專利名稱：一種帶有空氣間隙的大馬士革制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大馬士革制造 方法，尤其涉及一種帶有空氣間隙的大馬士革制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成電路特征尺寸的持續(xù)減小，后段互連電阻電容(ResistorCapacitor，簡稱RC)延遲呈現(xiàn)顯著増加的趨勢，而為了減少后段互連RC延遲，引入低介電常數(shù)(Low-k)材料，銅互連取代鋁互連成為主流エ藝。由于銅互連線的制作方法不能像鋁互連線那樣通過刻蝕金屬層而形成，銅大馬士革鑲嵌エ藝成為銅互連線的制作的標(biāo)準(zhǔn)方法。銅大馬士革エ藝在平面基體上淀積一介電層；通過光刻和刻蝕エ藝在介電層中形成鑲嵌的通孔和溝槽；淀積金屬阻擋層和銅籽晶層；電鍍金屬銅填滿介電層中通孔和溝槽；化學(xué)機械研磨(CMP)平坦化去除介電層上多余金屬，形成平面銅互連。隨著集成電路特征尺寸的減小，銅互連線的電阻率會急劇增大，特別對于45 nm及以下制程更明顯。然而，目前還沒有一種電阻率更低的導(dǎo)電材料可取代銅互連，即難通過降低互連線電阻來降低RC延遲。只能通過使用更低介電常數(shù)材料來降低互連線間的寄生電容而在不改變互連線電阻的基礎(chǔ)上來改善RC延遲的問題。金屬互連線間寄生電容與互連線間距成反比，互連線間距越小，寄生電容越大。降低小間距金屬互連線間寄生電容，成為降低RC延遲關(guān)鍵。空氣的介電常數(shù)與真空接近，接近于1，可作為金屬互連線間非常理想的介電材料。在金屬互連線間形成空氣間隙，降低互連線間介電層有效介電常數(shù)，以降低互連線間寄生電容，改善RC延遲已成為近年來金屬銅互連研究熱點。通常的空氣間隙制作エ藝需要添加一塊掩模版，而隨著光刻尺寸的減小掩模版成本和光刻生產(chǎn)成本會急劇増大，對于添加的空氣間隙掩模版最小尺寸通常也要達到或小于當(dāng)層金屬層最小設(shè)計尺寸，空氣間隙掩模版的等級要求等于甚至高于當(dāng)層金屬層掩模版，這會極大提高集成電路制造成本。如何避免使用空氣間隙掩模版或降低空氣間隙掩模版的要求等級降低生產(chǎn)成本成為空氣間隙制作考慮方向之一。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述的現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是缺乏高效的帶有空氣間隙的大馬士革制造方法。本發(fā)明提供的一種帶有空氣間隙的大馬士革制造方法，包括以下步驟
步驟1，在一半導(dǎo)體基體上形成第一金屬互連線；采用自對準(zhǔn)エ藝在第一金屬互連線上形成第一金屬保護層；光刻打開第一空氣間隙區(qū)域；刻蝕去除第一空氣間隙區(qū)域的介電層形成第一金屬互連線間間隙；淀積第二介電層，在第一金屬互連線間間隙形成第一空氣間隙；
步驟2，在第二介電層上采用雙大馬士革刻蝕エ藝形成第一通孔和第二金屬溝槽；金屬填充第一通孔和第二金屬溝槽，形成第二金屬互連線和第一互連通孔；采用自對準(zhǔn)エ藝在第二金屬互連線上形成第二金屬保護層；光刻打開第二空氣間隙區(qū)域；刻蝕去除第二空氣間隙區(qū)域的介電層形成第二金屬互連線間間隙；淀積第三介電層，在第二金屬互連線間間隙形成第二空氣間隙。在本發(fā)明的ー個較佳實施方式中，所述步驟I中形成第一金屬互連線通過在一半導(dǎo)體基體上淀積第一介電層；在第一介電層上采用單大馬士革刻蝕エ藝制作第一金屬溝槽；金屬填充第一金屬溝槽，形成第一金 屬互連線。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述第一介電層可使用CVD淀積或SOD旋轉(zhuǎn)涂覆Low-k介電材料制成。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述第一介電層與基體之間可淀積第一刻蝕阻擋層。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述第一刻蝕阻擋層可采用SiN、SiC、SiCN、Si02、SiCO等介電材料。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述第二介電層和/或第三介電層使用非保型CVDエ藝淀積的Low-k介電材料。 在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述第二介電層和/或第三介電層包括通孔介電層、刻蝕阻擋層和溝槽介電層。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述步驟I中的自對準(zhǔn)エ藝形成第一金屬保護層通過先在金屬互連線上形成一定深度凹槽后淀積金屬保護層，化學(xué)機械研磨去除介電層上多余金屬保護層，在金屬互連線上選擇性生成第一金屬保護層。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，所述在金屬互連線上形成一定深度凹槽通過化學(xué)機械研磨エ藝，或在化學(xué)機械研磨平坦化后Reverse-ECP或濕法エ藝形成。在本發(fā)明的另ー較佳實施方式中，還包括步驟3 :重復(fù)步驟2以形成多層金屬層。本發(fā)明的一種帶有空氣間隙的大馬士革制造方法，減小了銅互連線間寄生電容，降低了金屬互連RC延遲問題，并且同時改善了銅互連電子遷移和應(yīng)カ遷移可靠性。


圖I是本發(fā)明的實施例淀積第一介電層的示意 圖2是本發(fā)明的實施例單大馬士革結(jié)構(gòu)的示意 圖3是本發(fā)明的實施例單大馬士革結(jié)構(gòu)金屬化的示意 圖4是本發(fā)明的實施例形成銅凹槽的示意 圖5是本發(fā)明的實施例淀積第一金屬保護層的示意 圖6是本發(fā)明的實施例形成空氣間隙區(qū)域圖形的示意 圖7是本發(fā)明的實施例第一金屬互連線間間隙的示意 圖8是本發(fā)明的實施例淀積第二介電層形成第一空氣間隙的示意 圖9是本發(fā)明的實施例雙大馬士革結(jié)構(gòu)的示意 圖10是本發(fā)明的實施例雙大馬士革結(jié)構(gòu)金屬化的示意 圖11是本發(fā)明的實施例第二金屬互連線間間隙的示意 圖12是本發(fā)明的實施例形成第二空氣間隙的示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做具體闡釋。如圖I中所示，本發(fā)明的實施例中，步驟1，首先在一已形成前段器件的半導(dǎo)體基體I上淀積第一刻蝕阻擋層2和第一介 電層3。第一介電層3可使用CVD淀積或SOD旋轉(zhuǎn)涂覆的無機或有機Low-k介電材料，如PECVD淀積SiOCH或SOD旋轉(zhuǎn)涂覆淀積SiLK ;第一刻蝕阻擋層2是作為金屬溝槽刻蝕和金屬互連線間介電材料去除阻擋層，以利于控制金屬溝槽刻蝕的深度及互連線間介電材料去除控制，可采用SiN、SiC、SiCN、Si02、SiCO等介電材料。當(dāng)然也可以不使用刻蝕阻擋層，金屬溝槽刻蝕和金屬互連線間介電材料的去除僅通過刻蝕時間進行控制。如圖2中所示，單大馬士革刻蝕エ藝形成第一金屬溝槽4的單大馬士革結(jié)構(gòu)，要求打開第一刻蝕阻層與下層連接。如圖3中所示，大馬士革結(jié)構(gòu)金屬化淀積第一金屬阻擋層5和籽晶層，第一金屬阻擋層5阻止銅在介電材料中的擴散，通?？刹捎肞VD或CVD或ALD淀積的ー層或多層的金屬阻擋層，如TaN、Ta、TiN, Ti、WN、W等；籽晶層可使用PVD淀積銅或銅合金；電鍍填充金屬銅；化學(xué)機械研磨(CMP)去除第一介電層3上多余金屬，形成第一金屬互連線6。如圖4中所示，在第一金屬互連線6上形成低于第一介電層3 —定深度的銅凹槽7，形成銅凹槽7可采用直接化學(xué)機械研磨エ藝，或在化學(xué)機械研磨平坦化后Reverse-ECP或濕法エ藝形成銅凹槽7。如圖5中所示，淀積第一金屬保護層8，作為后續(xù)形成互連線間間隙去除部分第一介電層3的硬掩模、銅互連線保護層及銅擴散阻擋層，可采用PVD或CVD或ALD淀積單層或多層金屬保護層，如TiN、Ti、TaN、Ta、WN、W等。如圖6中所示，化學(xué)機械研磨(CMP)去除第一介電層3上第一金屬保護層8，第一銅互連線上保留一定厚度的第一金屬保護層8作為形成互連線間隙去除部分第一介電層的硬掩模。第一金屬保護層8保證在后續(xù)部分第一介電層去除過程中對銅互連線的保護及可防止介電層淀積后銅在介電層中的擴散，且金屬保護層跟介電材料相比與銅有更好的黏附性，可改善銅互連的電學(xué)性能和可靠性。旋涂光刻膠，光刻打開形成空氣間隙區(qū)域?？諝忾g隙區(qū)域包裹金屬互連線尺寸9可控制在金屬互連線最小設(shè)計尺寸的0. 5-1. 0倍，空氣間隙區(qū)域圖形間距大于等于2倍金屬互連線最小設(shè)計尺寸，保證形成空氣間隙區(qū)域光刻的最小尺寸是金屬互連線最小設(shè)計尺寸的2倍，有利于降低形成空氣間隙區(qū)域光掩模版的成本和光刻制造成本。因此，空氣間隙區(qū)域圖形包裹稀疏區(qū)域互連線0. 5-1倍互連線最小設(shè)計尺寸，包裹密集區(qū)域互連線和互連線間介電材料0. 5-1倍互連線最小設(shè)計尺寸；密集區(qū)域是指互連線間距小于3倍互連線最小設(shè)計尺寸的區(qū)域，稀疏區(qū)域是互連線間距大于等于3倍互連線最小設(shè)計尺寸的區(qū)域；空氣間隙區(qū)域最大互連線間距尺寸是互連線最小設(shè)計尺寸的3倍?？諝忾g隙區(qū)域圖形可基于當(dāng)層金屬層圖形通過邏輯運算生成制作掩模版。如圖7中所示，等離子刻蝕去除空氣間隙區(qū)域的介電層形成第一金屬互連線間間隙10。如圖8中所示，淀積第二介電層11，介電層使用CVD非保型エ藝淀積的Low-k介電材料，如PECVD淀積SiOCH，要淀積足夠厚度的介電層作為第一通孔和第二金屬介電層。在金屬互連線間隙形成第一空氣間隙21?？諝忾g隙區(qū)域最大互連線間距尺寸是互連線最小設(shè)計尺寸的3倍，通?；ミB線高度大于互連線最小設(shè)計尺寸的2倍。調(diào)整淀積エ藝至少在高寬比大于2. O的互連線間間隙形成空氣間隙，最好可在高寬比大于0. 67的互連線間間隙形成空氣間隙。并可控制空氣間隙的形狀和尺寸。高寬比越高越有利于空氣間隙形成，空氣間隙的形成還與互連線間距尺寸和互連線間隔的形狀相關(guān)。第二介電層也可淀積含有刻蝕 阻擋層的多層介電層，包括第二介電層11、第二刻蝕阻擋層12和第三介電層13。其中第二介電層11使用非保型エ藝淀積的Low-k介電材料，如PECVD淀積SiOCH ;第二刻蝕阻擋層12采用CVD淀積SiN、SiC、SiCN、Si02、SiCO等介電材料；第三介電層13可使用CVD淀積或SOD旋轉(zhuǎn)涂覆的無機或有機Low-k介電材料，如PECVD淀積SiOCH或SOD旋轉(zhuǎn)涂覆淀積SiLK?？涛g阻擋層的使用有利于控制金屬溝槽刻蝕及互連線間介電材料去除エ藝控制。如圖9中所示，通過雙大馬士革刻蝕エ藝形成包含第一通孔14和第二金屬溝槽15的雙大馬士革結(jié)構(gòu)，通孔與下層金屬互連線連接。如圖10中所示，雙大馬士革結(jié)構(gòu)金屬化淀積金屬阻擋層和籽晶層，金屬阻擋層阻止銅在介電材料中的擴散，通?？刹捎肞VD或CVD或ALD淀積的ー層或多層的金屬阻擋層，如TaN、Ta、TiN、Ti、WN、W等；籽晶層可使用PVD淀積銅或銅合金；電鍍填充金屬銅；化學(xué)機械研磨(CMP)去除第二介電層上多余金屬，形成第二金屬互連線16和第一互連通孔17。如圖11中所示，同第一金屬層互連線上金屬保護層形成エ藝在第二金屬互連線上選擇性形成第二金屬保護層18，可采用PVD或CVD或ALD淀積單層或多層難熔金屬或其氮化物金屬材料，如TiN、Ti、TaN、Ta、WN、W等；
同第一金屬層互連線間間隙形成エ藝通過光刻刻蝕エ藝在第二空氣間隙區(qū)域形成第ニ金屬層互連線間間隙19?？諝忾g隙區(qū)域包裹金屬互連線尺寸可控制在金屬互連線最小設(shè)計尺寸的0. 5-1.0倍，空氣間隙區(qū)域圖形間距大于等于2倍金屬互連線最小設(shè)計尺寸，保證形成空氣間隙區(qū)域光刻的最小尺寸是金屬互連線最小設(shè)計尺寸的2倍。如圖12中所示，淀積第四介電層20，介電層使用非保型CVDエ藝淀積的Low-k介電材料，如PECVD淀積SiOCH，在第二金屬互連線間間隙形成第二空氣間隙22。此外，在本發(fā)明的實施例中，還可包括步驟3，重復(fù)上述步驟2可堆疊更多層金屬層。本發(fā)明的減小了銅互連線間寄生電容，降低了金屬互連RC延遲問題，并且同時改善了銅互連電子遷移和應(yīng)カ遷移可靠性。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種帶有空氣間隙的大馬士革制造方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，在一半導(dǎo)體基體上形成第一金屬互連線；采用自對準(zhǔn)工藝在第一金屬互連線上形成第一金屬保護層；光刻打開第一空氣間隙區(qū)域；刻蝕去除第一空氣間隙區(qū)域的介電層形成第一金屬互連線間間隙；淀積第二介電層，在第一金屬互連線間間隙形成第一空氣間隙； 步驟2，在第二介電層上采用雙大馬士革刻蝕工藝形成第一通孔和第二金屬溝槽；金屬填充第一通孔和第二金屬溝槽，形成第二金屬互連線和第一互連通孔；采用自對準(zhǔn)工藝在第二金屬互連線上形成第二金屬保護層；光刻打開第二空氣間隙區(qū)域；刻蝕去除第二空氣間隙區(qū)域的介電層形成第二金屬互連線間間隙；淀積第三介電層，在第二金屬互連線間間隙形成第二空氣間隙。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟I中形成第一金屬互連線通過在一 半導(dǎo)體基體上淀積第一介電層；在第一介電層上采用單大馬士革刻蝕工藝制作第一金屬溝槽；金屬填充第一金屬溝槽，形成第一金屬互連線。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一介電層可使用CVD淀積或SOD旋轉(zhuǎn)涂覆Low-k介電材料制成。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一介電層與基體之間可淀積第一刻蝕阻擋層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一刻蝕阻擋層可采用SiN、SiC、SiCN、Si02、SiCO等介電材料。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第二介電層和/或第三介電層使用非保型CVD工藝淀積的Low-k介電材料。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二介電層和/或第三介電層包括通孔介電層、刻蝕阻擋層和溝槽介電層。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟I中的自對準(zhǔn)工藝形成第一金屬保護層通過先在金屬互連線上形成一定深度凹槽后淀積金屬保護層，化學(xué)機械研磨去除介電層上多余金屬保護層，在金屬互連線上選擇性生成第一金屬保護層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述在金屬互連線上形成一定深度凹槽通過化學(xué)機械研磨工藝，或在化學(xué)機械研磨平坦化后Reverse-ECP或濕法工藝形成。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括步驟3:重復(fù)步驟2以形成多層金屬層。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種帶有空氣間隙的大馬士革制造方法，包括以下步驟在一半導(dǎo)體基體上形成第一金屬互連線；刻蝕去除第一空氣間隙區(qū)域的介電層形成第一金屬互連線間間隙；淀積第二介電層形成第一空氣間隙；在第二介電層上采用雙大馬士革刻蝕工藝形成第二金屬互連線；刻蝕去除第二空氣間隙區(qū)域的介電層形成第二金屬互連線間間隙；淀積第三介電層，在第二金屬互連線間間隙形成第二空氣間隙。本發(fā)明減小了銅互連線間寄生電容，降低了金屬互連RC延遲問題，并且同時改善了銅互連電子遷移和應(yīng)力遷移可靠性。
文檔編號H01L21/768GK102768985SQ201210228259
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者姬峰, 李磊, 梁學(xué)文, 胡友存, 陳玉文 申請人:上海華力微電子有限公司