專利名稱：把金屬和超低k值電介質集成的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及半導體晶片的各層內(nèi)的互連，更明確地說，本發(fā)明涉及在低K值電介質材料和超低K值電介質材料中的互連。
背景技術：
一般講，半導體器件是在稱為晶片或切片的半導體材料的園片上制造的。更具體地講，晶片先從一硅棒上切刻下來，該硅片接著經(jīng)過多次掩模，腐蝕，和淀積過程以形成半導體器件的電子學電路。
在過去的幾十年中，半導體工業(yè)已經(jīng)按照莫耳定律，增強了半導體的能力，該定律預言每18個月半導體器件的能力將增加一倍。半導體器件能力的增強部分是用減小特征尺度(也即，在器件上存在的最小尺寸)來獲得的。事實上，半導體器件的特征尺度已經(jīng)快速地從0.35微米發(fā)展成0.25微米，而現(xiàn)在到達0.18微米。無疑地，這種朝著更小的半導體器件的趨向大概會遠遠越過亞0.18微米階段繼續(xù)下去。
然而，對揮發(fā)展更強有力的半導體器件的一個潛在的限制因素是在互連(連接單個半導體器件的各元件和/或把任意數(shù)目的半導體器件連在一起的導體線)處隨之增加的信號延遲。當半導體器件特征尺度減小時，在器件上互連的密度增加。然而互連的更加靠近，增加了互連的線間電容，它導致在互連上的更大的信號延遲。一般講，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)互連延遲隨著特征尺度減小的平方增加。與此相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)門延遲隨著特征尺度的減小而線性地減小。這樣，隨著特征尺度的減小，總的延遲一般有一個凈增加。
為補償這種互連延遲增加的常規(guī)方法是加上更多層金屬。然而這種方法有隨著形成附加金屬層增加生產(chǎn)成本的缺點。另外，這些附加金屬層產(chǎn)生附加的熱，而這對芯片的性能和可靠性都能是不利的。
另外一種補償互連延遲增加的方法是用具有低介電常數(shù)的介電材料(低-K電介質)。然而，因為低-K介電材料具有多孔微結構，它們也有比其他介電材料更低的力學完整性和導熱性。因而，低-K介電材料通常不能承受在一常規(guī)鑲嵌處理中，加在其上的應力和壓力。
在一個常規(guī)的鑲嵌過程中，金屬在溝渠狀溝及/或通孔(via)內(nèi)形成圖案，通常再用化學機械拋光(CMP)把淀積的金屬拋光去除。一般講，取決于互連結構設計，可以拋光去除從半微米到1.5毫米的金屬。
然而當金屬在一種低-K電介質材料內(nèi)形成圖案，然后用CMP方法把它進行拋光去除時，由于CMP的應力和壓力，低-K電介質材料能夠破裂或在溝和/或通孔內(nèi)從金屬拉開。因而曾在低-K電介質材料內(nèi)形成堅固或剛性的結構以有助于在CMP時承受作用于其上的應力和壓力。然而在低-K電介質材料內(nèi)建立這樣的結構將是昂貴的并且會在器件內(nèi)部增加互連延遲，而這又正是用低-K電介質材料所企圖要減小的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及形成半導體晶片的一層。按照本發(fā)明的一個方面，在半導體晶片上淀積上一層電介質層。該電介質層包括具有低介電常數(shù)的材料。在電介質層內(nèi)形成凹區(qū)和非凹區(qū)。在電介質層上淀積一層金屬層以填充凹區(qū)并覆蓋非凹區(qū)。接著對金屬層電拋光以除去覆蓋在非凹區(qū)上的金屬層同時保留在凹區(qū)內(nèi)的金屬層。


本發(fā)明能夠通過參照以下詳細說明并結合附圖得以最好的了解，各圖中，相同部件用相同數(shù)字表示圖1是一例示半導體晶片的截面圖；圖2A-2H是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的一個例示實施方案；圖3是說明一個例示電拋光噴嘴的截面圖；圖4是一張說明按照本發(fā)明各個實施方案的鑲嵌過程各個步驟的流程圖；圖5A-5H是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的一個可供選擇的實施方案；圖6A-6j是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的一個例示實施方案；圖7是說明一個例示電拋光噴嘴的截面圖；圖8A-8J是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的另一個例示實施方案；圖9A-9H是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的另一個例示實施方案；圖10A-10J是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的一個可供選擇的實施方案；圖11A-11J是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的另一個可供選擇的實施方案；圖12A-12H是以截面圖來說明鑲嵌過程各個步驟的另一個可供選擇的實施方案。
具體實施例方式
為了提供對本發(fā)明更全面的了解，下面的敘述給出許多具體的細節(jié)，如具體結構，參數(shù)，例子等，然而應當了解到，這些描述不應作為對本發(fā)明的范圍的一種限制，而是用來作為提供對例示實施方案的更好的說明。
參照圖1，圖中示出例示半導體晶片100，在襯底102上形成104，106，108，110和112各層。襯底102最好用硅，但也可以根據(jù)具體應用，用像砷化鎵等的各種半導體材料。另外，層104可以包括柵114，線116和栓塞115。同樣，層106，108和110可以分別包括線118，120，122和栓塞117，119，121。
一般地講，栓塞可以連接在不同層中的線，也能把線連接到襯底102，如在層104中所示。更具體地講，栓塞可以把線連接到在襯底102中和柵114相關的源和漏上。另外，雖然在這個截面上，在層106，108和110中的某些線沒有連接到栓塞，但在其他截面上，這些線有和它們連接的栓塞。另外，如圖所示，線可以比和它們連接的栓塞更寬。然而，應當認識到在某些應用中，線可以不一定需要比和它們連接的栓塞更寬。
另外，應當認識到，雖然在圖1中給出的晶片100在襯底上102形成5層，104，106，108，110，和112，半導體晶片100可以包括在襯底102上形成的任意多的層數(shù)。另外，應當認識到半導體晶片100能夠在這些層內(nèi)包括任意數(shù)目的柵，線和栓塞。
在圖2A-2H中，給出層202的截面圖以說明用來形成如圖1的區(qū)域124中的線120這樣的線，例示鑲嵌過程的各個步驟。更具使地講，如在下面將要詳細說明的那樣，在鑲嵌過程中，在電介質層中形成溝渠狀溝和通孔。這些溝和通孔要填充以導電材料以分別形成線和栓塞。然而，應當注意到，在這個例示實施方案中所示的過程也能夠用來形成柵或半導體器件的其他結構。
現(xiàn)參照圖2A，在半導體晶片的一個事先形成的層上，可以用任何一種適宜的方法，如化學汽相淀積(CVD)，物理汽相淀積(PVD)原子層淀積(ALD)，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法，形成一層電介質層204。在本實施方案中，電介質層204可以包括具有介電常數(shù)(K)值小于二氧化硅介電常數(shù)(此值約為4.0)的各種材料。具有K值小于二氧化硅K值的材料的例子在以下表1和2中列出
表1

表2

然而應當了解到，電介質層204能包括K值小于二氧化硅K值的任何一種材料。一般講，低K-值材料提供比二氧化硅更好的電絕緣，因而允許形成比用二氧化硅形成的更小特征尺度的半導體器件。
在本例示過程中，在事先形成的層上形成一層電介質層204后，可以用任何一種適宜的淀積方法，例如用CVD，PVD，ALD，旋涂繼以固化和干燥步驟等方法，在電介質層204上淀積一層絕緣層206。如下面將要敘述的那樣，絕緣層206可以包括具有抗反射性質并能抵抗光刻和腐蝕方法的材料，例如氮化硅。
應當注意到，在本實施方案或任何其他實施方案中提到的、把第一種材料淀積在第二種材料的“頂部”上或淀積在第二種材料“上”，可以包括把和第一種材料淀積在第二種材料上形成的一層或更多層中間材料上，除非作了清楚的說明。另外還應當注意到，在本實施方案或任何其他實施方案中提到的把第一種材料淀積在第二種材料的“頂部”上或淀積在第二種材料“上”，并不應看作限制于一個特定的取向。例如，第一種材料能夠被淀積在第二種材料下面，如果材料是在晶片的底部一側上形成的話。
在把絕緣層206淀積在電介質層204的頂部以后，能夠用任何一種適宜的方法，例如CVD，PVD，ALD，旋涂繼以固化和干燥步驟等方法，在絕緣層206上淀積一層電介質層208。電介質層208可以包括介電常數(shù)(K)值小于二氧化硅的各種材料，例如在表1和表2中列出的材料。然而應當認識到電介質層204能夠包括任何K值小于約40的材料。
現(xiàn)參然圖2B，接著用任何一種適宜的方法，象用光刻和腐蝕等方法，能夠在電介質層208內(nèi)形成凹區(qū)210和非凹區(qū)211。更具體地講，所用的光刻法可以包括UV光刻法，溶UV光刻法，X-射線光刻法，電子束光刻法，離子束光刻法等。如圖所示，絕緣層206可以把電介質層204和電介質層208隔離開，固而在電介質層208中用以形成凹區(qū)210的光刻和腐蝕過程期間，能夠減少電介質層204被腐蝕掉的或被損傷的量。另外，絕緣層206能夠有抗反射性質，該性質能減小從絕緣層206和以下的任何層上光線或UV線的反射，這些反射線能干擾用以在電介質層208內(nèi)形成凹區(qū)210的光刻和腐蝕過程。
以下，參照圖2C，用任何一種適宜的淀積方法，例如CVD，PVD，ALD，旋涂繼之以固化和干燥步驟等方法，能夠在電介質層208的頂上淀積一層阻擋層212。如圖示，阻擋層212也能襯著凹區(qū)210的壁。另外，阻擋層212可以包括一種材料，這種材料能夠防止以后形成的一層金屬層216(圖2D)，如下面將敘述的那樣，擴散或滲透進能具有多孔微結構的電介質層208中去。另外，阻擋層212能夠用一層和電介質層208和金屬層216(圖2D)都黏附的導電材料形成。
就如下面將要說明的那樣，金屬層216(圖2D)最好用銅來形成。相應地，在本實施方案中阻擋層212可以包括能阻擋銅擴散的材料，例如鈦，鉭，鎢，氮化鈦，氮化鉭，氮化鎢，硅氮化鉭，硅氮化鎢等。然而應當認識到，在某些應用中，該層阻擋層212是能夠省去的。例如，當電介質層208是用能阻擋銅的擴散的材料形成的，或者當銅擴散進電介質層208不會有害地影響半導體器件的性能，這時就能省去阻擋層212。
在電介質層208的頂部淀積阻擋層212以后，能夠用任何一種適宜的方法，例如CVD，PVD，ALD，旋涂繼以固化和干燥步驟等方法，在阻擋層212的頂上淀積一層籽層214。籽層214可以包括和以后形成的金屬層216(圖2D)相同的材料，如后面將敘述的那樣，以有利于金屬層216(圖2D)在阻擋層212上或電介質層208上，如果沒有用阻擋層的話，的淀積和與該層的接合。相應地，在本實施方案中，籽層214最好包括銅。然而，應當認識到，在某些應用中，籽層能夠被省去。例如，當金屬層216(圖2D)是用像PVD，CVD，ALD，或旋涂繼之以固化和干燥步驟等方法淀積時，籽層214就可以不是必需的。
下面，參照圖2D，用任何一種適宜的方法，如電鍍，無電鍍，PVD，CVD，ALD，旋涂繼以固化和干燥步驟，等方法，在籽層214(圖2C)上淀積金屬層216。如圖示，金屬層216可以填充凹區(qū)210(圖2C)和覆蓋非凹區(qū)211(圖2C)。另外金屬層216可以包括各種導電材料，如象銅，鋁，鎳，鉻，鋅，鎘，銀，金，銠，鈀，鉑，錫，鉛，鐵，銦等。另外應當認識到金屬層628能夠包括各種電導材料如任意一種合金。
在本例示實施方案中，金屬層216最好包括銅，它能夠用在美國專利申請系列號09/232,864中所描述的電鍍裝置和方法電鍍在籽層214(圖2C)上，該專利的題目是“電鍍裝置和方法”，于1999年1月15日申請，其整個內(nèi)容在此供參數(shù)。如前面所指出的，用一個以前形成的籽層214(圖2C)能夠有利于在電鍍過程中把金屬層216淀積和接合到阻擋層212上，或電介質層208上，如果沒有用阻擋層212的話。另外，也如以前所指出的，一層以前形成的阻擋層212能夠防止金屬層216和相關籽層214(圖2C)(如果用了籽層的話)擴散或滲透進電介質層208。然而，應當了解到，在某些應用中，金屬層也能夠直接淀積在電介質208或阻擋層212上。
現(xiàn)在參照圖2E，在金屬層216淀積在電介質層208上以后，用任何一種適應的方法，例如電拋光方法，化學-機械拋光方法(CMP)等，能夠把金屬層216從電介質層208的非凹區(qū)211除去。如圖所示，從電介質層208的非凹區(qū)211除去金屬層216可以包括把金屬層216從任何一種中間層上(如象淀積在電介質層上的阻擋層212等)的非凹區(qū)除去。另外，如圖所示，在本實施方案中，金屬層216被從電介質層208的非凹區(qū)211除去，而在電介質層208的凹區(qū)210內(nèi)保持著金屬層216。
在本例示實施方案中，金屬層216最好用電拋光法從電介質層除去。例如，參照圖3，在半導體晶片100上的金屬層216可以用噴嘴300來電拋光。更具體地講，噴嘴可以把一束電解液流噴向金屬層216。用電極302能夠使電解液流304帶電。另外，如圖示，一個可以工作在恒定電流方式或恒壓方式下的電源306，能夠向電極302和金屬層216提供相反的電荷。相應地，當相對于金屬層216，電解液流304帶正電，金屬離子就能從金屬層216的與電解液流304相接觸的部分除去。
在本例中，繞著Y軸旋轉半導體晶片100和沿著X軸平移半導體晶片100，就可以使電解液流沿著一條螺旋線射向金屬層。用螺旋線形式的電解液流304，金屬層216能夠被均勻地電拋光。也可以保持半導體晶片不動，使噴嘴300運動以把電解液流304噴向金屬層216的各個區(qū)域的方式，把電解液流304噴向金屬層216。又一種選擇?？梢园ò雽w晶片100和噴嘴300二者的運動，以把電解液流304射向金屬層216的各個區(qū)域。對于電拋光更加詳盡的敘述，參閱美國專利申請序列號09/497,894，題目為“為電拋光半導體器件上金屬互連的方法和裝置，”2000年2月4日申請，該申請在此處以供參考。
再參照圖2E，因為電拋光對電介質層208是作用很小的側向應力，因而金屬層216可以從電介質層上電拋光，而不會使電介質層208破裂，使金屬層216和電介質層208脫開或損傷電介質層208，金屬層216或阻擋層212。
相應地，電拋光比常規(guī)去除過程具有優(yōu)點。具體地講，用CMP來從電介質層208上拋光金屬層216可以由于CMP的應力和壓力而使電介質層208破裂，或從金屬層216脫開。另外，由于電拋光能夠基本上沒有應力，因而在電介質層208內(nèi)，為了提高電介質層208的力學完整性而去加上附加結構就可以是不必要了。然而應當認識到，本發(fā)明可以用具有附加結構的電介質層208。另外還應當認識到，在用電拋光把金屬層216從電介質層218的非凹區(qū)211除去以前，能夠用CMP或任何其他方法除去一部份金屬層216。
現(xiàn)參照圖2F，在金屬層216從電介質層208的非凹區(qū)211除去后，可以用任何一種適宜的方法，像濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等，把阻擋層212從電介質層208的非凹區(qū)211(圖2E)除去。然而，如以前所指出的，在某些應用中，可以不用阻擋層212。
在阻擋層212被除去后，參照圖2G，可以用任何一種適應的淀積方法，像CVD，PVD，ALD，旋涂繼以固化和干燥步驟等方法，把一層絕緣層218淀積到電介質層208的頂上。如圖示，絕緣層218也能夠接觸阻擋212和金屬層216。另外，絕緣層218能夠把層202和可能淀積在202層頂上的任意的層隔離開。另外，絕緣層218可以具有抗反射性質，該性質能夠減小從絕緣層218或它以下任意一層的光線或UV線的反射，而這種反射會干擾對淀積在層202上面的任意一層進行光刻和腐蝕的過程。另外，在對淀積在層202上各層進行光刻或腐蝕時絕緣層206可以減少在層202中被腐蝕或被損傷的材料的量。相應地，在本例示實施方案中，絕緣層218可以包括像氮化硅這樣的抗反射，并且能抵抗光刻和腐蝕的材料。
在本實施方案中上述形成層202的過程，能夠被重復以在層202的頂上形成其他層。例如，參照圖2H，在層202的頂部可以形成電介質層220。作為另外一層222的一部分。接著在電介質層220內(nèi)形成溝和通孔以分別形成能和層202內(nèi)的金屬層216接觸的線和栓塞。
另外，雖然本實施方案是聯(lián)系著半導體晶片的某一層中如何形成線來加以敘述的，但應當識識到以上說明的過程同樣可用于形成柵，通孔，或任何其他半導體器件結構。例如，如圖2A-2H中所圖示的，電介質層204可以用襯底102來代替(圖1)，而凹區(qū)210能夠用來形成柵。
參照圖4，圖4給出說明例示鑲嵌過程的流程圖。在步驟400中，在以前形成的層上或在半導體晶片的襯底上形成一層電介質層。在步驟402中，在電介質層上淀積一層金屬層。在步驟404中，從電介質層上，淀積的金屬層被電拋光。
然而應當認識到，對在該流程圖中示出的過程能夠作各種修改。例如，在步驟402和404之間，可以加上用CMP法除去部分金屬層的步驟。另外應該認識到在圖4中所示出的每個步驟能夠包括許多步驟。例如，步驟400能夠包括在其上形成具有凹區(qū)的低-K電介質材料。另外應當認識到在圖4中所示出的步驟能用于任何一個鑲嵌過程，包括單鑲嵌過程或雙鑲嵌過程。
在圖5A-5H中，給出本發(fā)明另一個實施方案。圖5A-5H的實施方案在許多方面和圖2A-2H的實施方案是一樣的，不同之外在于，參照圖5A，用任何一種適宜方法，如象PVD，CVD，ALD旋鍍并繼以固化干燥步驟等的方法，在電介質層208的頂上淀積一層保護層500。類似地，參照圖5H，在電介質層220的頂上，可以淀積一層保護層502。
現(xiàn)參照圖5E和5F，保護層500能夠把阻擋層212和電介質層208隔離開，因而能夠保護電介質層208使它當用象濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等常規(guī)方法來去除阻擋層212時不受象磨損或腐蝕這樣損害。另外，參照圖5F-5H，在除去阻擋層212之后的各個步驟期間，保護層500仍留在電介質層208的非凹區(qū)211上。相應地，保護層500能包括這樣一種材料，這種材料不會在例如濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等過程中受到損傷，如象碳化硅，金剛石膜，二氧化硅等。
在圖6A-6J，層600和602的許多截面圖，是用來說明另一個用來形成線和栓塞的例示鑲嵌過程，如象圖1的126區(qū)中的線120和連接線119。如下面將說明的那樣，在這個例示過程中，層602的這個電介質層包括一層第一子層612和一層第二子層616。
現(xiàn)參照圖6A，第一子層612可以在半導體晶片的已經(jīng)形成的層600上形成，層600包括絕緣層610，線606，以及一層可供選擇的阻擋層608，該層能夠防止在線606中的材料擴散或滲透進電介質層604。具體講，第一子層612能夠用任何一種適宜的方法，例如CVD，PVD，ALD，旋鍍并繼以固化和干燥步驟等方法來形成。第一子層612可以包括具有介電常數(shù)(K)值小于二氧化硅的各種材料，如象表1和表2中列出的材料。然而應當認識到電介質層604可以包括K值小于約4.0的任意材料。
在本例示實施方案中，在以前形成的層600上形成第一子層612以后，可以用任何一種適宜的的淀積方法，如CVD，PVD，ALD，旋鍍并繼此固化和干燥步驟等方法，在第一子層612的頂上淀積一層絕緣層614。如將在下面將說明的那樣，絕緣層614能夠包括具有抗反射性質并能抵抗光刻和腐蝕法的材料，如象氮化硅。
在絕緣層614被淀積在第一子層612頂部上以后，可以用任何一種適宜的方法，如象CVD，PVD，ALD，旋鍍并繼以固化和干燥步驟等方法，在絕緣層614的頂上淀積第二子層616。第二子層616能包括具有介電常數(shù)(K)值小于二氧化硅的各種材料，如列在表1和2中的材料。然而應當認識到，第二子層616能包括K值小于約4.0的任意材料。
在本實施方案中，第一子層612和第二子層616是用具有相同介電常數(shù)的材料形成的。然而，如下面要說明的那樣，第一子層612和第二子層616可以用不同介電常數(shù)的材料來形成。
現(xiàn)在參照圖6B，接著用任意一種適宜的方法，如象用光刻和腐蝕等，可以在第二子層內(nèi)形成溝618。更具體地講，所用光刻的方法可以是UV光刻法，深UV光刻法，X-射線光刻法，電子束光刻法，離子束光刻法等。如圖示，絕緣層614能把第二子層616與第一子層612隔開，從而在用以形成第二子層616中的溝618的光刻和腐蝕過程中，減少第一子層612被腐蝕掉或損傷的量。另外，絕緣層614可以包括抗反射性質，該性質能減少從絕緣層614或在它之下的各層上光線或UV線的反射，而這種反射可以干擾用來在第二子層616內(nèi)形成溝618的光刻和腐蝕過程。
在本例示實施方案中，在第二子層616內(nèi)形成溝618以后，能夠用任何一種適宜的方法，如象濕性腐蝕或干性腐蝕等，把絕緣層614從溝618的底部除去。
接著，在從溝618的底部除去絕緣層614以后，可以用任何一種適宜的方法，如用光刻和腐蝕等方法，在第一子層612中形成通孔620。更具使地講，所用光刻方法可以是UV光刻法，深UV光刻法，X-射線光刻法，電子束光刻法，離子束光刻法等。如圖示，絕緣層610能夠把第一子層612和在以前形成的層600中的電介質604，線606，和阻擋層608隔離開，因而在用以在第一子層612中形成通孔620的光刻和腐蝕過程期間，能減少在以前形成的層600中的電介質材料604，線606，和阻擋層608被腐蝕掉或被損傷的量。另外，絕緣層610能夠包括抗反射性質，該性質能夠減少從絕緣層610和其下的任何一層光線或UV線的反射，而這種反射將干擾在第一子層612內(nèi)用以形成通孔的光刻和腐蝕過程。應當認識到能夠形成溝618和通孔620而不用絕緣層614。
在本例示實施方案中，在通孔620已在第一子層612內(nèi)形成之后，可以用任何一種適宜的方法，像濕性腐蝕，干性腐蝕等來把絕緣層610從通孔620的底部去除。相應地，通孔620能和以前形成的層600中的線606連接。
接著，參照圖6C，用任何一種適應的淀積方法，像CVD，PVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法，能夠把附著層622淀積在層602上。如圖示，附著層622能夠襯著溝618和通孔620的壁。另外，附著層622能包括在溝618和通孔620內(nèi)能提供一光滑表面的一種材料，尤其如果電介質層616和612是多孔的或者如果在溝618和通孔620內(nèi)腐蝕外形是粗糙的。另外，附著層622能夠選擇在電介質層612，616和以后形成的阻擋層624(圖6E)(這在后面將敘述)之間能夠增強結合的一種材料。能夠提供一光滑表面并能在電介質層612、616和以后形成的阻擋層624(圖6E)之間增強結合的材料的例子，包括二氧化硅，氧化鉭，氧化鈦，氧化鎢，碳化硅等。然而應該認識到在某些應用中，例如當在電介質層612、616和阻擋層624(圖6E)之間的直接附著對于特定的應用已經(jīng)足夠并且不會對半導體器件的性能產(chǎn)生有害影響下，附著層是可以省略的。
參照圖6D，在附著層622淀積在層602上以后，用任何一種適宜的方法，象各向異性腐蝕等，可以把附著層622從通孔620的底部除去。如圖示，各向異性腐蝕可以把附著層622從通孔620的底部除去而沒有把附著層622從通孔620的壁上除去。
接著，參照圖6E，在附著層622從通孔620的底部除去以后，用任何一種適宜的淀積方法，象CVD，PVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法，可以把阻擋層624淀積在層602上。如圖示，阻擋層也能淀積在溝618和通孔620的壁上。另外，阻擋層可以包括這樣一種材料，這種材料能減少以后形成的金屬層628(圖6F)(這將在下面敘述)擴散或滲透進可以有多孔微結構的電介質層616和612中去的量。另外，陰檔層624可以用一種導電材料來形成，這種材料能附著于電介質層616和612、附著層622和金屬層628(圖6F)。
如將在下面敘述的，金屬層624(圖6F)最好包括銅。相應地，在本實施方案中，阻擋層624可以包括能抵抗銅的擴散的材料，象鈦，鉭、鎢、氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢、硅氮化鉭，硅氮化鎢等。然而應當認識到，在某些應用中阻擋層是可以被省略的。例如，當電介質層616和612是用能抵抗銅擴散的材料來形成，或者當銅擴散進電介質層616和612不會對半導體器件的性能產(chǎn)生有害影響時，阻擋層624就能被省略。
在本例示實施方案中，在阻擋層624被淀積在層602上以后，用任何一種適宜的方法，象CVD，PVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法，可以把一層籽層626淀積在阻擋層624上。籽層626能夠包括和以后形成的金屬層628(圖6F)(這將在下面敘述)相同的材料，以有利于金屬層628(圖6F)在阻擋層624上，如不用阻擋層則在附著層622和電介質層616和612上的淀積和接合。相應地，在本實施方案中，籽層626最好包括銅。然而應當認識到，在某些應用中，籽層626是可以被省略的。例如，當金屬層628(圖6F)是用象CVD，PVD，ALD，旋涂著繼以固化和干燥步驟等方法淀積的，籽層626可以不是必需的。
接著，參照圖6F，用任何一種適宜的方法，象電鍍，非電鍍，CVD，PVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法，可以在層602上淀積一層金屬層628。如圖示，金屬層628能填充溝618和通孔620，另外，金屬層628可以包括各種導電材料，象銅，鋁，鎳，鉻，鋅，鎘，銀，金，銠，鈀，鉑，錫，鉛，鐵，銦等。另外還應當認識到，金屬層628能夠包括各種導電材料的任何一種合金。
在本例示實施方案中，金屬層628最好包括銅，它能夠用在美國專利申請序利號09/232,864中所描述的電鍍裝置和方法，電鍍在層602上，該專利的整個內(nèi)容在此引入以供參改。如上所述，在電鍍過程中，如用一事先形成的籽層626(圖6E)，將會有利于金屬層628在阻擋層624上，或者如果沒有用阻擋層624則在附著層622和電介質層616和612上的淀積和接合。另外，也如前所述，一個以前形成的阻擋層624能夠減少從金屬層628和相關籽層626(圖6E)(如果用了的話)向電介質層616和612擴散或滲透的量。然而應當認識到，在某些應用中，金屬層216能直接淀積在電介質層616和612上。
現(xiàn)在參照圖6G，在金屬層628被淀積在層602上以后，用任何一種適宜的方法，象電拋光，化學機械拋光(CMP)等方法，可以把金屬層628從層602的非凹區(qū)除去。如圖示，從層602的非凹區(qū)除去金屬層628可以包括把金屬層628從淀積在電介質層616和612上的任何中間層，象阻擋層624等上除去。另外，如圖示，在本實施方案中，金屬層628被從層602的非凹區(qū)除去，而在層602的凹區(qū)(也即圖6E的溝618和通孔620)內(nèi)保留金屬層628。
在本例示實施方案中，最好用電拋光法把金屬層628從層602上進行拋光。例如，參照圖7，在半導體晶片100上的金屬層628能夠用噴嘴700進行電拋光。更具體地講，噴嘴700能把一束電解液流704射向金屬層628。該電解液流能用電極702使它帶電。另外，如圖示，一個能夠操作在恒流或恒壓模式下的電源706，對電極702和金屬層628給以相反的電荷，相應地，當相對于金屬層608，金屬層628的電解液流704被充以正電時，金屬離子將會從金屬層628的和電解液流704相接觸的部位除去。
在本例中，通過使半導體晶片100繞Y軸轉動并使半導體晶片沿X軸平動可以使電解液流704沿著一條螺旋線射向金屬層628。由于電解液流704沿著一條螺旋線704射出，金屬層628能夠被均勻地電拋光。也可以用另外一種方法把電解液流704射向全導層628，即保持半導體晶片100不動，而噴嘴700運動以把電解液流704射向金屬層628的各個部位。又一個選擇是包括半導體晶片100和噴嘴700二者的運動以把電解液流704射向金屬層628的不同部位。對于電拋光更加詳盡的描述，請參閱美國專利申請系列號09/497,894，題目是“在半導體器件上電拋光金屬互連的方法和裝置”，在2000年2月4日申請，該專利在此引入以供參考。
再參照圖6G，在電拋光期間，因為電拋光對于層602只作用很小的應力，因而金屬層628能夠從層602上進行電拋光而不會使電介質層616和612開裂，使金屬層628和電介質層616和612分隔開，或損傷電介質層616和612，金屬層628或阻擋層624。
相應地，電拋光能提供超過常規(guī)去除過程的優(yōu)點。具體講，用CMP方法從層602拋光金屬層628，由于CMP的應力和壓力能引起電介質層616和612破裂或把它們從金屬層628拉開。另外，因為電拋光能夠是基本上無應力的，為了增加電介質層616和612的力學完整性而在電介質層616和612內(nèi)構造附加結構就可以是不必要了。然而應當認識到，本發(fā)明也可以用帶有附加結構的電介質層616和612。另外，應當認識到，在用電拋光把金屬層628從層602的非凹區(qū)除去之前，可以用CMP方法或任何其他方法除去一部份金屬層628。
現(xiàn)參照圖6H，在金屬層628被從層602的非凹區(qū)除去后，用任何一種適宜的方法，象濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等，把阻擋層624從層602的非凹區(qū)除去。然而如前所述，在某些應用中，可以不用阻擋層624。
在阻擋層624被除去后，參照圖6I，用任何一種常規(guī)的淀積方法，象CUP、PVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法，可以在層602上淀積一層絕緣層630。如圖示，絕緣層630能把層602從可能淀積在層602頂上的各層隔離開。另外，層630可以包括抗反射性質，該性質解減少從絕緣層630和在其下的各層的光線或UV線的反射，而這種反射能夠干擾在淀積在層602上的任意一層上進行的光刻和腐蝕過程。另外，當?shù)矸e在層602上的各層上要進行光刻和腐蝕過程期間，絕緣層630能夠減少在層602中被腐蝕掉或被損傷的量。相應地，在本例示實施方案中，絕緣層可以包括具有抗反射性質并能抵抗光刻和腐蝕方法的材料，例如氮化硅。
在本實施方案中為形成層602的上述過程能夠被重復以在層602的頂上形成其他的層。例如，參照圖6J，一個第一子層632，一個絕緣層634，一個第二子層636能夠在層602的頂上形成以形成另一層638，接著在層638中能夠形成溝和通孔，以分別形成能和層602中金屬層相接觸的線和栓塞。
在圖8A-8J中，給出本發(fā)明的另一個例示實施方案。圖8A-8J的實施方案在許多方面和圖6A-6J的實施方案是相同的，不同之處在于，參照圖8A，互連層602的電介質層包括一層第一子層800和一層第二子層802，它們有不同的介電常數(shù)(K)。在本實施方案中，如在圖8A-8J中所示的，互連線(溝618)是在第二子層802內(nèi)形成的，而栓塞(通孔620)是在第一子層800內(nèi)形成的。
如前面所討論的，當特征尺寸減小時，互連的密度增加，這將導致互連延遲增加。雖然把不同層的互連線連接在一起的栓塞的密度也增加，但它不象互連線的密度增加得那樣快。
同樣如前面所討論的，具有比二氧化硅更低介電常數(shù)的材料能用來減小互連延遲。然而有低K值的材料也有比高K值材料低的力學完整性。
由于這種情況，在本實施方案中，第一子層800包括比第二子層802更大K值的材料。這樣，第一子層800比起如果用和第二子層有相同K值或較小K值的材料來形成能有更高的力學完整性和導熱性。以這個方式，半導體晶片的整體的力學完整性和導熱性，以及因而在半導體晶片上能夠形成層的數(shù)目，就能夠增加。
在本實施方案中，第一子層800能包括具有低介電常數(shù)的材料，而第二子層802能包括具有超低介電常數(shù)的材料。例如，第一子層800能包括介電常數(shù)大于約2.5并小于約4.0的材料，如象在表1中列出的這些材料。第二子層802能包括介電常數(shù)在約1.1和約2.5之間的材料，最好約1.8，如象在表2中列出的那些材料。
在一個供選擇的實施方案中，第一子層800能包括二氧化硅而第二子層能包括具有介電常數(shù)小于二氧化硅的材料。例如，第二子層802能包括在表1和2中列出的介電常數(shù)小于二氧化硅的任何一種材料。然而應當認識到，根據(jù)具體的應用第一子層和第二子層能包括各種材料。
如前所述，在實施方案中形成層602的上述過程能重復進行以在層602的頂上形成附加的層。例如，參照圖8J，一層第一子層804，絕緣層634，和一層第二子層806能夠在層603的頂上形成以形成另一層638。接著在層638內(nèi)形成溝和通孔，以分別形成和層602內(nèi)的金屬層628相接觸的線和栓塞。
在圖9A-9H中，給出本發(fā)明的另一個例示實施方案。圖9A-9H的實施方案在許多方面和圖8A-8J中的實施方案是相同的，不同之處在于，參照圖8C和9C，附著層622被省略了。如前所述，在某些應用中附著層是能被省略的，如象當在電介層(也即第一子層800或第二子層802)和阻擋層之間的直接附著對于具體應用已是足夠以及不會有害地影響半導體器件的性能時。
在以下的敘述和相關的圖中，將敘述如示出的各種可供選擇的實施案。然而應當認識到，這些可供選擇的實施方案并不用來企圖給出能夠對本發(fā)明做的全部的各種修改。而是提供這些可供選擇的實施方案來給出，在不偏離本發(fā)明的精神和/或范圍的前提下可能作的許多修改中的僅僅幾個。
在圖10A-10J給出本發(fā)明的一個可供選擇的實施方案。圖10A-10J的實施方案在許多方面和圖6A-6J的實施方案是一樣的，不同之處在于，參照圖10A，在第二子層616頂上淀積了保護層1000，這可以用任何一種適宜的方法，象PVD，CVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法。同樣，參照圖10J，在電介質層636的頂部可以淀積一層保護層1002。
現(xiàn)參照圖10G和10H，保護層可以把阻擋層624和第二子層616隔離開，因而能保護第二子層616，使它在用任何一種適應的方法，象濕性腐濁，干性化學腐蝕，干性等離子腐蝕等，來除去阻擋層624時，不受象磨損或侵蝕這樣的損傷。另外，參照圖10H-10J，在除去阻擋層624以后的各個步驟中，保護層1000能夠保留在第二子層616的非凹區(qū)上。相應地，保護層1000能包括這樣一種材料，它能抵抗在像濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等過程中可能會引起的損傷，象碳化硅，金剛石膜，二氧化硅等。
在圖11A-11J，給出本發(fā)明的另一個可供選擇的實施方案。圖11A-11J的實施方案在許多方面和圖8A-8J的實施方案是一樣的，不同之處在于，參照圖11A，在第二子層802的頂上淀積了保護層1000，這可以用任何一種適宜的方法，象PVD，CVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法。同樣，參照圖11J，在第二子層806的頂上可以淀積保護層1002。
現(xiàn)參照圖11G和11H，保護層1000能夠把阻擋層624和第二子層802隔離開，因而能保護第二子層，使它在用任何一種適宜的方法，象濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等來除去阻擋層624時，不受象磨損或侵蝕這樣的損傷。另外，參照圖11H-11J，在除去阻擋層624以后的各個步驟中，保護層能夠保留在第二子層802的非凹區(qū)上。相應地，保護層1000能夠包括這樣一種材料，它能抵抗在象濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等過程中可能會引起的損傷，象碳化硅，金剛石膜，二氧化硅等。
在圖12A-12H中，給出本發(fā)明的又一個可供選擇的實施方案。圖12A-12H的實施方案和圖9A-9H的實施方案是一樣的，不同之處在于，參照圖12A，在第二子層802的頂上淀積了一層保護層1000，這可以用任何一種適宜的方法，像PVD，CVD，ALD，旋涂并繼以固化和干燥步驟等方法。同樣，參照圖12H，在第二子層806的頂上可以淀積保護層1002。
現(xiàn)參照圖12E和12F，保護層1000可以把阻擋層624和第二子層802隔離開，因而能保護第二子層，使它在用適宜的方法，象濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等，來除去阻擋層624時，不受象磨損成侵蝕這樣的損傷。另外，參照圖12F-12H，在除去阻擋層624以后的各個步驟中，保護層1000能夠保留在第二子層802的非凹區(qū)上。相應地，保護層1000能包括這樣一種材料，它能低抗在象濕性腐蝕，干性化學腐蝕，干性等離子體腐蝕等述程中可能會引起的損傷，象碳化硅，金剛石膜，二氧化硅等。
雖然已經(jīng)參照某些實施方案，例子和應用對本發(fā)明作了敘述，但對于本領域的技術人員，在不偏離本發(fā)明的情況下可以作各種修改和變化是明顯的。
權利要求
1.形成半導體晶片的一個層的一種方法，包含淀積一電介質層，其中該電介質層包括具有低介電常數(shù)的材料；在電介質層內(nèi)形成凹區(qū)和非凹區(qū)；在電介質層上淀積一金屬層以填充凹區(qū)并覆蓋非凹區(qū)；以及對金屬層進行電拋光，以除去覆蓋在非凹區(qū)上的金屬層同時保留在凹區(qū)內(nèi)的金屬層。
2.權利要求1的方法，其中金屬層離散地從晶片的各部分除去而沒有給以側向應力。
3.權利要求1的方法，其中淀積電介質層包括淀積一層第一子層；以及在第一子層上淀積一第二子層，其中第二子層由介電常數(shù)小于第一子層的材料形成。
4.權利要求3的方法，其中形成凹區(qū)包括在第二子層中形成用于互連線的溝；以及在第一子層中形成用于栓塞的通孔。
5.權利要求3的方法，還包含淀積第二子層以前在第一子層上淀積一絕緣層。
6.權利要求3的方法，其中第一子層包括二氧化硅，而第二子層包括具有介電常數(shù)小于二氧化硅介電常數(shù)的材料。
7.權利要求3的方法，其中第一子層包括具有低介電常數(shù)的材料，而第二子層包括具有超低介電常數(shù)的材料。
8.權利要求3的方法，其中第一子層的材料具有大于約2.5并小于約4.0的介電常數(shù)。
9.權利要求3的方法，其中第二子層的材料具有約1.1到約2.5之間的介電常數(shù)。
10.權利要求3的方法，其中第二子層的材料有約1.8的介電常數(shù)。
11.權利要求1的方法，進一步包含在電介質層和金屬層之間淀積一阻擋層。
12.權利要求11的方法，其中金屬層包括銅。
13.權利要求11的方法，還包含在電拋光金屬層以后，把阻擋層從非凹區(qū)除去。
14.權利要求1的方法，還包含在電介質層和金屬層之間淀積一附著層。
15.權利要求1的方法，還包含在電拋光金屬層之前用化學機械拋光除去一部分金屬層。
16.在半導體晶片上形成一個層的方法，包含淀積一層介電常數(shù)小于二氧化硅介電常數(shù)的電介質層；在電介質內(nèi)形成凹區(qū)和非凹區(qū)；淀積一金屬層以填充凹區(qū)和覆蓋非凹區(qū)；電拋光金屬層以除去覆蓋在非凹區(qū)上的金屬層而沒有對金屬層給以側向應力。
17.權利要求16的方法，其中形成凹區(qū)包括；在電介質層內(nèi)形成用于互連線的溝；以及在電介質層內(nèi)形成用于栓塞的通孔。
18.權利要求17的方法，其中淀積電介質層包括淀積一第一子層，其中為互連線用的溝只在第一子層中形成；以及淀積一具有介電常數(shù)小于第一子層的第二子層，其中為栓塞用的通孔在第二子層內(nèi)形成。
19.權利要求18的方法，其中第一子層包括二氧化硅，而第二子層包括具有介電常數(shù)小于二氧化硅的介電常數(shù)的材料。
20.權利要求18的方法，其中第一子層包括具有低介電常數(shù)的材料，而第二子層包括具有超低介電常數(shù)的材料。
21.權利要求16的方法，進一步包含在電介質層和金屬層之間淀積一阻擋層。
22.權利要求21的方法，進一步包含在電介質層和金屬層之間隔淀積一附著層。
23.權利要求19的方法，進一步包含在電拋光金屬層以后，把阻擋層從非凹區(qū)除去。
24.權利要求16的方法，進一步包含在電拋光金屬層以前，用化學機械拋光除去一部分金屬層。
25.一種半導體晶片的層，包含具有凹區(qū)和非凹區(qū)的一電介質層，其中電介質層包括第一子層，以及具有介電常數(shù)小于第一子層的第二子層，以及在電介質層的凹區(qū)內(nèi)淀積的一金屬層。
26.權利要求25的半導體晶片層，進一步包含在第一子層內(nèi)形成的線；以及在第二子層內(nèi)形成的栓塞。
27.權利要求25的半導體晶片層，其中第一子層包括二氧化硅，而第二子層包括具有介電常數(shù)比二氧化硅還低的材料。
28.權利要求25的半導體晶片層，其中第一子層包括具有低介電常數(shù)的材料，而第二子層包括具有超低介電常數(shù)的材料。
29.權利要求25的半導體晶片層，其中第一子層包括具有大于約2.5而小于約4.0的介電常數(shù)的材料。
30.權利要求29的半導體晶片層，其中第二子層包括具有約1.1到約2.5之間的介電常數(shù)的材料。
31.權利要求29的半導體晶片層，其中第二子層包括具有約2.5的介電常數(shù)的材料
32.權利要求25的半導體晶片層，進一步包含安置在電介質層和金屬層之間的一阻擋層。
33.權利要求32的半導體晶片層，其中金屬層包括銅。
34.權利要求25的半導體晶片層，進一步包含安置在電介質層和金屬層之間的一附著層。
全文摘要
形成一種半導體晶片(100)的層，一電介質層淀積在該半導體晶片上。電介質層(204)包括具有低介電常數(shù)的材料。凹區(qū)(210)和非凹區(qū)(211)形成在電介質層中覆蓋非凹區(qū)。然后金屬層被電拋光以除去覆蓋在非凹區(qū)上的金屬層，留下凹區(qū)中的金屬層。
文檔編號H01L21/76GK1732561SQ01815862
公開日2006年2月8日 申請日期2001年9月18日 優(yōu)先權日2000年9月18日
發(fā)明者王暉 申請人:Acm研究公司