專利名稱：一種帶有空氣間隙的大馬士革工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域銅互連大馬士革制造工藝，尤其涉及一種帶有空氣間隙的大馬士革工藝。
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)顯著增加的趨勢，為了減少RC延遲，引入低介電常數(shù)材料，銅互連取代鋁互連成為主流工藝。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，銅大馬士革鑲嵌工藝成為銅互連線的制作的標(biāo)準(zhǔn)方法。生產(chǎn)中，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，只能 通過使用更低介電常熟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。空氣的介電常數(shù)與真空接近，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)，即通過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。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明揭示了一種帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝(Damascene Process with Air Gap),主要是采用自對準(zhǔn)工藝在金屬互連線上形成金屬保護層，并在金屬互連線密集區(qū)域的金屬互連線之間形成空氣間隙，減少金屬互連線間寄生電容，改善RC延遲問題。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，包括以下步驟
51:在一半導(dǎo)體基體上依次淀積第一刻蝕阻擋層和第一犧牲材料；
52:刻蝕所述第一犧牲材料和所述第一刻蝕阻擋層至所述半導(dǎo)體基體表面，形成第一金屬溝槽；
S3:在所述第一金屬溝槽的側(cè)壁及其底部依次淀積金屬阻擋層和籽晶層后，在所述第一金屬溝槽內(nèi)填充金屬銅，形成第一金屬互連線；
54:去除所述第一金屬互連線頂部的部分金屬銅以形成銅凹槽；
55:在剩余的第一犧牲材料的上表面和所述銅凹槽的側(cè)壁及其底部上淀積第一金屬保護層；
56:去除所述剩余的第一犧牲材料上的所述第一金屬保護層；
57:繼續(xù)去除所述剩余的第一犧牲材料；
58:在剩余的第一刻蝕阻擋層上淀積第一介電層，所述第一介電層覆蓋所述第一金屬互連線和位于其上的所述第一金屬保護層，所述第一金屬互連線密集區(qū)域的互連線間形成
第一空氣間隙，產(chǎn)生第一金屬層；S9:對所述第一介電層進行平坦化處理；
510:在剩余的第一介電層的上表面淀積第二刻蝕阻擋層和第二犧牲材料，采用雙大馬士革工藝在所述剩余的第一介電層上形成第一通孔，所述第一通孔與所述第一金屬互連線相連，在所述第二刻蝕阻擋層和第二犧牲材料中形成第二金屬溝槽；
511:重復(fù)上述S3-S9的步驟，形成第一互連通孔、第二金屬互連線、第二空氣間隙，產(chǎn)
生第二金屬層。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行SI步驟時，所述第一犧牲材料采用硅基的無機或有機的介電材料；所述第一刻蝕阻擋層所用材料依據(jù)所述第一犧牲材料所用材料選取。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S2步驟時，采用單大馬 士革刻蝕工藝在所述第一犧牲材料和第一刻蝕阻擋層中形成第一金屬溝槽。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S3步驟時，所述金屬阻擋層采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或原子層沉積淀積的一層或多層的金屬阻擋層；所述籽晶層采用物理氣相沉積淀積銅或銅合金。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S3步驟時，利用電鍍方法在所述第一金屬溝槽內(nèi)填充所述金屬銅，并采用化學(xué)機械研磨工藝去除所述第一犧牲材料上多余的所述金屬銅，形成所述第一金屬互連線。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S4步驟時，在所述第一金屬互連線上采用化學(xué)機械研磨工藝或在化學(xué)機械研磨平坦化后采用反向電鍍銅法或濕法工藝形成所述銅凹槽。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S5步驟時，所述第一金屬保護層采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或原子層沉積淀積單層或多層金屬保護層。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S6步驟時，采用化學(xué)機械研磨工藝去除所述第一犧牲材料上的所述第一金屬保護層。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S6步驟時，采用自對準(zhǔn)工藝在所述第一金屬互連線上形成第一金屬保護層。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S7步驟時，采用干法等離子體刻蝕或濕法刻蝕工藝去除所述第一金屬互連線間的第一犧牲材料。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S8步驟時，所述第一介電層使用非保型化學(xué)氣相淀積工藝淀積的低介電常數(shù)材料。上述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，在執(zhí)行S9步驟時，采用化學(xué)機械研磨工藝使所述第一介電層表面平坦，且要求剩余的第一介電層頂部到所述第一金屬互連線頂部的距離等于所述第一通孔的高度。
本發(fā)明的有益效果是通過自對準(zhǔn)工藝在金屬互連線上形成金屬保護層，并在金屬互連線密集區(qū)域的金屬互連線之間形成空氣間隙，同時使用非保型工藝淀積的低介電常數(shù)材料制作介電層，以此降低金屬互連線間的寄生電容，改善RC延遲問題，提高金屬互連線電子遷移和應(yīng)力遷移的可靠性，降低生產(chǎn)成本，提高使用效率。


圖Ia-Im是本發(fā)明的一種帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝的結(jié)構(gòu)流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合原理圖和具體操作實施例對本發(fā)明作進一步說明。結(jié)合圖Ia-Im中所示，一種帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其中，包括以下步驟
如圖Ia所示，步驟SI :在一半導(dǎo)體基體3上依次淀積第一刻蝕阻擋層2和第一犧牲材料I ;
在本發(fā)明的一個實施例中，第一犧牲材料I可采用硅基的無機或有機的介電材料，比如常見的TE0S、USG、FSG、S0G、Si0CH、SiLK等介電材料；第一刻蝕阻擋層2所用材料依據(jù)第 一犧牲材料I所用材料選取，比如SiN、SiC、SiCN、SiO2, SiCO等介電材料，也可選擇不使用第一刻蝕阻擋層2。如圖Ib所示，S2 :刻蝕第一犧牲材料I和第一刻蝕阻擋層2至半導(dǎo)體基體3表面，形成第一金屬溝槽4 ；
在此步驟中，可采用單大馬士革刻蝕工藝在第一犧牲材料I和第一刻蝕阻擋層2中形成第一金屬溝槽4。如圖Ic所示，S3 :在第一金屬溝槽4的側(cè)壁及其底部依次淀積金屬阻擋層5和籽晶層(圖中未示出)后，在第一金屬溝槽4內(nèi)填充金屬銅，形成第一金屬互連線6 ;
在本發(fā)明的一個實施例中，金屬阻擋層5可采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或原子層沉積淀積的一層或多層的金屬阻擋層，如TaN、Ta、TiN、Ti、WN、W等；籽晶層可使用物理氣相沉積淀積銅或銅合金。進一步的，利用電鍍方法在第一金屬溝槽4內(nèi)填充金屬銅，并采用化學(xué)機械研磨工藝去除第一犧牲材料I上多余的金屬銅，形成第一金屬互連線6。如圖Id所示，S4 :去除第一金屬互連線6頂部的部分金屬銅以形成銅凹槽7 ； 在此步驟中，采用化學(xué)機械研磨工藝或在化學(xué)機械研磨平坦化后采用反向電鍍銅法或
濕法工藝去除第一金屬互連線6頂部的部分金屬銅，形成銅凹槽7。如圖Ie所示，S5 :在剩余的第一犧牲材料11的上表面和銅凹槽7的側(cè)壁及其底部上淀積第一金屬保護層8 ；
在本發(fā)明的一個實施例中，第一金屬保護層8可采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或原子層沉積淀積單層或多層金屬保護層，如TiN、Ti、TaN、Ta、WN、W等。如圖If所示，S6 :可采用化學(xué)機械研磨工藝去除剩余的第一犧牲材料I上的第一金屬保護層8。進一步的，采用自對準(zhǔn)工藝在第一金屬互連線6上形成第一金屬保護層8。如圖Ig所示，S7 :可采用干法等離子體刻蝕或濕法刻蝕工藝去除剩余的第一犧牲材料11。如圖Ih所示，S8 :在第一刻蝕阻擋層2上淀積第一介電層9并覆蓋第一金屬互連線6和位于其上的第一金屬保護層8，且第一金屬互連線6密集區(qū)域的互連線間形成第一空氣間隙10,產(chǎn)生第一金屬層12 ；
進一步的，第一介電層9使用非保型化學(xué)氣相淀積工藝淀積的低介電常數(shù)材料，如PECVD 淀積 SiOCH。在實際生產(chǎn)例中，前述非保型化學(xué)氣相淀積工藝淀積要求在金屬互連線間的高寬比大于2:1的金屬互連線間形成空氣間隙，且空氣間隙的形成與金屬互連線間的尺寸和形狀相關(guān)。如圖Ii所不,S9 :在實際生產(chǎn)例中，米用化學(xué)機械研磨工藝對第一介電層9表面進行平坦化處理；
進一步的，要求剩余的第一介電層91頂部到第一金屬互連線6頂部的距離等于第一通孔15的高度。如圖Ij所示，SlO :在剩余的第一介電層91的上表面淀積第二刻蝕阻擋層13和第二犧牲材料14，且采用雙大馬士革工藝在所述剩余的第一介電層91上形成第一通孔15，第一通孔15與第一金屬互連線6相連，在第二刻蝕阻擋層13和第二犧牲材料14中形成第二 金屬溝槽16。在實際生產(chǎn)例中，要淀積適當(dāng)厚度的第一介電層9以利于控制第一通孔15高度。進一步的，Sll :重復(fù)上述S3-S9的步驟，如圖Ik所示，重復(fù)前述S3的步驟，在第一通孔15和第二金屬溝槽16的側(cè)壁及其底部依次淀積金屬阻擋層17和籽晶層(圖中未示出)，在第一通孔15和第二金屬溝槽16內(nèi)填充金屬銅，形成第一互連通孔22和第二金屬互連線18。進一步的，如圖11所示，按照前述S4-S7的步驟，形成第二金屬保護層19，去除剩余第二犧牲材料14。進一步的，如圖Im所示，按照前述S8的步驟，形成第二空氣間隙20，產(chǎn)生第二金屬層21 ο本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，在實施例中，重復(fù)前述第二金屬層工藝步驟可堆疊形成第三金屬層，甚至更多層金屬層。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實施例，其只是作為范例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何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出的均等變換和修改，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工藝，其特征在于，包括以下步驟 51:在一半導(dǎo)體基體上依次淀積第一刻蝕阻擋層和第一犧牲材料； 52:刻蝕所述第一犧牲材料和所述第一刻蝕阻擋層至所述半導(dǎo)體基體表面，形成第一金屬溝槽； 53:在所述第一金屬溝槽的側(cè)壁及其底部依次淀積金屬阻擋層和籽晶層后，在所述第一金屬溝槽內(nèi)填充金屬銅，形成第一金屬互連線； 54:去除所述第一金屬互連線頂部的部分金屬銅以形成銅凹槽； S5:在剩余的第一犧牲材料的上表面和所述銅凹槽的側(cè)壁及其底部上淀積第一金屬保護層； 56:去除所述剩余的第一犧牲材料上的所述第一金屬保護層； 57:繼續(xù)去除所述剩余的第一犧牲材料； S8:在剩余的第一刻蝕阻擋層上淀積第一介電層，所述第一介電層覆蓋所述第一金屬互連線和位于其上的所述第一金屬保護層，所述第一金屬互連線密集區(qū)域的互連線間形成第一空氣間隙，產(chǎn)生第一金屬層； S9 :對所述第一介電層進行平坦化處理； 510:在剩余的第一介電層的上表面淀積第二刻蝕阻擋層和第二犧牲材料，采用雙大馬士革工藝在所述剩余的第一介電層上形成第一通孔，所述第一通孔與所述第一金屬互連線相連，在所述第二刻蝕阻擋層和所述第二犧牲材料中形成第二金屬溝槽； 511:重復(fù)上述S3-S9的步驟，形成第一互連通孔、第二金屬互連線、第二空氣間隙，產(chǎn)生第二金屬層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行SI步驟時，所述第一犧牲材料采用硅基的無機或有機的介電材料；所述第一刻蝕阻擋層所用材料依據(jù)所述第一犧牲材料所用材料選取。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S2步驟時，采用單大馬士革刻蝕工藝在所述第一犧牲材料和第一刻蝕阻擋層中形成第一金屬溝槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S3步驟時，所述金屬阻擋層采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或原子層沉積淀積的一層或多層的金屬阻擋層；所述籽晶層采用物理氣相沉積淀積銅或銅合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S3步驟時，利用電鍍方法在所述第一金屬溝槽內(nèi)填充所述金屬銅，并采用化學(xué)機械研磨工藝去除所述第一犧牲材料上多余的所述金屬銅，形成所述第一金屬互連線。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S4步驟時，在所述第一金屬互連線上采用化學(xué)機械研磨工藝或在化學(xué)機械研磨平坦化后采用反向電鍍銅法或濕法工藝形成所述銅凹槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S5步驟時，所述第一金屬保護層采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或原子層沉積淀積單層或多層金屬保護層。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S6步驟時，采用化學(xué)機械研磨工藝去除所述第一犧牲材料上的所述第一金屬保護層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S6步驟時，采用自對準(zhǔn)工藝在所述第一金屬互連線上形成第一金屬保護層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S7步驟時，采用干法等離子體刻蝕或濕法刻蝕工藝去除所述第一金屬互連線間的第一犧牲材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S8步驟時，所述第一介電層使用非保型化學(xué)氣相淀積工藝淀積的低介電常數(shù)材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有空氣間隙的大馬士革制造工藝，其特征在于，在執(zhí)行S9步驟時，采用化學(xué)機械研磨工藝使所述第一介電層表面平坦，且要求剩余的第一介電層頂部到所述第一金屬互連線頂部的距離等于所述第一通孔的高度?！?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域銅互連大馬士革制造工藝，尤其涉及一種帶有空氣間隙的大馬士革工藝。本發(fā)明一種帶有空氣間隙的大馬士革工藝通過自對準(zhǔn)工藝在金屬互連線上形成金屬保護層，并在金屬互連線密集區(qū)域的金屬互連線之間形成空氣間隙，減少金屬互連線間寄生電容，改善RC延遲問題。
文檔編號H01L21/768GK102881638SQ20121034183
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者李磊, 胡友存, 姬峰 申請人:上海華力微電子有限公司