集成器件及其形成方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体领域。更具体地，本发明实施例涉及集成器件及其形成方法。

背景技术

集成电路(IC)制造业在过去几十年中经历了指数型增长。随着IC的发展，功能密度(即每芯片面积的互连器件数量)增加，而部件尺寸减小。其他进步包括引入嵌入式存储器技术和高K金属栅极(HKMG)技术。嵌入式存储器技术是将存储器件与逻辑器件集成在同一半导体芯片上。与将各分立的芯片用于不同类型的器件相比，存储器件支持逻辑器件的操作且提高性能。

发明内容

本申请的实施例提供一种集成器件，包括：衬底；第一金属结构，位于衬底上方；以及第二金属结构，位于第一金属结构正上方且与第一金属结构接触；其中，第二金属结构的水平截面小于第一金属结构的水平截面；以及第二金属结构包括第一金属结构的金属材料，第二金属结构的氧浓度高于第一金属结构。

本申请的实施例提供一种集成器件，包括：衬底；第一金属结构，位于衬底上方的第一介电层中；以及第二金属结构，位于第二介电层中；其中，第二金属结构位于第一金属结构正上方且与第一金属结构接触；第一金属结构通过扩散阻挡层与第一介电层隔开；以及第二金属结构直接接触第二介电层。

本申请的实施例提供一种形成集成器件的方法，包括：接收具有位于介电层正下方的金属结构的衬底；在介电层中形成开口以暴露金属结构；以及提供诱导金属材料从金属结构迁移到开口中的气体。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。

图1至图10是根据本发明的一些实施例举例说明形成器件的方法的一系列截面图。

图11A至图11B是根据本发明的一些其他实施例举例说明图1至图10的方法的变型的一系列截面图。

图12A至图12D是根据本发明的又一些其他实施例举例说明图1至图10的方法的另一变型的一系列截面图。

图13是根据本公开的一些实施例示出制造的器件中的密度变化的曲线图。

图14是根据本公开的一些实施例示出了制造的器件在退火之后的密度变化的曲线图。

图15是根据本发明的一些方面的方法的流程图。

图16是根据本发明的一些方面的器件的截面图。

图17是图16的器件的等效电路图。

图18是根据本发明的一些方面形成的金属结构的简略图。

图19至图27是根据本发明的一些实施例举例说明形成器件的方法的一系列截面图。

图28至图33是根据本发明的一些实施例举例说明形成器件的另一种方法的一系列截面图。

具体实施方式

本发明提供了用于实现本公开的不同特征的许多不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。诸如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。器件可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。

本公开提供了一种可用于在诸如第一金属线的第一金属结构上方形成诸如金属插塞或第二金属线的第二金属结构的方法。根据该方法，在第一金属结构上方的介电层中形成开口。气体被引入，并且与暴露在开口内的第一金属结构相互作用。该相互作用引起了来自第一金属结构的金属材料迁移到开口中，在开口中，迁移的金属材料形成第二金属结构。在一些实施例中，迁移的材料部分地填充开口。在一些实施例中，迁移的材料完全填充开口。在一些实施例中，该方法还包括化学机械抛光(CMP)。在一些实施例中，CMP去除开口外部的迁移材料。在一些实施例中，CMP消除了开口的尚未由迁移材料填充的上部。

在一些实施例中，气体引起氧化和还原反应。氧化反应增加了金属材料的氧含量。氧化引起了材料的密度降低。密度的降低导致材料膨胀到开口中。还原反应逆转或部分逆转氧化。随着材料被还原，它不会完全回到原来的位置。该材料经历了氧化和还原的许多交替。总体效果是氧气渐进注入，逐渐深入到结构的更深处，同时材料渐进生长，在开口内逐渐变得更高。

在一些实施例中，第二金属结构将具有比第一金属结构更高的氧浓度。在一些实施例中，第二金属结构将具有氧浓度梯度。第二金属结构的密度随着氧浓度梯度而变化。在一些实施例中，第二金属结构中间高度处的氧浓度高于第二金属结构基部处的氧浓度。在一些实施例中，氧浓度梯度导致氧浓度从第二金属结构的底部到第二金属结构的中间高度或顶部的连续增加。在一些实施例中，在第二金属结构的基部处的氧浓度变化率高于在第二金属结构的中间高度处的氧浓度变化率。在一些实施例中，进行退火工艺以减少或消除第二金属结构内的氧浓度梯度。

在一些实施例中，一种或多种气体的混合物产生氧化和还原反应。在一些实施例中，混合物包含含氢化合物。在一些实施例中，混合物包含含氧化合物。在一些实施例中，混合物包含含有氢和氧的化合物。在一些实施例中，混合物包含水(H

本公开的方法可以提供额外的优点，与通过诸如ALD、PVD或CVD的其他工艺形成的金属结构相比，由于第二金属结构在较低的温度下形成，因此第二金属结构不需要扩散阻挡层。在一些实施例中，该方法在50℃至200℃范围内的温度下进行。在一些实施例中，该方法在75℃至150℃范围内的温度下进行。在一些实施例中，金属是通常采用扩散阻挡层的铜等。在一些实施例中，介电层是低k介电层。在一些实施例中，介电层是极低k介电层。没有扩散阻挡层为第二金属结构留下了更多的区域。

当根据本发明制造时，与通过诸如原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)的方法制造时相比，第二金属结构可以没有空隙或具有更少的空隙，特别是如果开口具有高纵横比或低临界尺寸。在一些实施例中，第二金属结构具有范围为5nm至100nm的宽度或直径。在一些实施例中，第二金属结构具有在10nm至50nm范围内的宽度或直径。

在一些实施例中，金属化层设置在第二金属结构上方。在一些实施例中，第二金属结构与金属化层连接。金属化层可以包括与第二金属结构具有相同材料但具有较低氧浓度的金属线或通孔。金属线和通孔可以通过扩散阻挡层与周围的电介质隔开，而第二金属结构没有被扩散阻挡层围绕。

第二金属结构可以是多个第二金属结构中的一个。在一些实施例中，多个第二金属结构提供在金属互连结构内的中间金属化层。例如，中间金属化层可以在第三金属化层(M3)和第四金属化层(M4)之间、第四金属化层(M4)和第五金属化层(M5)之间、第五金属化层(M5)和第六金属化层(M6)之间，或在其他任何金属化层对之间。在一些实施例中，中间金属化层比其下方的金属化层薄。

在一些实施例中，第二金属结构具有通过双镶嵌工艺形成的类型。在一些实施例中，第二金属结构具有作为通孔的下部和宽度大于下部且作为线或通孔的上部。上部可以填充有穿过下部迁移并且在下面的第一金属结构中具有其源的材料。上部的线可以在下部的多个通孔之间延伸。下部通孔之间的这种线的跨度是有限的。

在一些实施例中，存储器单元阵列与中间金属化层处于衬底上方相同的高度。在一些实施例中，中间金属化层具有与存储器单元的顶部电极的上表面共面的上表面。在一些实施例中，存储器单元的顶部电极与蚀刻停止层或CMP停止层垂直对齐，并且第二金属结构的上表面也与蚀刻停止层或CMP停止层垂直对齐。在一些实施例中，使存储器单元的顶部电极暴露的CMP工艺也使第二金属结构的上表面平坦化。

图1至图10提供了一系列截面图示例100至1000，其举例说明根据本发明的在第一金属结构上方形成第二金属结构的方法。虽然参照方法的各种实施例描述了图1至图10，但是应当理解，图1至图10中所示的结构不限于该方法，而是可以独立于该方法而单独存在。虽然图1至图10被描述为一系列步骤，但是应当理解，在其他实施例中可以改变步骤的顺序。虽然图1至图10图示和描述了一组特定的步骤，但是在其他实施例中可以省略图示和/或描述的一些步骤。此外，未图示和/或描述的步骤可以包括在其他实施例中。

如图1的截面图100所示，该方法可以从提供衬底101开始，在该衬底101上具有包括金属线107的第一金属结构。金属线107可以设置在层间介电层103内。根据一些实施例，扩散阻挡层105将金属线107与层间介电层103分开。金属线107和层间介电层103可以构成位于衬底101上方的金属化层115。根据该方法，在包括金属线107的金属化层115上方形成介电层113。介电层113可以包括多层，例如层间介电层111和蚀刻停止层109。介电层113可以通过诸如物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、溅射等一种或多种工艺形成。

衬底101可以是任何类型的衬底。在一些实施例中，衬底101包括半导体主体，例如硅、SiGe、绝缘体上硅(SOI)等。衬底101可以是半导体晶圆、晶圆上的一个或多个管芯或其他任何类型的半导体主体和/或与其相关联的外延层。金属线107可以是任何合适的金属材料。合适的金属材料可以是铜(Cu)、银(Ag)或是良好导体、可以毫不困难地被氧化且在氧化时密度会降低的其他金属。扩散阻挡层105例如可以是过渡金属的化合物，诸如，氮化钽、氮化钛、氮化钨等。蚀刻停止层109可以是例如氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、碳氮化硅(SiCN)、碳氧化硅(SiOC)、碳氮氧化硅(SiOCN)、它们的组合等。

层间介电层103和层间介电层111可以具有任何合适的介电成分。在一些实施例中，它们具有相同的介电成分。层间介电层103和层间介质层111可以是二氧化硅(SiO

如图2的截面图200所示，该方法继续在介电层113中形成开口205。开口205可以限定第二金属结构的形状并且可以具有双镶嵌结构。双镶嵌结构可以包括孔201和沟槽203，其中孔201位于沟槽203的底部。开口205可以通过镶嵌或双镶嵌工艺的光刻和蚀刻步骤形成。

如图3的截面图300所示，该方法继续将衬底101暴露于气体301，气体301通过介电层113中的开口205接触金属线107。气体301被示出为包含水(H

如图4的截面图400所示，气体301与来自金属线107的金属材料401反应以形成金属氧化物403。金属氧化物403的密度低于金属材料401。在一些实施例中，金属氧化物403的密度比金属材料401的密度低10％或更多。在一些实施例中，金属氧化物403的密度比金属材料401的密度低20％或更多。在一些实施例中，金属氧化物403的密度比金属材料401的密度低约30％或更多。例如，铜(Cu)具有约8.96g/cm

如图5的截面图500所示，发生将已经膨胀到开口205中的金属氧化物403的一些还原为金属材料401的反应。还原反应可以用氢(H

如图6的截面图600、图7的截面图700和图8的截面图800所示，氧化和还原反应以循环方式继续。净效果是金属材料401以类似扩散的方式从金属线107迁移到开口205中。氧化和还原反应已被示为交替发生并且使氧化试剂和还原试剂交替是可能的，然而，在一些实施例中，氧化试剂和扩散试剂都连续存在。在这些实施例中，氧化和还原的绝对速率接近稳定状态。在由图3至图8的一系列截面图300至800所示的实施例中，氢501达到的浓度使得氢501与金属氧化物403之间反应的还原速率大约等于水与金属材料401反应的氧化速率。在一些实施例中，还原速率是保持在氧化速率的10％以内。在一些实施例中，还原速率保持在氧化速率的1％以内。在一些实施例中，还原速率保持在氧化速率的0.1％以内。

如图5至图8的截面图500至800所示，一些氧503可以保留在金属线107中和已经迁移到开口205中的金属材料401中。氧503可以通过固体扩散逐渐更深地渗透到金属线107中。逐渐更多的氧也添加至开口205内的金属材料401。作为这些工艺的结果，产生氧浓度分布，由此氧浓度在新形成的表面附近最高并且在向下穿过开口205以及从开口205向外进入金属线107时逐渐降低。

该工艺可以继续直到开口205被填充到图9的截面图900所示的程度。根据一些实施例，该工艺可以在金属材料401完全填充开口205之前终止。在该实施例中，很少或没有金属材料401迁移到开口205外部。这种方法的优点是金属材料401向开口205外部的不期望位置的蔓延可以保持最小。

如图9的截面图900进一步说明，虽然该工艺引起金属材料401自下而上填充开口205，但金属材料401的上表面存在一些不均匀性。具体地，金属材料401倾向于在开口205的中间隆起，由此金属材料401的高度倾向于在靠近中心901处具有最大值并且靠近边缘903处具有最小值。向中间隆起是边缘效应的结果，由此开口205的侧面附近的生长速率趋于低于开口205的中心附近的生长速率。

如图10的截面图1000所示，可以执行诸如化学机械抛光(CMP)的平坦化工艺以平坦化开口205内的金属材料401的上表面1001。CMP可以将层间介电层111的上表面1003降低到低于图9的截面图900所示的金属材料401在边缘903处的最小高度的高度。剩余的金属材料401可以完全填充开口205的剩余部分。剩余金属材料401提供了在金属线107上方的第二金属结构1005。第二金属结构1005可以形成金属化层。

图11A和图11B是举例说明作为图1至图10所示方法的变型的替代方法的截面图。如可与图9的截面图900相比较的图11A的截面图1100所示，在替代方法中，诱导金属迁移的工艺继续直到金属材料401已完全填充开口205并且开始堆积在表面1101上。在一些实施例中，金属材料401堆积在表面1101上，直到与来自相邻开口205的金属材料401开始合并。在一些实施例中，替代方法的特征在于在电介质113A的顶部存在停止层1103。停止层1103可以是蚀刻停止层或CMP停止层。停止层1103可以是例如氮化物(例如，氮氧化硅、氮化硅等)、碳化物(例如，碳化硅、碳氧化硅等)、金属氧化物(例如，氧化铝、氧化铪等)等。

如图11B的截面图1120所示，替代方法继续进行诸如CMP的平坦化工艺。平坦化可以在停止层1103处停止。停止层1103可以防止金属材料401在CMP工艺期间污染层间介电层111。

图12A至图12D是举例说明图1至图10所示方法的进一步变型的一系列截面图。如图12A的截面图1200所示，通过如图3至图9的一系列截面图300至900所示的诱导金属材料401从金属线107迁移，介电层113B中的高纵横比开口1201可以部分地填充有金属材料401。在一些实施例中，开口1201具有为孔或通孔的下部1205和较宽且可以为孔或沟槽的上部1203。在一些实施例中，金属材料401填充下部1205。

如图12B的截面图1220所示，可以沉积扩散阻挡层1221至开口1201的未填充部分。扩散阻挡层1221可以是例如过渡金属的化合物，诸如氮化钽、氮化钛、氮化钨等。由于金属材料401的生长模式，金属材料401可以留有凸出的上表面1207。扩散阻挡层1221可以具有与凸出的上表面1207一致的凹进的下表面。

如图12C的截面图1240所示，开口1201的剩余部分可以用金属沉积工艺填充以形成上部金属结构1241。金属沉积工艺可以是物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、镀(电解或化学镀)或它们的组合。例如，可以通过PVD沉积铜晶种层，然后镀铜。如图12D的截面图1260所示，沉积在开口1201外部的多余金属可以通过诸如CMP的平坦化工艺去除。

平坦化工艺形成复合的第二金属结构1263，第二金属结构1263包括由金属材料401形成的下部金属结构1265和由沉积的金属形成的上部金属结构1241。在一些实施例中，下部金属结构1265和上部金属结构1241被扩散阻挡层1221隔开。在一些实施例中，一个连续的层间介电层111在下部金属结构1265和上部金属结构1241的侧面，下部金属结构1265和上部金属结构1241在一个层间介电层113B内。在一些实施例中，一个连续的层间介电层111在下部金属结构1265和上部金属结构1241侧面。在一些实施例中，仅上部金属结构1241通过扩散阻挡层1221与层间介电层111分离。

图13提供了示出了沿着图10中所示的线A-A’可能发生的密度变化的曲线图1300。曲线图1300示出了与第二金属结构1005中较高的点(诸如第二金属结构1005的中间高度处的点)相比，在金属线107中和在第二金属结构1005的基部处的密度更高。密度随着整个第二金属结构1005的高度而稳定地降低。这种密度变化与氧浓度变化相关。密度梯度在第二金属结构1005的基部附近可能最高。

图14提供了曲线图1400，曲线图1400示出了在经过可选的退火步骤之后，沿着线A-A’的密度变化。如该图示所示，退火可用于减少或消除整个第二金属结构1005的密度梯度。退火还可减少第二金属结构1005中的氧量且增加第二金属结构1005的导电性。接近金属材料401的回流温度的温度通常适合于退火。在一些实施例中，退火在约350℃至约450℃范围内的温度下且在包含很少或不含氧的环境下进行。

图15是根据本发明的一些方面的方法1500的流程图。虽然图15的方法1500在本文中被图示和描述为一系列步骤或事件，但是应当理解，这些步骤或事件的图示排序不应被解释为限制意义。例如，一些步骤可以与除了在此示出和/或描述的那些步骤或事件之外的其他步骤或事件以不同的顺序发生和/或同时发生。此外，并非所有图示的步骤都需要实施本文描述的一个或多个方面或实施例，并且本文描绘的步骤中的一个或多个可以在一个或多个单独的步骤和/或阶段中执行。

方法1500开始于步骤1501，接收具有第一金属结构的衬底。图1提供了一个实例。第一金属结构可以是金属化层内的金属线。

方法1500继续步骤1503，形成具有开口的介电结构，该开口暴露第一金属结构。图2提供了一个实例。介电结构可以形成在第一金属结构上方并且可以包括多个介电层。在一些实施例中，介电结构中的开口具有双镶嵌结构的形状。

方法1500继续步骤1505，诱导金属材料从第一金属结构迁移到开口中。图3至图9的一系列横截面图300至900提供了一个实例。在一些实施例中，诱导金属材料迁移包括引入一种或多种交替氧化和还原金属材料的气体。步骤1505可以导致用金属材料部分填充开口，如图9的截面图900和图12A的截面图1200所示，或者用金属完全填充开口，如图11A的截面图1100所示。

可以使用任何合适的气体或气体组合来诱导导致金属迁移的氧化和还原反应。在一些实施例中，气体混合物包含氢气(H

方法1500可选地继续步骤1507，对金属材料进行退火以改善第二金属结构中的密度梯度。这由图13和图14的曲线图1300和1400说明。在一些实施例中，退火发生在步骤1513的平坦化之前。在退火导致金属材料中的一些收缩的情况下，在平坦化之前进行退火可能是有利的。

在一些实施例中，方法1500包括步骤1511，沉积附加金属以完成开口的填充，或步骤1509和步骤1511，沉积扩散阻挡层然后沉积附加金属。图12B的截面图1220提供了形成扩散阻挡层的实例，并且图12C的截面图1240提供了沉积金属以完成开口填充的实例。

步骤1513是可以包括CMP的平坦化。图10的截面图1000、图11B的截面图1120和图12D的截面图1260均提供了实例。

在平坦化之后，方法1500可选地继续步骤1515，在由第二金属结构提供的一个上方形成另一金属化层，并且具有至第二金属结构的连接件。该上覆金属化层可以形成至第二金属结构的连接件并且可以通过诸如PVD、CVD、ALD、镀或它们的组合的常规方法形成。上覆金属化层可以具有与提供第一金属结构的下面金属化层相同的组成。

图16示出了包括第二金属结构1646的集成器件1600，该第二金属结构1646提供中间金属化层1689并且耦合至下面金属化层1687和上覆金属化层1691。集成器件1600具有衬底1679，该衬底包括嵌入式存储器区域1683和逻辑区域1681。中间金属化层1689在逻辑区域1681中并且在衬底1679上方与嵌入式存储器区域1683内的阵列中的存储器单元1617处于相同高度。

存储器单元1617包括数据存储结构，诸如夹置在底部电极1615和顶部电极1611之间的磁隧道结(MTJ)1613。存储器单元1617被诸如第一侧壁间隔件1619、钝化层1621、第二侧壁间隔件1623和存储器层间介电层1601的电介质围绕。第二金属结构1646被逻辑层间介电层1648围绕。在一些实施例中，顶部电极1611的上表面1608与第二金属结构1646的上表面1639垂直对齐。在一些实施例中，蚀刻停止层1603从嵌入式存储器区域1683延伸到逻辑区域1681并且具有与顶部电极1611的上表面1608和第二金属结构1646的上表面1639垂直对齐的下表面1649。

第二金属结构1646可以包括可以是线或通孔形式的上部1645和作为通孔部分1650的下部。顶部通孔1637可以将上部1645连接到上覆金属化层1691中的金属线1635。类似的顶部通孔1607可以将存储器单元1617连接到上覆金属化层1691中的位线(BL)1609或其他结构。通孔部分1650与下面金属化层1687中的金属线1652连接。

存储器单元1617通过底部电极通孔1629连接到下面金属化层1687中的其他金属线1652或通孔。底部电极通孔1629可以穿过各个介电层，诸如第一蚀刻停止层1633、第二蚀刻停止层1631和绝缘层1625。底部电极通孔1629可以通过阻挡层1627与这些介电层分开。第一蚀刻停止层1633可以延伸到逻辑区域1681中。

在中间金属化层1689内，第二金属结构1646直接邻接逻辑层间介电层1648。相比之下，上覆金属化层1691的金属线1635和顶部通孔1637以及下面金属化层1687的金属线1652和通孔1656分别通过扩散阻挡层1641和扩散阻挡层1654与层间电介质1643和层间电介质1653分开。扩散阻挡层1641在顶部通孔1637和第二金属结构1646之间延伸。扩散阻挡层1654在通孔1656和下部金属互连结构1659之间延伸。相比之下，第二金属结构1646直接接触金属线1652。

包括多个金属化层的金属互连结构1685可以设置在下方金属化层1687和衬底1679之间。晶体管1665可以形成在衬底1679中的嵌入式存储区1683中，晶体管1674可以形成在衬底1679中的逻辑区域1681内。在一些实施例中，这些是HKMG晶体管。在一些实施例中，衬底1679包括半导体主体，例如硅、SiGe、绝缘体上硅(SOI)等。衬底1679可以是半导体晶圆、晶圆上的一个或多个管芯，或其他任何类型的半导体主体和/或与其相关联的外延层。晶体管1674和晶体管1665包括栅极1673和源极/漏极区1677。源极/漏极区1677可以形成在衬底1679中并且具有与沟道区1675相反的掺杂类型。栅极1673和源极/漏极区1677中的任一个可以使用接触插塞1667耦合至金属互连结构1685。金属互连结构1685可以提供公共源极线(CSL)1663、字线(WL)1661和用于寻址存储器单元1617的相关连接件。示出了仅用于存储器单元1617中的一个的连接件。晶体管1665为存储单元1617提供访问控制器件，但是可以替代地使用其他访问控制器件。

图17提供了集成器件1600的嵌入式存储器区域1683的等效电路图1700。字线WL0和字线WL1可以用作存储器单元阵列1617的行选择器，位线BL0和位线BL1可以用作存储器单元阵列1617的列选择器。共用源极线(CL)可为读取、写入和擦除操作提供电压。可以操作晶体管1703以选择哪些存储器单元1617耦合至对应的字线WL0或WL1。这些等效电路器件中的一些可以在该等效电路的物理实现中复制以满足规范和设计规则。例如，如图16所示出的实现等效电路图1700的块1701的存储器区域1683的部分所示，对于每条字线WL1可以有两条字线1661，对于每个晶体管1703可以有两个晶体管1665。

在典型的金属互连结构中，多个金属化层堆叠在衬底上方，其中较高的金属化层比较低的金属化层更厚并且具有更大的线宽。相比之下，在一些实施例中，中间金属化层1689的高度1644小于下面金属化层1687的高度1657。在一些实施例中，高度1644是高度1657的一半或更小。在一些实施例中，高度1657小于比金属线1652的高度1655。

图18是给出金属线1652与第二金属结构1646之间的比例和关系的简略图1800。如图18的简略图1800所示，金属线1652可以是金属岛1821的形式。金属岛1821大于第二金属结构1646。在一些实施例中，第二金属结构1646的体积为相邻金属岛1821的体积的0.1％至50％。在一些实施例中，第二金属结构1646的体积为金属岛1821的体积的四分之一或更少。在一些实施例中，第二金属结构1646的体积是金属岛1821的体积的十分之一或更少。在一些实施例中，第二金属结构1646的体积是金属岛1821的体积的十分之一或更少。在一些实施例中，第二金属结构1646的体积是金属岛1821体积的二十分之一或更少。

在一些实施例中，金属岛1821被延伸以为第二金属结构1646提供更多的源材料。在一些实施例中，金属岛1821的宽度1819与长度1813的比率在2:3至1:20。在一些实施例中，该比率在1:2至到1:10的范围内。在一些实施例中，该比率在从1:3至1:7的范围内，例如1:5。对于每个金属岛1821，可能只有一个第二金属结构1646或只有一个通孔部分1651。

在一些实施例中，第二金属结构1646的横截面积是相邻金属岛1821的横截面积的四分之一或更小。在一些实施例中，第二金属结构1646的横截面积是相邻金属岛1821的横截面积的十分之一或更小。在一些实施例中，第二金属结构1646的宽度1809是金属岛1821的宽度的一半或更小。在一些实施例中，宽度1809是金属岛1821的宽度的四分之一或更小。

在一些实施例中，金属岛1821和金属线1652的宽度1819在14nm到126nm的范围内。在一些实施例中，宽度1819在14nm到126nm的范围内。在一些实施例中，通孔部分1650的宽度1815在10nm到65nm的范围内。在一些实施例中，宽度1815在14nm到30nm的范围内。在一些实施例中，上部1645的宽度1805在10nm到126nm的范围内。在一些实施例中，宽度1805在10nm到50nm的范围内。

本公开的方法特别有利于填充高纵横比开口205(见图2)。因此，第二金属结构1646可以具有高纵横比。在一些实施例中，纵横比为10:1或更大。在一些实施例中，纵横比为15:1或更大。在一些实施例中，纵横比为20:1或更大。纵横比可以基于通孔部分1650(高度1651与宽度1815之间的比率)或基于整个第二金属结构1646。在后一种情况下，纵横比为高度1644与宽度1815之比或高度1644与在高度1644的中点处测得的宽度1809之比。

在一些实施例中，中间金属化层1689包括金属线1801。在一些实施例中，金属线1801连接两个金属岛1821或下方金属化层1687中的另一对导电结构。在一些实施例中，金属线1801的长度1803不超过金属线1652的宽度1819的十倍。在一些实施例中，长度1803不超过宽度1819的五倍。在一些实施例中，长度1803不超过宽度1819的三倍。

在一些实施例中，金属线1652的高度1655在32nm至3000nm的范围内。在一些实施例中，高度1655在300nm到3000nm的范围内。在一些实施例中，高度1655在32nm到260nm的范围内。在一些实施例中，通孔部分1650的高度1651是金属线1652的高度1655的一半或更小。在一些实施例中，高度1651是高度1655的四分之一或更小。在一些实施例中，高度1651是高度1655的八分之一或更小。在一些实施例中，上部1645的高度1811大于通孔部分的高度1651。在一些实施例中，高度1811是高度1651的两倍或更多。

图19至图29呈现了根据本发明示例说明在图16的集成器件1600中的金属线1652上方形成第二金属结构1646的方法的一系列截面图。虽然参照方法的各个实施例描述了图19至图29，但是应当理解，图19至图29中所示的结构可以不限于该方法，而是可以独立于该方法而单独存在。虽然图19至图29被描述为一系列步骤，但是应当理解，在其他实施例中可以改变各步骤的顺序。尽管图19至图29图示和描述了一组特定的步骤，但是图示和/或描述的一些步骤在其他实施例中可以省略。此外，未图示和/或描述的步骤可以包括在其他实施例中。

图19的截面图1900示出了已经在金属化层1687上方形成的存储器单元1617的阵列。存储器单元1617的数据存储结构被示为MTJ 1613，但是数据存储结构可能是电阻随机存取存储器(RRAM)、氧置换存储器(oxygen displacement memory，OxRAM)、导电桥接随机存取存储器(CBRAM)、磁阻随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变存储器(PCM))、碳纳米管随机存取存储器(NRAM)等或任何其他类型的存储器的结构。

MTJ 1613可以包括由隧道势垒层1903隔开的下磁性层1905和上磁性层1901。下磁性层1905和上磁性层1901可以是铁磁材料，诸如，钴-铁-硼(CoFeB)、钴铁(CoFe)和镍铁(NiFe)、钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、铁硼(FeB)、铁铂(FePt)等。隧道势垒层可以是金属氧化物，诸如氧化镁(MgO)、氧化铝(Al

存储器单元1617周围的电介质包括第一侧壁间隔件1619、钝化层1621和第二侧壁间隔件1623，但是可以包括更少的或其他的介电层。第一侧壁间隔件1619可以是例如氮化物(例如，氮氧化硅、氮化硅等)、碳化物(例如，碳化硅、碳氧化硅等)等。钝化层1621可以是例如金属氧化物(例如氧化铝、氧化铪等)等。第二侧壁间隔件1623可以是例如氧化物(例如，二氧化硅SiO

底部电极1615通过底部电极通孔1629连接到上部1645。底部电极1615、顶部电极1611和底部电极通孔1629可以是例如钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、铂(Pt)、金(Au)、铱(Ir)、钨(W)、镍(Ni)、钌(Ru)、铜(Cu)、硅化钨(WSi)、它们的组合等。底部电极通孔1629穿过包括第一蚀刻停止层1633、第二蚀刻停止层1631和绝缘层1625的介电层，但是可以使用更多或更少数量的介电层。在该处理阶段，所有这些层都可以延伸到逻辑区1681中。第一蚀刻停止层1633可以是例如氮化物(例如，氮氧化硅、氮化硅等)、碳化物(例如，碳化硅、碳氧化硅等)等。第二蚀刻停止层1631可以是例如氮化物(例如，氮氧化硅、氮化硅等)、碳化物(例如，碳化硅、碳氧化硅等)、金属氧化物(例如，氧化铝、氧化铪等)等。绝缘层1625可以是氧化物(例如二氧化硅(SiO

根据本公开的方法，金属线1652可以具有提供形成第二金属结构1646的金属材料的任何合适的成分。金属材料可以是铜(Cu)、银(Ag)或作为良导体的另一种金属，可以很容易地被氧化，并且在氧化时密度降低。逻辑层间介电层1648可以是氧化物(例如，二氧化硅(SiO

如图20的截面图2000所示，可以在图19的截面图1900所示的结构上方形成存储器层间介电层1601和无氮抗反射层(NFARL)2001。存储器层间介电层1601可以是例如由原硅酸四乙酯(TEOS)形成的氧化物层、低k介电层或极低k介电层。NFARL 2001可以是例如富硅氧化物(SRO)、碳氧化硅等。这些层例如可以通过CVD、PECVD、ALD等形成。

如图21的截面图2100所示，可以在图20的截面图2000所示的结构上方形成掩模2101，使用光刻法图案化掩模2101，然后用掩模2101蚀刻逻辑区域1681的NFARL 2001、存储器层间介电层1601、绝缘层1625和第二蚀刻停止层1631。蚀刻可以是在第一蚀刻停止层1633上停止的等离子体蚀刻。蚀刻之后，可以剥离掩模2101。

如图22的截面图2200所示，可以沉积逻辑层间介电层1648，然后沉积NFARL 2201。逻辑层间介电层1648可以沉积到比存储器单元1617的高度更高的高度。这些层可以通过CVD、PECVD、ALD等沉积。

如图23的截面图2300所示，可以使用掩模选择性地蚀刻存储器区域1683的逻辑层间介电层1648和NFARL 2201。蚀刻可以是等离子体蚀刻。可以使用抛光工艺来降低边界结构2301的高度。

如图24的截面图2400所示，可以在图23的截面图2300所示的结构上方形成硬掩模2401。如图25的截面图2500所示，硬掩模2401可以被图案化且用于形成穿过NFARL 2201、逻辑层间介电层1648和第一蚀刻停止层1633的开口2501，金属线1652通过该开口暴露。蚀刻可以使用多个图案化和蚀刻步骤进行，这些图案化和步骤组合在一起包括双镶嵌工艺，由此开口2501包括通孔部分2505和沟槽部分2503。

如图26的截面图2600所示，执行根据本公开的工艺以使得金属材料2601从金属线1652迁移到开口2501中。在该实例中，工艺在开口2501完全充满金属材料2601之前终止。

如图27的截面图2700所示，可以执行平坦化工艺以去除硬掩模2401、去除NFARL2201，并且由金属材料2601形成第二金属结构1646。平坦化工艺可以是CMP等。根据一些实施例，平坦化工艺还暴露顶部电极1611的上表面1608。可以在图27的截面图2700所示的结构上方形成另一金属化层以提供诸如图16的集成器件1600的器件。

图28至图33提供了一系列截面图2800-3300，它们示出了由图22至图27的截面图2200至2700示出的方法的变型。变型从图28的截面图2800开始，其类似于图22的截面图2200，不同之处在于在该实例中逻辑层间介电层1648具有较小的高度并且CMP停止层2801是紧接在逻辑层间介电层1648上方形成。CMP停止层2801的上表面2803与顶部电极1611垂直对齐。通过ALD形成逻辑层间介电层1648和/或CMP停止层2801可以促进这种对齐。

图29至图31的一系列截面图2900至3100示出了继续进行如图23至图25的一系列截面图2300-2500所示的工艺。如图32的截面图3200所示，当进行使金属线1652的金属材料2601迁移至开口2501的工艺时，继续该工艺直至开口2501被完全填满并且金属材料2601开始沉积在CMP停止层2801上。如图33的截面图3300所示，可以使用CMP工艺以由金属材料2601形成第二金属结构1646，如在图27的截面图2700所示的工艺，两者主要区别在于可以在CMP停止层2801的帮助下控制CMP工艺，并且CMP停止层2801可以保护逻辑层间介电层1648免受金属残留物的污染。

本申请的实施例提供一种集成器件，包括：衬底；第一金属结构，位于衬底上方；以及第二金属结构，位于第一金属结构正上方且与第一金属结构接触；其中，第二金属结构的水平截面小于第一金属结构的水平截面；以及第二金属结构包括第一金属结构的金属材料，第二金属结构的氧浓度高于第一金属结构。

在一些实施例中，金属材料是铜。

在一些实施例中，氧浓度随着第一金属结构上方的高度而增加。

在一些实施例中，在第二金属结构的中间高度处的氧浓度大于在第二金属结构的基部处的氧浓度。

在一些实施例中，还包括：第三金属结构，位于第二金属结构上方；其中，第二金属结构和第三金属结构设置在一个层间介电层内。

在一些实施例中，还包括：第三金属结构，位于第二金属结构正上方；其中，第三金属结构具有与第一金属结构相同的成分。

在一些实施例中，第二金属结构具有凸出的上表面。

本申请的实施例提供一种集成器件，包括：衬底；第一金属结构，位于衬底上方的第一介电层中；以及第二金属结构，位于第二介电层中；其中，第二金属结构位于第一金属结构正上方且与第一金属结构接触；第一金属结构通过扩散阻挡层与第一介电层隔开；以及第二金属结构直接接触第二介电层。

在一些实施例中，第一金属结构和第二金属结构包括铜。

在一些实施例中，第二金属结构的上表面与形成在第二介电层上方的蚀刻停止层或CMP停止层的上表面垂直对齐。

在一些实施例中，第二金属结构的上表面与存储器单元的顶部电极的上表面垂直对齐。

在一些实施例中，第二金属结构包括作为通孔的下部和作为线的上部。

在一些实施例中，第二介电层是极低k介电层。

在一些实施例中，还包括：第三金属结构，形成在第三介电层中的第二金属结构正上方；其中，第三金属结构通过第二扩散阻挡层与第三介电层隔开。

本申请的实施例提供一种形成集成器件的方法，包括：接收具有位于介电层正下方的金属结构的衬底；在介电层中形成开口以暴露金属结构；以及提供诱导金属材料从金属结构迁移到开口中的气体。

在一些实施例中，金属材料是铜。

在一些实施例中，气体包含氢化合物和氧化合物或包含氢和氧的化合物。

在一些实施例中，气体包括水(H

在一些实施例中，还包括：对已经迁移到开口中的金属材料进行退火。

在一些实施例中，还包括：化学机械抛光，使开口内的金属材料的上表面平坦化；其中，化学机械抛光暴露存储器单元的顶部电极。

本发明的一些方面涉及集成器件，集成器件具有形成在衬底上方的第一金属结构和位于第一金属结构正上方并与第一金属结构接触的第二金属结构。第二金属结构具有比第一金属结构更小的水平横截面。第二金属结构包括第一金属结构的金属材料，第二金属结构的氧浓度高于第一金属结构。

本发明的一些方面涉及集成器件，其具有在衬底上方的第一低k介电层中的第一金属结构和在第二低k介电层中的第二金属结构。第二金属结构位于第一金属结构正上方且与第一金属结构接触。第一金属结构通过扩散阻挡层与第一低k介电层隔开，而第二金属结构直接接触第二低k介电层。

本发明的一些方面涉及方法，其包括接收具有位于介电层正下方的金属结构的衬底。在介电层中形成开口以暴露金属结构。然后提供气体，其诱导金属材料从金属结构迁移到开口中。

前述概述了几个实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地将本公开用作设计或修改其他过程和结构的基础，以实现与本文介绍的实施例相同的目的和/或实现相同的优点。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，它们可以进行各种改变，替换和变更。