金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法

摘要

一种金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，包括提供一含有金属钴互连线层结构的衬底，在衬底上形成介质层；对介质层进行光刻刻蚀工艺，形成金属钨通孔层；利用湿法刻蚀工艺向下刻蚀位于金属钴互连线层结构表面的部分金属钴，在金属钨通孔层中的通孔底部形成铆钉状形貌；用选择性钨沉积工艺填充金属钨通孔层中的通孔，形成底部铆钉状的钨通孔；依次沉积TiN粘附层和金属钨层，在通孔层形成通孔钨塞覆盖层；对金属钨通孔层进行钨化学机械平坦化，去除通孔钨塞覆盖层，以形成平坦化的所述通孔层。本发明利用湿法工艺各向同性特点，在通孔底部形成铆钉状的钨来阻挡CMP研磨液渗透的方法，解决了7nm及以下节点钴缺失的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路工艺技术领域，特别是涉及一种金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，用于解决7nm及以下节点制作工艺中互连线层的钴缺失。

背景技术

随着半导体器件尺寸的缩小，接触孔或接触槽CD缩小，方块电阻(SheetResistance RS)随之增大，粘结层(Ti/TiN)对RS的贡献越来越明显。目前，国际上多个研究机构都已经开展了对无需粘结层的选择性钨沉积工艺(selective W deposition)技术的研究，尤其应用在10nm及以下技术节点的通孔层Via 0(V0)的填充上，已经取得了一定的成果，由于7nm开始对互连线层(M0)中接触槽的RS有更高的要求，通常需要采用RS更低的钴金属来取代传统的钨金属。

现有技术中的金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，金属钨通孔层采用无粘结层的选择性金属钨沉积工艺。

然而，本领域技术人员清楚，如果金属钨通孔层采用无粘结层的选择性金属钨沉积工艺，那么，金属钨通孔层和侧壁的氧化硅/氮化硅介质层粘结不是很好，这会导致后续金属钨通孔层中钨在化学机械研磨(钨研磨W CMP)制造工序中，CMP的研磨液通过这个界面腐蚀下层(金属钴互连线层)中的活泼钴，产生钴缺失问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，用于解决7nm及以下节点钴缺失，其通过利用湿法工艺各向同性特点，形成底部铆钉状的所述金属钨通孔层的通孔，来阻挡CMP研磨液渗透，从而解决了钴缺失问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，其包括如下步骤：

步骤S1：提供一具有金属钴互连线层结构的衬底，在衬底上形成介质层；

步骤S2：对所述介质层进行标准光刻刻蚀工艺，形成图形化后的金属钨通孔层；其中，所述金属钨通孔层中的通孔贯穿所述介质层，停止在所述金属钴互连线层结构的表面；

步骤S3：利用湿法刻蚀工艺向下刻蚀位于所述金属钴互连线层结构表面的部分金属钴，在所述金属钨通孔层中的通孔底部形成铆钉状形貌；

步骤S4：利用选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层中的通孔，形成底部铆钉状的钨通孔；

步骤S5：依次沉积TiN粘附层和金属钨层，以在所述通孔层形成通孔钨塞覆盖层；

步骤S6：对所述金属钨通孔层进行钨化学机械平坦化工艺，去除所述通孔钨塞覆盖层，以形成平坦化的所述通孔层。

进一步地，所述介质层从下到上依次包括接触孔刻蚀停止层和氧化硅层。

进一步地，所述接触孔刻蚀停止层的材料为氮化硅或掺氮碳化硅。

进一步地，所述步骤S4还包括对所述通孔层表面进行压应力工艺，以增加所述介质层中的介质和所述通孔中的金属钨与侧壁之间的压应力。

进一步地，所述压应力工艺为等离子体偏压轰击工艺。

进一步地，所述等离子体偏压轰击工艺为重离子等离子体偏压轰击工艺。

进一步地，所述重离子为Ar离子。

进一步地，所述介质层从下到上依次包括接触孔刻蚀停止层和流动式化学气相沉积氧化硅层，所述步骤S4还包括对所述流动式化学气相沉积氧化硅层进行水汽退火工艺，以进一步增加所述介质层中的介质和所述通孔钨塞侧壁之间的压应力。

进一步地，所述互连线层结构为互连线层结构M0；所述通孔层为通孔层V0。

进一步地，所述铆钉状形貌的通孔底部的宽度与所述金属钴互连线层中互连线的宽度相同。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，其通过在选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层的通孔前，利用湿法刻蚀工艺各向同性特点，刻蚀掉一小部分钴，形成铆钉状形貌，随后选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层的通孔及采用CVD沉积钨塞覆盖层后，后续所述金属钨通孔层的钨CMP的研磨液透过金属钨和侧壁的氧化硅/氮化硅界面后只接触到钨，从而保护了下面的钴金属，解决了钴缺失问题，且从工艺集成来看，并不复杂。

附图说明

图1所示为本发明实施例中金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法的流程图

图2-图9所示为本发明一较佳实施例中金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成过程示意图

具体实施方式

下面结合附图1-9，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法，其通过在选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层的通孔前，利用湿法刻蚀工艺各向同性特点，向下刻蚀位于所述金属钴互连线层结构表面的部分金属钴，在所述金属钨通孔层中的通孔底部形成铆钉状形貌，随后选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层通孔及采用CVD沉积钨塞覆盖层后，后续所述金属钨通孔层的钨CMP的研磨液透过钨和侧壁的氧化硅/氮化硅界面后仅能接触到钨，从而保护了下面的钴金属，解决了钴缺失问题。

请参阅图1，图1所示为本发明实施例中金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法的流程图。在本发明的实施例中，该金属钴互连层和钨金属接触孔层的形成方法具体包括如下步骤：

步骤S1：提供一具有金属钴互连线层结构的衬底，在衬底上形成介质层；

步骤S2：对所述介质层进行标准光刻刻蚀工艺，形成图形化后的金属钨通孔层；其中，所述金属钨通孔层中的通孔贯穿所述介质层，停止在所述金属钴互连线层结构的表面；

步骤S3：利用湿法刻蚀工艺向下刻蚀位于所述金属钴互连线层结构表面的部分金属钴，在所述金属钨通孔层中的通孔底部形成铆钉状形貌；

步骤S4：利用选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层中的通孔，形成底部铆钉状的钨通孔；

步骤S5：依次沉积TiN粘附层和金属钨层，以在所述通孔层形成通孔钨塞覆盖层；

步骤S6：对所述金属钨通孔层进行钨化学机械平坦化工艺，去除所述通孔钨塞覆盖层，以形成平坦化的所述通孔层。

进一步地，所述互连线层结构为互连线层结构M0；所述通孔层为通孔层V0。

下面通过一个具体的实施例来示例性说明本发明的技术方案。

在本发明的实施例中，所述介质层从下到上依次包括接触孔刻蚀停止层(contactetch stop layer，简称CESL)和氧化硅层。较佳地，所述接触孔刻蚀停止层的材料为氮化硅或掺氮碳化硅。

请参阅图2-图9，图2-图9所示为本发明一较佳实施例中金属钴互连层和金属钨接触孔层的形成过程示意图。如图2所示，图中提供一含有金属钴互连线层结构2的衬底1，在衬底1上形成介质层3(氮化硅31和氧化硅32)，其中，所述金属钴互连线层结构2中互连线材料包括金属钴，氮化硅31为接触孔刻蚀停止层(CESL)。

如图3所示，图中所示对所述介质层进行标准光刻刻蚀工艺后的结果图形，即形成图形化后的金属钨通孔层；其中，所述金属钨通孔层中的通孔贯穿所述介质层，也就是说，所述金属钨通孔层中的通孔已刻穿接触孔刻蚀停止层(CESL)，停止在所述金属钴互连线层结构中互连线的表面上。

如图4所示，利用湿法刻蚀工艺向下刻蚀位于所述金属钴互连线层结构表面的部分金属钴，在所述金属钨通孔层中的通孔底部形成铆钉状形貌。也就是说，该铆钉状形貌头部的凸出部分已延伸至所述金属钴互连线层中，且其铆钉状形貌头部两侧也已延伸所述金属钴互连线层中，贴附在所述金属钨通孔层通孔底部附近的介质层底部，这样，如果后续采用CVD沉积钨塞覆盖层后，就形成了铆钉状形貌的阻挡层，使后续所述金属钨通孔层的钨CMP的研磨液透过钨通孔底部和侧壁的氧化硅/氮化硅界面后仅能接触到钨，并不能渗透到所述金属钴互连线层，即完全隔绝了钨CMP的研磨液同金属钴的接触。

如图5所示，图中所示利用选择性钨沉积工艺填充所述金属钨通孔层中的通孔，形成底部铆钉状的钨通孔。如图所示，根据需要，还可以将铆钉下端(即铆钉的头部)铆钉下端加宽，较佳地，所述铆钉状形貌的通孔底部的宽度与所述金属钴互连线层中互连线的宽度相同，进一部增强封闭下渗路径。

在本发明的一个实施例中，为进一步增加所述介质层中的介质和所述通孔中的金属钨与侧壁之间的压应力(如图6所示)，所述步骤S4还包括对所述通孔层表面进行压应力工艺，以增加所述介质层中的介质和所述通孔中的金属钨与侧壁之间的压应力。

进一步地，所述压应力工艺为等离子体偏压轰击工艺。较佳地，所述等离子体偏压轰击工艺为重离子等离子体偏压轰击工艺。例如，所述重离子为Ar离子(如图7所示)。

在本发明的另一个实施例中，所述介质层从下到上依次包括接触孔刻蚀停止层和流动式化学气相沉积氧化硅层，所述步骤S4还包括对所述流动式化学气相沉积氧化硅层进行水汽退火工艺，以进一步增加所述介质层中的介质和所述通孔中的金属钨与侧壁之间的压应力。

如图8所示，图中所示采用原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺沉积一TiN粘附层，再沉积一金属钨层，以在所述通孔层形成通孔钨塞覆盖层。

需要说明的是，通孔钨塞覆盖层的作用是后续CMP平坦化工艺作为铺垫的，如果没有通孔钨塞覆盖层，直接对所述金属钨通孔层中的通孔进行CMP，通孔里的钨塞很有可能由于机械力的作用，被连根拔掉，造成缺陷问题，影响良率。

如图9所示，图中所示对所述金属钨通孔层进行钨化学机械平坦化工艺，去除所述通孔钨塞覆盖层，以形成平坦化的所述通孔层。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。