專利名稱：用于改善后端生產線結構穩定性的混合介質結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及到集成電路上的多層共面互連結構，更確切地說是涉及到用來改善后端生產線結構穩定性的混合介質結構。
集成電路密度的不斷改進部分地是由互連技術的進步造成的。IC制造通常包括前部生產線(FEOL)工藝和后部生產線(BEOL)工藝。FEOL工藝涉及到與多晶硅柵層一起制作晶體管和電容器等。BEOL工藝包括制作金屬互連和相關的介質的工藝。常規的互連結構采用鋁作為導體。鋁被淀積成薄膜，然后被圖形化以形成互連。再加入介電絕緣材料，并對其進行平面化。
近來已經開發了使用銅互連的工藝。一種這樣的工藝采用鑲嵌銅電鍍來進行芯片互連。此工藝一開始制作平面絕緣層。對此絕緣層進行腐蝕以形成溝槽或通孔，然后用金屬填充溝槽或通孔，并拋光以便整平。在雙重鑲嵌工藝中，二種圖形被組合成一個。
從鋁互連過渡到銅互連，已經導致了互連電阻降低。為了降低RC噪聲，目前將具有低介電常數(也稱為“低k”)的介電材料集成到BEOL結構中。然而，低k介電材料本質上通常不是結構性的。它們無法支持金屬絲鍵合或球鍵合過程中遇到的外加負載而不對器件的電學可靠性造成有害的影響。但隨著工業界將具有高彈性模量的石英改變為用作電介質的低模量材料，這些改變是必需要著手考慮的。
本發明的目的是以新穎而簡單的方法來克服上述的一個或多個問題。
根據本發明，采用低k介電材料的混合介電互連結構，在最容易出現噪聲的線路層中使用低模量介電材料，而在通孔層中使用性質上是結構性的較高彈性模量的介電材料。
廣義地說，此處公開了集成電路芯片上的一種多層共面互連結構，它包括具有被介電常數較低且彈性模量也較低的介電材料分隔的多個互連導體的平面線路層。平面通孔層包含彈性模量比線路層更高的介電膜和穿過其中的導電通孔。線路層和通孔層之一位于集成電路襯底上并確定第一層，而線路層和通孔層中的另一個位于第一層上，使通孔選擇性地接觸到線路層導體。
本發明的一個特點是介電膜具有較低的介電常數。
本發明的另一特點是介電材料具有小于大約3.0的介電常數。
本發明的另一特點是介電材料包含聚亞芳基醚材料。
本發明的又一特點是介電材料包含有機或無機材料。介電膜包含無機薄膜。
本發明的再一特點是介電膜包含SiCOH膜。
根據本發明的另一種情況，公開了集成電路芯片上的一種多層共面銅鑲嵌互連結構，它包括集成電路襯底上的具有被介電常數較低且彈性模量也較低的介電材料分隔的多個線路導體的第一平面互連層。第一平面互連層上的第二平面互連層包含彈性模量比第一平面互連層更高的介電膜和穿過其中的導電通孔。通孔選擇性地接觸到線路導體。第二平面互連層上的第三平面互連層具有被介電材料分隔并選擇性地接觸到通孔的多個線路導體。
根據本發明的另一種情況，公開了集成電路芯片上的一種多層共面互連結構，它包括具有被介電常數較低的有機或無機介電材料分隔的多個互連導體的平面線路層。平面通孔層包含介電常數較低的無機介電膜和穿過其中的導電通孔。線路層和通孔層之一位于集成電路襯底上并確定第一層，而線路層和通孔層中的另一個位于第一層上，使通孔選擇性地接觸到線路層導體。
從說明書和附圖可以容易地明白本發明的進一步特點和優點。
圖1剖面圖示出了用于集成電路芯片上的根據本發明的多層共面互連結構；而圖2-4示出了制造圖1的互連結構的工藝。
由于銅互連的形狀比隨下一代器件而增大，故線路之間的交叉串擾最容易出現在同一個線路層上的各個線路之間，而比較不容易出現在不同線路層即跨越通孔層的電容上的各個線路之間。根據本發明，具有低k介電常數的介電材料分隔了給定線路層上的各個線路。在銅密度不重要的通孔層處，利用模量比較高的介電材料提高了通孔層處的穩定性。
一開始參照圖1，示出了集成電路芯片10，它具有根據本發明的多層共面互連結構12。此互連結構包括襯底16上的第一平面層14。第二平面層18位于第一平面層14上。最后，第三平面層20位于第二平面層18上。
襯底16包含具有下方電子器件的硅集成電路。第一平面層14包含線路層。第二平面層18包含通孔層。第三平面層20包含線路層。
線路層14和20具有多個被介電材料24分隔的互連導體22。通孔層18包含具有多個穿過其中的導電通孔28的介電膜26。通孔28選擇性地與某些導體22接觸。顯然，特定的連接根據需要由集成電路芯片10的設計來確定。
根據本發明，線路層14和20中的介電材料24包含低k和低彈性模量的電介質。通孔層18中的介電膜26具有中等程度的低k介電常數和更高的彈性模量。用于集成電路的常規介電材料是二氧化硅，其介電常數k=4.0，而彈性模量約為75GPa。在本發明的示例性實施例中，線路層14和20處的介電常數低于4.0，最好是低于3.0，而彈性模量小于20GPa。在本發明的示例性實施例中，介電材料24可以包含從Dow Chemical Company得到的SiLK半導體介電樹脂。SiLK是一種旋涂在有機材料上固化形成絕緣膜的聚亞芳基醚。作為變通，介電材料24可以是無機材料。SiLK具有k=2.65的介電常數。介電膜26可以包含例如諸如介電常數為k=2.7的SiCOH之類的無機薄膜。根據本發明，包括SiO2的介電常數更高的材料能夠被用于通孔層18中的膜26。但k更高的材料不被用于線路層14或20。
參照圖2-4，示出了制作互連結構12的工藝。圖2示出了襯底16，它包括其上含有線路層的第一層14。層14包括一個銅互連導體22和介電材料24。在本發明的示例性實施例中，如上所述，介電材料24包含旋涂并固化形成絕緣膜的SiLK。然后用常規銅鑲嵌工藝制作互連線路導體22。勢壘層30覆蓋著第一層14。然后用等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)SiCOH的方法，在第一層14上淀積無機介電薄膜26。再用常規的圖形化和腐蝕方法制作通孔窗口32。
參照圖3，SiLK介電材料24被旋涂并固化。如所示，可以在通孔窗口32中制作空腔34。在SiLK24的頂部制作硬掩模覆蓋層36，然后根據待要制作的導體線路圖形，對光刻膠層38進行圖形化。參照圖4，進行SiLK腐蝕，以清除未圖形化的區域中的SiLK介電材料24。一種不同的氣體被用來清除通孔窗口32下方的勢壘層30。然后可以用雙重鑲嵌工藝，對通孔層18處的導電通孔28和第三平面層20中的線路導體22進行電鍍。
顯然，互連結構12能夠使用額外的線路層和/或通孔層。同樣，根據芯片的需要，第一層可以是通孔層，而第二層可以是線路層，等等。
于是，本發明的特別目的是使用具有銅鑲嵌互連的雙重低介電常數材料。各個電介質被用于淀積在平面表面上的平面膜中。平面層上互連之間的各個間隙，不管間距如何，都用相同的低k材料填充。不同電介質之間的所有界面都是純水平的。根據本發明，k更高的材料可以用于通孔層處，但不用于互連導體之間。
權利要求
1．集成電路芯片上的一種多層共面互連結構，它包含具有被介電常數較低且彈性模量也較低的介電材料分隔的多個互連導體的平面線路層；以及包含彈性模量比線路層更高的介電膜和穿過其中的導電通孔的平面通孔層，其中線路層和通孔層之一位于集成電路襯底上并確定第一層，而線路層和通孔層中的另一個位于第一層上，使通孔選擇性地接觸到線路層導體。
2．權利要求1的多層共面互連結構，其中的介電膜具有較低的介電常數。
3．權利要求1的多層共面互連結構，其中的介電材料的介電常數小于大約3.0。
4．權利要求1的多層共面互連結構，其中的介電材料包含聚亞芳基醚材料。
5．權利要求1的多層共面互連結構，其中的介電材料包含有機材料。
6．權利要求1的多層共面互連結構，其中的介電膜包含無機薄膜。
7．權利要求1的多層共面互連結構，其中的介電膜包含SiCOH膜。
8．集成電路芯片上的一種多層共面銅鑲嵌互連結構，它包含集成電路襯底上的具有被介電常數較低且彈性模量也較低的介電材料分隔的多個線路導體的第一平面互連層；第一平面互連層上的包含彈性模量比第一平面互連層更高的介電膜和穿過其中的導電通孔的第二平面互連層，通孔選擇性地接觸到線路導體；以及第二平面互連層上的具有被介電材料分隔并選擇性地接觸到通孔的多個線路導體的第三平面互連層。
9．權利要求8的多層共面鑲嵌互連結構，其中的介電膜具有較低的介電常數。
10．權利要求8的多層共面鑲嵌互連結構，其中的介電材料的介電常數小于大約3.0。
11．權利要求8的多層共面鑲嵌互連結構，其中的介電材料包含聚亞芳基醚材料。
12．權利要求8的多層共面鑲嵌互連結構，其中的介電材料包含有機材料。
13．權利要求8的多層共面鑲嵌互連結構，其中的介電膜包含無機薄膜。
14．權利要求8的多層共面鑲嵌互連結構，其中的介電膜包含SiCOH膜。
15．集成電路芯片上的一種多層共面互連結構，它包含具有被介電常數較低的介電材料分隔的多個互連導體的平面線路層；以及包含介電常數較低的無機介電膜和穿過其中的導電通孔的平面通孔層，其中線路層和通孔層之一位于集成電路襯底上并確定第一層，而線路層和通孔層中的另一個位于第一層上，使通孔選擇性地接觸到線路層導體。
16．權利要求15的多層共面互連結構，其中的介電材料具有比介電膜更低的彈性模量。
17．權利要求15的多層共面互連結構，其中的介電材料和介電膜的介電常數均小于大約3.0。
18．權利要求16的多層共面互連結構，其中的介電材料的彈性模量小于20GPa。
全文摘要
集成電路芯片上的一種多層共面銅鑲嵌互連結構,它包括集成電路襯底上的具有被介電常數較低且彈性模量也較低的介電材料分隔的多個線路導體的第一平面互連層。第一平面互連層上的第二平面互連層包含彈性模量比第一平面互連層更高的介電膜和穿過其中的導電通孔。通孔選擇性地接觸到線路導體。第二平面互連層上的第三平面互連層具有被介電材料分隔并選擇性地接觸到通孔的多個線路導體。
文檔編號H01L23/52GK1311530SQ0110831
公開日2001年9月5日 申請日期2001年2月27日 優先權日2000年2月29日
發明者查爾斯·R·戴維斯, 丹尼爾·C·埃德爾斯坦, 約翰·C·海, 杰弗里·C·赫德里克, 克里斯托弗·詹尼斯, 文森特·邁克海, 亨利·A·奈三世 申請人:國際商業機器公司