一種制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供制備空氣隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟：依次在半導(dǎo)體襯底上生長一層第三低介電常數(shù)材料和第二低介電常數(shù)的材料，然后，對兩層材料進(jìn)行溝槽刻蝕工藝，溝槽的底部位于襯底中；在刻蝕有溝槽的表面上，進(jìn)行擴散阻擋層以及銅電鍍工藝，然后通過化學(xué)機械研磨工藝拋光表面；通過氧氣的灰化工藝以及濕法刻蝕去除第二低介電常數(shù)的材料，以暴露出銅互連線表面；在銅互連線表面上生長一層第三低介電常數(shù)的材料層；在該材料層上重新生長第二低介電常數(shù)的材料層，以覆蓋第三低介電常數(shù)的材料層，且在銅互連線之間形成空氣間隙。因此，本發(fā)明不需要增加光刻層數(shù)和額外的外延工藝，基于Low-K材料灰化后性質(zhì)的變化，采用濕法刻蝕的方法去除介質(zhì)層，成本較低，且保證了空氣間隙的自校準(zhǔn)。
【專利說明】一種制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在90nm以及以下集成電路芯片的制作工藝中，由于銅具有良好的抗電遷移性能良好的機械加工性能以及更小的延遲和串音干擾，銅作為后道互連線材料成為主流選擇。隨著超大規(guī)模集成電路特征尺寸不斷縮小，特別是線寬的進(jìn)一步縮小，銅互連線之間的介質(zhì)材料(Inter Metal Dielectric,簡稱IMD)之間的寄生電容以及寄生電容帶來的干擾越來越明顯，多層Cu互連之間的RC延遲成為一個越來越嚴(yán)重的問題。
[0003]為解決上述問題，業(yè)界開始采用低介電常數(shù)(Low-K)的材料作為銅線之間的填充材料。目前業(yè)界已經(jīng)量產(chǎn)的Low-K材料介電常數(shù)最低大概為2.3左右，但還是不能滿足對銅互連線之間介質(zhì)材料介電常數(shù)的要求。如果采用空氣作為絕緣介質(zhì)，或者是低介電常數(shù)(low-k)材料配合空氣隙(air gap)結(jié)構(gòu)可用于降低Cu互連導(dǎo)線間的稱合電容從而改善RC延遲特性，一般可以使介電常數(shù)降低到1，達(dá)到最好的抗干擾和最小的寄生電容效果，提高銅互連線的穩(wěn)定性和可靠性。
[0004]也就是說，在單層空氣隙Cu互連結(jié)構(gòu)中，通過增加互連導(dǎo)線間空氣隙的結(jié)構(gòu)尺寸，可以達(dá)到減小Cu互連結(jié)構(gòu)中的耦合電容，進(jìn)而改善RC延遲特性，在多層空氣隙Cu互連結(jié)構(gòu)中，通過改變IMD和層間介質(zhì)材料(Inter Layer Dielectric,簡稱ILD)中空氣隙的尺寸結(jié)構(gòu)的，可以得到RC延遲性能優(yōu)化的多層空氣隙Cu互連結(jié)構(gòu)。
[0005]請參閱圖1，圖1為現(xiàn)有技術(shù)中較常用的制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，主要包括如下步驟:
[0006]步驟SOl:在半導(dǎo)體襯底上生長一層低介電常數(shù)(Low-K)的材料，然后進(jìn)行溝槽刻蝕工藝；
[0007]步驟S02:在刻蝕有溝槽的表面上，生長一層氧化膜和氮化膜；
[0008]步驟S03:然后通過一次光刻和干刻，將溝槽頂部側(cè)壁的氮化膜和氧化膜刻蝕掉，之后去除頂層氧化膜；
[0009]步驟S04:進(jìn)行選擇性外延生長在溝槽頂部生長出硅薄層將其全部氧化，得到具有空氣間隙銅互連的結(jié)構(gòu)。
[0010]然而，從上述工藝技術(shù)步驟工藝方法不僅在控制空氣隙的尺寸結(jié)構(gòu)有一定的難度，且需要增加多道額外的光刻和干刻工藝以及外延生長工藝，使工藝過程復(fù)雜，制備成本高居不下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其通過灰化工藝以及濕法刻蝕對L0W-K材料的加工，形成空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，從而達(dá)到降低成本和保證空氣間隙的自對準(zhǔn)的精度的目的。[0012]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0013]本發(fā)明提供一種制備空氣隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟:
[0014]步驟Sll:依次在半導(dǎo)體襯底上生長第三低介電常數(shù)的材料層和第二低介電常數(shù)材料層，然后，對所述兩層材料進(jìn)行溝槽刻蝕工藝，所述溝槽的底部位于所述襯底中；
[0015]步驟S12:在所述刻蝕有溝槽的表面上，進(jìn)行擴散阻擋層和銅電鍍工藝，然后，通過化學(xué)機械研磨工藝拋光表面；
[0016]步驟S13:通過氧氣的灰化工藝以及濕法刻蝕去除所述第二低介電常數(shù)的材料，以暴露出銅互連線表面；
[0017]步驟S14:在所述銅互連線表面上生長一層第三低介電常數(shù)的材料層；其中，所述第三低介電常數(shù)大于第二低介電常數(shù)的值；
[0018]步驟S15:在所述第三低介電常數(shù)的材料層上重新生長所述第二低介電常數(shù)的材料層，以覆蓋所述第三低介電常數(shù)的材料層，且在所述銅互連線之間形成空氣間隙。
[0019]優(yōu)選地，在步驟S15后還包括步驟S16:在所述第二低介電常數(shù)的材料層重長一層第一低介電常數(shù)的材料層，以消除所述第二低介電常數(shù)的材料層表面的臺階差；其中，所述第二低介電常數(shù)大于等于第一低介電常數(shù)的值。
[0020]優(yōu)選地，所述第二低介電常數(shù)大于第一低介電常數(shù)的值。
[0021]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的制備方法，通過使用空氣間隙作為銅互連絕緣材料，解決了傳統(tǒng)銅互聯(lián)介質(zhì)材料帶來的延遲和串音干擾問題，不需要增加光刻層數(shù)和額外的外延工藝，基于Low-K材料灰化后性質(zhì)的變化，采用濕法刻蝕的方法去除介質(zhì)層，成本較低，且增加了溝槽定義步驟，保證了空氣間隙的自對準(zhǔn)的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法的流程示意圖
[0023]圖2為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法較佳實施例的流程示意圖
[0024]圖3為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成第二低介電常數(shù)的材料層生長步驟后的截面示意圖
[0025]圖4為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成對第二低介電常數(shù)的材料層進(jìn)行溝槽刻蝕工藝步驟后的截面示意圖
[0026]圖5為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成對刻蝕有溝槽的表面上進(jìn)行銅電鍍工藝步驟后的截面示意圖
[0027]圖6為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成通過氧氣的灰化工藝以及濕法刻蝕去除第二低介電常數(shù)的材料工藝步驟后的截面示意圖
[0028]圖7為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成生長第三低介電常數(shù)的材料層工藝步驟后的截面示意圖
[0029]圖8為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成在第三低介電常數(shù)的材料層上重新生長第二低介電常數(shù)的材料層工藝步驟后的截面示意圖
[0030]圖9為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成在第二低介電常數(shù)的材料層上生長第一低介電常數(shù)的材料層工藝步驟后的截面示意圖【具體實施方式】
[0031]體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的實施例將在后段的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當(dāng)做說明之用，而非用以限制本發(fā)明。
[0032]以下結(jié)合附圖2-8，通過具體實施例對本發(fā)明的制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、明晰地達(dá)到輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0033]如前所述，由于常規(guī)的制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中，不僅在控制空氣隙的尺寸結(jié)構(gòu)有一定的難度，且需要增加多道額外的光刻和干刻工藝以及外延生長工藝，使工藝過程復(fù)雜；本發(fā)明的方法中，改進(jìn)了現(xiàn)有的做法，通過灰化工藝以及濕法刻蝕對Low-K材料的加工，形成空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，從而達(dá)到降低成本和保證空氣間隙的自對準(zhǔn)的精度的目的。
[0034]請參閱圖2，圖2為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法較佳實施例的流程示意圖。在本發(fā)明實施例中，本發(fā)明提供一種制備空氣隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，可以包括如下步驟:
[0035]步驟Sll:依次在半導(dǎo)體襯底上生長一層第三低介電常數(shù)材料層和第二低介電常數(shù)材料層層，請參閱圖3，圖3為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成第三低介電常數(shù)和第二低介電常數(shù)的材料層生長步驟后的截面示意圖；圖中的第二低介電常數(shù)的材料層由標(biāo)號2表示，第三低介電常數(shù)的材料層由標(biāo)號3表示。然后，對兩層低介電常數(shù)進(jìn)行溝槽刻蝕工藝，刻蝕時需要將最下面一層的第三低介電常數(shù)材料刻穿，停留在襯底上。請參閱圖4，圖4為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成對第二和第三低介電常數(shù)的材料層進(jìn)行溝槽刻蝕工藝步驟后的截面示意圖；圖中所示溝槽的底部位于襯底中。
[0036]步驟S12:在所述刻蝕有溝槽的表面上，進(jìn)行銅電鍍工藝；請參閱圖5，圖5為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成對刻蝕有溝槽的表面上進(jìn)行銅電鍍工藝步驟后的截面示意圖。其中，圖中的銅互連線由標(biāo)號4顯示；然后，通過化學(xué)機械研磨工藝拋光表面。
[0037]需要說明的是，上述步驟Sll和步驟S12均屬于現(xiàn)有技術(shù)，同通常制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中前兩個步驟也可以是相同的。例如，電鍍銅工藝(ECP)以及銅的研磨也可以采用化學(xué)機械研磨的工藝(Chemical Mechanical Planarization,簡稱CMP),在此不再贅述。
[0038]步驟S13:通過氧氣的灰化工藝以及濕法刻蝕去除第二低介電常數(shù)的材料，以暴露出銅互連線表面。請參閱圖6，在該步驟中，第二低介電常數(shù)的材料2均被刻蝕掉，只剩下銅互連線4。
[0039]步驟S14:在銅互連線4表面上生長一層第三低介電常數(shù)的材料層3 ;圖7為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成生長第三低介電常數(shù)的材料層工藝步驟后的截面示意圖。如圖所示，第三低介電常數(shù)的材料層3均勻覆蓋在了襯底和銅互連線的側(cè)壁和上表面。需要說明的是，第三低介電常數(shù)一定是大于第二低介電常數(shù)的值，這樣不僅可以防止銅擴散，還能保證覆蓋的均勻性。
[0040]步驟S15:在第三低介電常數(shù)的材料層3上重新生長一層第二低介電常數(shù)的材料層2，以覆蓋第三低介電常數(shù)的材料層3，由于臺階覆蓋性等原理，將在銅互連線4之間自動形成空氣間隙5。請參閱圖8，圖8為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成在第三低介電常數(shù)的材料層上重新生長第二低介電常數(shù)的材料層工藝步驟后的截面示意圖。
[0041]請注意，如圖8所示，經(jīng)過上述本實施例的過程步驟，容易形成兩邊的臺階差，具有臺階差的結(jié)構(gòu)不能通常不能滿足設(shè)計的要求，因此，后續(xù)還需要進(jìn)行消除臺階差的步驟，即步驟S16。
[0042]步驟S16:在第二低介電常數(shù)的材料層2重長一層第一低介電常數(shù)的材料層1，以消除第二低介電常數(shù)的材料層2表面的臺階差，如圖9所示，圖9為本發(fā)明制備空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)方法中完成在第二低介電常數(shù)的材料層上生長第一低介電常數(shù)的材料層工藝步驟后的截面示意圖。圖9就是本發(fā)明實施例中所制備出的空氣間隙銅互連結(jié)構(gòu)。
[0043]需要說明的是，在本實施例中，為了達(dá)到更好的性能，第二低介電常數(shù)需要大于等于第一低介電常數(shù)的值，較佳地，第一低介電常數(shù)的值相對于第二低介電常數(shù)的值越小越好。
[0044]以上所述的僅為本發(fā)明的實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制備空氣隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟Sll:依次在半導(dǎo)體襯底上生長第三低介電常數(shù)和第二低介電常數(shù)材料層，然后，對所述兩層低介電常數(shù)的材料層進(jìn)行溝槽刻蝕工藝，所述溝槽的底部位于所述襯底中； 步驟S12:在所述刻蝕有溝槽的表面上，進(jìn)行擴散阻擋層和銅電鍍工藝，然后，通過化學(xué)機械研磨工藝拋光表面； 步驟S13:通過氧氣的灰化工藝以及濕法刻蝕去除所述第二低介電常數(shù)的材料，以暴露出銅互連線表面； 步驟S14:在所述銅互連線表面上生長一層第三低介電常數(shù)的材料層；其中，所述第三低介電常數(shù)大于第二低介電常數(shù)的值； 步驟S15:在所述第三低介電常數(shù)的材料層上重新生長所述第二低介電常數(shù)的材料層，以覆蓋所述第三低介電常數(shù)的材料層，且在所述銅互連線之間形成空氣間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備空氣隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，在所述步驟S15后還包括: 步驟S16:在所述第二低介電常數(shù)的材料層重長一層第一低介電常數(shù)的材料層，以消除所述第二低介電常數(shù)的材料層表面的臺階差；其中，所述第二低介電常數(shù)大于等于第一低介電常數(shù)的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備空氣隙銅互連結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述第二低介電常數(shù)大于第一低介電常數(shù)的值。
【文檔編號】H01L21/768GK103633021SQ201310637734
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】楊榮華, 錢俊, 孫昌 申請人:上海華力微電子有限公司