专利名称：一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其是关于一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法。
背景技术：
随着器件尺寸的不断缩小，电路的RC问题对集成电路的制造提出了更为苛刻的要求。众所周知，电路的延迟、串扰等是和R与C的乘积成正比的，R即电路连线的电阻，C即电路之间的电容。电路连线的电阻与其自身电阻率成正比关系，在日益缩小的电路尺寸中，铝导线较高的电阻成为限制电路尺寸往更小方向发展的因素(铝的电阻率约为2.8×10-6欧·厘米)，同时，铝导线本身的可靠性方面特性也比较差。目前，在很多先进技术中，都采用了铜(铜的电阻率约为1.7×10-6欧·厘米)来代替铝作为金属导线，这样，大大降低了连线的电阻，使电路等比例缩小成为可能，并且抗电迁移等可靠性的性能方面，也得到了大大的提高。
传统的以铝为导线的制备过程中，一般是先淀积铝，然后再利用光刻和刻蚀对其进行图形化，接着在相邻铝线内淀积介质，进行平坦化。重复上面这些步骤，最终实现多层金属的堆叠。但是由于很难对铜进行干法刻蚀，因此，在铜的布线过程中，人们采用了大马士革的方法。所谓大马士革工艺，源自古老的大马士革的铸剑工艺。根据这种工艺，目前一般采用先淀积介质，然后通过光刻和刻蚀，在介质层中实现图形化，得到所需要的铜连线的图形，然后再淀积防止铜扩散的金属阻挡层和铜籽晶层，再用电化学镀(ECP)的方法将铜淀积到硅片表面，最后用化学机械平坦化(CMP)的方法将多余的铜、阻挡层去除，实现平坦化。重复前面的步骤，即可实现多层金属的堆叠。所谓双大马士革，相对于单大马士区别在于其一次可以在两层介质中实现图形化并淀积金属，即同时生成金属的通孔、槽的图形，并在一步淀积过程中填满通孔和槽。
与此同时，人们正积极研究应用低介电常数的介质材料来减少电容C所造成的影响，传统的介质材料二氧化硅(SiO2，k＝3.9-4.2)显然已经不能满足需求。除了积极寻找具有相对较低的介电常数材料外，人们也试图采用生成搀杂或者多孔材料等方法来降低介质材料的介电常数。除了通过在二氧化硅中加入其他元素来降低介电常数(如加入氟而形成氟硅玻璃，k约为3.7)，还开发出一些介电常数比较低的有机介质如SiLK(一种有机聚合物低K材料)，Black Diamond(黑钻石技术)等。为了进一步降低介电常数，人们将介质做成多孔结构，使之更接近于空气的介电常数(空气介电常数为1)。目前，多孔SiLK等的K值可达到2.2甚至更低。
然而，多孔低介电材料存在很多问题。首先，多孔低介电材料的介电常数随着孔的密度和直径的增加而降低。正是由于材料内部小孔(能达到2nm以上的直径)的存在，在图形化完成之后(刻蚀完成之后)会在介质的金属通孔和金属槽侧壁不可避免地留下孔洞，这将会导致在接下来的PVD(Physical Vapor Deposition物理气相沉积)或CVD(Chemical VaporDeposition化学气相沉积)或ALD(Atomic Layer Deposition原子层沉积)淀积的过程中导致阻挡层或铜籽晶层的生长不连续，造成铜等金属进入介质内部，影响器件特性；或者在金属淀积过程中，在金属连线内的孔洞，引起可靠性的问题。另外，随着介质内部孔洞的增加，介电常数会有所下降，但是随之而来的机械强度也会下降，即杨氏模量将大大降低，进而带来后续问题。当进行化学机械平坦化时，杨氏模量一般需要达到8GPa以上，否则会出现介质剥离现象，而多孔二氧化硅在达到介电常数为2.2时，其杨氏模量仅为5GPa。
因此，在孔的密封性和机械强度方面，需要对多孔低介电材料做出改进。目前，针对孔的密封问题，人们提出了用紫外线(UV)、电子束等处理方法，而其中电子束由于对底层材料可能带来的损伤被淘汰出局。也有人提出在多孔介质内形成双大马士革图形之后，在通孔和槽的侧壁和底部淀积一层薄的无孔介质，来达到密封孔的目的，如专利公开号为CN1591858的专利所述，通孔层采用低介电无孔介质作为金属通孔层，并在其上淀积刻蚀阻挡层，然后再淀积一层多孔低介电材料，作为金属槽层，通过双大马士革方法在其中形成图形，再在其上生长一层薄的无孔介质，实现对多孔介质孔的密封，然后利用回刻去掉底部的介质，再实现金属连线。但是由于多孔介质本身机械强度的原因，此法很难使其机械强度得到大的提高。
发明内容本发明的目的在于克服了现有技术的多孔低介电材料机械强度不足，采用了两次双大马士革的方法，在多孔低介电介质的金属通孔和槽的侧壁形成一层无孔的介质，使其达到密封，并从结构上加强了介质层的机械强度，较好的控制了图形的尺寸和形貌以及介质薄膜的厚度。
本发明是通过以下技术方法实现的一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，采用二次双大马士革结构的图形化工艺处理，第一次双大马士革结构的图形化工艺处理形成的大马士革图形上的通孔和凹槽的尺寸大于图形设计的尺寸，在用无孔介质将所述的通孔和凹槽填满后，再在该无孔介质中进行第二次双大马士革图形化，形成的通孔和凹槽的尺寸等于图形设计的尺寸，再用金属将所述的通孔和凹槽填充，完成金属连线的互连。
其中，所述的多孔低介电材料孔径达2nm以上。所述的无孔介质机械强度大于多孔低介电材料，介电常数高于多孔低介电材料。多孔低介电材料可以是多孔SiLK，多孔二氧化硅，多孔MSQ(methylsilsesquioxane，甲基倍半硅氧烷)，多孔SiOCH(碳氧化硅)中的一种或它们的组合。无孔介质是氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮碳硅中的一种或它们的组合。金属阻挡层是氮化钽、钽的一种或其组合。
本发明提供的另外一种技术一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于包括以下步骤依次在下层衬底上淀积阻挡层、第一多孔低介电材料层、第一刻蚀阻挡层、第二多孔低介电材料介质层、第二刻蚀阻挡层；运用传统双大马士革方法，在多孔低介电材料介质层中进行图形化，形成大于设计尺寸的通孔和槽，刻蚀分别停于衬底上的阻挡层和第一刻蚀阻挡层上；在形成的通孔和槽中淀积无孔介质，将其填满；利用回刻的方法实现平坦化，刻蚀停于第二刻蚀阻挡层上；再运用第二次双大马士革方法，在无孔介质中进行图形化，达到设计规则所要求的尺寸，形成金属通孔和槽；刻蚀停于第一刻蚀阻挡层，并打通衬底上的阻挡层，使金属通孔与衬底相通；在金属通孔和槽中淀积金属阻挡层，并进行金属连线，实现金属化，并最终进行平坦化。
其中，所述的阻挡层是碳化硅层。所述的阻挡层通过PECVD方法淀积，厚度为300A。所述的多孔低介电材料可以是多孔SiLK，多孔二氧化硅，多孔MSQ，多孔SiOCH中的一种或它们的组合。所述的多孔低介电材料厚度为3000A。
形成第一及第二多孔低介电材料介质层的方法包括以下步骤1.旋涂一层多孔低介电材料；2.再将将硅片置于高温环境中烘焙，干燥其溶剂并使介质不可溶解；3.然后再将硅片置于充惰性气体的炉子中固化，形成多孔介质结构。所述的高温环境温度是200度。所述的固化炉温为400度，固化时间为30分钟。
所述的第一及第二刻蚀阻挡层是碳化硅层。所述的第一及第二刻蚀阻挡层采用PECVD淀积，厚度为500A。所述的通孔和槽大于设计尺寸50-100nm。所述的无孔介质是氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮碳硅中的一种或它们的组合。利用PVD淀积金属阻挡层和铜籽晶到硅片，并利用电化学镀淀积金属铜到硅片上，最后进行平坦化。所述的金属阻挡层是氮化钽、钽的一种或其组合。
本发明利用两次双大马士革的方法，在多孔低介电介质的金属通孔和槽的侧壁形成一层无孔的介质，使其达到密封，解决了由于介质材料图形化后金属通孔和金属槽侧壁上小孔的存在，而导致金属阻挡层不连续、导电金属淀积时以及淀积后通过小孔进入介质材料内部而对器件产生影响。同时，由于无孔介质的机械强度要强于多孔低介电介质，可以从结构上加强介质层的机械强度。而且，由于两次均采用了双大马士革的方法，图形的尺寸和形貌可以得到较好的控制，达到较好地控制介质薄膜的厚度。
图1是本发明淀积完双大马士革工艺所需各层之后的结构示意图2是本发明完成第一次双大马士革图形之后的结构示意图；图3是本发明淀积完无孔介质之后的结构示意图；图4是本发明对无孔介质进行第二次双大马士革图形化之后的结构示意图；图5是本发明完成金属阻挡层、金属连线淀积之后的结构示意图。
具体实施方式以下结合本发明的附图，对本发明的实施步骤作进一步说明。
本发明采用二次双大马士革结构的图形化工艺处理，第一次双大马士革结构的图形化工艺处理形成的大马士革图形上的通孔和凹槽的尺寸大于图形设计的尺寸，在用无孔介质将所述的通孔和凹槽填满后，再在该无孔介质中进行第二次双大马士革图形化，形成的通孔和凹槽的尺寸等于图形设计的尺寸，再用金属将所述的通孔和凹槽填充，完成金属连线的互连。
首先请参照图1，图1是本发明淀积完双大马士革工艺所需各层之后的结构示意图。在图1中，依次在下层衬底10上淀积阻挡层1、第一多孔低介电材料层2、第一刻蚀阻挡层3、第二多孔低介电材料介质层4、第二刻蚀阻挡层5。在衬底上依次形成这五个层的一个具体实施例可以是在衬底10上做完下层图案之后，通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition等离子体辅助化学气相沉积)方法，在衬底10上生长一层300A碳化硅作为阻挡层1。紧接着通过旋涂的方法，在阻挡层1上旋涂一层3000A多孔SiLK作为第一多孔低介电材料2，再将硅片置于200度环境中烘焙，以便于干燥溶剂并使介质不可溶解。然后再将硅片置于400度充惰性气体的炉子中固化30分钟，形成多孔介质结构。在其上用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition等离子体辅助化学气相沉积)方法，生长一层500A碳化硅作为刻蚀阻挡层3。通过旋涂的方法，在阻挡层1上旋涂一层3000A多孔SiLK作为第二多孔低介电材料4，再一次将硅片置于200度中烘焙，以便干燥溶剂并使介质不可溶解。再将硅片置于400度充惰性气体的炉子中固化30分钟，形成多孔介质结构。在其上用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition等离子体辅助化学气相沉积)方法，生长一层500A碳化硅作为阻挡层5。
这里的第一或第二多孔低介电材料2、4不仅可以是以上实施例中提到的多孔SiLK，多孔二氧化硅、多孔MSQ、多孔SiOCH中的一种或它们的组合以及其他类似的具有多孔结构，同时具有低介电特性的材料也同样可以用作本发明的第一或第二多孔低介电材料2、4。一般而言，本发明的第一或第二多孔低介电材料2、4孔径达2nm以上。
请参阅图2，图2是本发明完成第一次双大马士革图形之后的结构示意图。在图2中，运用传统双大马士革方法，在第一和第二多孔低介电材料介质层2、4中进行图形化，形成大于设计尺寸的通孔和槽，刻蚀分别停于衬底上的阻挡层1和第一刻蚀阻挡层3上。本发明的一个较佳实施例是在硅片上曝光形成比实际设计规则所需要的尺寸大50-100nm的槽和孔图形，利用碳化硅与光刻胶的大的刻蚀选择比，在碳化硅上打开缺口，并利用SiLK与碳化硅的大的刻蚀选择比，使刻蚀在对SiLK刻蚀后停在碳化硅阻挡层1和3上，最终形成所需要的图形，得到如图2所示结构。
接下来，请参阅图3，图3是本发明淀积完无孔介质之后的结构示意图。在图3中，在上一步骤形成的通孔和槽中淀积无孔介质6，将其填满。利用回刻的方法实现平坦化，刻蚀停于第二刻蚀阻挡层5上。一个具体实施例可以是运用旋涂的方法，在所形成的槽和通孔中填满二氧化硅，得到图3所示结构；再运用回刻的方法，对二氧化硅进行平坦化处理，利用二氧化硅与碳化硅的刻蚀选择比，使其停留在碳化硅阻挡层5上；符合本发明的无孔介质6机械强度大于多孔低介电材料2、4，介电常数高于多孔低介电材料2、4。具体的本发明的无孔介质6可以是氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮碳硅中的一种或它们的组合。
由上述对刻蚀步骤的介绍可知本发明的阻挡层1第一及第二刻蚀阻挡层3、5是碳化硅层，当然也可以是其它任何光刻胶以及无孔介质6具有较大刻蚀选择比的物质。
请参阅图4，图4是本发明对无孔介质进行第二次双大马士革图形化之后的结构示意图。再次运用第二次双大马士革方法，在无孔介质6中进行图形化，达到设计规则所要求的尺寸，形成金属通孔和槽，刻蚀停于第一刻蚀阻挡层3，并打通衬底10上的阻挡层1，使金属通孔与衬底10相通。一个较佳实施例是利用二氧化硅与碳化硅的刻蚀选择比，在二氧化硅中进行光刻和刻蚀，使其停留在碳化硅阻挡层3上，达到所需要的图形尺寸，并利用碳化硅与光刻胶的大的刻蚀选择比打通阻挡层1，使通孔与下部衬底10相连通，得到图4所示结构。
最后请参阅图5，图5是本发明完成金属阻挡层、金属连线淀积之后的结构示意图。
在双大马士革结构铜阻挡层的沉积方法中。铜作为新的连线材料运用在集成电路制造工艺中。由于铜对半导体器件的危害性，所以淀积铜之前，应先淀积一层阻挡层，以防止铜的扩散。目前一般采用离子化物理气相淀积工艺淀积阻挡层。阻挡层在介质层与铜之间，起到了阻止铜扩散的作用。
本发明在金属通孔和槽中淀积金属阻挡层7，并进行金属连线8，实现金属化，并最终进行平坦化。具体步骤是利用PVD(Physical Vapor Deposition物理气相沉积)淀积金属阻挡层和铜籽晶到硅片，并利用电化学镀淀积金属铜到硅片上，最后进行平坦化。所述的金属阻挡层7是氮化钽、钽的一种或其组合。
在一个可能的实施例中，利用PVD淀积金属阻挡层氮化钽/钽和铜籽晶得到硅片，并利用电化学镀(ECP)淀积金属铜到硅片上，然后利用化学机械平坦化(CMP)进行平坦化。最终得到图5所示结构。
以上介绍的是本发明的基本实施步骤。任何对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的创造以及保护范围。
权利要求
1.一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于采用二次双大马士革结构的图形化工艺处理，第一次双大马士革结构的图形化工艺处理形成的大马士革图形上的通孔和凹槽的尺寸大于图形设计的尺寸，在用无孔介质将所述的通孔和凹槽填满后，再在该无孔介质中进行第二次双大马士革图形化，形成的通孔和凹槽的尺寸等于图形设计的尺寸。
2.如权利要求1所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的多孔低介电材料孔径达2nm以上。
3.如权利要求1所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的无孔介质机械强度大于多孔低介电材料，介电常数高于多孔低介电材料。
4.如权利要求1所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的多孔低介电材料可以是多孔有机聚合物低K材料，多孔二氧化硅，多孔甲基倍半硅氧烷，多孔碳氧化硅中的一种或它们的组合。
5.如权利要求1所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的无孔介质是氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮碳硅中的一种或它们的组合。
6.如权利要求1所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于金属阻挡层是氮化钽、钽的一种或其组合。
7.一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于包括以下步骤a)依次在下层衬底上淀积阻挡层、第一多孔低介电材料层、第一刻蚀阻挡层、第二多孔低介电材料介质层、第二刻蚀阻挡层；b)运用传统双大马士革方法，在多孔低介电材料介质层中进行图形化，形成大于设计尺寸的通孔和槽，刻蚀分别停于衬底上的阻挡层和第一刻蚀阻挡层上；c)在形成的通孔和槽中淀积无孔介质，将其填满；d)利用回刻的方法实现平坦化，刻蚀停于第二刻蚀阻挡层上；e)再运用第二次双大马士革方法，在无孔介质中进行图形化，达到设计规则所要求的尺寸，形成金属通孔和槽，刻蚀停于第一刻蚀阻挡层，并打通衬底上的阻挡层，使金属通孔与衬底相通；f)在金属通孔和槽中淀积金属阻挡层，并进行金属连线，实现金属化，并最终进行平坦化。
8.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的阻挡层是碳化硅层。
9.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的阻挡层通过PECVD方法淀积，厚度为300A。
10.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的多孔低介电材料可以是多孔低介电常数硅材料，多孔二氧化硅，多孔甲基倍半硅氧烷，多孔碳氧化硅中的一种或它们的组合。
11.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的多孔低介电材料厚度为3000A。
12.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于形成第一及第二多孔低介电材料介质层的方法包括以下步骤1.旋涂一层多孔低介电材料；2.再将将硅片置于高温环境中烘焙，干燥其溶剂并使介质不可溶解；3.然后再将硅片置于充惰性气体的炉子中固化，形成多孔介质结构。
13.如权利要求12所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的高温环境温度是200度。
14.如权利要求12所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的固化炉温为400度，固化时间为30分钟。
15.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的第一及第二刻蚀阻挡层是碳化硅层。
16.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的第一及第二刻蚀阻挡层采用PECVD淀积，厚度为500A。
17.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于步骤b中所述的通孔和槽大于设计尺寸50-100nm。
18.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的无孔介质是氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮碳硅中的一种或它们的组合。
19.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于步骤e进一步包括以下步骤利用PVD淀积金属阻挡层和铜籽晶到硅片，并利用电化学镀淀积金属铜到硅片上，最后进行平坦化。
20.如权利要求7所述的密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，其特征在于所述的金属阻挡层是氮化钽、钽的一种或其组合。
全文摘要
一种密封大马士革结构中多孔低介电材料小孔的方法，采用二次双大马士革结构的图形化工艺处理，第一次双大马士革结构的图形化工艺处理形成的大马士革图形上的通孔和凹槽的尺寸大于图形设计的尺寸，在用无孔介质将所述的通孔和凹槽填满后，再在该无孔介质中进行第二次双大马士草图形化，形成的通孔和凹槽的尺寸等于图形设计的尺寸。本发明实现了对大马士革结构中多孔低介电材料小孔对密封，并从结构上加强了介质层的机械强度，较好的控制了图形的尺寸和形貌以及介质薄膜的厚度。
文档编号H01L21/311GK101017794SQ20071003777
公开日2007年8月15日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者李佳青 申请人:上海集成电路研发中心有限公司