无孔隙金属互连结构及其形成方法技术

一种金属互连结构包括设置在第一层间电介质层中的下部金属互连层。在第一层间电介质层和下部金属层图形上设置暴露出下部金属层图形的一部分表面的具有通路接触孔的金属间电介质层。在金属间电介质层上形成暴露出通路接触孔的具有沟槽的第二层间电介质层。在通路接触的纵向表面和第二下部金属互连层图形的露出表面上形成阻挡金属层。在阻挡金属层上设置第一上部金属互连层图形，从而填充通路接触孔和一部分沟槽。在第一金属互连层图形上设置空隙扩散阻挡层，以及在空隙扩散阻挡层上设置第二上部金属互连层图形以完全填充沟槽。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属互连结构及其形成方法，更具体地，涉及一种在通孔接触中防止形成孔隙的金属互连结构及其形成方法。
技术介绍
为了得到高速半导体器件，已比铝更显著地使用铜来作为互连材料。由于铝具有2.74μΩ-cm的电阻率，而铜的电阻率为1.72μΩ-cm，所以利用铜互连的半导体器件具有比有铝互连的半导体器件高的性能。此外，由于在低温下能形成铜互连，所以铜互连能用在具有低介电常数的金属间电介质层中，从而显著降低RC延迟。然而，因为蚀刻铜比蚀刻铝更难，所以形成铜互连图形比形成铝互连图形更难。可是，通过使用金属镶嵌工艺(damascene process)已基本解决了该问题。要使用金属镶嵌工艺来形成铜互连，在下部铜互连层上依序形成金属间电介质层图形和层间电介质层图形。金属间电介质层图形具有暴露一部分下部铜互连层的通路接触孔，以及层间电介质层图形具有暴露通路接触孔的沟槽。在这种状态下，形成阻挡金属层，以及随后形成铜互连层以完全填充沟槽和通路接触孔。在进行平面化工艺之后，完成上部铜互连层。然而，在用于形成铜互连的金属镶嵌工艺中，由于热应力和晶体生长引起的收缩，使在铜互连中产生应力。当上部铜互连层的宽度狭窄时，也就是，当上部铜互连层内几乎没有空位时，这种应力不可能成为严重的问题。可是，当上部铜互连层的宽度很大时，也就是，当在上部铜互连层内存在很多空位时，由于应力梯度在通路接触孔中形成空隙或空位。通过扩散贯穿晶体的界面在上部金属层内聚集空位。当在上部铜金属互连内存在空隙时，互连不连贯，从而降低半导体器件的可靠性。因此，最好提供一种避免空隙形成的金属互连结构。还最好提供一种使用金属镶嵌工艺形成避免在通孔中形成空隙的金属互连结构的方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方案，一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中的下部金属互连层图形；在第一层间电介质层和下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出下部金属互连层图形的一部分上表面的通路接触孔；在金属间电介质层上的第二层间电介质层，第二层间电介质层具有暴露出一部分通路接触孔的沟槽；在通路接触孔的露出的侧表面和下部金属互连层图形的露出部分上表面上的阻挡金属层；在阻挡金属层上具有第一厚度的第一上部金属互连层图形，第一上部金属互连层图形完全填充通路接触孔并且部分填充第二沟槽；在第一上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及在空隙扩散阻挡层上完全填充沟槽的第二上部金属互连层图形。有利地，下部金属互连层图形、第一上部金属互连层图形和第二上部金属互连层图形含有铜。有利地，金属间电介质层是具有小于3的介电常数的低介电常数材料层。有利地，阻挡金属层由从钽层、氮化钽层、钛层和氮化钛层构成的组中选择的至少一种材料层形成。有利地，空穴扩散阻挡层由从钽层、钛层和铝层构成的组中选择的至少一种材料层形成。有利地，第二上部金属互连层图形至少比第一上部金属互连层图形的倍五厚。根据本专利技术的另一个方案，一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中其之间具有一定距离的第一和第二下部金属互连层图形；在第一层间电介质层与第一和第二下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有第一通路接触孔和第二通路接触孔，第一通路接触孔暴露出第一下部金属互连层图形的一部分表面，第二通路接触孔暴露出第二下部金属互连层图形的一部分表面；在金属间电介质层上的第二层间电介质层，第二层间电介质层具有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽暴露出第一通路接触孔，第二沟槽暴露出第二通路接触孔并且具有比第一沟槽大的宽度；在第一沟槽和第一通路接触孔的内表面上以及在第一下部金属互连层图形的露出表面上的第一阻挡金属层；在第一阻挡金属层上的第一上部金属互连图形，第一上部金属互连图形填充第一沟槽和第一通路接触孔；在第二沟槽和第二通路接触孔的内表面上以及在第二下部金属互连层图形的露出表面上的第二阻挡金属层；在第二阻挡金属层上并且其中具有第三沟槽的第二上部金属互连层图形，第二上部金属互连层图形填充第二通路接触孔和一部分第二沟槽；在第二上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及在空隙扩散阻挡层上的第三上部金属互连层图形，第三上部金属互连层图形填充第三沟槽。根据本专利技术的又一个方案，一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中的下部金属互连层图形；在第一层间电介质层和下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出一部分下部金属互连层图形的通路接触孔；形成在通路接触孔的露出表面和下部金属互连层图形的露出部分上的阻挡金属层；填充通路接触孔并且设置在阻挡金属层上的通路接触孔；具有暴露出一部分金属间电介质层和通路接触的上表面的沟槽、并且设置在金属间电介质层和通路接触上第二层间电介质层；填充通路接触和第二层间电介质层的一部分沟槽的具有第一厚度的第一上部金属互连层图形；在第一上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及完全填充沟槽并且设置在空隙扩散阻挡层上的具有第二厚度的第二上部金属互连层图形。有利地，第二上部金属互连层图形的厚度至少比第一上部金属互连层图形的厚度大五倍。根据本专利技术的再一个方案，一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中其之间具有一定距离的第一和第二下部金属互连层图形；在第一层间电介质层与第一和第二下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出一部分第一下部金属互连层图形的第一通路接触孔和暴露出一部分第二下部金属互连层图形的第二通路接触孔；分别在第一通路接触孔和第二通路接触孔中的第一和第二阻挡金属层；分别填充第一和第二通路接触孔、并且设置在第一和第二阻挡金属层上的第一和第二通路接触；设置在金属间电介质层上并且具有第一沟槽和第二沟槽的第二层间电介质层，第一沟槽暴露出第一通路接触的上表面，第二沟槽暴露出第二通路接触的上表面，填充第一沟槽的第一上部金属互连层图形，通过填充一部分第二沟槽在第二沟槽中形成第三沟槽的第二上部金属互连层图形；在第二上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及填充第三沟槽并且设置在空隙扩散阻挡层上的第三上部金属互连层图形。根据本专利技术的另一个方案，一种形成金属互连结构的方法，包括在第一层间电介质层中形成彼此之间具有一定距离的第一和第二下部金属互连层图形；在第一层间电介质层与第一和第二下部金属互连层图形上形成金属间电介质层；在金属间电介质层上形成第二层间电介质层；通过蚀刻部分第二层间电介质层形成暴露出部分金属间电介质层的第一和第二沟槽；通过蚀刻由第一和第二沟槽暴露出的部分金属间电介质层，在第一沟槽中形成暴露出一部分第一下部金属互连层图形的第一接触孔，以及形成暴露出一部分第二下部金属互连层图形的第二接触孔；在第一沟槽、第二沟槽、第一接触孔和第二接触孔的内表面上以及在第一和第二下部金属互连层图形的露出表面上形成阻挡金属电介质层；在阻挡金属层上形成第一上部金属互连层，从而填充第一接触孔、第二接触孔和第一沟槽、以及部分填充第二沟槽，从而形成第三沟槽；在具有第三沟槽的一部分第一上部金属互连层上形成空隙扩散阻挡层；在空隙扩散阻挡层上形成第二上部金属互连层，由此填充第三沟槽；以及通过除去部分第一上部金属互连层、空隙扩散阻挡层和第二上部金属互连层，把第一沟槽中的第一上部金属互连层与在第二沟槽中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属互连结构，包括：设置在第一层间电介质层中的下部金属互连层图形；在第一层间电介质层和下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出下部金属互连层图形的一部分上表面的通路接触孔；在金属间电介质层上 的第二层间电介质层，第二层间电介质层具有暴露出一部分通路接触孔的沟槽；在通路接触孔的露出的侧表面和下部金属互连层图形的部分露出上表面上的阻挡金属层；在阻挡金属层上具有第一厚度的第一上部金属互连层图形，第一上部金属互连层图形完 全填充通路接触孔并且部分填充第二沟槽；在第一上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及在空隙扩散阻挡层上完全填充沟槽的第二上部金属互连层图形。

【技术特征摘要】
KR 2003-8-4 53890/031.一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中的下部金属互连层图形；在第一层间电介质层和下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出下部金属互连层图形的一部分上表面的通路接触孔；在金属间电介质层上的第二层间电介质层，第二层间电介质层具有暴露出一部分通路接触孔的沟槽；在通路接触孔的露出的侧表面和下部金属互连层图形的部分露出上表面上的阻挡金属层；在阻挡金属层上具有第一厚度的第一上部金属互连层图形，第一上部金属互连层图形完全填充通路接触孔并且部分填充第二沟槽；在第一上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及在空隙扩散阻挡层上完全填充沟槽的第二上部金属互连层图形。2.根据权利要求1的金属互连结构，其中下部金属互连层图形、第一上部金属互连层图形和第二上部金属互连层图形含有铜。3.根据权利要求1的金属互连结构，其中金属间电介质层是具有小于3的介电常数的低介电常数材料层。4.根据权利要求1的金属互连结构，其中阻挡金属层由从钽层、氮化钽层、钛层和氮化钛层构成的组中选择的至少一种材料层形成。5.根据权利要求1的金属互连结构，其中空穴扩散阻挡层包括从钽层、钛层和铝层构成的组中选择的至少一种材料层。6.根据权利要求1的金属互连结构，其中第二上部金属互连层图形至少是第一上部金属互连层图形的五倍厚。7.一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中第一和第二下部金属互连层图形，其间具有一定距离；在第一层间电介质层与第一和第二下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有第一通路接触孔和第二通路接触孔，第一通路接触孔暴露出第一下部金属互连层图形的一部分表面，第二通路接触孔暴露出第二下部金属互连层图形的一部分表面；在金属间电介质层上的第二层间电介质层，第二层间电介质层具有第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽暴露出第一通路接触孔，第二沟槽暴露出第二通路接触孔并且具有比第一沟槽大的宽度；在第一沟槽和第一通路接触孔的内表面上以及在第一下部金属互连层图形的部分露出表面上的第一阻挡金属层；在第一阻挡金属层上的第一上部金属互连图形，第一上部金属互连图形填充第一沟槽和第一通路接触孔；在第二沟槽和第二通路接触孔的内表面上以及在第二下部金属互连层图形的部分露出表面上的第二阻挡金属层；在第二阻挡金属层上并且其中具有第三沟槽的第二上部金属互连层图形，第二上部金属互连层图形填充第二通路接触孔和一部分第二沟槽；在第二上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及在空隙扩散阻挡层上的第三上部金属互连层图形，第三上部金属互连层图形填充第三沟槽。8.一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中的下部金属互连层图形；在第一层间电介质层和下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出一部分下部金属互连层图形的通路接触孔；形成在通路接触孔的露出表面和下部金属互连层图形的露出部分上的阻挡金属层；填充通路接触孔并且设置在阻挡金属层上的通路接触孔；具有暴露出一部分金属间电介质层和通路接触的上表面的沟槽、并且设置在金属间电介质层和通路接触上的第二层间电介质层；填充通路接触和第二层间电介质层的一部分沟槽的、具有第一厚度的第一上部金属互连层图形；在第一上部金属互连层图形上的空隙扩散阻挡层；以及完全填充沟槽并且设置在空隙扩散阻挡层上的、具有第二厚度的第二上部金属互连层图形。9.根据权利要求8的金属互连结构，其中第二上部金属互连层图形的厚度至少比第一上部金属互连层图形的厚度大五倍。10.一种金属互连结构，包括设置在第一层间电介质层中第一和第二下部金属互连层图形，其间具有一定距离；在第一层间电介质层与第一和第二下部金属互连层图形上的金属间电介质层，金属间电介质层具有暴露出一部分第一下部金属互连层图形的第一通路接触孔和暴露出一部分第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：安正勋，李孝钟，李京泰，李敬雨，李守根，徐锋锡，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]