金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法
2023-09-16 08:12:55 1
金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，包括以下步驟：提供半導體襯底，形成阻擋層和犧牲層；形成溝槽並在溝槽中形成金屬互連線；對犧牲層進行回刻蝕工藝；在所述犧牲層和所述金屬互連線上覆蓋硬掩膜層；刻蝕所述硬掩膜層，剩餘的硬掩膜層在所述金屬互連線的側壁上形成側牆；去除剩餘的犧牲層；沉積第一介質層，在所述側牆下方的金屬互連線周圍形成空氣間隙。在沉積形成第一介質層的過程中，由於側牆的遮擋可以在側牆下方金屬互連線周圍形成空氣間隙，進一步降低金屬互連線周圍的介電常數，提高半導體器件的介電性能，此外，該形成的空隙間隙尺寸可以調整，從而避免空氣間隙過大，提高半導體器件的機械抗壓能力。
【專利說明】金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路製造領域，尤其涉及一種金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體器件的集成度越來越高，限制半導體器件的速度的主要因素已不再是電晶體延遲，而是與導電材料(例如金屬)互連相關聯的電阻-電容(RC)延遲。認識到這一點之後，為了減小導電材料互連的電容從而減小RC延遲，業界技術人員已進行了大量工作用於研發新的材料和製造工藝。例如，將作為導電材料互連層中的電介質材料，選擇採用具有低介電常數的電介質材料。在所有材料中，介電常數最低的當屬空氣，空氣的介電常數為1，其他介質材料層的介電常數均大於1，因此，技術人員開始關注在層間介質層中形成空氣間隙(Air Gap)，空氣間隙的形成能夠進一步減小層間介質層的整體介電常數，以降低導電材料之間的電容，提高半導體器件的性能。
[0003]在現有金屬互連工藝的製作方法中，形成具有空氣間隙的半導體器件的一種方法是在當前層間介質層中，通過光刻和刻蝕法，在金屬互連線之間形成尺寸較小的間隙，然後利用化學氣相沉積(CVD)法，在當前層間介質層上覆蓋形成後一層間介質層，而不填充該間隙，從而在當前介質層中形成空氣間隙；雖然該方法達到了降低集成電路RC延遲的目的，但是由於製造工藝本身的限制，對於關鍵尺寸(CD)較小的半導體器件來說，該方法在形成具有多個的金屬互連層的半導體器件時，由於金屬互連線之間的間隔(Space)較小並且現有光刻工藝的精確度限制，後一層金屬層的通孔插塞(Plug)難以與當前層的金屬互連線對準，而是與位於金屬互連線之間的空氣間隙相連通，使後一層通孔插塞內填充的金屬銅落進空氣間隙中，導致半導體器件的短路問題。因此，對於小尺寸半導體器件來說，如何增大金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口，成為業內需要解決的問題。
[0004]現有技術中另一種方法通過形成一種能夠在特定工藝中去除的犧牲層，在完成當前金屬互連層和後一金屬互連層後，在特定工藝，例如加熱工藝中去除犧牲層，以形成空氣間隙。然而，該方法同樣具有問題，該方法形成的犧牲層是整體覆蓋於層間介質層之上的，因此在後續全部去除之後，往往形成大面積空氣間隙，形成的空氣間隙的尺寸不易調整，大大降低了器件的機械抗壓能力，甚至因此器件中金屬互連層的塌陷，嚴重降低半導體器件的性能。
[0005]因此，在金屬互連中如何調節空氣間隙的尺寸，以在降低介質層整體介電常數的前提下保持機械抗壓能力，成為亟待解決的問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種在金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法。
[0007]為解決上述問題，本發明一種金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，包括以下步驟:[0008]提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成阻擋層和犧牲層；
[0009]依次刻蝕所述犧牲層和阻擋層以形成溝槽，並在溝槽中形成金屬互連線；
[0010]對犧牲層進行回刻蝕工藝，使所述金屬互連線的高度高於所述犧牲層；
[0011]在所述犧牲層和所述金屬互連線上覆蓋硬掩膜層；
[0012]刻蝕所述硬掩膜層，剩餘的硬掩膜層在所述金屬互連線的側壁上形成側牆；
[0013]去除剩餘的犧牲層；
[0014]沉積第一介質層，在所述側牆下方的金屬互連線周圍形成空氣間隙。
[0015]進一步的，所述犧牲層的材質為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽。
[0016]進一步的，所述犧牲層的材質為氧化矽，在對所述犧牲層進行回刻蝕工藝的過程中，採用溼法刻蝕所述犧牲層，刻蝕物質包括氫氟酸。
[0017]進一步的，在對所述犧牲層進行回刻蝕工藝的過程中，對所述犧牲層刻蝕的厚度大於5nm。
[0018]進一步的，在沉積第一介質層的步驟之後，還包括進行化學機械研磨工藝，以暴露所述金屬互連線。
[0019]進一步的，所述側牆在化學機械研磨工藝中被全部或部分去除。
[0020]進一步的，在所述犧牲層和阻擋層之間，還包括第二介質層。
[0021 ] 進一步的，所述第二介質層的材質與所述第一介質層的材質相同。
[0022]進一步的，所述第一介質層的材質為低介電常數材料。
[0023]進一步的，所述低介電常數材料為多孔矽、SiOF, SiOC、有機聚合物、包含有機聚合物的矽基絕緣體、摻雜碳的矽氧化物或摻雜氯的矽氧化物。
[0024]進一步的，所述犧牲層的材質為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽。
[0025]進一步的，所述硬掩膜層的材質為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽。
[0026]進一步的，在形成所述溝槽的步驟中，形成至少兩個相鄰設置的溝槽，相鄰溝槽之間的距離大於35nm。
[0027]進一步的，所述側牆的底面寬度大於5nm。
[0028]綜上所述，本發明在襯底上形成犧牲層，在犧牲層中形成金屬互連線後對犧牲層進行回刻蝕工藝，從而覆蓋硬掩膜層並對硬掩膜層進行刻蝕工藝後，在金屬互連線的側壁上形成側牆，其後去除犧牲層，在後續沉積形成第一介質層的過程中，由於側牆的遮擋可以在側牆下方金屬互連線周圍形成空氣間隙，進一步降低金屬互連線周圍的介電常數，提高半導體器件的介電性能；此外，通過本發明形成的空隙間隙尺寸可以調整，從而避免空氣間隙過大，提高了半導體器件的機械抗壓能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明一實施例中金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法的流程示意圖。
[0030]圖2?圖12為本發明一實施例中金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法的流程不意圖。
【具體實施方式】[0031]為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。
[0032]其次，本發明利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本發明實例時，為了便於說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應以此作為對本發明的限定。
[0033]圖1為本發明一實施例中金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法的流程示意圖。如圖1所示，本發明提供一種金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，包括:
[0034]步驟SOl:提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成阻擋層和犧牲層；
[0035]步驟S02:依次刻蝕所述犧牲層和阻擋層以形成溝槽，並在溝槽中形成金屬互連線.[0036]步驟S03:對所述犧牲層進行回刻蝕工藝，使所述金屬互連線的高度高於所述犧牲層；
[0037]步驟S04:在所述犧牲層和所述金屬互連線上覆蓋硬掩膜層；
[0038]步驟S05:刻蝕所述硬掩膜層，剩餘的硬掩膜層在所述金屬互連線的側壁上形成側牆；
[0039]步驟S06:去除剩餘的犧牲層；
[0040]步驟S07:沉積第一介質層，在所述側牆下方的金屬互連線周圍形成空氣間隙。
[0041]圖2?圖12為本發明一實施例中金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法的流程示意圖。結合圖2?圖12，以下詳細說明本發明所述金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造過程。
[0042]如圖2所示，在步驟SOl中，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100可以為單晶矽、多晶矽或者鍺矽化合物等半導體材質；在所述半導體襯底100中形成有有源電路，包括有源區以及各種摻雜區，例如N阱、P阱以及輕摻雜源漏區(LDD)等，此外還可以形成有其他各種隔離元件，例如淺溝槽隔離結構(STI)等用以形成半導體器件的必要結構；上述結構根據實際半導體器件製造工藝過程確定，為本領域技術人員所熟知技術內容，故在此不再贅述。
[0043]繼續如圖2所示，接著，在所述半導體襯底100上依次形成阻擋層102和犧牲層106。所述阻擋層102的材質可以為氧化矽、氮化矽或氮氧化矽，在較佳的實施例中，所述阻擋層102的材質為氮化矽，所述犧牲層106的材質為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽。
[0044]如圖3所示，在另一實施例中，在所述阻擋層102和所述犧牲層106之間還形成有第二介質層104，所述第二介質層104的材質為低介電常數材料，可以採用化學氣相沉積法(CVD)形成。其中所述低介電常數材料可以為多孔矽、多孔SiLK，SiOF、SiOC、有機聚合物、包含有機聚合物的矽基絕緣體、摻雜碳的矽氧化物或摻雜氯的矽氧化物，當然其他介電常數小於娃的半導體材質均可作為第一介質層104的材質。所述第二介質層104的材質與後續形成的第一介質層的材質相同。所述第二介質層104能夠對後續在溝槽中形成的金屬互連線有一定的支撐作用，提高半導體器件的機械應力。在以下的實施例中，均以具有第二介質層104為例進行說明。
[0045]結合圖4和圖5，在步驟S02中，依次刻蝕所述犧牲層106和阻擋層102以形成溝槽200，並在溝槽100中形成金屬互連線108 ;所述溝槽200通過光刻和刻蝕工藝形成，在本實施例中，形成的溝槽200實際具有通孔(Via)和溝渠(Trench)的兩層結構，貫穿所述犧牲層106的為溝渠，所述溝渠用於形成金屬互連層，貫穿所述阻擋層102的為通孔，所述通孔用於形成金屬互連層與金屬互連層之間的通孔插銷，所述通孔和所述溝渠可以通過兩次光刻和刻蝕工藝形成。其中，所述金屬互連線108的形成過程包括:首先電鍍金屬以填充所述溝槽200，接著進行化學機械研磨工藝以去除溝槽200以外的金屬，從而形成金屬互連線108。所述金屬互連線108較佳的材質優選為銅。同時形成的溝槽200在所述第二介質層104中的直徑與在所述阻擋層102中的直徑相同。在實際工藝過程中，形成兩個以上溝槽200，溝槽200之間相鄰設置，相鄰溝槽200之間的距離大於35nm，以避免相鄰的金屬互連線導通。
[0046]如圖6所示，在步驟S03中，對犧牲層106進行回刻蝕工藝，使所述金屬互連線108的高度高於所述犧牲層106 ;在較佳的實施例中，所述犧牲層106的材質為氧化矽，在對所述犧牲層106進行回刻蝕工藝的過程中，採用溼法刻蝕所述犧牲層106，刻蝕物質包括氫氟酸。在對所述犧牲層106進行回刻蝕工藝的過程中，刻蝕所述犧牲層106厚度大於5nm，例如 IOnm0
[0047]如圖7所示，在步驟S04中，在所述犧牲層106和所述金屬互連線108上覆蓋硬掩膜層110a，所述硬掩膜層IlOa的材質可以為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽，可以採用化學氣相沉積法形成。
[0048]如圖8所示，在步驟S05中，刻蝕所述硬掩膜層110a，剩餘的硬掩膜層IlOa在所述金屬互連線108的側壁上形成側牆110 ;利用溼法刻蝕的刻蝕特性，剩餘的硬掩膜層IlOa在所述金屬互連線108的側壁形成側牆110。側牆110的底面寬度大於5nm，以保證後續能夠在所述側牆110下方的金屬互連線108的周圍形成空氣間隙300。
[0049]如圖9所示，在步驟S06中，去除剩餘的犧牲層106。本實施例中，溼法刻蝕去除所述犧牲層106，所述犧牲層106的刻蝕選擇比與所述側牆110的刻蝕速率差別較大，將犧牲層106去除，保留所述側牆110。
[0050]如圖10所示，在步驟S07中，在沉積第一介質層112的過程中，由於側牆110的遮擋，在所述側牆Iio下方的金屬互連線108的周圍形成空氣間隙300。
[0051]此外，可以形成多個相鄰的溝槽200，在溝槽200中形成多個相鄰的金屬互連線108，通過控制相鄰的金屬互連線108之間的距離，還可以在沉積第一介質層112的過程中，在相鄰的金屬互連線108之間亦可以形成空隙302。
[0052]在步驟S07之後，進行化學機械研磨工藝，以暴露所述金屬互連線的頂面。可以如圖11所示，所述側牆110在化學機械研磨工藝中被部分去除。還可以如圖12所示，所述側牆110在化學機械研磨工藝中被全部去除。
[0053]綜上所述，本發明在所述襯底上形成犧牲層，在犧牲層中形成金屬互連線後對犧牲層進行回刻蝕工藝，從而覆蓋硬掩膜層並對硬掩膜層進行刻蝕工藝後，在金屬互連線的側壁上形成側牆，其後去除犧牲層，在後續沉積形成第一介質層的過程中，由於側牆的遮擋可以在側牆下方金屬互連線周圍形成空氣間隙，進一步降低金屬互連線周圍的介電常數，提高半導體器件的介電性能，此外，該形成的空隙間隙尺寸可以調整，從而避免空氣間隙過大，提高半導體器件的機械抗壓能力。
[0054]雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬【技術領域】中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。
【權利要求】
1.一種金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，包括: 提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成阻擋層和犧牲層； 依次刻蝕所述犧牲層和阻擋層以形成溝槽，並在溝槽中形成金屬互連線； 對所述犧牲層進行回刻蝕工藝，使所述金屬互連線的高度高於所述犧牲層； 在所述犧牲層和所述金屬互連線上覆蓋硬掩膜層； 刻蝕所述硬掩膜層，剩餘的硬掩膜層在所述金屬互連線的側壁上形成側牆； 去除剩餘的犧牲層； 沉積第一介質層，在所述側牆下方的金屬互連線周圍形成空氣間隙。
2.如權利要求1所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述犧牲層的材質為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽。
3.如權利要求2所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述犧牲層的材質為氧化矽，在對所述犧牲層進行回刻蝕工藝的過程中，採用溼法刻蝕所述犧牲層，刻蝕物質包括氫氟酸。
4.如權利要求3所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，在對所述犧牲層進行回刻蝕工藝的過程中，刻蝕所述犧牲層的厚度大於5nm。
5.如權利要求1所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，在沉積第一介質層的步驟之後，還包括:進行化學機械研磨工藝，以暴露所述金屬互連線。
6.如權利要求5所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述側牆在化學機械研磨工藝中被全部或部分去除。
7.如權利要求1所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，在所述犧牲層和阻擋層之間還包括第二介質層。
8.如權利要求7所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述第二介質層的材質與所述第一介質層的材質相同。
9.如權利要求1至8中任意一項所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述第一介質層的材質為低介電常數材料。
10.如權利要求1至8中任意一項所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述低介電常數材料為多孔矽、SiOF, SiOC、有機聚合物、包含有機聚合物的矽基絕緣體、摻雜碳的矽氧化物或摻雜氯的矽氧化物。
11.如權利要求1至8中任意一項所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述硬掩膜層的材質為氧化矽、氮氧化矽、無定形碳或多晶矽。
12.如權利要求1至8中任意一項所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，在形成所述溝槽的步驟中，形成至少兩個相鄰設置的溝槽，相鄰溝槽之間的距離大於35nm。
13.如權利要求1至8中任意一項所述的金屬互連工藝中形成空氣間隙的製造方法，其特徵在於，所述側牆的底面寬度大於5nm。
【文檔編號】H01L21/768GK103515300SQ201210224447
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月29日 優先權日:2012年6月29日
【發明者】鮑宇 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司