含有空氣隙的互連結構的製備方法
2023-07-12 10:52:26
含有空氣隙的互連結構的製備方法
【專利摘要】本發明揭示了一種含有空氣隙的互連結構的製備方法，該方法包括：在基板上沉積電介質層，所述電介質層的材料為含碳材料；選擇性刻蝕所述電介質層，以在所述電介質層中形成若干凹槽圖形，並在所述凹槽圖形的側壁上形成疏鬆的第一隔層；在所述凹槽圖形中形成填充電介質；在所述基板上形成若干互連通道，所述互連通道與所述第一隔層相錯；在所述互連通道中填充導電材料；以及去除所述第一隔層，以在所述凹槽圖形的側壁處形成空氣隙。本發明用於降低電介質層的介電常數，減小RC延遲，解決了互連可靠性的問題。
【專利說明】含有空氣隙的互連結構的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路製造領域，特別是涉及一種含有空氣隙的互連結構的製備方法。
【背景技術】
[0002]超大規模集成電路(Very Large Scale Integration,簡稱VLSI)中的可靠性問題受到器件和互連技術的影響。隨著特徵尺寸(Critical Dimension)縮小使器件門延遲減小的同時，也使得電路的互連性能降低。這是因為特徵尺寸的縮小將導致互連線橫截面積和線間距的減小，電阻、電容、電感引起的寄生效應將會嚴重影響電路的性能。因此，互連的可靠性問題已成為制約系統可靠性的重要因素。提高互連可靠性的常用方法為降低用於使導電金屬線電絕緣的中間層電介質(ILD)材料的介電常數k，從而使電阻-電容(RC)延遲減小，互聯信號可以更快地穿過導體。
[0003]目前，常見的降低電介質層材料k值的方法主要由以下兩種:一、採用多孔材料製備電介質層，使用多孔材料並增大其孔隙率能有效降低其介電常數，而且在機械性能方面有了一定的改善，但採用這種方法存在化學機械拋光損傷、刻蝕損失以及水汽吸附等問題；二、使用空氣隙(Air gap)代替多孔材料填充在金屬連線周圍，在現有技術中，向電介質層中引入空氣隙的方法是在金屬沉積和平坦化後，刻蝕金屬互連線間的第一層電介質層，形成凹槽，之後沉積出第二層電介質層，沉積過程中，電介質層材料在預先刻蝕形成的凹槽頂端逐漸夾斷，這樣就將空洞保留在第一層電介質層中，但這種方法很難將金屬互連線間的低k電介質層材料全部刻蝕乾淨，並且採用這種方法得到的第一層電介質層中的空洞大小不能控制，當刻蝕第二層金屬通孔時，會出現刻穿第一層電介質層中的空洞的現象，造成嚴重的可靠性問題。
[0004]因此，如何提供一種低k值電介質層的製備方法，從而提高互連的可靠性，已成為本領域技術人員需要解決的問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於，提供一種含有空氣隙(Air gap)的互連結構的製備方法，用於降低電介質層的介電常數，減小RC延遲，解決了互連可靠性的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供一種含有空氣隙的互連結構的製備方法，包括:
[0007]在基板上沉積電介質層，所述電介質層的材料為含碳材料；
[0008]選擇性刻蝕所述電介質層，以在所述電介質層中形成若干凹槽圖形，並去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以在所述凹槽圖形的側壁上形成疏鬆的第
一隔層；
[0009]在所述凹槽圖形中形成填充電介質；
[0010]在所述基板上形成若干互連通道，所述若干互連通道位於所述電介質層及所述填充電介質的至少其一中，所述互連通道與所述第一隔層相錯；
[0011]在所述互連通道中填充導電材料；以及
[0012]去除所述第一隔層，以在所述凹槽圖形的側壁處形成空氣隙。
[0013]進一步的，採用幹法刻蝕工藝選擇性刻蝕所述電介質層，所述幹法刻蝕工藝的刻蝕氣體包含氟基氣體及氧基氣體中的一種或組合。
[0014]進一步的，在所述電介質層中形成若干凹槽圖形的步驟和在所述凹槽圖形中形成填充電介質的步驟之間，還包括老化處理步驟，繼續去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以調整所述第一隔層的厚度。
[0015]進一步的，所述老化處理步驟的反應氣體包含氧基氣體。
[0016]進一步的，在去除所述第一隔層的步驟之後，所述互連通道彼此之間具有所述空氣隙。[0017]進一步的，在去除所述第一隔層的步驟之後，所述相鄰的互連通道彼此之間的所述空氣隙的數量大於等於I。
[0018]進一步的，該製備方法還包括:
[0019]在所述基板上形成若干互連通道的同時，去除所述互連通道的側壁區域的電介質層或填充介質中的碳元素，以在所述互連通道的側壁上形成疏鬆的第二隔層；
[0020]在所述互連通道中填充導電材料；以及
[0021]去除所述第一隔層的同時，去除所述第二隔層，以在所述互連通道的側壁處形成互連通道空氣隙。
[0022]進一步的，在基板上沉積電介質層步驟之前還包括:在所述基板上沉積刻蝕停止層。
[0023]進一步的，在基板上沉積電介質層的步驟和在所述電介質層中形成若干凹槽圖形的步驟之間，還包括:在所述電介質層上依次沉積氧化物保護層和硬質掩膜層。
[0024]進一步的，所述電介質層的材料為含碳的低電介質材料。
[0025]進一步的，所述填充電介質的材料和所述電介質層的材料相同。
[0026]進一步的，所述互連通道為溝道及通孔中的一種或組合。
[0027]進一步的，所述用導電材料填充所述互連通道的步驟包括:
[0028]在所述互連通道內製備所述導電材料的金屬阻擋層和種子層；
[0029]沉積所述導電材料以填充所述互連通道；以及
[0030]平坦化所述導電材料以露出所述電介質層。
[0031]進一步的，採用溼法刻蝕工藝去除所述第一隔層。
[0032]進一步的，所述溼法刻蝕工藝的刻蝕液體為稀釋的氫氟酸。
[0033]與現有技術相比，本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法具有以下優
佔-
^ \\\.[0034]1、本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法，是在形成互連通道之前先形成第一隔層，然後在導電材料填充所述互連通道之後，去除所述第一隔層以形成空氣隙，所述空氣隙降低了電介質層的介電常數，減小RC延遲。
[0035]2、本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法，是在形成互連通道之前先形成第一隔層，然後在導電材料填充所述互連通道之後，去除所述第一隔層以形成空氣隙，所以形成空氣隙的過程不會對互連通道產生影響，避免了空氣隙與互連通道的導通，提高互連結構的可靠性高。
[0036]3、本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法，是在形成互連通道之前先形成第一隔層，第一隔層的厚度為納米級，所以之後去除所述第一隔層而形成的空氣隙的厚度尺寸小，並且空氣隙的厚度尺寸、長度尺寸、數量、排列方式和形狀均可調節，所以採用該方法得到的互連結構的機械性可以控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明一實施例中含有空氣隙的互連結構的製備方法的流程圖；
[0038]圖2a_圖2f為本發明一實施例中含有空氣隙的互連結構的製備方法的示意圖；
[0039]圖3a_圖3c為採用本發明的含有空氣隙的互連結構的製備方法得到的互連結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面將結合示意圖對本發明的含有空氣隙的互連結構的製備方法進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。
[0041]為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。
[0042]在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0043]本發明的核心思想在於，提供一種含有空氣隙的互連結構的製備方法，在基板上沉積電介質層，所述電介質層的材料為含碳材料，選擇性刻蝕所述電介質層，以在所述電介質層中形成若干凹槽圖形，去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以在所述凹槽圖形的側壁上形成疏鬆的第一隔層，在所述凹槽圖形中形成填充電介質，所述填充電介質與所述凹槽圖形的側壁通過所述第一隔層隔開，在導電互連通道形成後，去除所述第一隔層，以在所述凹槽圖形的側壁處形成空氣隙，所述空氣隙降低了電介質層的介電常數，並且空氣隙的厚度尺寸、長度尺寸、數量、排列方式和形狀均可調節，所以該互連結構的機械性可以控制。
[0044]請參考圖1，圖1為本發明一實施例中含有空氣隙的互連結構的製備方法的流程圖，結合圖1及本發明的核心思想，本發明提供一種含有空氣隙的互連結構的製備方法，包括以下步驟:
[0045]步驟S01，在基板上沉積電介質層，所述電介質層的材料為含碳材料；
[0046]步驟S02，選擇性刻蝕所述電介質層，以在所述電介質層中形成若干凹槽圖形，並去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以在所述凹槽圖形的側壁上形成疏鬆的第一隔層；
[0047]步驟S03，在所述凹槽圖形中形成填充電介質；
[0048]步驟S04，在所述基板上形成若干互連通道，所述若干互連通道位於所述電介質層或所述填充電介質中，或者分別位於所述電介質層和所述填充電介質中，所述互連通道與所述第一隔層相錯；
[0049]步驟S05，在所述互連通道中填充導電材料；
[0050]步驟S06，去除所述第一隔層，以在所述凹槽圖形的側壁處形成空氣隙。
[0051]以下請參考圖1和圖2a_圖2f詳細說明本發明的含有空氣隙的互連結構的製備方法的具體過程，其中，圖2a_圖2f為本發明一實施例中含有空氣隙的互連結構的製備方法的示意圖。
[0052]首先進行步驟S01，在基板101上沉積電介質層102，其中基板101包含必要的器件和互連，所述基板101可以為具有源極區、漏極區以及隔離結構的半導體襯底，還可以為包括上述半導體襯底及半導體襯底上的多層互連層的結構。由於本實施例中，在步驟SOl之前，還包括在基板101上沉積刻蝕停止層201的步驟，所以先採用常規的方法在基板101上沉積刻蝕停止層201，所述刻蝕停止層201可以在後續刻蝕形成凹槽圖形103的過程中起到刻蝕停止作用。然後在刻蝕停止層201上採用常規的方法沉積電介質層102，見圖2a。電介質層102的材料為含碳材料，以保證在後續步驟中能夠方便地得到第一隔層104，較佳的選擇含碳的低電介質材料，如摻碳的二氧化矽、摻碳的氟矽玻璃及摻碳的氮化矽的一種及其組合，但其它含碳材料也可以作為電介質層102的材料亦在本發明的思想範圍之內。
[0053]接著進行步驟S02，在所述電介質層102中形成若干凹槽圖形103，並去除位於凹槽圖形103側壁104區域的電介質層102中的碳元素，以在凹槽圖形103的側壁131上具有第一隔層104，見圖2b。採用常規的幹法刻蝕工藝選擇性刻蝕電介質層102，以在電介質層102中形成凹槽圖形103，在刻蝕電介質層102的同時，幹法刻蝕工藝中的等離子體會對凹槽圖形103的側壁131進行轟擊，所以在幹法刻蝕工藝的氣體與凹槽圖形103側壁131區域的電介質層102中的碳元素反應，使凹槽圖形103的側壁131上的材料變得比較疏鬆，形成第一隔層104。較佳的，在幹法刻蝕工藝中加入氟基氣體或氧基氣體，或者同時加入氟基氣體和氧基氣體，因為氟基氣體和氧基氣體會與的碳元素反應，而保留凹槽圖形103側壁131區域的電介質層102中的非碳元素，所以使凹槽圖形103的側壁131上的材料變得比較疏鬆，形成第一隔層104。可以通過調節幹法刻蝕工藝的工藝參數，如氣體流量、壓力、電壓、功率等控制去除碳元素的量，同時可以對第一隔層104的厚度進行控制。凹槽圖形103的深度可以進行控制，可以等於或小於電介質層102的高度，從而得到穿透或部分穿過電介質層102的第一隔層104。
[0054]在較佳的實施例中，在步驟S02和步驟S03之間，還包括老化處理步驟，老化處理步驟進一步去除凹槽圖形103側壁131區域的電介質層中的碳元素，以控制第一隔層104的厚度。老化處理步驟較佳的採用等離子體幹法刻蝕工藝，其中較佳的反應氣體採用含有氧基的氣體，使得在老化處理步驟中，等離子體繼續會對凹槽圖形103的側壁131進行轟擊，等離子體中的氧基氣體繼續與凹槽圖形103的側壁131區域的電介質層中的碳元素反應，氧化碳元素，使凹槽圖形103的側壁131的疏鬆部分增大，得到需要的第一隔層104的厚度。可以通過調節等離子體幹法刻蝕工藝的工藝參數，如氣體流量、壓力、電壓、功率等控制去除碳元素的量，對第一隔層104的厚度進行控制。
[0055]然後進行步驟S03，在凹槽圖形103中形成填充電介質105，填充電介質105與凹槽圖形104的側壁131通過第一隔層104隔開，見圖2c。採用常規的方法在凹槽圖形103中沉積填充電介質105，然後經過平坦化使填充電介質105與電介質層102相平，得到的結構中，填充電介質105與電介質層102通過第一隔層104隔開。填充電介質105的材料較佳的選擇和電介質層102相同的材料，但不相同的材料，只要填充電介質105的材料為電介質材料，均在本發明的思想範圍之內。
[0056]隨後進行步驟S04，形成若干互連通道106，若干互連通道106位於電介質層102或填充電介質105中，或者其中的一些位於電介質層102中而另外一些位於填充電介質105中，互連通道106與第一隔層104相錯。較佳的，互連通道106彼此之間具有第一隔層104，互連通道106彼此之間的第一隔層104的數量大於等於I。互連通道106為溝道及通孔中的一種或組合，以用於金屬的互連連通。在本實施例中，採用常規的刻蝕方法在填充電介質105中刻蝕形成互連通道106，互連通道106兩旁具有第一隔層104，見圖2d。由於在本實施例中還設置了刻蝕停止層201，所以互連通道106穿過刻蝕停止層201，以保證導電材料107的互連連通。
[0057]接著進行步驟S05，用導電材料107填充互連通道106，該步驟包括:在互連通道106內製備導電材料107的金屬阻擋層和種子層，以提高導電材料107的填充質量；沉積導電材料107以填充互連通道106 ;以及平坦化導電材料107以露出電介質層102。
[0058]最後進行步驟S06，去除第一隔層104，以在凹槽圖形103的側壁131處形成空氣隙108。採用常規的溼法刻蝕工藝去除第一隔層104，在凹槽圖形103的側壁131處形成空的間隙，從而形成空氣隙108。較佳的，溼法刻蝕工藝採用稀釋的氫氟酸，(稀釋的百分比100: I?1000: I)以去除第一隔層104而不對其它結構造成損傷。通過控制凹槽圖形103的深度，從而得到穿透或部分穿過電介質層102的第一隔層104，進一步可以控制空氣隙108的深度，空氣隙108可以穿透或部分穿過電介質層102。空氣隙108在互連結構中的位置和數量可以按照需要設置，由於空氣隙108的厚度可以做到納米級，所以採用該方法得到的互連結構的機械性好，由於空氣隙108的厚度尺寸、長度尺寸、數量可調節，所以採用該方法得到的互連結構的介電常數可以按照需要進行調節。
[0059]本發明並不限於上述實施例，可以增加一些步驟如在步驟SOl和步驟S02之間，還可以在電介質層102上依次沉積氧化物保護層和硬質掩膜層，氧化物保護層和硬質掩膜層用於提高刻蝕的精準度以及減少刻蝕過程對電介質層102的損傷，以提高刻蝕的質量，並可以在步驟S03中的平坦化過程中去除；還可以在進行步驟S04中，形成的若干互連通道106的位置，以及互連通道106彼此之間的第一隔層104的數量可以不同於上述實施例，如互連通道106位於電介質層102中，或者其中的一些位於電介質層102中而另外一些位於填充電介質105中，互連通道106彼此之間的第一隔層104的數量多於I個，見圖3a、圖3b ;另外，該製備方法的步驟中還可以包括在互連通道106的側壁形成空氣隙108，在互連通道106的側壁形成互連通道空氣隙118的步驟包括:在進行步驟S04的同時，去除所述互連通道106的側壁區域的電介質層或填充介質中的碳元素，以在互連通道106的側壁上形成疏鬆的第二隔層，然後進行步驟S05，最後進行S06，在去除所述第一隔層的同時，去除所述第二隔層，以在互連通道106的側壁處形成互連通道空氣隙118，見圖3c，可以通過調節步驟S04中幹法刻蝕工藝的工藝參數，如氣體流量、壓力、電壓、功率等控制去除碳元素的量，同時可以對第二隔層的厚度進行控制，這種同時在凹槽圖形103的側壁和互連通道106的側壁形成空氣隙108的方法，在不增加工藝步驟的情況下，能夠進一步的增加空氣隙的數量，降低互連結構之間的介電常數，提高互連的可靠性。
[0060]綜上所述，本發明提供一種含有空氣隙的互連結構的製備方法，在基板上沉積電介質層，所述電介質層的材料為含碳材料，選擇性刻蝕所述電介質層，以在所述電介質層中形成若干凹槽圖形，去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以在所述凹槽圖形的側壁上形成疏鬆的第一隔層，在所述凹槽圖形中形成填充電介質，所述填充電介質與所述凹槽圖形的側壁通過所述第一隔層隔開，在導電互連通道形成後，去除所述第一隔層，以在所述凹槽圖形的側壁處形成空氣隙，所述空氣隙降低了電介質層的介電常數，並且空氣隙的厚度尺寸、長度尺寸、數量、排列方式和形狀均可調節，所以該互連結構的機械性可以控制。與現有技術相比，本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法具有以下優點:
[0061]1、本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法，是在形成互連通道之前先形成第一隔層，然後在導電材料填充所述互連通道之後，去除所述第一隔層以形成空氣隙，所述空氣隙降低了電介質層的介電常數，減小RC延遲。
[0062]2、本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法，是在形成互連通道之前先形成第一隔層，然後在導電材料填充所述互連通道之後，去除所述第一隔層以形成空氣隙，所以形成空氣隙的過程不會對互連通道產生影響，避免了空氣隙與互連通道的導通，提高互連結構的可靠性高。
[0063]3、本發明提供的含有空氣隙的互連結構的製備方法，是在形成互連通道之前先形成第一隔層，第一隔層的厚度為納米級，所以之後去除所述第一隔層而形成的空氣隙的厚度尺寸小，並且空氣隙的厚度尺寸、長度尺寸、數量、排列方式和形狀均可調節，所以採用該方法得到的互連結構的機械性可以控制。
[0064]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種含有空氣隙的互連結構的製備方法，包括: 在基板上沉積電介質層，所述電介質層的材料為含碳材料； 選擇性刻蝕所述電介質層，以在所述電介質層中形成若干凹槽圖形，並去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以在所述凹槽圖形的側壁上形成疏鬆的第一隔層； 在所述凹槽圖形中形成填充電介質； 在所述基板上形成若干互連通道，所述若干互連通道位於所述電介質層及所述填充電介質的至少其一中，所述互連通道與所述第一隔層相錯； 在所述互連通道中填充導電材料；以及 去除所述第一隔層，以在所述凹槽圖形的側壁處形成空氣隙。
2.如權利要求1所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，採用幹法刻蝕工藝選擇性刻蝕所述電介質層，所述幹法刻蝕工藝的刻蝕氣體包含氟基氣體及氧基氣體中的一種或組合。
3.如權利要求1所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，在所述電介質層中形成若干凹槽圖形的步驟和在所述凹槽圖形中形成填充電介質的步驟之間，還包括老化處理步驟，繼續去除位於所述凹槽圖形側壁區域的電介質層中的碳元素，以調整所述 第一隔層的厚度。
4.如權利要求3所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，所述老化處理步驟的反應氣體包含氧基氣體。
5.如權利要求1所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，在去除所述第一隔層的步驟之後，所述互連通道彼此之間具有所述空氣隙。
6.如權利要求5所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，在去除所述第一隔層的步驟之後，所述相鄰的互連通道彼此之間的所述空氣隙的數量大於等於I。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，該製備方法還包括: 在所述基板上形成若干互連通道的同時，去除所述互連通道的側壁區域的電介質層或填充介質中的碳元素，以在所述互連通道的側壁上形成疏鬆的第二隔層； 在所述互連通道中填充導電材料；以及 去除所述第一隔層的同時，去除所述第二隔層，以在所述互連通道的側壁處形成互連通道空氣隙。
8.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，在基板上沉積電介質層步驟之前還包括:在所述基板上沉積刻蝕停止層。
9.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，在基板上沉積電介質層的步驟和在所述電介質層中形成若干凹槽圖形的步驟之間，還包括:在所述電介質層上依次沉積氧化物保護層和硬質掩膜層。
10.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，所述電介質層的材料為含碳的低電介質材料。
11.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，所述填充電介質的材料和所述電介質層的材料相同。
12.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，所述互連通道為溝道及通孔中的一種或組合。
13.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，所述用導電材料填充所述互連通道的步驟包括: 在所述互連通道內製備所述導電材料的金屬阻擋層和種子層； 沉積所述導電材料以填充所述互連通道；以及 平坦化所述導電材料以露出所述電介質層。
14.如權利要求1-6中任意一項所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，採用溼法刻蝕工藝去除所述第一隔層。
15.如權利要求14所述的含有空氣隙的互連結構的製備方法，其特徵在於，所述溼法刻蝕工藝的刻蝕液體包含氫氟酸。
【文檔編號】H01L21/768GK103531524SQ201210225939
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月2日 優先權日:2012年7月2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