全局互連銅鏤空結構的製造方法
2023-08-10 00:06:21
專利名稱：全局互連銅鏤空結構的製造方法
技術領域：
本發明涉及的是一種集成電路技術領域的製造方法，特別是一種全局互連銅鏤空結構的製造方法。
背景技術：
半導體製造技術的發展推動了具有多層互連線的集成電路的發展。對於高端集成電路，金屬互連層數多達8～9層，這樣金屬導線間的電容、層間電容和金屬導線的電阻增大，從而導致布線RC延遲的增加，限制了晶片的處理速度。為了提高晶片的速度和降低布線的RC延遲，一方面金屬導線要用銅替代鋁；另一方面要降低金屬互連層間絕緣層的介電常數k，即要用低k絕緣層替代SiO2層(k＝3.9～4.2)，低k絕緣層可降低絕緣層所產生的寄生電容。
當集成電路技術進步到90nm以下技術時代時，多孔低k介質(＜2.7)的採用將成為重要問題，人們對低k介質與Cu的互連集成技術研究很多，低k材料除了其低的k值可以保證獲得小的互連電容外，還需要好的介電性和好的機械力學特性、與其他互連材料如Cu及勢壘層材料的性質兼容、能夠與IC工藝兼容(如後續的清潔、刻蝕、研磨拋光、熱處理等工藝)、能夠在器件特定工作條件下高可靠性地工作。多孔低k介質的機械強度往往不能滿足後續工藝的需要，通孔和溝槽的刻蝕及刻蝕後的清洗問題是低k介質材料技術中的技術難點。相比低k多孔介質而言，另外一種降低互連電容的方法是在互連結構中引入氣隙，即介質層和空氣是分開的。
經對現有技術文獻的檢索發現，Z.Gabric等人於Proc.2004 IEEE(international connect technology conference)(美國電氣電子工程師學會2004年國際互連技術會議)第151-153頁中所提出的「Air gap technology byselective Ozone/TEOS deposition」(選擇性沉積Ozone/TEOS的氣隙互連技術)，這種方法使相連金屬間的電容比沒有氣隙的互連結構減小了兩個數量級。然而，空氣間隙形成時，金屬線內壁和空氣間隙間有一層SiO2邊牆，邊牆太厚則使電容增加，太薄則不能有效防止金屬線間形成的電遷移，因此需要優化邊牆厚度，工藝複雜。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種全局互連銅鏤空結構的製造方法，即將MEMS(微機電系統)技術中常用的犧牲層技術應用到銅互連結構的製造工藝中，使其全局互連導線通過犧牲層技術鏤空，這種互連不但可以將電介質的介電常數大幅度降低到很低水平，而且由於實際上阻斷了互連引線之間的聯繫通道，避免導體材料的擴散遷移。
本發明是通過如下技術方案實現的，具體包括如下步驟(1)掩膜電鍍，形成圖形化的銅柱子(即互連銅線)首先在清洗乾淨的單面氧化矽襯底上光刻，再採用磁控濺射法(常規操作)沉積20nm～50nm的阻擋層，丙酮去膠，形成圖形化的阻擋層；接著再濺射70nm～110nm厚度的種子層(即底膜)，光刻，在有阻擋層的上方電鍍銅柱子(即銅線)去除光刻膠，幹法刻蝕去除底膜(即等離子體刻蝕底膜)，形成分立的銅線圖形。
(2)形成互相絕緣的分立通孔圖形在分立的銅線間填充犧牲層，研磨拋光使表面平坦化並露出銅線；濺射種子層，再光刻形成通孔圖形，以光刻膠為掩膜電鍍通孔，去膠；以銅為掩膜，同上用幹法刻蝕去除通孔之外的底膜，形成互相絕緣的分立通孔圖形。
(3)再次電鍍上層銅柱子在分立的通孔圖形間再次填充犧牲層，研磨拋光至露出銅通孔，再濺射種子層，光刻形成上層溝槽，在溝槽裡電鍍上層銅柱子，銅柱高度與膠持平，再濺射上層保護層。
(4)形成鏤空互連結構用丙酮去光刻膠，幹法刻蝕去除底膜，將濃磷酸放在水浴鍋中加熱到60℃～80℃，再將互連結構浸泡在濃磷酸中以去除犧牲層，形成全局互連銅鏤空結構。
所述的阻擋層，是指能阻擋金屬擴散並與介質層具有較好粘結性的金屬層，可選擇鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或氮化鎢鉭(TaWN)。採用磁控濺射或化學氣相沉積的方法製備。
所述的種子層，是指磁控濺射沉積的CrCu薄膜，其中鉻作為粘結層。
所述的幹法刻蝕去除底膜，具體條件是本底真空2.0*10-6mbar，工作壓力0.02mbar，刻蝕氣體高純氬氣，流量70sccm，功率750W。
所述的填充犧牲層，其犧牲層是指磁控濺射的氧化鋁薄膜或旋塗的聚醯亞胺層。若犧牲層是磁控濺射的氧化鋁薄膜，則濺射氧化鋁條件為本底真空2.0×10-4Pa，濺射氣壓2.67Pa，功率4KW；若犧牲層是聚醯亞胺，則是通過旋塗填充，具體條件是用程控烘箱，從室溫緩慢升溫到90℃，保溫1h，再0.5h升到130℃，保溫0.5h，最後1h升到150℃，保溫1h，以保證後續拋光時有一定的強度，而且要防止後面幹法刻蝕去除底膜時溫度升高導致聚醯亞胺變性而難以去除。
所述的氧化鋁薄膜，其結構是柱狀非晶態，其厚度與銅柱(或通孔)高度一樣，可以避免在以後的研磨拋光過程中由於犧牲層和銅的硬度差別大導致圖形損壞。選擇性去除犧牲層時，去氧化鋁時所用腐蝕液是水浴加熱的濃磷酸。犧牲層是聚醯亞胺時，用溫熱的稀氫氧化鈉溶液去除。
所述的濺射上層保護層，其濺射條件為本底真空5×10-5Pa，流量30sccm，功率100W。
所述的上層保護層，其材料是磁控濺射的鎢。
所述的去除犧牲層，是指若犧牲層是氧化鋁時，採用水浴加熱濃磷酸去除犧牲層；犧牲層是聚醯亞胺時，採用溫熱的稀氫氧化鈉溶液去除犧牲層。
本發明的原理及有益效果本發明針對互連延遲的主要部分，即全局互連部分，提供形成鏤空銅互連結構的方法，即採用與局域互連完全不同的解決方法，藉助MEMS(微機電系統)技術常用的犧牲層技術理念，將全局互連的導線通過犧牲層技術鏤空，然後再次填充低k介質材料(聚醯亞胺或者是含氟的矽酸鹽玻璃)，或者乾脆懸空工作，構成針對全局互連的超低k三維互連架構。這種互連不但可以將電介質的介電常數大幅度降低到很低水平，而且由於實際上阻斷了互連引線之間的聯繫通道，導體材料的擴散遷移過程將不會發生。
圖1本發明所製備的鏤空銅互連結構剖視圖。
圖2本發明製造工藝流程中形成第一層銅線的示意圖。
圖3本發明製造工藝流程中形成通孔的示意圖。
圖4本發明製造工藝流程中形成上層銅線的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例1本實施例1是在以下實施條件和技術要求條件下實施的(1)掩膜電鍍，形成圖形化的銅柱子。參見圖2，將清洗乾淨的矽襯底1於180℃烘烤半小時以增強膠和襯底的結合力，再甩膠光刻，採用化學氣相沉積或濺射法沉積20nm厚的阻擋層4，阻擋層是氮化鉭(TaN)，用丙酮去膠，藉助liftoff(剝離)技術使阻擋層圖形化，接著磁控濺射110nm厚的CrCu種子層2，再光刻，形成溝槽，在溝槽裡電鍍銅線3。接著丙酮去膠，以銅柱為掩膜，用幹法等離子體刻蝕去除底膜，形成分立絕緣的銅線。若合理控制物理刻蝕條件，則銅柱的損失基本可以忽略，直接以銅柱為掩膜來刻蝕底膜是可行的。刻蝕具體條件是本底真空2.0*10-6mbar，工作壓力0.02mbar，刻蝕氣體高純氬氣，流量70sccm，功率750W。然後填充犧牲層5，犧牲層是磁控濺射的氧化鋁，濺射氧化鋁條件為本底真空2.0×10-4Pa，濺射氣壓2.67Pa，功率4KW。研磨拋光表面並露出銅線，再濺射種子層。
(2)參見圖3，光刻形成通孔圖形，再電鍍通孔6，去膠，同步驟1中幹法等離子體刻蝕底膜2。接著磁控濺射填充氧化鋁犧牲層5，然後研磨拋光使表面平坦化，露出銅，再濺射種子層。
(3)參見圖4，光刻電鍍上層銅線，濺射7保護層(caplayer)W，濺射條件為本底真空5×10-5Pa，流量30sccm，功率100W。去膠，物理刻蝕底膜。
(4)去除犧牲層5。當犧牲層是氧化鋁時，置於水浴加熱(60℃)的濃磷酸中，去除氧化鋁；得到鏤空的銅互連鏤空結構，見圖1，為鏤空銅互連結構的示意圖，其中1是單面氧化的矽襯底，2是種子層，3是銅線，4是阻擋層，5是犧牲層，6是銅通孔，7是外面保護層W。
從本實施例可以看出，通過掩膜電鍍及犧牲層技術形成的銅互連鏤空結構，有效介電常數為1.14，與氣隙互連結構以及傳統的互連結構相比，大大降低了全局互連延遲的影響；而且相比大馬氏革工藝中形成氣隙的互連結構而言，工藝簡單成本低。
實施例2本實施例2是在以下實施條件和技術要求條件下實施的(1)同實施例1中相應步驟(1)，形成分立的圖形化的銅線，參見圖2。不同的是濺射TaN阻擋層厚度為30nm，種子層厚度為90nm。再填充聚醯亞胺(PI)作為犧牲層，犧牲層的厚度與銅線高度相當。填充聚醯亞胺採用旋塗法，需要選擇合適固化溫度(150℃)，保證後續拋光時有一定的強度，而且要防止後面幹法刻蝕底膜時溫度升高導致聚醯亞胺變性而難以去除。具體是用程控烘箱，從室溫緩慢升溫到90℃，保溫1h，再0.5h升到130℃，保溫0.5h，最後1h升到150℃，保溫1h。接著研磨拋光，再在平坦的表面濺射種子層。
(2)同實施例1相應步驟(2)形成分立絕緣的通孔圖形，參見圖3。注意丙酮去膠時要快速去膠，因為去膠時間太長，丙酮會使下面的PI變性。再旋塗填充聚醯亞胺，研磨拋光，再濺射同上種子層。
(3)同實施例1相應步驟(3)再次電鍍上層銅柱子並重複後續工藝，參見圖4。
(4)去除犧牲層5。用稀NaOH溶液去除聚醯亞胺，得到鏤空的銅互連鏤空結構。(或將濃磷酸放在水浴鍋中加熱到70℃，再將互連結構浸泡在濃磷酸中以去除犧牲層，形成全局互連銅鏤空結構)參見圖1，為鏤空銅互連結構的示意圖。
從本實施例可以看出，通過掩膜電鍍及犧牲層技術形成的銅互連鏤空結構，有效介電常數為1.21，與氣隙互連結構以及傳統的互連結構相比，大大降低了全局互連延遲的影響；而且相比大馬氏革工藝中形成氣隙的互連結構而言，工藝簡單成本低。
實施例3本實施例3是在以下實施條件和技術要求條件下實施的
(1)在溝槽裡電鍍銅線之前的步驟都與實施例1相應步驟相同，不同的是濺射TaN阻擋層厚度為50nm，種子層厚度為70nm，而且第一層銅線鍍完後先不去底膜，即此時銅線之間不是互相絕緣的。後續工藝是在膠上直接套刻電鍍通孔，因此這裡省去了刻底膜、研磨拋光及濺射底膜等步驟。
(2)同實施例1相應步驟(2)，但第一層銅線上面不需要濺射底膜。甩膠平坦化，光刻形成通孔圖形，電鍍通孔，丙酮去膠，直接以銅柱為掩膜，幹法刻蝕底膜，形成分立絕緣的銅線和通孔圖形。甩光刻膠作為犧牲層，120℃烘烤以增強強度防止後續拋光時膠粘連而被揭起。研磨拋光表面並露出銅線，再濺射70nm厚度的種子層。參見圖3。
(3)同實施例1相應步驟(3)，光刻電鍍上層銅線，濺射保護層(caplayer)W，丙酮去上層光刻膠，幹法刻蝕底膜。與實施例1區別是，這裡底膜較薄(厚度為70nm)，刻蝕底膜時功率要低，所需時間也短，以防止光刻膠由於刻蝕底膜時溫度升高而變性。參見圖4。
(4)去除犧牲層。由於下層光刻膠經過高溫烘烤，丙酮是不易去除的，可以用溫熱的10％NaOH溶液去除光刻膠，得到鏤空的銅互連鏤空結構。參見圖1，為鏤空銅互連結構的示意圖。
從本實施例可以看出，通過掩膜電鍍及犧牲層技術形成的銅互連鏤空結構，有效介電常數為1.25，與氣隙互連結構以及傳統的互連結構相比，大大降低了全局互連延遲的影響，而且工藝簡單成本低。
權利要求
1.一種全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)掩膜電鍍，形成圖形化的銅柱子首先在清洗乾淨的單面氧化矽襯底上光刻，再採用磁控濺射法沉積20nm～50nm的阻擋層，丙酮去膠，形成圖形化的阻擋層；接著再濺射70nm～110nm厚度的種子層，光刻，在有阻擋層的上方電鍍銅柱子去除光刻膠，幹法刻蝕去除底膜，形成分立的銅線圖形；(2)形成互相絕緣的分立通孔圖形在分立的銅線間填充犧牲層，研磨拋光使表面平坦化並露出銅線；濺射種子層，再光刻形成通孔圖形，以光刻膠為掩膜電鍍通孔，去膠；以銅為掩膜，同上用幹法刻蝕去除通孔之外的底膜，形成互相絕緣的分立通孔圖形；(3)再次電鍍上層銅柱子在分立的通孔圖形間再次填充犧牲層，研磨拋光至露出銅通孔，再濺射種子層，光刻形成上層溝槽，在溝槽裡電鍍上層銅柱子，銅柱高度與膠持平，再濺射上層保護層；(4)形成鏤空互連結構用丙酮去光刻膠，幹法刻蝕去除底膜，去除犧牲層，形成全局互連銅鏤空結構。
2.如權利要求1所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的阻擋層，是指能阻擋金屬擴散並與介質層具有較好粘結性的金屬層，可選擇鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或氮化鎢鉭(TaWN)。
3.如權利要求1所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的種子層，是指磁控濺射沉積的CrCu薄膜，其中鉻作為粘結層。
4.如權利要求1所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的幹法刻蝕去除底膜，具體條件是本底真空2.0*10-6mbar，工作壓力0.02mbar，刻蝕氣體高純氬氣，流量70sccm，功率750W。
5.如權利要求1所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的填充犧牲層，若犧牲層是磁控濺射的氧化鋁薄膜，則濺射氧化鋁條件為本底真空2.0×10-4Pa，濺射氣壓2.67Pa，功率4KW；若犧牲層是聚醯亞胺，則是通過旋塗填充，具體條件是從室溫緩慢升溫到90℃，保溫1h，再0.5h升到130℃，保溫0.5h，最後1h升到150℃，保溫1h。
6.如權利要求1或5所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的填充犧牲層，其犧牲層是指磁控濺射的氧化鋁薄膜或旋塗的聚醯亞胺層。
7.如權利要求1所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的濺射上層保護層，其濺射條件為本底真空5×10-5Pa，流量30sccm，功率100W。
8.如權利要求1或7所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的上層保護層，其材料是磁控濺射的鎢。
9.如權利要求1所述的全局互連銅鏤空結構的製造方法，其特徵是，所述的去除犧牲層，是指若犧牲層是氧化鋁時，採用水浴加熱濃磷酸去除犧牲層；犧牲層是聚醯亞胺時，採用溫熱的稀氫氧化鈉溶液去除犧牲層。
全文摘要
一種全局互連銅鏤空結構的製造方法，屬於集成電路金屬互連多層結構的製造方法。包括如下步驟(1)形成圖形化的阻擋層，濺射種子層，光刻，掩膜電鍍，形成圖形化的銅柱子；(2)刻蝕底膜，填充犧牲層，研磨拋光，濺射種子層，光刻電鍍，去膠，刻蝕底膜，形成互相絕緣的分立通孔圖形；(3)同2，填犧牲層，研磨拋光並濺射種子層，光刻，再次電鍍上層銅柱子；(4)形成鏤空互連結構。本發明使全局互連導線通過犧牲層技術鏤空，這種互連不但可以將電介質的介電常數大幅度降低到很低水平，而且由於實際上阻斷了互連引線之間的聯繫通道，避免導體材料的擴散遷移。
文檔編號H01L21/70GK101060096SQ200710040469
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月10日 優先權日2007年5月10日
發明者張叢春, 楊春生, 丁桂甫, 劉興剛, 張楷亮 申請人:上海交通大學