半导体结构的制作方法

1.本技术涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种半导体结构。


背景技术：

2.半导体集成电路器件包括部署有图形化金属的金属层，金属层上部分金属用于传输信号，例如：时钟信号、晶体管的控制端信号等。
3.随着半导体集成电路器件集成密度的增加，特别是在一些复杂的集成电路中，由于金属层上图形化金属产生的寄生效应，对金属层上的信号传输产生了延迟，从而导致半导体集成电路的性能降低。如何降低图形化金属上的寄生效应的影响成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术提供一种半导体结构，旨在减少半导体结构中信号线的寄生电容和各个虚拟金属块之间的寄生电容，并保证半导体结构中各层金属层的布线均匀性。
5.本技术提供一种半导体结构，包括：多层金属层和衬底；
6.金属层上设有多个虚拟金属块和至少一个信号线；
7.相邻的两层金属层上的虚拟金属块在垂直于衬底的方向上相互错开；
8.第一虚拟金属块在衬底上的第一投影呈多边形，第一投影有多个与目标信号线在衬底上的第二投影相对的有效边，且第一投影的有效边到第二投影所在直线的距离不同；
9.其中，第一虚拟金属块是目标金属层中距离目标信号线最近的虚拟金属块，目标金属层是目标信号线所在的金属层。
10.在一实施例中，相邻的两层金属层上的虚拟金属块在衬底的投影不重叠。
11.在一实施例中，第二投影所在的直线到第一投影的几何中心的第一距离，小于或等于第二投影所在的直线到第二虚拟金属块在衬底上的第三投影的几何中心的第二距离；
12.其中，第二虚拟金属块是其他金属层中距离目标信号线最近的虚拟金属块，其他金属层是目标金属层以外的金属层。
13.在一实施例中，第二虚拟金属块所在的金属层与目标金属层之间相差2n层金属层，n≥0，n且为整数。
14.在一实施例中，每层金属层上的虚拟金属块呈阵列分布。
15.在一实施例中，目标金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影矩阵和第二虚拟金属块所在的金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影矩阵相互交叉布置。
16.在一实施例中，目标金属层上的四个相邻的虚拟金属块的投影之间有一个第二虚拟金属块所在的金属层上的虚拟金属块的投影；四个相邻的虚拟金属块在衬底上的投影位于不同象限。
17.在一实施例中，每层金属层上的虚拟金属块呈矩形阵列分布。
18.在一实施例中，不相邻的两层金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠。
19.在一实施例中，重叠金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影与目标金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠；
20.其中，重叠金属层与目标金属层之间相差2n 1层金属层，n≥0，n且为整数。
21.在一实施例中，与目标金属层之间相差2n 1层金属层的金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠，n≥0，n且为整数。
22.在一实施例中，多层金属层包括第一金属层、第二金属层以及第三金属层；第一金属层为底层金属层，第二金属层高于第一金属层，第三金属层高于第二金属层；
23.第一金属层上设有目标信号线，第一金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影呈矩形阵列分布，第二金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影呈矩形阵列分布，第三金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影呈矩形阵列分布；
24.第一金属层上的四个相邻的虚拟金属块的投影之间有一个第二金属层上的虚拟金属块的投影；四个相邻的虚拟金属块在衬底上的投影位于不同象限；
25.第一金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影与第三金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠。
26.在一实施例中，虚拟金属块在衬底上的投影呈十字型、六边形或者八边形。
27.在一实施例中，目标信号线是根据至少一个信号线的布局，从至少一个信号线中选择的。
28.在一实施例中，目标信号线用于传输时钟信号。
29.本技术提供一种半导体结构，半导体结构包括衬底和多层金属层，金属层上设有信号线和虚拟金属块，相较于不相邻的金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容，相邻金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容更大，通过让相邻金属层中虚拟金属块在垂直于衬底方向上错开，可以有效减少相邻金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容，减少在制造半导体结构过程中虚拟金属块上收集的电荷量，提升半导体结构制造的良率。第一虚拟金属块在衬底上的第一投影呈多边形，通过设置第一投影的每个有效边到第二投影所在直线的距离不同，减少第一虚拟金属块和目标信号线之间寄生电容的有效距离，从而减少目标信号线的寄生电容，以减少目标信号线上所传输信号的延时或者使信号的上升/下降沿更陡。
附图说明
30.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
31.图1为本技术一实施例提供的半导体结构的主视图；
32.图2为本技术一实施例提供的信号线的布局示意图；
33.图3为本技术一实施例提供的半导体结构中金属层的制作示意图；
34.图4为本技术一实施例提供的信号线和虚拟金属块的布局示意图；
35.图5为本技术一实施例提供的半导体结构中虚拟金属块的布局示意图；
36.图6为图5所示实施例提供的半导体结构中虚拟金属块的布局示意图；
37.图7为本技术一实施例提供的信号线和虚拟金属块之间寄生电容的示意图；
38.图8为本技术一实施例提供的各层金属层中虚拟金属块的布局示意图；
39.图9为图8所示实施例提供的半导体结构中虚拟金属块的布局示意图。
40.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
41.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
42.如图1所示，半导体结构包括衬底30、电子元器件20和多层金属层10，在衬底30上设有晶体管等电子元器件20。在电子元器件20的上面设置有多层金属层10，例如：高度依次递增的金属层m0、金属层mn、金属层mn 1以及金属层mn 2，n为自然数，即金属层mn高于金属层m0，金属层mn 1高于金属层mn，金属层mn 2高于金属层mn 1。各层金属层通过导电插塞40电连接。在部分金属层10上布置有信号线，用于实现各个电子元器件的相互连接，还用于将电子元器件与接地焊盘或者电源焊盘连接。
43.制作集成电路的信号线时通常采用干蚀刻工艺，典型的制作过程包括如下步骤：首先，绘制信号线的布局图案，再使用光刻工艺将信号线的布局图案转移到半导体基底上，其中，半导体基底是指待进行干蚀刻的半导体结构。然后，对半导体结构进行干蚀刻，将没有光刻介质覆盖的金属层或者介电层去除，即可形成所需半导体结构。
44.如图2所示，通常情况下每层信号线的分布是不均匀的，根据信号线的分布区域可以将每层分成信号线密集区103和信号线稀疏区104。金属线的分布不均匀会影响到半导体结构的制作过程。如图3所示，尤其是两层之间距离超过某一特定值时，在当前层106上再覆盖一层介电层105时，介电层105在信号线的稀疏区104会呈碟形，造成于信号线密集区103与信号线稀疏区104的介电层厚度明显不同。
45.干蚀刻工艺为一种化学或化学和机械混合的工艺，其蚀刻速率与半导体基底上组件的密度有关。由于半导体基底上信号线的密度不均匀，导致信号线密度高的地方与密度低的地方的蚀刻率显著不同，造成蚀刻上的困难，此即所谓的负载效应。
46.而且，影响蚀刻工艺的另一个因素为后续形成的介电层105的厚度。由于半导体基底上的信号线的密度不同，会在信号线稀疏的区域形成碟形形状，使得进行介电层蚀刻工艺时蚀刻终点不易探测，从而导致过度蚀刻或未达蚀刻终点就停止蚀刻的现象发生。进而影响制作半导体结构过程中的良率。
47.如图4所示，为了克服由于信号线不均匀而引起的问题，通常会在每层的信号线稀疏区布置虚拟金属块，以使信号线密集区域的密度与信号线稀疏区域的密度相同。与信号线不同的是，虚拟金属块不传输信号。
48.虚拟金属块可以接地、连接电源或为浮空状态。由于虚拟金属块接地、或连接电源时会增加寄生电容值，通常情况下虚拟金属块处于浮空状态。需要说明地是，此处不限制虚拟金属块的连接状态。
49.本技术一实施例提供一种半导体结构，包括衬底30和多层金属层10，其中，每层金属层上设有信号线，在信号线分布不均匀的金属层上设有虚拟金属块，以使金属层上布线
均匀。
50.以相邻的三个金属层，金属层mn，金属层mn 1和金属层mn 2为例说明。金属层mn，金属层mn 1和金属层mn 2上均部署有信号线，且三个金属层上的信号线的分布不均匀。也就是每层上有信号线密集区和信号线稀疏区。
51.图5和图6为同一半导体结构的俯视图，图5为金属层mn和金属层mn 1的虚拟金属块的布局图，图6为金属层mn 1和金属层mn 2的虚拟金属块的布局图。
52.如图5所示，在金属层mn上部署呈阵列布置的虚拟金属块。且金属层mn上每个虚拟金属块沿着第一方向部署，例如：第一方向为从上到下的方向部署。
53.在金属层mn 1上部署呈阵列布置的虚拟金属块。且金属层mn 1上每个虚拟金属块沿着第二方向部署，第一方向与第二方向不同，例如：第二方向为从左到右的方向部署。金属层mn的虚拟金属块在衬底上的投影与金属层mn 1的虚拟金属块在衬底上的投影部分重叠。
54.如图6所示，在金属层mn 1上部署呈阵列布置的虚拟金属块。且金属层mn 1上每个虚拟金属块沿着第二方向部署。在金属层mn 2上部署呈阵列布置的虚拟金属块。且金属层mn 2上每个虚拟金属块沿着第一方向部署，金属层mn的虚拟金属块在衬底上的投影与金属层mn 2的虚拟金属块在衬底上的投影完全重叠。
55.通过上述布置可以有效补偿金属层mn，金属层mn 1和金属层mn 2的布线密度，使得各层金属层布线更加均匀。
56.然而，图5和图6所示的半导体结构在信号线上引入比较大的寄生电容。如图7所示，信号线102与同层虚拟金属块101产生的寄生电容c1，信号线102与位于mn 1层的正上方的虚拟金属块101产生的寄生电容c2，信号线102与位于mn 1层的右上方的虚拟金属块101产生的寄生电容c3，信号线102与位于mn 2层的正上方的虚拟金属块101产生的寄生电容c4，信号线102与位于mn 2层的右上方的虚拟金属块101产生的寄生电容c5。
57.还需要说明的是，除了金属信号线上产生的寄生电容，虚拟金属块之间也会产生寄生电容。尤其是在虚拟金属块在衬底上的投影相互重叠时，寄生电容比较大。当虚拟金属块之间的寄生电容较大时，虚拟金属块上容易在制造过程中收集电荷，从而影响半导体结构制造的良率。
58.如图8和图9所示，本技术一实施例提供一种半导体结构，该半导体结构包括多层金属层10和衬底30。每个金属层上设置有信号线，在信号线分布不均匀的金属层上部署有虚拟金属块，且各个虚拟金属块的形状相同。
59.其中，相邻金属层上的虚拟金属块在垂直于衬底的方向上相互错开。例如：半导体结构设有p层金属层，在金属层mn至金属层mn 2上部署有虚拟金属块，金属层mn上的虚拟金属块与金属层mn 1上的虚拟金属块相互错开，金属层mn 1上的虚拟金属块与金属层mn 2上的虚拟金属块相互错开。其中，n 2≤p，n和p均为正整数。相较于不相邻的金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容，相邻金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容更大。由于相邻金属层上的虚拟金属块的相互错开，可以减少相邻金属层上的虚拟金属块之间产生寄生电容的有效面积，从而可以减少虚拟金属块之间的寄生电容，减少在制造过程中虚拟金属块上收集的电荷，进而提升半导体结构制造的良率。
60.从至少一个信号线中选择一个信号线作为目标信号线107，并将目标信号线107所
在金属层标记为目标金属层。并将目标金属层中距离目标信号线107最近的虚拟金属块标记为第一虚拟金属块108。从图8中可知，图8所示出的虚拟金属块中共有3个虚拟金属块可以作为第一虚拟金属块108。
61.第一虚拟金属块108在衬底上的第一投影呈多边形，例如：四边形、六边形、八边形等。第一投影有多个与目标信号线107在衬底上的第二投影相对的有效边，也就是第一投影的有效边是第一虚拟金属块108和目标信号线107产生寄生电容的边，通过设置第一投影的有效边到第二投影所在直线的距离不同，相较于让第一投影的有效边到第二投影所在直线的距离相同的设置，可以避免为了减少寄生电容而将第一虚拟金属块108到目标信号线107的距离设置过长，而距离过长容易使目标金属层上的布线不均匀，也可以避免为了使目标金属层上布线均匀而将第一虚拟金属块108到目标信号线107的距离设置过短，而距离过短会增加寄生电容，也就是通过设置第一投影的有效边到第二投影所在直线的距离不同，可以兼顾目标金属层的布线均匀性和减少目标信号线107的寄生电容两个方面。
62.在一实施例中，虚拟金属块在衬底上的投影呈十字型、六边形或者八边形，以图8和图9中所示的十字型的虚拟金属块为例，第一投影的有效边为ab、bc、cd、de、ef、fg以及gh，其中，bc到直线l的距离和fg到直线l的距离相等，且为d3，de到直线l的距离为d4，ab、cd、ef、gh到直线l的距离也是渐变的。
63.在一实施例中，相邻的两层金属层上的虚拟金属块在衬底的投影不重叠。可以更进一步的减少相邻的两层金属层上的虚拟金属块之间产生寄生电容的有效面积，从而减少相邻的两层金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容。
64.在一实施例中，将某一个其他金属层上的中距离目标信号线107最近的虚拟金属块标记为第二虚拟金属块109，其他金属层是目标金属层以外的金属层。第二投影所在的直线l到第一投影的几何中心o1的第一距离d1，小于或等于第二投影所在的直线l到第二虚拟金属块109在衬底上的第三投影的几何中心o2的第二距离d2。第二投影是目标信号线107的投影，也就是第二投影呈长条状，第二投影所在直线l也就是将第二投影沿长度方向无限延长后的直线。第二虚拟金属块109到目标信号线107的距离更远，可以减少目标信号线107到其他金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容。又第一虚拟金属块108到目标信号线107之间的距离更近，可以保证目标金属层上布线均匀性。
65.在一实施例中，第二投影所在的直线l到第一投影的几何中心o1的第一距离d1，小于或等于第二投影所在的直线l到第二虚拟金属块109在衬底上的第三投影的几何中心o2的第二距离d2，且第二虚拟金属块109所在的金属层与目标金属层之间相差2n层金属层，n≥0，n且为整数。例如：目标金属层为金属层mn，第二虚拟金属块109所在的金属层为金属层mn 1。通过如此设置，可以保证相邻金属层中虚拟金属块之间相互错开，减少相邻的两层金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容。
66.在一实施例中，每层金属层上的虚拟金属块呈阵列分布。可以提升每层金属层上布线均匀性，避免在制作半导体结构时产生碟形的金属层，提升半导体结构的良率。
67.在一实施例中，目标金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影矩阵和第二虚拟金属块109所在的金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影矩阵相互交叉布置。也就是，第二虚拟金属块109所在的金属层上的部分或者全部的虚拟金属块在衬底上的投影位于目标金属层上的多个虚拟金属块在衬底上的投影之间，也可以是目标金属层上的部分或者全部的虚拟
金属块在衬底上的投影位于第二虚拟金属块109所在的金属层上的多个虚拟金属块在衬底上的投影之间。通过如此设置，保证相邻金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影不会重叠，减少相邻金属层上虚拟金属块之间的寄生电容，也可以使每层金属层中布线均匀，提升半导体结构的良率。
68.在一实施例中，在目标金属层上的四个相邻的虚拟金属块的投影之间有一个第二虚拟金属块109所在的金属层上的虚拟金属块的投影。其中，四个相邻的虚拟金属块在衬底上的投影位于不同象限。例如：继续参考图8，目标金属层为金属层mn，第二虚拟金属块109所在金属层为金属层mn 1。将目标金属层mn上的四个相邻的虚拟金属块标记为第一相邻虚拟金属11、第二相邻虚拟金属块12、第三相邻虚拟金属块13以及第四相邻虚拟金属块14，第一相邻虚拟金属块11位于第一象限，第二相邻虚拟金属块12位于第二象限，第三相邻虚拟金属块13位于第三象限，第四相邻虚拟金属块14位于第四象限，在第一相邻虚拟金属11至第四相邻虚拟金属块14的投影中间有金属层mn 1的虚拟金属块的投影。由于第一虚拟金属块108的投影的有效边到目标信号线107的投影的距离不同，相较于在位于同一行的两个虚拟金属块的投影之间有其他金属层的虚拟金属块的投影的设置，在目标金属层上的四个相邻的虚拟金属块的投影之间有一个第二虚拟金属块109所在的金属层上的虚拟金属块的投影，可以提升目标金属层和第二虚拟金属块109所在金属层上虚拟金属块的密度，从而使得目标金属层和第二虚拟金属块109所在金属层上布线均匀。
69.在一实施例中，每层金属层上的虚拟金属块呈矩形阵列分布，矩形阵列分布有利于四个不同象限的相邻虚拟金属块的投影之间布置第二虚拟金属块109所在的金属层上的虚拟金属块的投影，可以提升目标金属层和第二虚拟金属块109所在金属层上虚拟金属块的密度，从而使得目标金属层和第二虚拟金属块109所在金属层上布线均匀。
70.在一实施例中，由于第一虚拟金属块108的投影的有效边到目标信号线107的投影的距离不同，目标金属层上虚拟金属块之间的间隙更多，通过设置不相邻的两层金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠，相邻的两层金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影不重叠，在布置与目标金属层相邻的金属层上的虚拟金属块时，可以充分利用目标金属层上虚拟金属块之间的间隙，从而提升各层金属层上虚拟金属块的密度，进而使得各层金属层上布线均匀。
71.在一实施例中，重叠金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影与目标金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠，其中，重叠金属层与目标金属层之间相差2n 1层金属层，n≥0，n且为整数。半导体结构设有p层金属层，金属层mn为目标金属层，重叠金属层为金属层m(n-2k)、
……
、金属层mn-4、金属层mn-2、金属层mn 2、金属层mn 4、
……
、mn 2j。n＞2k，k，j均取正整数。图8和图9仅示出金属层mn、金属层mn 1以及金属层mn 2上的虚拟金属块的布局，金属层mn 2为重叠金属层，金属层mn 2上虚拟金属块在衬底上的投影和金属层mn上虚拟金属块在衬底上的投影重叠。
72.在一实施例中，与目标金属层之间相差2n 1层金属层的金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠，n≥0，n且为整数。金属层mn为目标金属层，金属层m(n-2k)、
……
、mn-4、mn-2、mn 2、
……
、mn 2j中任意两个金属层上虚拟金属块在衬底上的投影重叠。
73.在一实施例中，目标信号线107是根据至少一个信号线的布局，从至少一个信号线中选择的，可以选择信号线密集区中距离信号线稀疏区的边界最近的信号线为目标信号线
107，还可以结合到信号线稀疏区的边界的距离和信号线的布线方向选择，还可以结合到信号线稀疏区的边界的距离、信号线的布线方向以及信号线所传输信号类型选择，此处不做限定。
74.在一实施例中，目标信号线107用于传输时钟信号，时钟信号对于上升/下降沿要求比较高，将用于传输时钟信号的信号线作为目标信号线107，可以减少用于传输时钟信号的信号线的寄生电容，保证时钟信号的上升/下降沿比较陡。
75.本技术另一实施例提供一种半导体结构，该半导体结构包括衬底、第一层金属层，第二层金属层以及第三层金属层。其中，第一层金属层为底层金属层，第二层金属层高于第一层金属层，第三层金属层高于第二层金属层。
76.第一层金属层至第三层金属层上均设有信号线，第一层金属层、第二层金属层以及第三层金属层上均设有多个虚拟金属块，且每个虚拟金属块在衬底上的投影呈十字型。选择第一层金属层上的信号线作为目标信号线。第一虚拟金属块位于第一层金属层上，第二虚拟金属块位于第二层金属层上。
77.其中，第一金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影呈矩形阵列分布，第二金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影呈矩形阵列分布，第三金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影呈矩形阵列分布。
78.第一金属层上的四个相邻的虚拟金属块的投影之间有一个第二金属层上的虚拟金属块的投影，四个相邻的虚拟金属块在衬底上的投影位于不同象限。第一金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影与第三金属层上的虚拟金属块在衬底上的投影重叠。
79.在上述技术方案中，第一虚拟金属块在衬底上呈十字型，使得第一虚拟金属块的第一投影的有效边到目标信号线在衬底上的第二投影所在直线的距离不同，可以使目标金属层的布线均匀，还可以减少目标信号线的寄生电容。让第一层金属层上的虚拟金属块的投影和第二层金属层上的虚拟金属块的投影不重叠，让第一层金属层上的虚拟金属块的投影和第三层金属层上的虚拟金属块的投影重叠，可以充分利用第一层金属层上虚拟金属块之间的间隙，提升第一层金属层至第三层金属层上的虚拟金属块的密度，使得第一层金属层至第三层金属层布线均匀。让第一层金属层和第二层金属层中虚拟金属块在垂直于衬底方向上错开，可以有效减少第一层金属层和第二层金属层中虚拟金属块之间的寄生电容，让第二层金属层上的虚拟金属块距离目标信号线更远，而让第一层金属层上的虚拟金属块距离目标信号线更近，保证目标金属层上布线均匀性，也可以减少目标信号线和其他金属层上的虚拟金属块之间的寄生电容。
80.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
81.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求书来限制。