金属连接孔及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种金属连接孔及其形成方法。

背景技术

芯片的关键尺寸进入90nm以下后，后段的金属连线采用铜线工艺，由于其铜线结构似“大马士革结构”，因此，铜线工艺也叫“大马士革”工艺。图1是现有技术中的金属连接孔的SEM图。铜线工艺中的上层金属层沟槽刻蚀与金属连接孔刻蚀采用一步法刻蚀完成，但现有的一步法会导致金属连接孔100的顶部形貌倾斜，如图1所示，无法形成垂直的连接孔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属连接孔及其形成方法，以解决金属连接孔的顶部形貌倾斜的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种金属连接孔的形成方法，包括：

提供一衬底，所述衬底上形成有第一介质层和位于所述第一介质层中的下层金属层，在所述下层金属层和所述第一介质层上依次形成有第一刻蚀停止层、第二介质层、第二刻蚀停止层、第三介质层；

形成第一沟槽和第一通孔，所述第一沟槽贯穿所述第三介质层并停止在所述第二刻蚀停止层上，所述第一通孔贯穿所述第二刻蚀停止层和所述第二介质层并停止在所述第一刻蚀停止层上，所述第一沟槽和所述第一通孔连通；

刻蚀所述第一沟槽形成第二沟槽，同时刻蚀所述第一通孔形成第二通孔，所述第二沟槽贯穿所述第三介质层和第二刻蚀停止层，所述第二通孔贯穿所述第二介质层和所述第一刻蚀停止层并暴露出所述下层金属层，所述第二沟槽构成上层金属层沟槽，所述第二通孔构成金属连接孔。

可选的，所述第二刻蚀停止层的厚度小于或者等于所述第一刻蚀停止层的厚度。

可选的，所述第一刻蚀停止层和所述第二刻蚀停止层的材质为掺氮的碳化硅。

可选的，所述第一刻蚀停止层和所述第二刻蚀停止层的介电常数为2.8至3.3。

可选的，所述第一介质层、所述第二介质层和第三介质层的材质为黑钻石。

可选的，形成所述第一沟槽和所述第一通孔的步骤包括：

在所述第三介质层上依次形成第四介质层、图形化的阻挡层、抗反射层和图形化的光刻胶层；

以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述抗反射层和所述第四介质层以形成第一开口，所述第一开口贯穿所述抗反射层和所述第四介质层并暴露出第三介质层；

以图形化的光刻胶层为掩膜，继续刻蚀第三介质层和第二刻蚀停止层，以形成第二开口，所述第二开口为第一开口在第三介质层和第二刻蚀停止层中的延伸；

去除所述图形化的光刻胶层和所述抗反射层，暴露出所述图形化的阻挡层中的第三开口；

以所述图形化的阻挡层为掩膜，刻蚀所述第四介质层和所述第三介质层形成第一沟槽，刻蚀所述第二介质层形成第一通孔。

可选的，所述第一通孔为所述第二开口在所述第二介质层内的延伸。

可选的，所述图形化的阻挡层的材质为氮化钛。

可选的，采用等离子刻蚀工艺形成所述第一沟槽、所述第一通孔、所述第二沟槽和所述第二通孔。

基于同一发明构思，本发明还提供一种金属连接孔，采用上述任一项所述的金属连接孔的形成方法制作而成。

在本发明提供的金属连接孔及其形成方法中，通过在第二介质层和第三介质层中间增加第二刻蚀停止层，也即缓冲层，在刻蚀上层金属层沟槽时，利用第二刻蚀停止层的阻挡作用，避免上层金属层沟槽直角处的第二介质层被等离子体过刻蚀，从而避免形成倾斜的金属连接孔形貌。同时，第二刻蚀停止层可以定义上层金属层沟槽的深度，也即上层金属的深度，同理，第二刻蚀停止层也可以定义金属连接孔的深度，避免利用刻蚀时间和刻蚀速率这两个不稳定的参数控制上层金属层沟槽的深度和金属连接孔的深度。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。

图1是现有技术中的金属连接孔的SEM图。

图2是本发明实施例的金属连接孔的形成方法流程图。

图3至图8是本发明实施例的金属连接孔的形成方法对应步骤的结构示意图。

附图中：100-金属接触孔；10-衬底；11-第一介质层；12-下层金属层；13-第一刻蚀停止层；14-第二介质层；15-第二刻蚀停止层；16-第三介质层；17-第四介质层；18-图形化的阻挡层；19-抗反射层；20-图形化的光刻胶层；21-第一开口；22-第二开口；23-第三开口；24-第一沟槽；24a-第二沟槽；25-第一通孔；25a-第二通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图2是本发明实施例的金属连接孔的形成方法流程图。如图2所示，本实施例提供一种金属连接孔的形成方法，包括：

步骤S10，提供一衬底，所述衬底上形成有第一介质层和位于所述第一介质层中的下层金属层，在所述下层金属层和所述第一介质层上依次形成有第一刻蚀停止层、第二介质层、第二刻蚀停止层、第三介质层；

步骤S20，形成第一沟槽和第一通孔，所述第一沟槽贯穿所述第三介质层并停止在所述第二刻蚀停止层上，所述第一通孔贯穿所述第二刻蚀停止层和所述第二介质层并停止在所述第一刻蚀停止层上，所述第一沟槽和所述第一通孔连通；

步骤S30，刻蚀所述第一沟槽形成第二沟槽，同时刻蚀所述第一通孔形成第二通孔，所述第二沟槽贯穿所述第三介质层和第二刻蚀停止层，所述第二通孔贯穿所述第二介质层和所述第一刻蚀停止层并暴露出所述下层金属层，所述第二沟槽构成上层金属层沟槽，所述第二通孔构成金属连接孔。

图3至图8是本发明实施例的金属连接孔的形成方法对应步骤的结构示意图。为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合说明书附图3至图8对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图3所示，提供一衬底10，在一些实施方式中，衬底10可以为半导体衬底，由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如Si、SiC、SiGe等)制成。在另一些实施方式中，衬底10也可以为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗硅等各种复合衬底。本领域技术人员均理解衬底10不受到任何限制，而是可以根据实际应用进行选择。衬底10中可以形成有各种装置(不限于半导体装置)构件。衬底10还可以已经形成有其他层或构件，例如：栅极结构、接触孔、介质层、金属连线和通孔等等。

请继续参考图3，所述衬底10上形成有第一介质层11和位于所述第一介质层11中的下层金属层12，在所述下层金属层12和所述第一介质层11上依次形成有第一刻蚀停止层13、第二介质层14、第二刻蚀停止层15、第三介质层16；所述第一介质层11、第二介质层14和第三介质层16的材质相同，所述第一介质层11、第二介质层14和第三介质层16的材质均为SiCOH，也称之为黑钻石(Black Diamond，BD)，黑钻石为一种疏松的含有硅、氧、碳、氢元素的类似氧化物(Oxide)，介电常数较低。采用化学气相沉积工艺形成所述第一介质层11、第二介质层14和第三介质层。下层金属层12的材质例如是铜，采用物理气相沉积工艺形成下层金属层12。第一刻蚀停止层13和第二刻蚀停止层15的材质相同，第一刻蚀停止层13和第二刻蚀停止层15的材质例如是掺氮的碳化硅(Nitrogen doped SIC，NDC)，掺氮的碳化硅(SiCN)硬度较大，适合作为刻蚀停止层材料。采用化学气相沉积工艺形成第一刻蚀停止层13和第二刻蚀停止层15。第一刻蚀停止层13和第二刻蚀停止层15的K值很低，第一刻蚀停止层13和第二刻蚀停止层15的介电常数的K值范围例如是2.8-3.3，形成的金属层之间的电容效应非常小。

请继续参考图3，第三介质层16上依次形成有第四介质层17、图形化的阻挡层18、抗反射层19和图形化的光刻胶层20；第四介质层17的材质例如是氧化层，以TEOS(四乙氧基硅烷)为硅源，采用LPCVD或PECVD形成第四介质层17。图形化的阻挡层18的材质例如是氮化钛(TIN)，采用化学气相沉积工艺形成。抗反射层19位于图形化的光刻胶层20的底部，用于减少光刻工艺中光的反射。图形化的光刻胶层20的开口和下层金属层12相对应，也即图形化的光刻胶层20的开口暴露出下层金属层12上对应的抗反射层19。

如图4所示，以图形化的光刻胶层20为掩膜，刻蚀所述抗反射层19和所述第四介质层17以形成第一开口21，所述第一开口21贯穿所述抗反射层19和所述第四介质层17并暴露出第三介质层16，且与下层金属层12相对应。刻蚀工艺采用干法刻蚀工艺。本步骤中的工艺也称之为BT(break through)工艺，其主要作用是去除表面的氧化层。在BT工艺中，刻蚀气体例如是采用CF

如图5所示，以图形化的光刻胶层20为掩膜，继续刻蚀第三介质层16和第二刻蚀停止层15，以形成第二开口22，所述第二开口22为第一开口21在第三介质层16和第二刻蚀停止层15中的延伸；刻蚀工艺采用干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺例如是等离子刻蚀工艺。本步骤中的工艺也即PV(partial via，部分通孔)工艺。

如图6所示，去除图形化的光刻胶层20和所述抗反射层19，暴露出图形化的阻挡层18中的第三开口23；所述第三开口23的开口宽度大于第二开口22的开口宽度。实际上，经过BT工艺和PV工艺，图形化的光刻胶层20已经消耗的所剩无几，如果图形化的光刻胶层20还未消耗殆尽，还需要进行去除光刻胶工艺，通常采用灰化工艺或者剥离的方式去除残留的图形化的光刻胶。

如图7所示，以图形化的阻挡层18为掩膜，刻蚀所述第四介质层17和所述第三介质层16形成第一沟槽24，刻蚀所述第二介质层形成第一通孔25。所述第一通孔25为所述第二开口22在所述第二介质层14内的延伸。第一沟槽24停止在第二刻蚀停止层15上，第一通孔25也停止在第一刻蚀停止层13上。第二刻蚀停止层15也即缓冲层，用于缓冲上层金属层沟槽的形成。刻蚀工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺例如是等离子刻蚀工艺，本步骤的工艺也即沟槽(trench，TR)形成工艺。由于经过图形化的光刻胶层20太薄，无法作为刻蚀第四介质层17的掩膜，因此，增加图形化的阻挡层18，用于刻蚀第四介质层17的阻挡层。

如图8所示，继续以图形化的阻挡层18为掩膜，刻蚀所述第二刻蚀停止层15和第一刻蚀停止层13，也即刻蚀所述第一沟槽24形成第二沟槽24a，同时刻蚀所述第一通孔25形成第二通孔25a，所述第二沟槽24a贯穿所述第三介质层16和第二刻蚀停止层15，所述第二通孔25a贯穿所述第二介质层14和所述第一刻蚀停止层13并暴露出所述下层金属层12，所述第二沟槽24a构成上层金属层沟槽，所述第二通孔25a构成金属连接孔。所述第二刻蚀停止层15的厚度小于或者等于所述第一刻蚀停止层13的厚度，以将第二刻蚀停止层15刻蚀完全，避免第二沟槽24a内残留第二刻蚀停止层15、降低半导体器件的良率。利用第二刻蚀停止层15的阻挡作用，在刻蚀第二沟槽24a时，避免第二沟槽24a直角处的第二介质层14被等离子体过刻蚀，从而避免形成倾斜的金属连接孔形貌。同时，第二刻蚀停止层15可以定义第二沟槽24a的深度，也即上层金属的深度，同理，第二刻蚀停止层也可以定义金属连接孔的深度，避免利用刻蚀时间和刻蚀速率这两个不稳定的参数控制第二沟槽的深度和金属连接孔的深度。

请继续参考图8，本实施例还提供一种金属连接孔，采用上述金属连接孔的形成方法制作而成，包括：

衬底10，所述衬底10上形成有第一介质层11和位于所述第一介质层11中的下层金属层12，在所述下层金属层12和所述第一介质层11上依次形成有第一刻蚀停止层13、第二介质层14、第二刻蚀停止层15、第三介质层16、第四介质层17和图形化的阻挡层18。

上层金属层沟槽，也即第二沟槽24a，所述第二沟槽24a依次贯穿图形化的阻挡层18、第四介质层17、第三介质16和第二刻蚀停止层15；上层金属层沟槽用于填充上层金属层。

金属连接孔，也即第二通孔25a，所述第二通孔25a贯穿第二介质层14和第一刻蚀停止层13；金属连接孔用于填充金属插塞，金属插塞用于连接上层金属层和下层金属层。

综上可见，在本发明实施例提供的金属连接孔及其形成方法中，通过在第二介质层和第三介质层中间增加第二刻蚀停止层，也即缓冲层，在刻蚀上层金属层沟槽时，利用第二刻蚀停止层的阻挡作用，避免上层金属层沟槽直角处的第二介质层被等离子体过刻蚀，从而避免形成倾斜的金属连接孔形貌。同时，第二刻蚀停止层可以定义上层金属层沟槽的深度，也即上层金属的深度，同理，第二刻蚀停止层也可以定义金属连接孔的深度，避免利用刻蚀时间和刻蚀速率这两个不稳定的参数控制上层金属层沟槽的深度和金属连接孔的深度。其中，所述第二刻蚀停止层的厚度小于或者等于所述第一刻蚀停止层的厚度，以将第二刻蚀停止层刻蚀完全，以避免上层金属层沟槽内残留第二刻蚀停止层、降低半导体器件的良率。

此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。