用于提高横向载流能力的半导体器件及方法

摘要

一种半导体结构及其制造方法。该半导体结构包括(a)衬底；(b)在所述衬底上的第一半导体器件；(c)在所述第一半导体器件上的N ILD(级间介质)层，其中N是大于1的整数；以及(d)与所述第一半导体器件电连接的导电线。所述导电线适于负载在平行于N ILD层的两个连续ILD层之间的界面表面的横向方向上的横向电流。所述导电线存在于N ILD层的至少两个ILD层中。所述导电线不包括适于负载在垂直于所述界面表面的垂直方向上的垂直电流的导电过孔。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件中载流能力的提高，更具体地说，涉及半导体器件中横向载流能力的提高。

背景技术

在常规集成电路(芯片)中，通常用易于电迁移的铜制造用于负载横向电流穿过芯片的横向载流线。因此，需要一种结构(和用于形成该结构的方法)，其中横向载流线与现有技术的横向载流线相比不易电迁移。

发明内容

本发明提供一种半导体结构，该半导体结构包括(a)衬底；(b)在所述衬底上的第一半导体器件；(c)在所述第一半导体器件上的N ILD(级间介质)层，其中N是大于1的整数；以及(d)与所述第一半导体器件电连接的第一导电线。其中所述第一导电线适于负载在平行于N ILD层的两个连续ILD层之间的界面表面的横向方向上的横向电流，其中所述第一导电线存在于所述N ILD层的至少两个ILD层中，并且其中所述第一导电线不包括适于负载在垂直于所述界面表面的垂直方向上的垂直电流的导电过孔。

本发明还提供一种半导体结构，该半导体结构包括：(a)衬底；(b)在所述衬底上的半导体器件；(c)在所述半导体器件上的N ILD(级间介质)层，其中N是大于1的整数；以及(d)在所述N ILD层的顶ILD层中的导电线，其中所述导电线通过多个P过孔和Q线与所述半导体器件电连接，其中所述P和Q是正整数并且P+Q大于2，其中所述多个P过孔和Q线互相交迭，以使存在贯穿所有所述多个P过孔和Q线的假想直线，并且其中所述多个P过孔和Q线位于所述N ILD层中。

本发明还提供一种半导体结构，该半导体结构包括：(a)衬底；(b)在所述衬底上的半导体器件；(c)在所述半导体器件上的N介质层，其中N是大于1的整数；以及(d)在所述N介质层的介质层中的导电线，其中所述导电线适于负载在平行于N介质层的两个连续介质层之间的界面表面的横向方向上的横向电流，其中所述导电线与所述半导体器件电连接，以及其中所述导电线包括对电迁移的阻力比铜大的材料。

本发明还提供一种半导体结构的制造方法，包括提供半导体结构，所述结构包括：(a)衬底；(b)在所述衬底上的半导体器件；以及(c)在所述半导体器件上的N ILD(级间介质)层，其中N是大于1的整数；形成与所述半导体器件电连接的第一导电线，其中所述第一导电线适于负载在平行于N ILD层的两个连续ILD层之间的界面表面的横向方向上的横向电流，其中所述第一导电线存在于所有N ILD层中，以及其中所述第一导电线不包括适于负载在垂直于所述界面表面的垂直方向上的垂直电流的导电过孔。

本发明提供一种结构(以及形成该结构的方法)，其中横向载流线与现有技术的那些横向载流线相比不易电迁移。

附图说明

图1A-1I根据本发明的实施例，示出了用于形成半导体结构的制造方法。

图2A-2D根据本发明的实施例，示出了用于形成第二半导体结构的第二制造方法。

图3A-3D根据本发明的实施例，示出了用于形成第三半导体结构的第三制造方法。

图4A-4D根据本发明的实施例，示出了用于形成第四半导体结构的第四制造方法。

具体实施方式

图1A-1I根据本发明的实施例，示出了用于形成半导体结构100的制造方法。更具体地说，通过参考图1A，在一个实施例中，半导体结构100的制造始于半导体衬底110，该衬底用作半导体集电极区域110用于随后形成的双极晶体管。示意性地，半导体衬底110包括如硅(Si)，锗(Ge)，硅锗(SiGe)，硅碳(SiC)的半导体材料以及如砷化镓(GaAs)，氮化镓(GaN)和磷化铟(InP)等的基本由一种或多种化合物半导体组成的那些材料。

下一步，在一个实施例中，在半导体衬底110的顶上形成半导体基极区域111，并且随后，通过使用任意常规方法在半导体基极区域111顶上形成半导体发射极区域112。半导体集电极区域110，半导体基极区域111，半导体发射极区域112可以统称为双极晶体管110+111+112。注意，如果半导体集电极区域110和半导体发射极区域112包括N-型掺杂剂(例如，磷或砷)并且半导体基极区域111包括P-型掺杂剂(例如，硼)，那么双极晶体管110+111+112就是NPN晶体管。还应注意，如果半导体集电极区域110和半导体发射极区域112包括P-型掺杂剂并且半导体基极区域111包括N-型掺杂剂，那么双极晶体管110+111+112就是PNP晶体管。

下一步，在一个实施例中，通过使用任意常规方法在半导体衬底110上形成FET(场效应晶体管)115。为了简化，在图1A中仅示出了FET 115的栅极电极区域113。

下一步，参考图1B，在一个实施例中，在图1A中的整个结构100顶上形成BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)层120。在一个实施例中，可以通过BPSG的材料的CVD(化学气相沉积)，接着进行CMP(化学机械抛光)步骤在图1A中的整个结构100顶上形成BPSG层120。然后，在一个实施例中，通过使用任意常规方法在BPSG层120中形成接触区域121，122，123，124和125。示意性地，接触区域121与半导体发射极区域112电连接；接触区域122与半导体基极区域111电连接；接触区域123和124与半导体集电极区域110电连接；并且接触区域125与半导体栅极电极区域113电连接。在一个实施例中，接触区域121，122，123，124和125包括钨。

下一步，参考图1C，在一个实施例中，例如通过介质材料的CVD，在图1B的结构100顶上形成ILD(级间介质)层130。然后，在一个实施例中，通过使用常规单镶嵌方法在ILD层130中形成金属线132(还称为导电线132)。示意性地，金属线132与接触区域125电连接。在一个实施例中，金属线132包括铜。在一个实施例中，在金属线132的侧壁和底部上有薄金属(例如，氮化钽)衬里层，但是为了简化没有示出此层。

下一步，参考图1D，在一个实施例中，在ILD层130顶上形成铜扩散阻挡层(以后称为阻挡层)140。在一个实施例中，可以通过在ILD层130顶上的CVD沉积形成阻挡层140。阻挡层可以包括氮化硅或碳化硅。

下一步，参考图1E，在一个实施例中，通过使用常规方法在阻挡层140顶上形成ILD层150。注意，ILD层150实际上包括两个或多个ILD子层(未示出)。

下一步，参考图1F，在一个实施例中，通过使用常规双镶嵌技术在ILD层150中形成沟槽-过孔组合151(包括沟槽151a和过孔151b)。在一个实施例中，形成沟槽-过孔组合151的蚀刻工艺基本停止于阻挡层140。

下一步，参考图1G，在一个实施例中，通过使用常规三镶嵌技术在ILD层150，阻挡层140和ILD层130中形成沟槽152a，152b和152c。在一个实施例中，形成沟槽152a，152b和152c的蚀刻工艺基本停止于BPSG层120并且分别将接触区域121，122，123和124的上表面121’，122’，123’和124’暴露于周围环境。在一个实施例中，形成沟槽152a，152b和152c的蚀刻工艺还除去阻挡层140的一部分以将金属线132的上表面132’暴露于周围环境。

下一步，在一个实施例中，用导电材料填充沟槽-过孔组合151，沟槽152a，152b和152c以分别形成线-过孔组合153+154(包括金属过孔153和金属线154)，横向载流线155a，155b和155c，导致图1H中的结构100。示意性地，通过在图1G的整个结构100的顶上(包括沟槽过孔组合151，沟槽152a，152b和152c)沉积导电材料形成线-过孔组合153+154，横向载流线155a，155b和155c，然后通过CMP步骤抛光以除去超出沟槽-过孔组合151，沟槽152a，152b和152c以外的材料。在一个实施例中，线-过孔组合153+154，横向载流线155a，155b和155c包括铜。在一个实施例中，在线-过孔组合153+154，横向载流线155a，155b和155c的侧壁和底部上有薄金属(例如，氮化钽)衬里层，但是为了简单没有示出这些层。注意，在图1H中，在ILD层130和150中存在横向载流线155a，155b和155c(其中，ILD层150包括两个ILD子层)。

下一步，参考图1I，在一个实施例中，在图1H的结构100顶上形成阻挡层160。然后，在一个实施例中，例如通过介质材料的CVD在阻挡层160顶上形成ILD层170。下一步，通过使用常规双镶嵌方法，在阻挡层160和ILD层170中形成线-过孔组合171+172(包括金属过孔171和金属线172)和173+174(包括金属过孔173和金属线174)。示意性地，线-过孔组合171+172与横向载流线155b电连接；并且线-过孔组合173+174与金属线153+154电连接。在一个实施例中，线-过孔组合171+172和173+174包括铜。在一个实施例中，在线-过孔组合171+172和173+174的侧壁和底部上有薄金属(例如，氮化钽)衬里层，但是为了简单没有示出这些层。

如图1I所示，横向载流线155a和155c具有大的横截面区域。作为结果，这两个横向载流线155a和155c可以向和从双极晶体管110+111+112的半导体发射极区域112和半导体集电极区域110传导高横向电流，而没有遭受电迁移效应。这在双极晶体管110+111+112用作半导体芯片中的功率晶体管的应用中特别有用。

图2A-2D根据本发明的实施例，示出了用于形成第二半导体结构200的第二制造方法。更具体地说，在一个实施例中，第二制造方法始于图2A的结构200。在一个实施例中，图2A的结构200类似于图1B的结构100。示意性地，图2A的结构200的形成类似于图1B的结构100的形成。注意，除了第一位阿拉伯数字，图2A的结构200和图1B的结构100的类似区域具有相同的标号。例如，BPSG层220(图2A)和BPSG层120(图1B)相似。

下一步，参考图2B，在一个实施例中，例如通过介质材料的CVD在图2A的结构200顶上形成ILD(级间介质)层230。然后，在一个实施例中，通过使用常规单镶嵌方法，在ILD层230中形成横向载流线231和232。示意性地，横向载流线231与接触区域221电连接；并且横向载流线231与接触区域223和224电连接。在一个实施例中，横向载流线231和232包括钨。注意，钨对电迁移的阻力比铜更大。

下一步，参考图2C，在一个实施例中，通过使用常规单镶嵌方法在ILD层230中形成金属线233和234。示意性地，金属线233与接触区域222电连接；金属线234与接触区域225电连接。在一个实施例中，金属线233和234包括铜。

下一步，参考图2D，在一个实施例中，阻挡(例如，氮化硅)层240，ILD层250，和线-过孔组合251+252(包括金属过孔251和金属线252)和253+254(包括金属过孔253和金属线254)的形成分别类似于图1I中的阻挡层160，ILD层170和线-过孔组合171+172(包括金属过孔171和金属线172)和173+174(包括金属过孔173和金属线174)的形成。然后，在一个实施例中，阻挡层260，ILD层270和线-过孔组合271+272(包括金属过孔271和金属线272)和273+274(包括金属过孔273和金属线274)的形成分别类似于图1I中的阻挡层160，ILD层170和线-过孔组合171+172(包括金属过孔171和金属线172)和173+174(包括金属过孔173和金属线174)的形成。

如图2D所示，横向载流线231和232包括钨，其比铜更不易受到电迁移效应影响。作为结果，这两种横向载流线231和232可以向和从双极晶体管210+211+212的半导体发射极区域212和半导体集电极区域210传导高横向电流，而没有遭受电迁移效应。这在双极晶体管210+211+212用作半导体芯片中的功率晶体管的应用中特别有用。

图3A-3D根据本发明的实施例，示出了用于形成第三半导体结构300的第三制造方法。更具体地说，在一个实施例中，第三制造方法始于图3A的结构300。在一个实施例中，图3A的结构300类似于图1A的结构100。示意性地，图3A的结构300的形成类似于图1A的结构100的形成。注意，除了第一位阿拉伯数字，图3A的结构300和图1A的结构100的类似区域具有相同的标号。例如，半导体基极区域311(图3A)和半导体基极区域111(图1A)相似。

下一步，参考图3B，在一个实施例中，在图3A的整个结构300的顶上形成BPSG层320。在一个实施例中，可以通过BPSG材料的CVD，接着CMP(化学机械抛光)步骤在图3A的整个结构300顶上形成BPSG层320。然后，在一个实施例中，通过使用常规方法在BPSG层320中形成横向载流线321和323以及接触区域322，324，325和326。示意性地，横向载流线321与半导体发射极区域312电连接；接触区域322与半导体基极区域311电连接；接触区域324和325和横向载流线323与半导体集电极区域310电连接；并且接触区域326与栅极电极区域313电连接。在一个实施例中，横向载流线321和323以及接触区域322，324，325和326包括钨。

下一步，参考图3C，在一个实施例中，形成ILD层330和金属线331和332。更具体地，ILD层330和金属线331和332的形成分别类似于图1C中ILD层130和金属线132的形成。

下一步，参考图3D，在一个实施例中，图3D的结构300的形成类似于从图2C到图2D的结构200的形成。

如图3D所示，横向载流线321和323包括钨，其比铜更不易受到电迁移效应影响。作为结果，这两种横向载流线321和323可以向和从双极晶体管310+311+312的半导体发射极区域312和半导体集电极区域310传导高横向电流，而没有遭受电迁移效应。这在双极晶体管310+311+312用作半导体芯片中的功率晶体管的应用中特别有用。

图4A-4D根据本发明的实施例，示出了用于形成第四半导体结构400的第四制造方法。更具体地说，在一个实施例中，第四制造方法始于图4A的结构400。在一个实施例中，图4A的结构400类似于图1B的结构100。示意性地，图4A的结构400的形成类似于图1B的结构100的形成。注意，除了第一位阿拉伯数字，图4A的结构400和图1B的结构100的类似区域具有相同的标号。例如，半导体基极区域411(图4A)和半导体基极区域111(图1B)相似。

下一步，参考图4B，在一个实施例中，例如通过介质材料的CVD在图4A的结构400顶上形成ILD层430。然后，在一个实施例中，通过使用常规单镶嵌方法，在ILD层430中形成金属线431，432，433和434。示意性地，金属线433与接触区域421电连接；金属线432与接触区域422电连接；金属线434与接触区域323和324电连接；并且金属线431与接触区域425电连接。在一个实施例中，金属线431，432，433和434包括铜。

下一步，参考图4C，在一个实施例中，例如，通过氮化硅的CVD在图4B的结构400顶上形成阻挡(例如，氮化硅)层440。然后，例如通过介质材料的CVD在阻挡层440的顶上形成ILD层450。下一步，在一个实施例中，通过使用常规的双镶嵌方法，在阻挡层440和ILD层450中形成线-过孔组合451+452，453+454，455+456+457和458+459(类似于图1C的线-过孔组合171+172)。示意性地，线-过孔组合451+452与金属线433电连接；线-过孔组合453+454与金属线432电连接；线-过孔组合455+456+457与金属线434电连接；并且线-过孔组合458+459与金属线431电连接。在一个实施例中，线-过孔组合451+452，453+454，455+456+457和458+459包括铜。在一个实施例中，在线-过孔组合451+452，453+454，455+456+457和458+459的侧壁和底部上有薄金属(例如氮化钽)衬里层，但是为了简单没有示出这些层。下一步，在一个实施例中，以相似的方式，形成阻挡层460，ILD层470和线-过孔组合471+472，473+474，475+476+477和478+479。

下一步，参考图4D，在一个实施例中，例如通过介质材料的CVD在ILD层470顶上形成ILD层480。下一步，在一个实施例中，通过使用任意常规的方法，在ILD层480中形成接触区域481和482以及横向载流线483和484(如图4D所示)。在一个实施例中，接触区域481和482包括钨。在一个实施例中，接触区域481通常将线-过孔组合471+472与横向载流线483电连接；并且接触区域482通常将线-过孔组合475+476+477与横向载流线484电连接。注意，金属过孔472和452以及金属线471，451和433互相交迭。换句话说，存在贯穿所有金属过孔472和452以及金属线471，451和433的假想直线。因此，获得了短长度效应的优点。结果，在向/从双极晶体管410+411+412从/向横向载流线483的电路径中没有电迁移。

如图4D中所示，横向载流线483和484具有大的横截面区域。结果，这两个横向载流线483和484可以向和从双极晶体管410+411+412的半导体发射极区域412和半导体集电极区域410传导高横向电流，而没有遭受电迁移效应。这在双极晶体管410+411+412用作半导体芯片中的功率晶体管的应用中特别有用。

虽然为了说明目的这里描述了本发明的具体实施例，但是本领域的技术人员会明白许多修改和变化。因此，附加权利要求旨在包括落入本发明的真正精神和范围内的所有这样的修改和变化。