一種銅/空氣隙的製備方法
2023-07-21 17:44:16 2
專利名稱：一種銅/空氣隙的製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路領域，特別涉及一種銅/空氣隙的製備方法。
背景技術：
隨著超大規模集成電路(ULSIC)集成密度的持續提高，集成電路關鍵尺寸不斷縮小，隨之帶來許多技術問題。其中，由各種電路源器件的臨近效應引起的串擾或電磁作用已無法被忽略，並間接影響RC延遲。隨著技術節點進入90nm及以下，由於銅線之間和上下銅層之間的串擾作用，銅互連層的RC延遲已成為整個晶片RC延遲的主要部分之一。為了降低銅互連層的RC延遲，業界普遍採用更低介電常數介質代替傳統的Si02(k 4. 2)介質。在90nm至65nm技術代，業界一般使用介電常數在2. 6 3. O的SiOCH介質，如AMAT公司的Black Diamond I和Novellus公司的C0RAL，它們都可採用化學氣相法沉積，便於工藝集成。進入45nm技術代，業界一般採用多孔型SiOCH進一步降低k值，如AMAT公司的Black Diamond 1，介電常數可達2. 0 2. 5 ;也有米用C、H有機介質,如Dow Chemical公司的SILK，介電常數在2. 2^2. 6，採用旋塗法。儘管現有技術的超低介電常數介質已經將k值降至2. O附近，仍無法滿足金屬線寬進一步縮小的要求，業界開始考慮介電常數為I的空氣作為互連介質，即空氣隙。在互連中引入銅/空氣隙的工藝方案主要有兩種一是採用特殊材料(條件分解)作為互連層介質完成整個工藝流程，然後對特殊材料施加一個特定條件(如40(TC高溫)使其發生分解，變成氣態物質被釋放出，最終形成空氣隙。二是採用常規材料(摻雜Si02)作為互連層犧牲介質，在完成當前層金屬化後，刻蝕掉犧牲介質，沉積一層填充能力差的介質，形成空氣隙。前者在特殊材料釋放過程中存在技術風險；後者與現有銅互連工藝兼容，更容易實現量產。但對於反刻犧牲介質形成空氣隙的工藝方案，當互連層數較多時，當前層工藝(如刻蝕、溼法清洗、化學機械拋光等)有可能造成下面的銅/空氣隙互連層的物理塌陷，這是因為單純依靠金屬支撐的互連棧堆在層間界面處非常薄弱。因此，通常對RC延遲更為敏感的金屬線互連層採用空氣隙，而對RC延遲相對敏感的通孔層仍然採用LK或ULK介質，如此一來既能控制RC延遲，又能獲得相對物理性能更好的互連棧堆。然而，犧牲介質反刻工藝較難控制刻蝕深度，矽片中心與矽片邊緣、圖形密集區域與圖形稀疏區域，都存在刻蝕速率差異。因此，空氣隙的體積差異明顯，進而導致有效介電常數出現變化，甚至導致集成電路晶片的片內不均勻性，這顯然不利於實際應用。
發明內容
本發明的主要目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種銅/空氣隙的製備方法，有效控制金屬線互連層的介質刻蝕深度，獲得片內均勻性優異的空氣隙。為達成上述目的，本發明提供一種銅 /空氣隙的製備方法，包括如下步驟在襯底上依次形成通孔層，刻蝕停止層和金屬線互連層，其中金屬線互連層由犧牲介質沉積而成；形成貫穿所述金屬線互連層和所述刻蝕停止層的金屬互連線溝槽；在所述金屬互連線溝槽填充金屬，形成金屬互連線；刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於所述刻蝕停止層；於所述金屬線互連層上沉積介質層，以在所述金屬線互連層內形成空氣隙。可選的，形成貫穿所述金屬線互連層和所述刻蝕停止層的金屬互連線溝槽的步驟包括於所述金屬線互連層上光刻金屬互連線區域，刻蝕該區域的所述犧牲介質並停止於所述刻蝕停止層；刻蝕所述刻蝕停止層對應位置，以形成貫穿所述金屬線互連層和所述刻蝕停止層的金屬互連線溝槽。可選的，在所述金 屬互連線溝槽填充金屬，形成所述金屬互連線後，平坦化所述金屬線互連層。可選的，刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於所述刻蝕停止層的步驟包括以所述金屬互連線作為硬掩膜，刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於所述刻蝕停止層。可選的，在刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於刻蝕停止層的步驟後，刻蝕所述刻蝕停止層，保留所述金屬互連線底部邊緣處的所述刻蝕停止層。可選的，所述刻蝕停止層材料為SiN、SiOCN或SiCN等含氮的矽化物。可選的，所述犧牲介質為含氟二氧化矽、含碳二氧化矽或含硼磷二氧化矽。可選的，所述刻蝕停止層與所述金屬線互連層的刻蝕選擇比大於50:1。本發明的優點在於通過在通孔層和金屬線互連層之間增加一層刻蝕停止層，能夠有效控制金屬線互連層的介質刻蝕深度，更能夠保證空氣隙深度的均勻性，改善空氣隙體積差異，從而獲得介電常數片內均勻性優異的空氣隙。
圖1所示為本發明銅/空氣隙的製備方法的流程示意圖。圖2至圖9所示為本發明的銅/空氣隙的製備方法的剖視圖。
具體實施例方式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。請參考圖1所示的本發明的銅/空氣隙的製備方法流程圖，所述方法包括步驟S1，在襯底上依次形成通孔層，刻蝕停止層和金屬線互連層，其中金屬線互連層由犧牲介質沉積而成。步驟S2，形成貫穿金屬互連線層和刻蝕停止層的金屬互連線溝槽。步驟S3，在金屬互連線溝槽填充金屬，以形成金屬互連線。步驟S4，刻蝕金屬線互連層其餘的犧牲介質，並停止於刻蝕停止層上。步驟S5，於金屬線互連層上沉積填充率較差的矽碳氮化物的介質，以在金屬線互連層內形成空氣隙。下面結合具體的實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明。為了更好地說明本發明的技術方案，請參考圖2至圖9為本發明一個實施例的製造方法剖面結構示意圖。
首先，請參考圖2，提供半導體襯底11，半導體襯底11的材質可以是矽、鍺或鍺矽。在本實施例中，襯底11的材質為矽。半導體襯底11上形成有器件區域12，包括多個半導體器件如柵極、源極、漏極、電容、電阻等。在襯底11表面形成第一通孔層111，其形成方法可以是化學汽相方法沉積(CVD)。第一通孔層111可以是低介電常數介質或超低介電常數介質，如Black Diamond1、CORAL、Black Diamond2、POLA等。接著，米用單大馬士革技術將金屬填充至第一通孔層111的通孔112中。單大馬士革工藝為現有技術，本領域技術人員應當充分知曉，在此不做詳細的說明。其次，請繼續參考圖3，在第一通孔層111和半導體襯底11上依次形成第一刻蝕停止層113和第一金屬線互連層115。其中，第一刻蝕停止層113的形成方法可以是通過等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)沉積，其材質可以是SiN或SiOCN或SiCN等含氮的矽化物。第一金屬線互連層115採用CVD工藝沉積犧牲介質而成，犧牲介質可以是含氟二氧化娃、含碳二氧化娃、含硼磷二氧化娃、低介電常數介質、超低介電常數介質。相對於第一金屬線互連層115，第一刻蝕停止層113具有高的刻蝕選擇比，優選的，刻蝕選擇比大於50:1。再次，請參考圖4，在第一金屬線互連層115上光刻出第一金屬互連線區域，並在該區域刻蝕犧牲介質。具體方法例如是利用光刻膠定義出第一金屬互連線區域，以光刻膠層為掩膜刻蝕犧牲介質，本領域技術人員應當充分知曉光刻工藝，在此不做贅述。由於第一刻蝕停止層113具有高的刻蝕選擇比，刻蝕犧牲介質的過程將停止於第一刻蝕停止層113上。之後再刻蝕第一刻蝕停止層113與第一金屬互連線區域對應的位置，以形成貫穿第一金屬線互連層115和第一刻蝕停止層113的第一金屬互連線溝槽114，使得第一金屬線互連層115與第一通孔層113相連通。接著，在第一金屬互連線溝槽114內填充金屬以形成第一金屬互連線。進一步地，填充金屬的步驟包括在第一金屬互連線溝槽114內形成金屬阻擋層，金屬阻擋層為鉭或氮化鉭，其形成方法可為物理汽相沉積(PVD)。再於金屬阻擋層上形成銅的籽晶層，採用電鍍的方法於銅的籽晶層上填充金屬最終形成第一金屬互連線。接著，平坦化第一金屬線互連層115的表面，去除填充步驟中產生的金屬冗餘，平坦化的方法可以是化學機械研磨(CMP)。然後，請參考圖5，利用第一金屬互連線做硬掩膜，沿第一金屬互連線刻蝕第一金屬線互連層115其餘的犧牲介 質，將這些犧牲介質全部去除並停止於第一刻蝕停止層113上。由於第一刻蝕停止層113的存在，刻蝕犧牲介質的過程將停止於第一刻蝕停止層113上，從而避免了刻蝕深度不均勻甚至損傷第一通孔層111。為了儘可能地降低互連介質的介電常數，還可繼續刻蝕第一刻蝕停止層113，以去掉大部分的第一刻蝕停止層113，同時考慮到過刻蝕量的控制，在靠近第一金屬互連線底部的邊緣仍保留部分第一刻蝕停止層113。接著在第一金屬線互連層115上採用PECVD沉積一層填充率較差介質層116，例如SiCN或Si02層,如此一來,第一空氣隙結構110就會自動形成在第一層金屬線互連層115的金屬互連線間隔內，同時介質層116也可作為第一金屬互連線表面的金屬擴散阻擋層。本發明的銅/空氣隙的製備方法還可應用於多層金屬線互連層，如圖6至圖9所示，在本發明的另一實施例中，還包括第二金屬線互連層形成於第一金屬線互連層上。請參考圖6，在介質層116上依次形成第二通孔層121，第二刻蝕停止層123和第二金屬線互連層125。其中，第二通孔層121可採用CVD方法沉積低介電常數介質或超低介電常數介質而形成。第二刻蝕停止層123的形成方法可以是PECVD沉積，其材質可以是SiN或SiOCN或SiCN。第二金屬線互連層125的形成方法可以是採用CVD工藝沉積犧牲介質125，犧牲介質125例如是含氟二氧化矽、含碳二氧化矽、含硼磷二氧化矽、低介電常數介質、超低介電常數介質等。相對於犧牲介質，第二刻蝕停止層123具有高的刻蝕選擇比，優選的，刻蝕選擇比大於50:1。接著，請參考圖7，利用雙大馬士革技術對第二金屬線互連層125，第二刻蝕停止層123以及第二通孔層121進行刻蝕，以形成第二金屬互連線溝槽124和第二通孔122，第二金屬互連線溝槽124貫穿第二金屬線互連層125與第二刻蝕停止層123。本實施例中採用雙大馬士革技術，首先在襯底11表面沉積一層金屬硬掩膜，如TiN或TaN，光刻出第二金屬線互連層125的第二金屬互連線區域，採用溼法去除第二金屬互連線區域的金屬硬掩膜；然後光刻出第二通孔區域，刻蝕該區域內的犧牲介質，刻蝕停止層123。接著利用金屬硬掩膜，整體刻蝕掉通孔區域的介質121和金屬互連線區域的犧牲介質125，並停在第一介質層116和刻蝕停止層123在金屬互連線區域內的剩餘部分上。刻蝕第二金屬互連線區域內的刻蝕停止層123以及第二通孔區域內的第一介質層116，溼法去除金屬硬掩膜，最終形成第二通孔122與第二金屬互連線溝槽124。以上雙大馬士革刻蝕方法也可以是通孔刻蝕優先，方法與現有技術相同，本領域技術人員可以進行靈活選擇。請繼續參考圖8，在第二金屬互連線溝槽124和第二通孔122內填充金屬，填充金屬的步驟包括PVD沉積金屬阻擋層和銅的籽晶層的步驟，以及電鍍銅的步驟，在此不做贅述。至此，第二金屬線互連層125內形成了第二金屬互連線。接著進行化學機械研磨工藝，使第二金屬線互連層125表面平坦化。請繼續參考圖9，利用第二金屬互連線做硬掩膜，沿第二金屬互連線刻蝕以除去第二層金屬線互連層其餘的犧牲介質125，並停止於第二刻蝕停止層123上。由於第二刻蝕停止層123的刻蝕選擇比較高，刻蝕犧牲介質的過程將停止於第二刻蝕停止層123上，從而避免了刻蝕深度不均勻甚至損傷第二通孔層121。繼續刻蝕第二刻蝕停止層123，同時考慮到過刻蝕量的控制，在靠近第二金屬互連線底部的邊緣處僅保留一小部分的第二刻蝕停止層123。如此一來，能夠最大程度地降低第二金屬線互連層互連介質的介電常數。接著在第二金屬線互連層125上採用PECVD沉積一層填充率較差的第二介質層126，例如SiCN或Si02層，第二空氣隙結構120就會自動形成在第二層金屬線互連層125的金屬互連線隔內，同時第二介質層126也可作為第二金屬互連線表面的金屬擴散阻擋層。最後在第二介質層126上旋塗一層較厚的低介電常數介質或超低介電常數介質作為保護層137，如SILK、FLARE、Nautilus 等。雖然在本實施例中，上述的第二金屬線互連結構以及保護層是形成於第一介質層116之上，但也可直接形成於襯底器件區域12的上方，本發明並不限於此。綜上所述，與現有技術相比，本發明在通孔層和金屬線互連層之間增加一層刻蝕停止層，有效控制金屬線互連層的介質刻蝕深度，更能夠保證空氣隙深度的均勻性，改善空氣隙體積差異，從而解決了有效介電常數出現片內不均勻性的問題，本發明的技術方案不僅與現有技術兼容，而且有利於實際量產。雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾， 本發明所主張的保護範圍應以權利要求書所述為準。
權利要求
1.一種銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 在襯底上依次形成通孔層，刻蝕停止層和金屬線互連層，其中金屬線互連層由犧牲介質沉積而成； 形成貫穿所述金屬線互連層和所述刻蝕停止層的金屬互連線溝槽； 在所述金屬互連線溝槽填充金屬，形成金屬互連線； 刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於所述刻蝕停止層； 於所述金屬線互連層上沉積介質層，以在所述金屬線互連層內形成空氣隙。
2.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，所述形成貫穿所述金屬線互連層和所述刻蝕停止層的金屬互連線溝槽的步驟包括 於所述金屬線互連層上光刻金屬互連線區域，刻蝕該區域的所述犧牲介質並停止於所述刻蝕停止層； 刻蝕所述刻蝕停止層對應位置，以形成貫穿所述金屬線互連層和所述刻蝕停止層的金屬互連線溝槽。
3.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於， 在所述金屬互連線溝槽填充金屬，形成所述金屬互連線後，平坦化所述金屬線互連層。
4.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於所述刻蝕停止層的步驟包括 以所述金屬互連線作為硬掩膜，刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於所述刻蝕停止層。
5.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，在刻蝕所述金屬線互連層的所述犧牲介質，並停止於刻蝕停止層的步驟後，刻蝕所述刻蝕停止層，保留所述金屬互連線底部邊緣處的所述刻蝕停止層。
6.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，所述刻蝕停止層材料為SiN, SiOCN或SiCN等含氮的矽化物。
7.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，所述犧牲介質為含氟二氧化矽、含碳二氧化矽或含硼磷二氧化矽。
8.根據權利要求1所述的銅/空氣隙的製備方法，其特徵在於，所述刻蝕停止層與所述金屬線互連層的刻蝕選擇比大於50:1。
全文摘要
本發明公開了一種銅/空氣隙的製備方法，包括在襯底上依次形成通孔層，刻蝕停止層和金屬線互連層，其中金屬線互連層由犧牲介質沉積而成；形成貫穿金屬線互連層和刻蝕停止層的金屬互連線溝槽；在金屬互連線溝槽填充金屬，形成金屬互連線；刻蝕金屬線互連層的犧牲介質，並停止於刻蝕停止層；於金屬線互連層上沉積介質層，以在金屬線互連層內形成空氣隙。本發明能夠有效控制金屬線互連層的介質刻蝕深度，獲得均勻性優異的空氣隙。
文檔編號H01L21/768GK103066014SQ20121043759
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者林宏 申請人:上海集成電路研發中心有限公司