銅互連中空氣隙的形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種銅互連中空氣隙的形成方法，通過(guò)在雙大馬士革結(jié)構(gòu)形成之后，先在雙大馬士革結(jié)構(gòu)側(cè)壁上淀積一層氧化層，隨后再進(jìn)行金屬的填充，并在犧牲層去除之后在金屬的側(cè)壁上保留氧化層，從而防止在犧牲層刻蝕時(shí)對(duì)金屬的損傷，并可提高后續(xù)阻擋層與金屬的粘附性。
【專利說(shuō)明】銅互連中空氣隙的形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路的制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種銅互連中空氣隙的形 成方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在超大規(guī)模集成電路的工藝發(fā)展中，由于芯片速度的提升、功耗的降低等，金屬互 連線的延遲已經(jīng)遠(yuǎn)超器件的延遲。為了降低互連延遲，銅取代了鉛從而能夠降低互連阻值， 低介電常數(shù)材料（氣慘雜二氧化娃（FSG)、碳慘雜二氧化娃（SiCOH))等取代了二氧化娃，能 夠降低介電常數(shù)從而降低互連電容，上述均在半導(dǎo)體制造工藝得到應(yīng)用。隨著工藝的發(fā)展， 特征結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近金屬中電子的平均自由程，從而使得特征結(jié)構(gòu)的表面及晶粒散射效應(yīng)加 劇，導(dǎo)致電阻率快速上升。該樣對(duì)介電常數(shù)降低的需求更加迫切。由于空氣的相對(duì)介電常 數(shù)為1，降低介電常數(shù)的終極手段是實(shí)現(xiàn)空氣隙。
[0003] 空氣隙技術(shù)目前可分為兩種，一種是局部的空氣隙，即在完成金屬CMP(化學(xué)機(jī)械 研磨）后，對(duì)犧牲層介質(zhì)進(jìn)行反刻，然后進(jìn)行薄膜淀積，利用薄膜淀積在接觸角大的情況下 淀積速率比較高的特性，在特征結(jié)構(gòu)形成空氣隙；或是在完成金屬CMP后，進(jìn)行光刻，將特 征結(jié)構(gòu)暴露出來(lái)，然后進(jìn)行刻蝕，再進(jìn)行薄膜淀積，形成空氣隙。局部空氣隙的優(yōu)點(diǎn)是在大 面積的結(jié)構(gòu)上存在介質(zhì)，從而對(duì)器件的機(jī)械強(qiáng)度影響較小，但需要額外的工藝步驟，如介質(zhì) 淀積、介質(zhì)CMP等工藝。另一種是全局性的空氣隙，采用能夠揮發(fā)的熱敏材料進(jìn)行金屬互連 介質(zhì)，在完成金屬互連后，進(jìn)行熱處理使得熱敏材料揮發(fā)，從而形成空氣隙。該種方法的優(yōu) 點(diǎn)是制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是會(huì)在后續(xù)的芯片封裝中由于介質(zhì)的應(yīng)力、強(qiáng)度等因素而帶 來(lái)困難。
[0004] 在現(xiàn)有的局部空氣隙的形成方法中，犧牲層介質(zhì)常用二氧化娃（Si化）、FSG、SiCOH 等低介電材料，或采用非晶碳、SiLK(碳有機(jī)聚合物）等。由于非晶碳、SiLK等在進(jìn)行反刻 時(shí)，與介質(zhì)的刻蝕的選擇比高，易于刻蝕干凈，經(jīng)常在空氣隙的工藝中采用。另外，在銅互連 工藝中，通常是在銅CMP后進(jìn)行介質(zhì)反刻，然后進(jìn)行介質(zhì)淀積。由于在犧牲層介質(zhì)反刻和介 質(zhì)淀積時(shí)，會(huì)有氧化性的氣體在等離子氛圍中，容易對(duì)金屬產(chǎn)生氧化，影響互連線的電阻， 同時(shí)，在犧牲層介質(zhì)反刻后，為了形成后續(xù)金屬層刻蝕阻擋層，在形成空氣隙的介質(zhì)淀積時(shí) 通常會(huì)首先進(jìn)行氮化娃、碳慘雜氮化娃的淀積，而該些含氮的介質(zhì)薄膜與二氧化娃相比與 金屬的粘附性不好。如在美國(guó)專利US7928003中就在反刻后，在暴露的金屬直接淀積含氮 阻擋層。在中國(guó)專利申請(qǐng)201310220463. 4中采取含碳的保型犧牲層的方法形成空氣隙，但 在去除時(shí)采用氧氣，該樣會(huì)對(duì)金屬有損傷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種銅互連中空氣隙的形成方 法，防止后續(xù)刻蝕時(shí)對(duì)金屬的損傷，并提高后續(xù)阻擋層與金屬的粘附性。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種銅互連中空氣隙的形成方法，其包括W下步 驟：
[0007] 步驟SOI,提供形成有第一金屬圖形的襯底，在襯底上依次淀積介電材料層和犧牲 層，并在所述介電材料層和犧牲層中形成雙大馬±革結(jié)構(gòu)；
[0008] 步驟S02,在所述雙大馬±革結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形成氧化層，隨后向雙大馬±革結(jié)構(gòu)內(nèi)填 充金屬，形成第二金屬圖形；
[0009] 步驟S03,去除所述犧牲層，使所述第二金屬圖形中形成空隙；
[0010] 步驟S04,在所述第二金屬圖形上淀積含氮阻擋層；
[0011] 步驟S05,在所述第二金屬圖形上淀積介質(zhì)層，在所述空隙處形成空氣隙。
[0012] 進(jìn)一步地，步驟S02包括通過(guò)原子層淀積工藝（ALD)淀積氧化層。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟S02包括淀積氧化層之后去除所述雙大馬±革結(jié)構(gòu)底部W及犧牲 層頂部淀積的氧化層，保留雙大馬±革結(jié)構(gòu)側(cè)壁的氧化層。
[0014] 進(jìn)一步地，所述氧化層為二氧化娃。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟S02中淀積二氧化娃的溫度為30-6(TC，反應(yīng)功率為200-600W，反 應(yīng)前驅(qū)體含有抓EAS(SiH2(肥*2)2,雙（二己基氨基）娃焼）、化。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟S02中去除所述雙大馬±革結(jié)構(gòu)底部W及犧牲層頂部淀積的二氧 化娃采用等離子體轟擊去除，其反應(yīng)氣體為氮?dú)?，流量?-lOsccm，偏壓功率為200-600W， 等離子體功率為200-1000W。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟SOI形成雙大馬±革結(jié)構(gòu)的尺寸比目標(biāo)特征尺寸大X，步驟S02形 成的氧化層厚度為X/2, X=20-100A。
[0018] 進(jìn)一步地，所述犧牲層選自非晶碳或碳有機(jī)聚合物。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟S03包括采用氧化性氣體反刻去除所述犧牲層。
[0020] 進(jìn)一步地，所述介電材料層選自二氧化娃、氣慘雜二氧化娃或超低介電材料，所述 介質(zhì)層選自二氧化娃或碳慘雜二氧化娃，所述含氮阻擋層為氮化娃或碳慘雜氮化娃。
[0021] 本發(fā)明提供的銅互連中空氣隙的形成方法，通過(guò)在雙大馬±革結(jié)構(gòu)形成之后，先 在雙大馬±革結(jié)構(gòu)側(cè)壁上淀積一層氧化層，隨后再進(jìn)行金屬的填充，并在犧牲層去除之后 在金屬的側(cè)壁上保留氧化層，從而防止在犧牲層刻蝕時(shí)對(duì)金屬的損傷，并可提高后續(xù)阻擋 層與金屬的粘附性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，W下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí) 施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中：
[0023] 圖1為本發(fā)明銅互連中空氣隙形成方法的流程示意圖；
[0024] 圖2至圖9為本發(fā)明空氣隙形成方法的各步驟結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[00巧]請(qǐng)參閱圖1，并同時(shí)參閱圖2至圖9,本發(fā)明的銅互連中空氣隙的形成方法，其包括 W下步驟：
[0026] 步驟S01，如圖2所示，提供形成有第一銅金屬圖形11的襯底10,在襯底10上依 次淀積介電材料層12和犧牲層13,并在介電材料層12和犧牲層13中形成雙大馬±革結(jié)構(gòu) 14,如圖3所示。
[0027] 其中，本實(shí)施例中的介電材料層可W選自二氧化娃、氣慘雜二氧化娃或超低介電 材料，犧牲層可W選自等離子體淀積的非晶碳或旋涂的碳有機(jī)聚合物。其中，非晶碳淀積工 藝溫度可W是300-50(TC，射頻功率可W是200-500W，反應(yīng)氣體為C2H2,流量為40-80sccm， 淀積設(shè)備可選用美國(guó)應(yīng)用材料公司的Pro化cer腔體。本實(shí)施例中形成雙大馬±革結(jié)構(gòu)可 采用現(xiàn)有光刻刻蝕等手段，在此不再費(fèi)述。本實(shí)施例中形成雙大馬±革結(jié)構(gòu)的光刻時(shí)的尺 寸應(yīng)適當(dāng)增大，形成的雙大馬±革結(jié)構(gòu)尺寸比需要制作的目標(biāo)特征尺寸大，W抵消后續(xù)淀 積氧化層增加的厚度，每個(gè)雙大馬±革結(jié)構(gòu)增大的尺寸較佳地為20-100A。同時(shí)，增大雙大 馬±革結(jié)構(gòu)的尺寸也有助于擴(kuò)大雙大馬±革光刻、刻蝕工藝的工藝窗口。
[0028] 步驟S02,在雙大馬±革結(jié)構(gòu)14的側(cè)壁形成氧化層15,隨后向雙大馬±革結(jié)構(gòu)14 內(nèi)填充銅，形成第二銅金屬圖形16,如圖6所示。
[0029] 其中，本實(shí)施例形成氧化層的工藝較佳地為原子層淀積工藝（ALD)，淀積溫度較佳 地為30-6(TC，反應(yīng)功率較佳地為200-600W，反應(yīng)前驅(qū)體較佳地含有抓EAS (SiHs (肥t2) 2,雙 (二己基氨基）娃焼）、化，淀積的氧化層為二氧化娃。實(shí)際應(yīng)用中，本步驟包括淀積二氧化 娃，如圖4所示，然后，去除雙大馬±革結(jié)構(gòu)底部W及犧牲層頂部淀積的二氧化娃，從而保 留雙大馬±革結(jié)構(gòu)側(cè)壁的二氧化娃，如圖5所示，去除二氧化娃可采用等離子體轟擊去除， 其反應(yīng)氣體為氮?dú)?，流量?-lOsccm，偏壓功率為200-600W，等離子體功率為200-1000W。 本步驟淀積在雙大馬±革結(jié)構(gòu)側(cè)壁的二氧化娃的厚度應(yīng)根據(jù)目標(biāo)特征尺寸W及雙大馬± 革結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)確定，本實(shí)施例每個(gè)雙大馬±革結(jié)構(gòu)制作時(shí)比目標(biāo)特征尺寸大20A，則雙 大馬±革結(jié)構(gòu)側(cè)壁二氧化娃的厚度應(yīng)為10A，該樣便可相互抵消，從而確保后續(xù)填充的銅 金屬特征尺寸符合目標(biāo)特征尺寸的大小。
[0030] 步驟S03,如圖7所示，去除犧牲層13,使第二金屬圖形16中形成空隙21。
[0031] 其中，本步驟可采用氧化性氣體反刻去除犧牲層。本步驟之前可進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研 磨W使第二金屬圖形16頂部平坦化。
[0032] 步驟S04,如圖8所示，在第二金屬圖形16上淀積含氮阻擋層17。
[0033] 其中，本步驟中的含氮阻擋層可W是氮化娃也可W是碳慘雜氮化娃，淀積后空隙 21底部、第二金屬圖形16的頂部和側(cè)壁都具有一層含氮阻擋層，此時(shí)由于二氧化娃層的存 在，可W是含氮阻擋層很好的粘附在金屬表面，W便于后續(xù)工藝。本步驟中的含氮阻擋層厚 度可 W為 100-500A。
[0034] 步驟S05,如圖9所示，在第二金屬圖形16上淀積介質(zhì)層18,最終在空隙21處形 成空氣隙22。
[00巧]其中，本步驟中的介質(zhì)層可W選自二氧化娃或碳慘雜二氧化娃。由于需要形成空 氣隙，第二金屬圖形中空隙的尺寸應(yīng)當(dāng)符合形成空氣隙的要求，現(xiàn)有技術(shù)已有掲示，故不再 費(fèi)述。
[0036] 可見(jiàn)，本實(shí)施例通過(guò)在雙大馬±革結(jié)構(gòu)14形成之后，先在雙大馬±革結(jié)構(gòu)14側(cè)壁 上淀積一層氧化層15,隨后再進(jìn)行金屬的填充，并在犧牲層13去除之后在金屬的側(cè)壁上保 留氧化層15,從而防止在犧牲層13刻蝕時(shí)對(duì)金屬的損傷，并可提高后續(xù)含氮阻擋層17與金 屬的粘附性。
【權(quán)利要求】
1. 一種銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于，其包括以下步驟： 步驟S01，提供形成有第一金屬圖形的襯底，在襯底上依次淀積介電材料層和犧牲層， 并在所述介電材料層和犧牲層中形成雙大馬士革結(jié)構(gòu)； 步驟S02,在所述雙大馬士革結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形成氧化層，隨后向雙大馬士革結(jié)構(gòu)內(nèi)填充金 屬，形成第二金屬圖形； 步驟S03，去除所述犧牲層，使所述第二金屬圖形中形成空隙； 步驟S04,在所述第二金屬圖形上淀積含氮阻擋層； 步驟S05,在所述第二金屬圖形上淀積介質(zhì)層，在所述空隙處形成空氣隙。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S02包括通 過(guò)原子層淀積工藝淀積氧化層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S02包括淀 積氧化層之后去除所述雙大馬士革結(jié)構(gòu)底部以及犧牲層頂部淀積的氧化層，保留雙大馬士 革結(jié)構(gòu)側(cè)壁的氧化層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：所述氧化層為二 氧化硅。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟SOl形 成雙大馬士革結(jié)構(gòu)的尺寸比目標(biāo)特征尺寸大X，步驟S02形成的氧化層厚度為X/2， X=20-100A。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S02中淀積 二氧化硅的溫度為30-60°C，反應(yīng)功率為200-600W，反應(yīng)前驅(qū)體含有BDEAS、02。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S02中去除 所述雙大馬士革結(jié)構(gòu)底部以及犧牲層頂部淀積的二氧化硅采用等離子體轟擊去除，其反應(yīng) 氣體為氬氣，流量為1-lOsccm，偏壓功率為200-600W，等離子體功率為200-1000W。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：所述 犧牲層選自非晶碳或碳有機(jī)聚合物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S03包括采 用氧化性氣體反刻去除所述犧牲層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的銅互連中空氣隙的形成方法，其特征在于：所述 介電材料層選自二氧化硅、氟摻雜二氧化硅或超低介電材料，所述介質(zhì)層選自二氧化硅或 碳摻雜二氧化硅，所述含氮阻擋層為氮化硅或碳摻雜氮化硅。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK104465506SQ201410835897
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】胡正軍 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司