空氣隙的形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空氣隙的形成方法，首先采用了非晶碳硬掩膜技術，可以滿足關鍵尺寸持續(xù)縮小的光刻、刻蝕技術要求，接著通過在圖形化后的非晶碳層側壁沉積非晶碳保護層，將非晶碳保護層轉移到后續(xù)填充金屬的側壁上，從而防止金屬互連線的側壁被腐蝕和氧化，有利于控制金屬互連線的尺寸，提高金屬互連線的可靠性，并盡可能控制金屬互連線的底部過刻蝕問題，提高Cu-first集成方案的可行性和產(chǎn)品良率，增加產(chǎn)品應用的可能性。
【專利說明】空氣隙的形成方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體集成電路的制造【技術領域】，尤其涉及一種空氣隙的形成方法。

【背景技術】
[0002] 隨著電子信息技術的迅速發(fā)展，消費類電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代日趨頻繁，推動著集 成電路制造技術快速發(fā)展。隨著集成電路關鍵尺寸不斷縮小，技術問題層出不窮。其中，銅 互連線的RC(電阻電容，Resistor Capacitor)延遲已逐漸成為整個芯片RC延遲的重要組 成部分之一，而無法被忽略。
[0003] 業(yè)界普遍采用更低介電常數(shù)（Low-k)介質來降低銅互連線的RC延遲。在90皿至 65nm技術代，業(yè)界一般使用介電常數(shù)在2. 6?3. 0的SiOCH介質，如AMAT公司的BD1和LAM 公司的CORAL,它們都可采用CVD技術沉積，便于工藝集成。進入45nm技術代，業(yè)界一般采 用多孔型SiOCH進一步降低k值，如AMAT公司的抓2,介電常數(shù)可達2. 4?2. 7 ;也有采用 C、H有機介質，如旋涂法的Dow化emical公司的SILK,介電常數(shù)在2. 2?2. 6。進入28皿 W下技術代，業(yè)界需要考慮采用介電常數(shù)為2. 0?2. 2的ULK介質，如AMAT公司的抓3。盡 管現(xiàn)有技術的超低介電常數(shù)介質已經(jīng)將k值降至2. 0附近，仍無法滿足金屬線寬進一步縮 小的技術要求，業(yè)界開始考慮介電常數(shù)為1的空氣作為互連介質，即空氣隙，且該技術可能 在lOnm及W下技術代得到應用。
[0004] 銅/空氣隙的集成方案有兩種主流；一是采用特殊材料（條件分解）作為互連層 介質完成整個工藝流程，然后對特殊材料施加一個特定條件（如40(TC高溫）使其發(fā)生分 解，變成氣態(tài)物質被釋放出，最終形成空氣隙。二是采用常規(guī)材料（如Si02、Low-k)作為互 連層犧牲介質，在完成當前層金屬化后，刻蝕掉犧牲介質，沉積一層填充能力差的介質，形 成空氣隙。該些現(xiàn)有技術都能滿足關鍵尺寸進一步縮小的要求，但是前者在特殊材料釋放 過程中存在技術風險；后者與現(xiàn)有銅互連工藝兼容，更容易實現(xiàn)量產(chǎn)。
[0005] 此外，還有一類非主流的銅/空氣隙形成方法，即化-first (金屬線優(yōu)先）集成方 案，類似封裝技術中的布線方法。它是在娃片表面先沉積一層阻擋層和巧晶層，通過光刻圖 形化，帶著光刻膠對圖形化區(qū)域進行銅電鍛處理，然后去除光刻膠，并刻蝕掉巧晶層和阻擋 層，最后沉積一層填充能力差的介質，形成空氣隙。但是，該技術方案在巧晶層和阻擋層的 刻蝕工藝中容易造成銅線底部的過刻蝕問題扣ndercut)，引起銅線傾斜或倒塌，且該集成 方案很難實現(xiàn)極小關鍵尺寸的空氣隙工藝。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于彌補上述現(xiàn)有空氣隙形成方法中化-first (金屬線優(yōu)先）方案 的不足，提供一種空氣隙的形成方法，W解決銅互連線底部過刻蝕問題和關鍵尺寸縮小的 問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種空氣隙的形成方法，其包括W下步驟：
[0008] 步驟S01，提供一娃片襯底，并在娃片襯底上依次沉積阻擋層、巧晶層和非晶碳 層；
[0009] 步驟S02,圖形化所述非晶碳層，W在所述非晶碳層中形成至少一個用于填充金屬 的溝槽；
[0010] 步驟S03,在所述非晶碳層溝槽的側壁形成非晶碳保護層；
[0011] 步驟S04,向所述溝槽內(nèi)填充金屬，形成金屬圖形；
[0012] 步驟S05,去除所述非晶碳層W及非晶碳層下方的巧晶層和阻擋層，使所述金屬圖 形中形成空隙，并將所述非晶碳保護層轉移至金屬圖形側壁，并形成側壁保護；
[0013] 步驟S06,在所述金屬圖形上沉積介質層，在所述空隙處形成空氣隙。
[0014] 進一步地，步驟S03包括通過原子層沉積工藝（ALD)沉積非晶碳保護層。
[0015] 進一步地，步驟S03包括向所述非晶碳層表面沉積非晶碳保護層之后，干法刻蝕 去除所述溝槽底部W及非晶碳層頂部的非晶碳保護層，保留溝槽側壁的非晶碳保護層。
[0016] 進一步地，所述非晶碳保護層為單一介質膜、多種介質復合膜或介質與金屬復合 膜。
[0017] 進一步地，所述非晶碳保護層選自Si化保護層、Si〇2/Si3N4保護層或化/Si〇2保護 層。
[0018] 進一步地，步驟S02形成溝槽的尺寸比目標特征尺寸大X，步驟S03形成的非晶碳 保護層厚度為X/2, X=20-H)0A。
[0019] 進一步地，所述非晶碳層為APF材料，所述阻擋層為化/TaN復合膜，巧晶層為化， 所述金屬圖形為化。
[0020] 進一步地，步驟S05包括采用不含氧氣氛圍的微波去膠工藝去除所述非晶碳層， 隨后采用濕法刻蝕去除非晶碳層下方的巧晶層和阻擋層。
[0021] 進一步地，步驟S06包括在所述金屬圖形上沉積填充能力差的介質層。
[0022] 進一步地，步驟S06采用陽CVD工藝沉積SiCN層。
[0023] 本發(fā)明提供的空氣隙的形成方法，首先采用了非晶碳硬掩膜技術，可W滿足關鍵 尺寸持續(xù)縮小的光刻、刻蝕技術要求，接著通過在圖形化后的非晶碳層側壁沉積保護層，將 保護層轉移到后續(xù)填充金屬的側壁上，從而防止金屬互連線的側壁被腐蝕和氧化，有利于 控制金屬互連線的尺寸，提高金屬互連線的可靠性，并盡可能控制金屬互連線的底部過刻 蝕問題，提高化-first集成方案的可行性和產(chǎn)品良率，增加產(chǎn)品應用的可能性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，W下將結合附圖對本發(fā)明的較佳實 施例進行詳細描述，其中：
[00巧]圖1為本發(fā)明空氣隙形成方法的流程示意圖；
[0026] 圖2至圖8為本發(fā)明空氣隙形成方法的各步驟結構示意圖。

【具體實施方式】
[0027] 請參閱圖1，并同時參閱圖2至圖8,本實施例的空氣隙的形成方法包括W下步 驟：
[0028] 步驟S01，提供一娃片襯底11，并在娃片襯底11上依次沉積阻擋層12、巧晶層13 和非晶碳層14,如圖2所示。
[0029] 本步驟可采用本領域常規(guī)手段沉積各層，較佳地，阻擋層為化/TaN復合膜，巧晶 層為化，非晶碳層為APF材料（Advanced patterning film)。其中，非晶碳層的厚度必須大 于工藝集成所需要的銅互連線的目標厚度。
[0030] 步驟S02,圖形化非晶碳層14, W在非晶碳層14中形成至少一個用于填充金屬的 溝槽141，如圖3所示。
[0031] 本步驟可采用光刻曝光、顯影、干法刻蝕等本領域常規(guī)手段制作溝槽。
[0032] 本步驟中，形成溝槽的光刻時的尺寸應適當增大，形成的溝槽尺寸比需要制作 的目標特征尺寸大，W抵消后續(xù)沉積保護層增加的厚度，每個溝槽增大的尺寸較佳地為 20-100A。同時，增大溝槽的尺寸也有助于擴大溝槽光刻、刻蝕工藝的工藝窗口。
[003引步驟S03,在非晶碳層溝槽141的側壁形成非晶碳保護層15,如圖5所示。
[0034] 本步驟形成非晶碳保護層的工藝較佳地為原子層沉積工藝（ALD)，可采用本領域 常規(guī)工藝手段實現(xiàn)。本實施例得到的非晶碳保護層為單一介質膜二氧化娃，在其他實施例 中，非晶碳保護層也可W是多種介質復合膜Si化/SiN保護層或介質與金屬復合膜化/Si化 保護層等等。
[00巧]實際應用中，本步驟包括向非晶碳層14表面沉積二氧化娃，如圖4所示，然后，采 用干法刻蝕去除溝槽141底部W及非晶碳層14頂部的二氧化娃，從而保留溝槽側壁的二氧 化娃，如圖5所示。其中，針對不同材質的保護層，可采用本領域常用的相對應的刻蝕氣氛 和刻蝕工藝條件。本步驟中溝槽側壁的二氧化娃的厚度應根據(jù)目標特征尺寸W及溝槽的尺 寸來確定，本實施例每個溝槽制作時比目標特征尺寸大20A，則溝槽側壁二氧化娃的厚度 應為iOA，該樣便可相互抵消，從而確保后續(xù)填充的銅金屬特征尺寸符合目標特征尺寸的 大小。
[0036] 步驟S04,向溝槽141內(nèi)填充金屬銅，形成銅互連圖形16,如圖6所示。
[0037] 本步驟采用本領域常規(guī)銅互連電鍛工藝完成銅填充，填充的銅厚度需大于工藝集 成所要求的銅互連線的目標厚度，給后續(xù)的阻擋層/巧晶層刻蝕工藝提供一定的工藝窗 n。
[0038] 步驟S05,去除非晶碳層14 W及非晶碳層14下方的巧晶層13和阻擋層12,使銅 互連圖形16中形成空隙17,并將非晶碳保護層15轉移至銅互連圖形16的側壁，并形成側 壁保護。
[0039] 本步驟較佳地采用不含氧氣氛圍（如氨氣和氮氣的混合氣體）的微波去膠工藝去 除非晶碳層14,隨后采用濕法刻蝕去除非晶碳層14下方的巧晶層13和阻擋層12, W保證 銅互連線之間相互絕緣。其中，濕法刻蝕工藝需選用對化和化刻蝕速率較高而對二氧化 娃刻蝕速率較低的介質，本實施例采用H2SO4/H2O2/H2O混合溶液。
[0040] 步驟S06,在銅互連圖形16上沉積介質層18,在空隙17處形成空氣隙19,如圖8 所示。
[0041] 本步驟較佳地沉積填充能力較差的介質層，W形成空氣隙，介質層也可作為后續(xù) 銅擴散的阻擋層和通孔刻蝕的停止層。本實施例采用PECVD工藝沉積SiCN層，實際應用中 也可采用其他CVD工藝沉積其他填充能力差的介質。
[0042] 由于需要形成空氣隙，第二金屬圖形中空隙的尺寸應當符合形成空氣隙的要求， 現(xiàn)有技術已有掲示，故不再費述。
[0043] 可見，本實施例采用非晶碳硬掩模技術，可滿足關鍵尺寸持續(xù)縮小的光刻刻蝕技 術要求，在圖形化非晶碳層形成溝槽之后，沉積側壁保護層并轉移到后續(xù)填充的金屬側 壁上，從而防止在金屬互連線的側壁在后續(xù)工藝中被腐蝕和氧化，有利于控制金屬互連 線的尺寸，提高金屬互連線的可靠性，并盡可能控制金屬互連線的底部過刻蝕問題，提高 化-first集成方案的可行性和產(chǎn)品良率，增加產(chǎn)品應用的可能性。
【權利要求】
1. 一種空氣隙的形成方法，其特征在于，其包括以下步驟： 步驟S01，提供一硅片襯底，并在硅片襯底上依次沉積阻擋層、籽晶層和非晶碳層； 步驟S02,圖形化所述非晶碳層，以在所述非晶碳層中形成至少一個用于填充金屬的溝 槽； 步驟S03,在所述非晶碳層溝槽的側壁形成非晶碳保護層； 步驟S04,向所述溝槽內(nèi)填充金屬，形成金屬圖形； 步驟S05,去除所述非晶碳層以及非晶碳層下方的籽晶層和阻擋層，使所述金屬圖形中 形成空隙，并將所述非晶碳保護層轉移至金屬圖形側壁，并形成側壁保護； 步驟S06,在所述金屬圖形上沉積介質層，在所述空隙處形成空氣隙。
2. 根據(jù)權利要求1所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S03包括通過原子層 沉積工藝沉積非晶碳保護層。
3. 根據(jù)權利要求2所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S03包括向所述非晶 碳層表面沉積非晶碳保護層之后，干法刻蝕去除所述溝槽底部以及非晶碳層頂部的非晶碳 保護層，保留溝槽側壁的非晶碳保護層。
4. 根據(jù)權利要求3所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：所述非晶碳保護層為單一 介質膜、多種介質復合膜或介質與金屬復合膜。
5. 根據(jù)權利要求4所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：所述非晶碳保護層選自 SiO2保護層、Si02/Si3N4保護層或Ta/Si02保護層。
6. 根據(jù)權利要求1所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S02形成溝槽的尺寸 比目標特征尺寸大X，步驟S03形成的非晶碳保護層厚度為X/2,X=20-100A。
7. 根據(jù)權利要求1所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：所述非晶碳層為APF材料， 所述阻擋層為Ta/TaN復合膜，籽晶層為Cu,所述金屬圖形為Cu。
8. 根據(jù)權利要求1所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S05包括采用不含氧 氣氛圍的微波去膠工藝去除所述非晶碳層，隨后采用濕法刻蝕去除非晶碳層下方的籽晶層 和阻擋層。
9. 根據(jù)權利要求1所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S06包括在所述金屬 圖形上沉積填充能力差的介質層。
10. 根據(jù)權利要求9所述的空氣隙的形成方法，其特征在于：步驟S06采用PECVD工藝 沉積SiCN層。
【文檔編號】H01L21/768GK104465508SQ201410857135
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權日:2014年12月30日
【發(fā)明者】林宏 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司