溝槽間形成空氣間隔的方法
【專利摘要】本發明提供了一種溝槽間形成空氣間隔的方法：預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層所顯露區域定義溝槽的關鍵尺寸；在第一刻蝕終止層和圖案化的光阻膠層表面沉積超低溫氧化層，并對所述超低溫氧化層進行各向異性刻蝕，形成位于圖案化光阻膠層兩側的側壁層；沉積金屬銅并進行化學機械研磨至與圖案化光阻膠層的高度齊平，形成溝槽內的金屬銅；在金屬銅和圖案化光阻膠層的表面形成有孔蓋層；透過有孔蓋層去除圖案化光阻膠層，形成溝槽間的空氣間隔。采用本發明能夠降低整個IC的RC延遲。
【專利說明】溝槽間形成空氣間隔的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件制造技術，特別涉及一種溝槽間形成空氣間隔的方法。
【背景技術】
[0002]目前，在半導體器件的后段(back-end-o f-1 ine, BE0L)工藝中，可根據不同需要在半導體襯底上生長多層金屬互連層，每層金屬互連層包括金屬互連線和絕緣層，這就需要對上述絕緣層制造溝槽(trench)和連接孔，然后在上述溝槽和連接孔內沉積金屬，沉積的金屬即為金屬互連線，一般選用銅作為金屬互連線材料。絕緣層可根據制程的需要進行具體設置。例如包括在半導體襯底上依次形成的刻蝕終止層，例如摻氮的碳化硅層；低介電常數(Low-K)絕緣材料層，例如含有硅、氧、碳、氫元素的類似氧化物(Oxide)的黑鉆石(blackdiamond, BD)材料等。
[0003]現有技術中形成溝槽的方法，包括以下步驟:
[0004]步驟011、提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括刻蝕終止層和層間介質層，在層間介質層上涂布光阻膠(PR，Photo Resist)層，并圖案化所述光阻膠層，圖案化的光阻膠層所顯露區域定義溝槽的關鍵尺寸(CD)；
[0005]步驟012、以圖案化的光阻膠層為掩膜，干法刻蝕層間介質層，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽。在現有的刻蝕工藝中，一般采用等離子體刻蝕的方法形成溝槽。
[0006]步驟013、去除圖案化的光阻膠層后在溝槽內填充金屬銅。
[0007]隨著集成電路的不斷發展，后段金屬互連層的層數越來越密集，要求層間介質層具有更低的K值，雖然層間介質層采用了低介電常數絕緣材料層，但BD的介電常數為
2.7?3，因此如何進一步降低整個集成電路(IC)的電阻電容(RC)延遲，提高器件的電學性能，成為目前亟待解決的問題。
【發明內容】
[0008]有鑒于此，本發明解決的技術問題是:降低整個IC的RC延遲。
[0009]為解決上述技術問題，本發明的技術方案具體是這樣實現的:
[0010]本發明提供了一種溝槽間形成空氣間隔的方法，應用于半導體器件的后段工藝中，該方法包括:
[0011]預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層所顯露區域定義溝槽的關鍵尺寸；
[0012]在第一刻蝕終止層和圖案化的光阻膠層表面沉積超低溫氧化層，并對所述超低溫氧化層進行各向異性刻蝕，形成位于圖案化光阻膠層兩側的側壁層；
[0013]沉積金屬銅并進行化學機械研磨至與圖案化光阻膠層的高度齊平，形成溝槽內的金屬銅；
[0014]在金屬銅和圖案化光阻膠層的表面形成有孔蓋層；
[0015]透過有孔蓋層去除圖案化光阻膠層，形成溝槽間的空氣間隔。[0016]在化學機械研磨金屬銅之后，形成有孔蓋層之前，該方法進一步包括涂布無定型碳膜，并進行回刻，使經過回刻的無定型碳膜填充在被化學機械研磨金屬銅時損傷的圖案化光阻膠層表面。
[0017]形成有孔蓋層的方法包括:沉積分子篩膜，所述分子篩膜具有規則的孔洞；或者沉積第二刻蝕終止層，并在第二刻蝕終止層表面其下方具有圖案化光阻膠層的位置形成通孔。
[0018]去除圖案化光阻膠層的方法包括氧氣灰化的方法或者含氧離子體刻蝕的方法。
[0019]所述超低溫氧化層的形成溫度低于100攝氏度。
[0020]形成溝槽間的空氣間隔之后，該方法進一步包括形成下層的層間介質層。
[0021]所述層間介質層的介電常數為2?7。
[0022]所述層間介質層為碳氧化硅SiOC層、二氧化硅SiO2層、氫氧化硅層、氮化硅層或碳氮化硅SiNC層中的一種或者幾種的任意組合。
[0023]由上述的技術方案可見，采用光阻膠作為犧牲層，最終去除之后在溝槽間形成空氣間隔，溝槽間具有空氣間隔，空氣的介電常數為1，而BD的介電常數為2.7?3，從介電常數的比較可以看出，空氣間隔的形成使得層間介質層的整體介電常數下降，從而達到了降低整個IC的RC延遲的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例溝槽間形成空氣間隔的方法的流程示意圖。
[0025]圖2a至圖2e為本發明實施例溝槽間形成空氣間隔的方法的具體剖面示意圖。
[0026]圖2f為本發明實施例在當層金屬互連層表面沉積有下層層間介質層的剖面結構示意圖。
[0027]圖3為本發明實際研磨金屬銅時出現光阻膠損傷的結構示意圖。
[0028]圖4為本發明為克服圖3缺陷填充光阻膠損傷位置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發明進一步詳細說明。
[0030]本發明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發明實施例時，為了便于說明，表示結構的示意圖會不依一般比例作局部放大，不應以此作為對本發明的限定，此外，在實際的制作中，應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0031]本發明的核心思想是:采用光阻膠作為犧牲層，最終去除之后在溝槽間形成空氣間隔，空氣間隔替代了原來的層間介質層，從而達到了降低整個IC的RC延遲的目的。而且，本發明采用了不同于現有技術刻蝕層間介質層形成溝槽的方法，而是曝光顯影光阻膠層，定義溝槽的CD，這樣形成的溝槽不存在刻蝕層間介質層的過程，因此溝槽具有較高的特征尺寸均勻性。
[0032]本發明實施例溝槽間形成空氣間隔的方法，其流程示意圖如圖1所示，包括以下步驟，下面結合圖2a至圖2e，進行詳細說明。
[0033]步驟11、請參閱圖2a，預先提供一半導體襯底100，所述半導體襯底100表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層101和圖案化的光阻膠層102，圖案化的光阻膠層102所顯露區域定義溝槽的關鍵尺寸；
[0034]步驟12、請參閱圖2b，在第一刻蝕終止層101和圖案化的光阻膠層102表面沉積超低溫氧化層，并對所述超低溫氧化層進行各向異性刻蝕，形成位于圖案化光阻膠層兩側的側壁層103 ；
[0035]超低溫氧化層為低溫氧化層(Low Temperature Oxide, LT0)的一種,之所以選擇超低溫氧化層作為光阻膠的側壁層，是因為超低溫氧化層的形成溫度低于100攝氏度，低于光阻膠的熔化溫度，不至于在形成側壁層的過程中，改變光阻膠層的形貌。而且側壁層的厚度比較薄，與溝槽的CD相比，基本可以忽略不計。該步驟是本發明的關鍵，PR用側壁層限定起來，是一種以PR為核心的PR core技術，后續PR會被去除，在此位置形成空氣間隔。
[0036]步驟13、請參閱圖2c，沉積金屬銅并進行化學機械研磨至與圖案化光阻膠層的高度齊平，形成溝槽內的金屬銅104 ；
[0037]—般地，化學機械研磨金屬銅至與圖案化光阻膠層的高度齊平，是理論上需要達到的理想狀況，實際上，在研磨時，光阻膠相對銅較軟，所以會在研磨接近光阻膠時，損傷光阻膠，使光阻膠表面出現如圖3所示的凹陷，即損傷的光阻膠層102’，這樣就會導致后續在其上沉積層間介質層時，不同位置層間介質層的高度不平，因此為克服此缺陷，在化學機械研磨金屬銅之后，形成有孔蓋層之前，涂布無定型碳膜，并進行回刻，使經過回刻的無定型碳膜400填充在被化學機械研磨金屬銅時損傷的圖案化光阻膠層表面，如圖4所示。無定型碳膜是本發明所舉實施例，其他能夠填充在被化學機械研磨金屬銅時損傷的圖案化光阻膠層表面的材料，都可以用于本發明，只要在去除光阻膠的同時也能夠容易去除該材料即可。
[0038]步驟14、請參閱圖2d，在金屬銅104和圖案化光阻膠層102的表面形成有孔蓋層105 ；
[0039]具體的，形成有孔蓋層的方法可以為:沉積分子篩膜，所述分子篩膜具有規則的孔洞。也就是說該有孔蓋層為透氣性的絕緣材料層，確保后續光阻膠能夠揮發出去。圖2d有孔蓋層105以分子篩膜為例進行說明。
[0040]形成有孔蓋層的方法有多種，還可以為:沉積第二刻蝕終止層，并在第二刻蝕終止層表面其下方具有圖案化光阻膠層的位置形成通孔。同理，后續光阻膠能夠透過通孔揮發出去。
[0041]步驟15、請參閱圖2e，透過有孔蓋層105去除圖案化光阻膠層，形成溝槽間的空氣間隔106。
[0042]去除圖案化光阻膠層的方法包括氧氣灰化的方法或者含氧離子體刻蝕的方法。
[0043]這里，如果光阻膠有損傷，其上方填充有無定型碳膜，無定型碳膜也可以通過上述氧氣灰化的方法或者含氧離子體刻蝕的方法去除。
[0044]至此，本發明實施例實現了溝槽間形成空氣間隔的方法。
[0045]進一步地，本發明實施例還可以包括步驟16、請參閱圖2f，沉積下層的層間介質層107。本領域技術人員可以知道，在下層的層間介質層上可以制作溝槽和連接孔，連接孔會與金屬銅104電性連接，在需要與本層連接之處可通過光阻顯影及等離子體刻蝕方法去除介質層實現層間互聯。在此不再贅述。層間介質層107的介電常數為2?7，可以為碳氧化硅SiOC層、二氧化硅SiO2層、氫氧化硅層、氮化硅層或碳氮化硅SiNC層中的一種或者幾種的任意組合。
[0046]目前,特征尺寸均勻性(Critical Dimension Uniform,Q)U)是半導體器件制造工藝中需要考察的重要指標。通常，在半導體制造工藝中，刻蝕偏移量(etch bias)等于顯影后檢測(After Development Inspection, ADI)的特征尺寸減去刻蝕后檢測(After EtchInspection, ΑΕΙ)的特征尺寸。在晶圓中存在若干個芯片單元(Die),每個芯片單元中存在若干個單線(Iso)和密線(Dense)。Iso和Dense的刻蝕偏移量越接近,則說明其特征尺寸均勻性越高，也表現為Iso和Dense溝槽尺寸平均值越接近。現有技術形成溝槽時，需要長時間刻蝕層間介質層，而Iso和Dense的刻蝕速率不同，導致Iso和Dense的AEI差異就越大，最終導致溝槽的CDU比較差。而本發明的方法不涉及刻蝕層間介質層，在步驟11中，曝光顯影形成圖案化的光阻膠層102就定義出了溝槽的特征尺寸，在Iso和Dense處得到的溝槽尺寸基本沒有差異，因此溝槽的CDU也就越高。由于本發明所述工藝中不包含光阻為掩膜對介質層的刻蝕過程，使得工藝成本大大降低。
[0047]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
【權利要求】
1.一種溝槽間形成空氣間隔的方法，應用于半導體器件的后段工藝中，該方法包括: 預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層所顯露區域定義溝槽的關鍵尺寸； 在第一刻蝕終止層和圖案化的光阻膠層表面沉積超低溫氧化層，并對所述超低溫氧化層進行各向異性刻蝕，形成位于圖案化光阻膠層兩側的側壁層； 沉積金屬銅并進行化學機械研磨至與圖案化光阻膠層的高度齊平，形成溝槽內的金屬銅； 在金屬銅和圖案化光阻膠層的表面形成有孔蓋層； 透過有孔蓋層去除圖案化光阻膠層，形成溝槽間的空氣間隔。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在化學機械研磨金屬銅之后，形成有孔蓋層之前，該方法進一步包括涂布無定型碳膜，并進行回刻，使經過回刻的無定型碳膜填充在被化學機械研磨金屬銅時損傷的圖案化光阻膠層表面。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，形成有孔蓋層的方法包括:沉積分子篩膜，所述分子篩膜具有規則的孔洞；或者沉積第二刻蝕終止層，并在第二刻蝕終止層表面其下方具有圖案化光阻膠層的位置形成通孔。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，去除圖案化光阻膠層的方法包括氧氣灰化的方法或者含氧離子體刻蝕的方法。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述超低溫氧化層的形成溫度低于100攝氏度。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，形成溝槽間的空氣間隔之后，該方法進一步包括形成下層的層間介質層。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述層間介質層的介電常數為2?7。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述層間介質層為碳氧化硅SiOC層、二氧化娃SiO2層、氫氧化娃層、氮化娃層或碳氮化娃SiNC層中的一種或者幾種的任意組合。
【文檔編號】H01L21/764GK103474387SQ201210187234
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年6月8日 優先權日:2012年6月8日
【發明者】張城龍, 符雅麗, 胡敏達, 張海洋 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司