無蝕刻損傷和esl的雙鑲嵌金屬互連件的制作方法
【專利摘要】一種形成用于半導(dǎo)體器件的雙鑲嵌金屬互連件的方法。該方法包括形成低k介電層，形成穿過低k介電層的通孔，沉積犧牲層，形成穿過犧牲層的溝槽，用金屬填充通孔和溝槽，去除犧牲層，然后沉積超低k介電層以填充在溝槽之間。該方法允許形成用于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第二層的超低k介電層同時(shí)避免通過諸如溝槽蝕刻和溝槽金屬沉積的工藝對該層的損傷。該方法的另一優(yōu)點(diǎn)為避免通孔層電介質(zhì)和溝槽層電介質(zhì)之間出現(xiàn)蝕刻終止層。本發(fā)明提供了無蝕刻損傷和ESL的雙鑲嵌金屬互連件。
【專利說明】無蝕刻損傷和ESL的雙鑲嵌金屬互連件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，更具體而言，涉及用于形成包含超低k電介質(zhì)的雙鑲嵌 金屬互連件的工藝、所得的結(jié)構(gòu)以及包括這些結(jié)構(gòu)的器件。
【背景技術(shù)】
[0002]多年的研究致力于減小集成電路(IC)的關(guān)鍵尺寸(CD)和結(jié)構(gòu)密度。當(dāng)密度增大 時(shí)，電阻電容(RC)延遲時(shí)間已成為電路性能的一個(gè)限制因素。為減少RC延遲，期望用具有 較低介電常數(shù)的材料來替換鑲嵌金屬互連結(jié)構(gòu)中的電介質(zhì)。這些材料被稱作低k電介質(zhì)或 超低k電介質(zhì)。低k電介質(zhì)是介電常數(shù)小于SiO2的介電常數(shù)的材料。SiO2的介電常數(shù)為 約4.0。超低k電介質(zhì)是介電常數(shù)為約2.1或更小的材料。
[0003]在鑲嵌金屬互連結(jié)構(gòu)中使用超低k電介質(zhì)的理論優(yōu)勢被將這些材料集成到制造 工藝中的實(shí)際困難抵消。超低k電介質(zhì)通常具有大孔和高的總孔隙率。這些性質(zhì)使得超低 k介電層在高能量等離子體蝕刻期間易于受到入侵和損傷，尤其是當(dāng)蝕刻氣體包括氧氣時(shí)。 蝕刻損傷可以降低器件的可靠性并抵消由低k電介質(zhì)轉(zhuǎn)換為超低k電介質(zhì)獲得的RC性能 增益。對以生產(chǎn)具有減少RC延遲的可靠器件的方法將超低k電介質(zhì)結(jié)合到半導(dǎo)體器件中 的經(jīng)濟(jì)性工藝具有盼望已久的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種形成用于半導(dǎo)體器件的雙鑲嵌金屬互連件的方法。該方法包括 形成第一介電層，形成穿過該層的通孔，在第一介電層上方沉積犧牲層，以及形成穿過犧牲 層的溝槽。如果在形成通孔之后沉積犧牲層并且犧牲層的材料進(jìn)入通孔，則從通孔去除犧 牲材料。然后用金屬填充通孔和溝槽。然后去除犧牲層。然后在第一介電層上方形成第二 介電層以填充在金屬填充的溝槽之間。第二介電層與第一介電層具有以下所述內(nèi)容中的一 處或多處區(qū)別:第二介電層具有更低的等效介電常數(shù)，第二介電層具有更高的孔隙率，以及 第二介電層具有氣隙。該方法允許形成用于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第二層的超低k介電層同時(shí)避免 諸如溝槽蝕刻和溝槽金屬沉積的工藝對該層的損傷。
[0005]本發(fā)明還提供可以通過前述工藝形成的雙鑲嵌金屬互連結(jié)構(gòu)以及包括這些結(jié)構(gòu) 的半導(dǎo)體器件。雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第一層包括位于第一電介質(zhì)區(qū)域中的金屬填充的通孔。雙鑲 嵌結(jié)構(gòu)的第二層包括位于第二電介質(zhì)區(qū)域中的金屬填充的溝槽。第一層電介質(zhì)和第二層電 介質(zhì)是不同的。雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的特征還在于在第一層電介質(zhì)和第二層電介質(zhì)之間無蝕刻終 止層。該結(jié)構(gòu)還可以具有可以是區(qū)別特征的以下特征中的一個(gè)或多個(gè):氣隙在第二介電層 中，而不在第一介電層中；第二介電層的等效介電常數(shù)小于2.1，而第一介電層的等效介電 常數(shù)則不；第二介電層具有20%或更多的孔隙率，而第一介電層則沒有；第二介電層中無 蝕刻損傷，且填充溝槽和通孔的金屬是基于銅的金屬。
[0006]該總結(jié)的主要目的是以簡明的形式介紹發(fā)明人的某些構(gòu)思以便于理解隨后的更 多詳細(xì)說明。該總結(jié)并不是對發(fā)明人的每一個(gè)能夠被稱之為“發(fā)明”的構(gòu)思或構(gòu)思的每一種組合的全面描述。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，通過以下與附圖一起進(jìn)行的詳細(xì)描述會(huì)想到發(fā)明人的其它構(gòu)思。本文公開的特定內(nèi)容可以是廣義的、狹義的，并且可以以各種方式與發(fā)明人要求的作為他們保留用于隨后的權(quán)利要求的發(fā)明的最終聲明相結(jié)合。[0007]—方面，本發(fā)明提供了一種形成雙鑲嵌銅互連結(jié)構(gòu)的方法，包括:在襯底上方沉積第一介電層；在所述第一介電層上方沉積犧牲層；蝕刻延伸穿過所述犧牲層但未穿過所述第一介電層的溝槽；在前述兩個(gè)步驟中的一個(gè)或兩個(gè)之前或之后，蝕刻通孔穿過所述第一介電層；沉積導(dǎo)電材料以填充所述溝槽和所述通孔并形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括位于第一層電介質(zhì)區(qū)域中的導(dǎo)電材料填充的通孔和位于犧牲層材料區(qū)域中的導(dǎo)電材料填充的溝槽；去除所述犧牲層；以及沉積第二介電層以形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括位于所述第一層電介質(zhì)區(qū)域中的銅填充的通孔和位于第二層電介質(zhì)區(qū)域中的導(dǎo)電材料填充的溝槽，其中所述第一層電介質(zhì)的孔隙率小于20%，而所述第二層電介質(zhì)的孔隙率大于20%。
[0008]在所述的方法中，在沉積所述犧牲層之前蝕刻所述通孔穿過所述第一介電層。
[0009]在所述的方法中，在沉積所述犧牲層之前蝕刻所述通孔穿過所述第一介電層，其中:沉積所述犧牲層用所述犧牲層的材料填充所述通孔；以及在室中蝕刻所述溝槽并且在從該室取出襯底之前通過在該室中進(jìn)一步蝕刻從所述通孔去除所述犧牲層材料。
[0010]在所述的方法中，在沉積所述犧牲層之前蝕刻所述通孔穿過所述第一介電層，其中，所述通孔的位置由用作蝕刻所述通孔的掩模的光刻膠決定。
[0011]在所述的方法中，通過非共形沉積工藝沉積所述第二介電層，在所述第二介電層中留下氣隙。
[0012]在所述的方法中，所述第一介電層的等效介電常數(shù)大于2.1且小于3.5，而所述第二介電層的等效介電常數(shù)小于2.1。
[0013]另一方面，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件制造工藝，包括:提供半導(dǎo)體襯底；通過前段工藝加工在所述襯底上形成柵極結(jié)構(gòu)；在所述柵極結(jié)構(gòu)上方形成低k介電層；圖案化通孔穿過所述低k介電層；在所述低k介電層上方形成犧牲層；圖案化溝槽穿過所述犧牲層；用金屬填充所述通孔和所述溝槽；去除所述犧牲層；在所述低k介電層上方形成超低k介電層；以及其中所述超低k介電層比所述低k介電層具有更低的介電常數(shù)。
[0014]在所述的工藝中，通過非共形沉積工藝沉積所述超低k介電層。
[0015]在所述的工藝中，不使用硬掩模圖案化所述通孔穿過所述低k介電層。
[0016]在所述的工藝中，所述低k介電層的等效介電常數(shù)大于2.1，而所述超低k介電層的等效介電常數(shù)小于2.1。
[0017]在所述的工藝中，所述低k介電層比所述超低k介電層具有更低的孔隙率。
[0018]在所述的工藝中，形成沒有氣隙的所述低k介電層，而形成具有氣隙的所述超低k介電層。
[0019]在所述的工藝中，所述犧牲層包括非晶碳。
[0020]在所述的工藝中，所述犧牲層包括非晶碳，其中，所述第一介電層是有機(jī)硅酸鹽玻
3? ο
[0021]在所述的工藝中，所述犧牲層包括非晶碳，其中，所述第一介電層是有機(jī)硅酸鹽玻璃，其中，采用含有NH3或含有N2和H2組合的蝕刻氣體通過等離子體蝕刻圖案化所述溝槽。[0022]在所述的工藝中，去除所述犧牲層包括采用相對于組成所述低k介電層的材料優(yōu)先去除組成所述犧牲層的材料的蝕刻條件進(jìn)行蝕刻。
[0023]又一方面，本發(fā)明提供了一種包括雙鑲嵌金屬互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，包括:所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第一層，包括位于第一電介質(zhì)區(qū)域中的金屬填充的通孔；以及所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第二層，包括位于第二電介質(zhì)區(qū)域中的金屬填充的溝槽；其中所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的特征還在于在所述第一層和所述第二層之間無蝕刻終止層；以及其中所述第二層包括氣隙，所述氣隙大幅減小該層的等效介電常數(shù)，而所述第一層不包括所述氣隙。
[0024]在所述的器件中，所述第二電介質(zhì)無蝕刻損傷。
[0025]在所述的器件中，所述第一電介質(zhì)的孔隙率小于20%，而所述第二電介質(zhì)的孔隙率大于20%。
[0026]在所述的器件中:所述第一電介質(zhì)的等效介電常數(shù)大于2.1且小于3.5 ;以及所述第二電介質(zhì)的等效介電常數(shù)小于2.1。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
圖1提供本發(fā)明的示例性工藝。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的示例性起始點(diǎn)。
圖3示出形成金屬覆蓋層后的圖2的結(jié)構(gòu)。
圖4示出形成第一介電層后的圖3的結(jié)構(gòu)。
圖5示出在第一介電層上方形成圖案化的掩模并蝕刻以形成穿過第一介電層的
通孔以及去除掩模后的圖4的結(jié)構(gòu)。
[0032]圖6示出形成犧牲層后的圖5的結(jié)構(gòu)。
[0033]圖7示出在犧牲層上方形成硬掩模并對其進(jìn)行圖案化后的圖6的結(jié)構(gòu)。
[0034]圖8示出在蝕刻以形成穿過犧牲層的溝槽以及從通孔去除犧牲層后的圖7的結(jié)構(gòu)。
[0035]圖9示出在用金屬填充通孔和溝槽后的圖8的結(jié)構(gòu)。
[0036]圖10示出在化學(xué)機(jī)械拋光和形成第二金屬覆蓋層后的圖9的結(jié)構(gòu)。
[0037]圖11示出去除犧牲層后的圖10的結(jié)構(gòu)。
[0038]圖12示出沉積第二介電層后的圖11的結(jié)構(gòu)。
[0039]圖13示出化學(xué)機(jī)械拋光后的圖12的結(jié)構(gòu)。
[0040]圖14提供圖1工藝中的步驟106的可選順序。
[0041]圖15提供圖1工藝中的步驟106的另一可選順序。
【具體實(shí)施方式】
[0042]圖1提供形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225的工藝100的步驟的示例性順序。圖2至13示出隨著該工藝進(jìn)展的襯底200。工藝100開始于步驟101，步驟101為提供襯底200，其為制造中間階段的半導(dǎo)體器件。襯底200包括半導(dǎo)體201和在前段工藝(FEOL)加工期間形成的一個(gè)或多個(gè)器件結(jié)構(gòu)。工藝100將雙鑲嵌金屬互連件225加入到襯底200。
[0043]在可以包括nMOS和pMOS區(qū)域的襯底200的區(qū)域的上方形成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225。半導(dǎo)體的實(shí)例包括但不限于硅、絕緣體上硅(SOI)、Ge、SiC、GaAs、GaAlAs、InP、GaN、SiGe。在FEOL加工期間形成的器件結(jié)構(gòu)可以包括但不限于存儲(chǔ)器器件；邏輯器件；FET及其元件，諸如源極區(qū)、漏極區(qū)和柵電極；有源器件；無源器件和這些的組合。襯底200也可以包括絕緣體、導(dǎo)體和先前形成的互連結(jié)構(gòu)，包括在后段工藝(BEOL)加工的早期階段期間形成的結(jié)構(gòu)。襯底200包括終端203。通過工藝100形成的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)包括與終端203接觸的通孔209，如將在下面更全面理解的。
[0044]步驟103為在終端203上形成金屬覆蓋層205的可選步驟。覆蓋層205可以包括一層或多層。覆蓋層可以提供以下功能中的一種或多種:保護(hù)下面的材料在后續(xù)加工期間免受損傷；在將要形成的鑲嵌金屬217和終端203的金屬之間提供界面；提供擴(kuò)散阻擋物；以及阻止電遷移。覆蓋層材料的實(shí)例包括但不限于鎢(W)、鈷(Co)、鈷鎢磷化物(CoWP)和鈷鎢硼酸鹽(CoWB)。在阻止電遷移和減少RC延遲方面，含鈷覆蓋層205是特別合適的?？梢酝ㄟ^任何合適的工藝或工藝的組合形成覆蓋層205?；瘜W(xué)鍍(自動(dòng)催化)工藝可以有效地僅在終端203上而不在襯底200的其它表面提供覆蓋層205。
[0045]圖1的步驟105為形成第一介電層207，其通常是低k介電層?？梢允褂萌魏魏线m的電介質(zhì)?？梢赃m用于第一介電層207的低k電介質(zhì)的實(shí)例包括有機(jī)硅酸鹽玻璃(OSG)，諸如碳摻雜的二氧化硅、氟摻雜的二氧化硅(又被稱為氟化硅玻璃(或FSG))和有機(jī)聚合物低k電介質(zhì)。有機(jī)聚合物低k電介質(zhì)的實(shí)例包括聚芳醚(polyarylene ether)、聚酰亞胺(PD、苯并環(huán)丁烯和非晶聚四氟乙烯(PTFE)?？梢酝ㄟ^任何合適的工藝形成第一介電層207，其中適合性取決于所使用的材料。沉積第一介電層207的工藝的實(shí)例包括旋涂和CVD工藝。
[0046]介電層具有等效介電常數(shù)，其是層中所用的電介質(zhì)和層的物理結(jié)構(gòu)的函數(shù)。將孔隙率和氣隙引入到介電層中減小層的等效介電常數(shù)，然而，孔隙率和氣隙也使得層在結(jié)構(gòu)上更脆弱且更易于遭受蝕刻損傷?？紤]到后來的這些影響因素，在一個(gè)實(shí)施例中第一介電層207具有小于20%的孔隙率，而在一個(gè)實(shí)施例中形成沒有氣隙的第一介電層207?？紫堵适欠植荚谛纬山殡妼拥恼麄€(gè)電介質(zhì)材料中的空隙空間，而氣隙是除由介電材料填充的層間隔以外的層間隔中較大的空隙。在通過非共形沉積工藝沉積介電層時(shí)，氣隙與層的幾何形狀相關(guān)并包括在角落和其它凹槽中形成的空隙。
[0047]低孔隙率和無氣隙通常意味著第一介電層207的等效介電常數(shù)為至少約2.1。通?？梢詫?shí)現(xiàn)介電常數(shù)介于約2.4至3.5范圍內(nèi)的第一介電層207而不會(huì)過度損害得到的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。落在該范圍下端的介電常數(shù)適合于為得到的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225提供低電容。第一介電層207的等效介電常數(shù)一般小于2.9，通常接近于2.4。
[0048]步驟107為形成穿過第一介電層207的通孔209。舉例來說，通常通過包括光刻和各向異性高能量等離子體蝕刻的工藝來形成通孔209。光刻通常包括用光刻膠涂布襯底，根據(jù)期望的通孔圖案選擇性地使光刻膠曝光，將光刻膠顯影，以及使用光刻膠作為蝕刻掩模來蝕刻出通孔209或蝕刻硬掩模，該硬掩模變成用于蝕刻出通孔209的蝕刻掩模。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，如果在第一介電層207上方直接形成硬掩模，在進(jìn)一步加工前去除硬掩模。硬掩?？梢匀缤g刻終止層那樣顯著地增大電容。避免使用硬掩模通常比去除硬掩模更容易些，并且減少對第一介電層207的污染和損傷。例如，通?？梢允褂脠D案化的光刻膠作為蝕刻掩模來蝕刻OSG電介質(zhì)?？梢酝ㄟ^無損傷等離子體蝕刻或濕法工藝從第一電介質(zhì)207去除光刻膠。[0050]步驟109為在第一介電層207的上方形成犧牲層211。任何合適的材料可以用于 犧牲層211。易于去除是做出選擇時(shí)所要考慮的一個(gè)因素。另一考慮因素是易于識(shí)別和實(shí) 施優(yōu)先去除第一介電層207的材料上方的犧牲材料的蝕刻工藝。犧牲層211可以是通過在 約250°C到約450°C之間的溫度下的熱處理、通過UV處理或通過這些處理的組合分解和/ 或蒸發(fā)的材料。這些材料的實(shí)例包括聚合物，諸如聚酰亞胺(PI)、聚丙二醇(PPG)、聚丁二 烯(PB)、聚乙二醇(PEG)和聚己內(nèi)酯二醇(PCL)。非晶碳通常是用于犧牲層211的合適的 材料。通常可以通過對第一介電層207產(chǎn)生很小的損傷或不產(chǎn)生損傷的蝕刻工藝去除非晶 碳。
[0051]步驟111和113形成穿過犧牲層211的溝槽215。這通常包括光刻。步驟111為 形成掩模213。掩模213可以是光刻膠或硬掩模。形成硬掩模包括:形成硬掩模材料層，在 硬掩模層的上方形成光刻膠層，根據(jù)期望的溝槽圖案選擇性地使光刻膠曝光，將光刻膠顯 影，使用圖案化的光刻膠蝕刻溝槽圖案穿過硬掩模層以形成圖案化的硬掩模213，以及使用 圖案化的硬掩模213來限制高能量等離子體蝕刻以得到用于溝槽215的期望圖案。
[0052]可以通過任何合適的工藝通過掩模213蝕刻出溝槽215。合適的工藝可以包括一 個(gè)或多個(gè)步驟。例如，可以使用非選擇性蝕刻或僅在犧牲層材料和第一介電層207的材料 之間表現(xiàn)出有限的選擇性的蝕刻工藝來蝕刻部分、大部分或全部穿過犧牲層211的溝槽。 例如，可以使用非選擇性蝕刻，直到暴露出介電層207。當(dāng)介電層207暴露出來時(shí)，為了避免 損傷介電層207，可以期望改變蝕刻化學(xué)物質(zhì)和減慢蝕刻工藝。最初使用非選擇性蝕刻或較 少選擇性蝕刻工藝可以加速整個(gè)蝕刻。
[0053]另一方面，對整個(gè)步驟113來說，使用單個(gè)蝕刻工藝可能是適合且方便的。例如， 當(dāng)犧牲層211由非晶碳形成并且介電層207是OSG時(shí)，選擇性工藝可以是在蝕刻氣體中使 用N2和H2或者NH3的高能量等離子體蝕刻。使用單個(gè)蝕刻進(jìn)行整個(gè)步驟113具有諸如易 于應(yīng)用和結(jié)果一致性的優(yōu)點(diǎn)。
[0054]步驟113包括打通(open)通孔209。如果在形成犧牲層211之前蝕刻通孔209， 通孔209通常會(huì)填充有犧牲層211的材料。如果通孔的形成延至形成犧牲層211之后，那 么打通通孔209就不包括在步驟113中。當(dāng)通孔209填充有犧牲層211的材料時(shí)，隨著溝 槽蝕刻工藝的繼續(xù)可以方便地去除該材料。蝕刻條件可以在整個(gè)蝕刻過程中保持不變或隨 著蝕刻的進(jìn)行而發(fā)生改變。蝕刻條件可以如上述所述或僅當(dāng)蝕刻接近最后階段以及金屬蓋 頂205暴露出來時(shí)發(fā)生改變。盡管蝕刻條件改變，但整個(gè)工藝通?？梢栽谝粋€(gè)蝕刻室內(nèi)實(shí) 施，這可以減少加工時(shí)間。
[0055]步驟115為用導(dǎo)電金屬217填充通孔209和溝槽215。導(dǎo)電金屬217可以是例如 Cu、Al、Au、Ag、W和它們的合金。可以作為具有不同組分的多層提供金屬217?？梢酝ㄟ^任 何合適的工藝填充金屬217。合適的工藝可以包括化學(xué)鍍、電鍍、濺射沉積和化學(xué)汽相沉積 (CVD)。
[0056]雖然金屬217可以是任何合適的金屬或金屬的組合，但本發(fā)明的工藝尤其適合使 用銅(Cu)。如本文用來描述填充通孔209和溝槽215的金屬，銅包括純銅、含痕量雜質(zhì)的 銅以及大部分是銅的合金。銅可以與少量的元素(諸如鉭、銦、錫、鋅、錳、鉻、鈦、鍺、鍶、鉬、 鎂、鋁或鋯)形成合金。銅提供較低的電阻但與現(xiàn)有技術(shù)中許多工藝不兼容。
[0057]銅的化學(xué)鍍通常包括形成銅晶種層，接著進(jìn)行自動(dòng)催化銅沉積。晶種層的材料的實(shí)例包括但不限于銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銦(In)、鎳鈀金(NiPdAu)和鎳金(NiAu)?？梢酝ㄟ^任何合適的工藝形成晶種層。晶種層可以通過化學(xué)沉積、濺射或化學(xué)汽相沉積自身形成。
[0058]在用銅等填充之前，溝槽215和通孔209通常襯有阻止電遷移的阻擋物。阻擋層的材料的實(shí)例包括釕(Ru)、猛(Mn)、鈷(Co)、鉻(Cr)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(Tiff)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)和這些的組合?？梢酝ㄟ^任何合適的工藝(諸如CVD沉積)來沉積阻擋層。
[0059]促進(jìn)粘著的層可以包括在阻擋層里。界面層可以是自組裝單層(SAM)?？梢岳缤ㄟ^包括含有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的氣體的熱工藝處理形成自組裝單層?？蛇x地，僅在第一介電層207上形成自組裝單層并作為通孔209的襯層，而不作為溝槽215的襯層。
[0060]步驟115完成圖9所示的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)218的形成。雙鑲嵌結(jié)構(gòu)218包括第一層，其包括位于第一介電層207區(qū)域中的金屬217填充的通孔209;以及第二層，其包括位于犧牲層211區(qū)域中的金屬217填充的溝槽215。后續(xù)加工用第二介電層221替換結(jié)構(gòu)218中的犧牲材料層211。
[0061]步驟117為將襯底200的上表面平坦化。平坦化后的表面包括具有金屬217鑲嵌物的犧牲材料層211。通常通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來實(shí)現(xiàn)平坦化。由于CMP總是以至少略微變化的速率去除不同的材料，所以表面并不會(huì)變成完全平坦的。
[0062]步驟119為在金屬217的暴露上表面上形成金屬蓋頂219的可選步驟，如圖10中所示。蓋頂219與蓋頂203可以是相同的或者不同的，然而，關(guān)于蓋頂203在組成、工藝和功能性方面的說明同樣適用于蓋頂209。
[0063]步驟121為去除犧牲層211?？梢酝ㄟ^任何合適的工藝去除犧牲層211。取決于所用的材料，為便于去除犧牲層211對犧牲層211進(jìn)行預(yù)處理是可能的和期望的。可以使用的預(yù)處理工藝的實(shí)例包括氧化、熱處理以及UV輻射。去除工藝本身可以是例如濕法清潔或等離子體蝕刻。如圖11所示，犧牲層211的去除使得溝槽215的金屬217暴露出來。
[0064]步驟123為形成第二介電層221。第二介電層221填充先前被犧牲層211占據(jù)的空間并形成圍繞溝槽215的金屬217的區(qū)域。第二介電層221通常是超低k介電層。為了具有低介電常數(shù)，可以形成孔隙率為至少20%的第二介電層221。也可以形成具有氣隙223的第二介電層221。第二介電層221可以是會(huì)被用于形成溝槽215、用金屬217填充溝槽215或平坦化步驟117的工藝損傷的介電層。
[0065]為了獲得2.1或更小的等效介電常數(shù)，第二介電層221的材料可以是如上所述的但具有孔隙率或氣隙223的低k電介質(zhì)。氣隙可以使層的介電常數(shù)減小5%或更多，這是大幅度的減小?？紫堵室部纱蠓鹊販p小層的等效介電常數(shù)?？梢砸肟紫堵首鳛樾纬傻诙殡妼?21的工藝的一部分。例如，可以通過旋涂工藝或CVD工藝將OSG前體和致孔劑一起施加到襯底200來形成OSG介電層221。該工藝可以進(jìn)一步包括致孔劑的可控蒸發(fā)。OSG前體的實(shí)例包括有機(jī)硅烷和有機(jī)硅氧烷。有機(jī)硅烷的實(shí)例包括甲基倍半硅氧烷(MSQ)和氫倍半硅氧烷(HSQ)。有機(jī)硅氧烷的實(shí)例包括屬于甲基硅氧烷家族(諸如甲基二乙氧基硅烷)的聚合物。致孔劑的實(shí)例包括有機(jī)溶劑。有機(jī)溶劑可以是例如甲苯、庚烷、環(huán)己醇或它們的混合物。在諸如旋涂或CVD的介電層形成工藝之后，可以通過沉積后處理諸如熱處理、UV處理或電子束處理來改善孔形成、機(jī)械強(qiáng)度或這兩者。[0066]也可以通過選擇合適的形成工藝將氣隙223引入第二介電層221中。形成具有氣 隙223的介電層221的合適工藝可以是非共形沉積工藝，諸如等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積 (PECVD)。非共形工藝在凹槽區(qū)域諸如圖11標(biāo)出的角部220中形成氣隙223。示例性的非 共形沉積工藝是等離子體增強(qiáng)CVD?？紫堵蚀笥?0%并具有氣隙223的OSG層的等效介電 常數(shù)可以為2.0或更小。
[0067]步驟125為另一平坦化步驟，通常也可以采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來實(shí)現(xiàn)。步驟 125使第二介電層221的上表面、蓋頂金屬219的上表面或溝槽金屬217的上表面(如果不 存在蓋頂219)平坦化?？蛇x地，在平坦化之前，用保護(hù)性“填充”材料浸潤第二介電層221 的孔結(jié)構(gòu)?？梢栽谄教够笕コ畛洳牧?。填充材料可以是例如單體碳?xì)浠衔??？梢酝?過載液諸如超臨界二氧化碳將這種材料運(yùn)送到介電層221的孔內(nèi)。
[0068]圖13示出具有通過工藝100形成的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225的襯底200。雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225 包括第一層，該第一層包括位于第一介電層207區(qū)域中的金屬217填充的通孔209;以及第 二層，該第二層包括位于第二介電層221區(qū)域中的金屬217填充的溝槽215。雙鑲嵌結(jié)構(gòu) 225的一個(gè)特征是無蝕刻終止層。另一個(gè)特征是在第二介電層221中無蝕刻損傷。第一介 電層207是孔隙率小于20%并且沒有氣隙的低k電介質(zhì)。第一介電層207為結(jié)構(gòu)225提供 機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。第二介電層221是孔隙率大于20%并包含氣隙223的超低k電介質(zhì)。 第二介電層221為結(jié)構(gòu)225提供低電容。
[0069]雖然仍生產(chǎn)如圖13所示的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)225結(jié)構(gòu)，但工藝100的步驟107、109、111 和113的順序可以不同于圖1所示的順序106。具體地，步驟107形成通孔209可以延至步 驟109形成犧牲層211之后。
[0070]圖14和圖15示出兩種可選的順序300和400。在順序300和400中，通孔蝕刻 107延至步驟109形成犧牲層211之后。在這些順序中，犧牲層211的材料沒有填充通孔 209并且在溝槽蝕刻113期間不從通孔209蝕刻。
[0071]在順序300中，在溝槽蝕刻113之前實(shí)施通孔蝕刻107。順序300中的溝槽蝕刻 113包括蝕刻穿過犧牲層211，然后穿過第一介電層207。在工藝300中，期望包括可選步 驟108塞住通孔209，以便提供用于在其上形成溝槽蝕刻掩模213的層表面。可以在溝槽蝕 刻113期間或者在溝槽蝕刻113之后的單獨(dú)步驟114中從通孔209去除插塞材料。在順序 400中，在通孔蝕刻107前實(shí)施溝槽蝕刻113。
[0072]工藝順序106、300和400中的每一種相對于其它工藝順序均具有優(yōu)點(diǎn)。與順序 300和400相比，順序106對通孔209的尺寸提供更好的控制。順序300和400相對于順序 106的改進(jìn)之處在于它們避免了直接在層207上形成通孔蝕刻掩模時(shí)可能發(fā)生的第一介電 層207的可能污染。順序300比順序400更能容許溝槽和通孔掩模之間的不對準(zhǔn)。另一方 面，順序106、順序300相對于工藝400需要采用高縱橫比來蝕刻通孔209。
[0073]就某些構(gòu)思、元件和部件方面已經(jīng)顯示和/或描述了如通過以下權(quán)利要求描述的 本發(fā)明。雖然本文中可能僅就一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)思或?qū)嵗蛘咭詮V義和狹義公開了特定元件或 部件，廣義或狹義構(gòu)思中的元件或部件可以與廣義或狹義構(gòu)思中的一個(gè)或多個(gè)其它元件或 部件相結(jié)合，其中本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到這種組合是合乎邏輯的。而且，本說明書 可以描述多于一個(gè)的發(fā)明，并且以下的權(quán)利要求并不必涵蓋本文所述的每一個(gè)構(gòu)思、方面、 實(shí)施例或?qū)嵗?br> 【權(quán)利要求】
1.一種形成雙鑲嵌銅互連結(jié)構(gòu)的方法，包括: 在襯底上方沉積第一介電層； 在所述第一介電層上方沉積犧牲層； 蝕刻延伸穿過所述犧牲層但未穿過所述第一介電層的溝槽； 在前述兩個(gè)步驟中的一個(gè)或兩個(gè)之前或之后，蝕刻通孔穿過所述第一介電層； 沉積導(dǎo)電材料以填充所述溝槽和所述通孔并形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括位于第一層電介質(zhì)區(qū)域中的導(dǎo)電材料填充的通孔和位于犧牲層材料區(qū)域中的導(dǎo)電材料填充的溝槽； 去除所述犧牲層；以及 沉積第二介電層以形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括位于所述第一層電介質(zhì)區(qū)域中的銅填充的通孔和位于第二層電介質(zhì)區(qū)域中的導(dǎo)電材料填充的溝槽， 其中所述第一層電介質(zhì)的孔隙率小于20%，而所述第二層電介質(zhì)的孔隙率大于20%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在沉積所述犧牲層之前蝕刻所述通孔穿過所述第一介電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中: 沉積所述犧牲層用所述犧牲層的材料填充所述通孔；以及 在室中蝕刻所述溝槽并且在從該室`取出襯底之前通過在該室中進(jìn)一步蝕刻從所述通孔去除所述犧牲層材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述通孔的位置由用作蝕刻所述通孔的掩模的光刻膠決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過非共形沉積工藝沉積所述第二介電層，在所述第二介電層中留下氣隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一介電層的等效介電常數(shù)大于2.1且小于3.5，而所述第二介電層的等效介電常數(shù)小于2.1。
7.一種半導(dǎo)體器件制造工藝，包括: 提供半導(dǎo)體襯底； 通過前段工藝加工在所述襯底上形成柵極結(jié)構(gòu)； 在所述柵極結(jié)構(gòu)上方形成低k介電層； 圖案化通孔穿過所述低k介電層； 在所述低k介電層上方形成犧牲層； 圖案化溝槽穿過所述犧牲層； 用金屬填充所述通孔和所述溝槽； 去除所述犧牲層； 在所述低k介電層上方形成超低k介電層；以及 其中所述超低k介電層比所述低k介電層具有更低的介電常數(shù)。
8.一種包括雙鑲嵌金屬互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，包括: 所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第一層，包括位于第一電介質(zhì)區(qū)域中的金屬填充的通孔；以及 所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的第二層，包括位于第二電介質(zhì)區(qū)域中的金屬填充的溝槽； 其中所述雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的特征還在于在所述第一層和所述第二層之間無蝕刻終止層；以及 其中所述第二層包括氣隙，所述氣隙大幅減小該層的等效介電常數(shù)，而所述第一層不包括所述氣隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中，所述第二電介質(zhì)無蝕刻損傷。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中: 所述第一電介質(zhì)的孔隙率小于20%，而所述第二電介質(zhì)的孔隙率大于20% ;以及所述第一電介質(zhì)的等效介電常數(shù)大于2.1且小于3.5,而所述第二電介質(zhì)的等效介電常數(shù)小于2.1。
【文檔編號】H01L23/522GK103515304SQ201210530680
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】辛?xí)? 李忠儒, 包天一 申請人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司