集成度的不斷提高，單位芯片區(qū)上的半導體元件數(shù)量不斷增加。 使用立體（3D)集成電路及芯片堆疊（stackedchips)已成為趨勢。立體集成電路中普遍應 用到娃穿通孔（ThroughSiliconVia),以連接芯片正面和背面的集成電路，此外，娃穿通 孔也用于提供較短的接地路徑以連接集成電路的接地端至芯片的背面。
[0003] 硅穿通孔一般具有較大的深寬比，因此填充性能好，且電導率高的Cu成了填充硅 穿通孔的優(yōu)選材料，以形成Cu插塞。
[0004] 但實踐發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術中形成的Cu插塞及其上形成的互連線容易導致可靠性問 題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有技術中，Cu插塞及其上形成的互連線容易導致可靠性問 題。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種互連結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：
[0007] 提供基底；
[0008] 在所述基底中形成通孔；
[0009] 在所述通孔內(nèi)形成Cu插塞，所述Cu插塞在所述通孔開口邊緣形成了凹陷；
[0010] 形成Cu插塞后，形成第一擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷；
[0011] 在所述基底、Cu插塞和第一擴散阻擋層上表面形成第二擴散阻擋層；
[0012] 在所述第二擴散阻擋層上形成互連線；或者，
[0013] 形成Cu插塞后，在所述基底和Cu插塞上形成第二擴散阻擋層，所述第二擴散阻擋 層暴露出所述凹陷；
[0014] 形成第一擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷；
[0015] 在所述第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層上形成互連線。
[0016] 可選的，形成Cu插塞的方法包括：
[0017] 使用電鍍法在所述通孔內(nèi)和所述基底上表面形成Cu層；
[0018] 使用化學機械研磨去除高出所述基底上表面的Cu層，在所述通孔內(nèi)形成Cu插塞。
[0019] 可選的，所述第一擴散阻擋層為樹脂層。
[0020] 可選的，所述第一擴散阻擋層為BCB樹脂層。
[0021] 可選的，所述第二擴散阻擋層為Ta層、Ti層、TiN層和TaN層中的一層或幾層。
[0022] 可選的，所述第二擴散阻擋層的厚度為100-800A。
[0023] 可選的，在所述通孔內(nèi)形成Cu插塞前，在所述通孔側(cè)壁和底部形成第三擴散阻擋 層，所述Cu插塞形成在所述第三擴散阻擋層上。
[0024] 可選的，在第三擴散阻擋層上形成所述Cu插塞前，在所述第三擴散阻擋層上形成 SiO2層,所述Cu插塞形成在所述SiO2層上。
[0025] 可選的，所述第三擴散阻擋層為Ta層、Ti層、TiN層和TaN層中的一層或幾層。
[0026] 可選的，所述互連線為Al互連線或W互連線。
[0027] 可選的，所述基底為硅基底，所述通孔為硅穿通孔。
[0028] 本發(fā)明還提供一種互連結(jié)構(gòu)，包括：
[0029] 基底，所述基底中形成有通孔；
[0030] 所述通孔內(nèi)形成有Cu插塞，所述Cu插塞在所述通孔開口邊緣形成了凹陷；
[0031] 第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷，所述第 二擴散阻擋層覆蓋所述基底、Cu插塞和第一擴散阻擋層；
[0032] 位于所述第二擴散阻擋層上的互連線；或者，
[0033] 第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層，所述第二擴散阻擋層位于所述基底和Cu插 塞上表面，所述第二擴散阻擋層暴露出所述凹陷，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷； [0034] 位于所述第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層上的互連線。
[0035] 可選的，所述第一擴散阻擋層為樹脂層。
[0036] 可選的，所述第一擴散阻擋層為BCB樹脂層。
[0037] 可選的，所述第二擴散阻擋層為Ta層、Ti層、TiN層和TaN層中的一層或幾層。
[0038] 可選的，所述第二擴散阻擋層的厚度為100-800A。
[0039] 可選的，所述通孔與所述Cu插塞之間還包括：位于所通孔側(cè)壁和底部的第三擴散 阻擋層。
[0040] 可選的，第三擴散阻擋層與所述Cu插塞之間還包括SiO2層。
[0041] 可選的，所述第三擴散阻擋層為Ta層、Ti層、TiN層和TaN層中的一層或幾層。
[0042] 可選的，所述互連線為Al互連線或W互連線。
[0043] 可選的，所述基底為硅基底，所述通孔為硅穿通孔。
[0044] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有以下優(yōu)點：
[0045] 本技術方案中形成第一擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷，防止了 互連線與所述Cu插塞直接接觸，進而防止了所述Cu插塞中的Cu擴散進入互連線中，提高 了互連結(jié)構(gòu)的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046] 圖1至圖5是現(xiàn)有技術中形成互連結(jié)構(gòu)方法各制作階段的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047] 圖6至圖14是本發(fā)明第一實施例中形成互連結(jié)構(gòu)方法各制作階段的剖面結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0048] 圖15至圖17是本發(fā)明第二實施例中形成互連結(jié)構(gòu)方法各制作階段的剖面結(jié)構(gòu)示 意圖。

【具體實施方式】
[0049] 現(xiàn)有技術中形成的Cu插塞及其上形成的互連線容易導致可靠性問題的原因為：
[0050] 現(xiàn)有技術中，形成包含Cu插塞的互連結(jié)構(gòu)的方法包括：
[0051] 參考圖I，在基底1內(nèi)形成硅穿通孔2。
[0052] 參考圖2,在所述硅穿通孔2的側(cè)壁和底部形成擴散阻擋層3和SiO2層4。
[0053] 其中，所述擴散阻擋層3用于防止后續(xù)在所述硅穿通孔2內(nèi)形成的Cu插塞中的Cu 擴散進入基底1。所述擴散阻擋層3包括位于底部的TaN層和位于所述TaN層上的Ta層。
[0054] 所述SiO2層4也可以一定程度上起到防止后續(xù)形成的Cu插塞中的Cu擴散進入 基底1的作用，而且由于SiO2層4的表面比較光滑，還能改善所述硅穿通孔2的表面形貌。
[0055] 參考圖3,在所述SiO2層4表面形成Cu種子層（未示出），然后在所述硅穿通孔2 內(nèi)電鍍形成Cu插塞5。
[0056] 由于電鍍工藝本身的限制，Cu插塞5容易在所述硅穿通孔2開口的邊緣處形成凹 陷6。
[0057] 參考圖4,在所述基底1和所述Cu插塞5上形成擴散阻擋層7。
[0058] 所述擴散阻擋層7的材料為Ta,防止所述Cu插塞5中的Cu擴散進入后續(xù)形成的 Al互連線。一般所述擴散阻擋層7的厚度為100-800A。
[0059] 由于凹陷6的開口尺寸非常小，擴散阻擋層7難以進入凹陷6內(nèi)，而且所述擴散阻 擋層7的厚度非常薄，擴散阻擋層7容易在凹陷6處斷開，即所述凹陷6處容易由于未形成 擴散阻擋層7而暴露。
[0060] 參考圖5,在所述擴散阻擋層7上形成Al層8,所述Al層8用作互連線。
[0061] 由于凹陷6處未形成擴散阻擋層7而暴露，所以所述Cu插塞5中的Cu容易通過 所述凹陷6擴散至所述Al層8中，導致Cu插塞5及其上形成的互連線的可靠性問題。 [0062] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的具體實施例做詳細的說明。
[0063] 第一實施例
[0064] 本實施例提供一種互連結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：
[0065] 參考圖6,提供基底110。
[0066] 在具體實施例中，所述基底110為硅基底、鍺硅基底或鍺基底。在本實施例中，所 述基底110為硅基底，后續(xù)在所述基底110中形成硅穿通孔。
[0067] 在其他實施例中，所述基底110上還形成有介質(zhì)層，后續(xù)形成的硅穿通孔穿過所 述介質(zhì)層。
[0068] 參考圖7,在所述基底110中形成通孔120。
[0069] 在本實施例中，所述通孔120為硅穿通孔。
[0070] 由于所述通孔120形成在硅基底中，所述形成通孔120方法可以包括：
[0071] 在所述基底110上表面形成圖形化的光刻膠，所述圖形化的光刻膠定義通孔的位 置；
[0072] 以所述圖形化的光刻膠為掩膜，刻蝕部分所述基底110,在所述基底110中形成通 孔120,然后去除所述圖形化的光刻膠。
[0073] 刻蝕部分所述基底110的方法可以為等離子體刻蝕，如使用CCl4等離子體刻蝕所 述基底110。
[0074] 在具體實施例中，所述通孔120的直徑為10-15μm，所述通孔120的深度為 IO-20uπ?ο
[0075] 參考圖8,在所述通孔120的側(cè)壁和底部形成第三擴散阻擋層103。
[0076] 形成所述第三擴散阻擋層103的方法可以為物理氣相沉積、化學氣相沉積或原子 層沉積。
[0077] 所述第三擴散阻擋層103用于防止后續(xù)在所述通孔120內(nèi)形成的Cu插塞中的Cu 擴散進入基底110內(nèi)。在具體實施例中，所述第三擴散阻擋層103為Ta層、Ti層、TiN層和 TaN層中的一層或幾層。在本實施例中，所述第三擴散阻擋層103包括位于底部的TaN層和 位于所述TaN層上的Ta層。
[0078]參考圖9,在所述第三擴散阻擋層103上形成SiO2層130。
[0079] 形成所述SiO2層130的方法可以為物理氣相沉積、化學氣相沉積或原子層沉積。
[0080] 所述SiO2層130也可以一定程度上起到防止后續(xù)形成的Cu插塞中的Cu擴散進 入基底110的作用，而且由于SiO2層130的表面比較光滑，還能改善所述通孔120的表面 形貌。
[0081] 在其他實施例中，還在所述SiO2層130上形成Cu種子層。
[0082] 參考圖10,使用電鍍法在所述通孔120和所述基底110上表面形成Cu層140,所 述Cu層140在所述通孔120開口邊緣的對應位置上形成了凹陷150。
[0083] 由于所述通孔120的尺寸較大，使用化學氣相沉積、原子層沉積或物理氣相沉積 難以在所述通孔120內(nèi)形成Cu插塞。所以，一般采用電鍍法。
[0084] 形成凹陷150的主要原因是在電鍍過程中，所述通孔120開口邊緣位置上的電場 分布比較特殊，不像平面上的電場分布是均勻分布的，即在所述通孔開口邊緣位置上的電 場會有強弱之分。在電場強度強的位置處電鍍形成的Cu層較厚，在電場強度弱的地方形成 的Cu層較薄。因此，在所述通孔開口邊緣位置上形成后厚度不均勻的Cu層，對應的，所述 Cu層140在所述通孔開口邊緣的對應位置上形成了凹陷150。
[0085] 在具體實施例中，為了給Cu層140的上表面一定的調(diào)整空間，電鍍時會鍍到Cu層 140的上表面超過基底110上表面4-5μm才結(jié)束，即H為4-5μm。
[0086] 參考圖11，使用化學機械研磨去除高出所述基底110上表面的Cu層140,在所述 通孔內(nèi)形成Cu插塞160。
[0087] 化學機械研磨后，在所述通孔120開口邊緣依然存在凹陷150,主要原因在于：
[0088] 首先，化學機械研磨過程中，使用的研磨墊比較軟，在研磨過程中，不僅對高出凹 陷150的Cu層進行物理研磨，同時也會對所述凹陷150也進行物理研磨，所以所述凹陷150 始終存在于Cu層中。
[0089] 其次，化學機械研磨不僅僅只是物理研磨過程，還存在化學反應。凡是與化學反應 試劑接觸的Cu層都會發(fā)生反應，由于Cu層上表面都會與化學反應試劑接觸而進行反應，因 此，凹陷150難以得到消除。
[0090] 參考圖12,形成第一擴散阻擋層101，所述第一擴散阻擋層101覆蓋所述凹陷。
[0091] 在具體實施例中，形成第一擴散阻擋層101的方法包括：
[0092] 在所述基底IKKCu插塞160、第三擴散阻擋層103和SiO2層130上形成第一擴散 阻擋材料層；
[0093] 在所述第一擴散阻擋材料層上形成圖形化的光刻膠，所述圖形化的光刻膠定義第 一擴散阻擋層的位置；
[0094] 以所述圖形化的光刻膠為掩膜，刻蝕所述第一擴散阻擋材料層，得到第一擴散阻 擋層101，然后去除所述圖形化的光刻膠。
[0095] 由于所述第一擴散阻擋層101未覆蓋Cu插塞160的整個上表面，不會嚴重影響Cu 插塞160與后續(xù)形成的互連線之間的連接，因此第一擴散阻擋層101的厚度可以較厚，以覆 蓋所述凹陷。
[0096] 在具體實施例中，所述第一擴散阻擋層101為樹脂層。
[0097] 在具體實施例中，形成所述樹脂層的方法為化學氣相沉積，化學氣相沉積可以得 到臺階覆蓋性強的樹脂層，有利于使所述凹陷得到完全覆蓋。
[0098] 在本實施例中，為了提高最終得到的互連結(jié)構(gòu)的性能，所述樹脂層應滿足以下條 件：
[0099] 化學氣相沉積形成所述樹脂層的溫度低于500°C，以免對基底110上已形成的半 導體器件造成影響；
[0100] 所述樹脂層為塑性材料，以利用所述樹脂層的塑性變形來釋放Cu插塞160的內(nèi)部 應力；
[0101] 所述樹脂層與Cu插塞160和后續(xù)形成的互連線都具有較好的粘附性。
[0102] 在本實施例中，所述樹脂層為BCB樹脂層，BCB樹脂是由BCB(Benzocyclobutene， 苯并環(huán)丁烯）形成的一種新型的活性樹脂，BCB的分子式為C8H8，分子結(jié)構(gòu)圖為
[0103]

【權利要求】
1. 一種互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括： 提供基底； 在所述基底中形成通孔； 在所述通孔內(nèi)形成化插塞，所述化插塞在所述通孔開口邊緣形成了凹陷； 形成化插塞后，形成第一擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷； 在所述基底、化插塞和第一擴散阻擋層上表面形成第二擴散阻擋層； 在所述第二擴散阻擋層上形成互連線；或者， 形成化插塞后，在所述基底和化插塞上形成第二擴散阻擋層，所述第二擴散阻擋層暴 露出所述凹陷； 形成第一擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷； 在所述第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層上形成互連線。
2. 如權利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，形成化插塞的方法包括： 使用電鍛法在所述通孔內(nèi)和所述基底上表面形成化層； 使用化學機械研磨去除高出所述基底上表面的化層，在所述通孔內(nèi)形成化插塞。
3. 如權利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一擴散阻擋層為樹 脂層。
4. 如權利要求3所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一擴散阻擋層為BCB 樹脂層。
5. 如權利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二擴散阻擋層為化 層、Ti層、TiN層和TaN層中的一層或幾層。
6. 如權利要求5所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二擴散阻擋層的厚 度為 100-800A。
7. 如權利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在所述通孔內(nèi)形成化插塞 前，在所述通孔側(cè)壁和底部形成第H擴散阻擋層，所述化插塞形成在所述第H擴散阻擋層 上。
8. 如權利要求7所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在第H擴散阻擋層上形成 所述化插塞前，在所述第H擴散阻擋層上形成Si〇2層，所述化插塞形成在所述Si〇2層上。
9. 如權利要求7所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第H擴散阻擋層為化 層、Ti層、TiN層和TaN層中的一層或幾層。
10. 如權利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述互連線為A1互連線或 W互連線。
11. 如權利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述基底為娃基底，所述 通孔為娃穿通孔。
12. -種互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括： 基底，所述基底中形成有通孔； 所述通孔內(nèi)形成有化插塞，所述化插塞在所述通孔開口邊緣形成了凹陷； 第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷，所述第二擴 散阻擋層覆蓋所述基底、化插塞和第一擴散阻擋層； 位于所述第二擴散阻擋層上的互連線；或者， 第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層，所述第二擴散阻擋層位于所述基底和化插塞上 表面，所述第二擴散阻擋層暴露出所述凹陷，所述第一擴散阻擋層覆蓋所述凹陷； 位于所述第一擴散阻擋層和第二擴散阻擋層上的互連線。
13. 如權利要求12所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一擴散阻擋層為樹脂層。
14. 如權利要求13所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一擴散阻擋層為BCB樹脂層。
15. 如權利要求12所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二擴散阻擋層為化層、Ti層、 TiN層和TaN層中的一層或幾層。
16. 如權利要求15所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二擴散阻擋層的厚度為 100-800A。
17. 如權利要求12所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述通孔與所述化插塞之間還包括： 位于所通孔側(cè)壁和底部的第H擴散阻擋層。
18. 如權利要求17所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，第H擴散阻擋層與所述化插塞之間 還包括Si化層。
19. 如權利要求17所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第H擴散阻擋層為化層、Ti層、 TiN層和TaN層中的一層或幾層。
20. 如權利要求12所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述互連線為A1互連線或W互連線。
21. 如權利要求12所述的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基底為娃基底，所述通孔為娃穿 通孔。
【文檔編號】H01L21/768GK104425362SQ201310401313
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權日:2013年9月5日
【發(fā)明者】沈哲敏, 李廣寧 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司