专利名称：降低层间介质层介电常数的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造技术，特别涉及一种降低层间介质层介电常数的方法。
背景技术：
目前,在半导体器件的后段(back-end-of-1 ine, BE0L)工艺中，制作半导体集成电路时，半导体器件层形成之后，需要在半导体器件层之上形成金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和层间介质层(Inter-layer dielectric, ILD),这就需要对上述层间介质层制造沟槽(trench)和连接孔，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积的金属即为金属互连线，一般选用铜作为金属互连线材料。图1为金属互连层的结构示意图，其包括层间介质层101和金属互连线102。层间介质层一般采用低介电常数(Low-K)绝缘材料层，例如含有硅、氧、碳、氢元素的类似氧化物(Oxide)的黑钻石(black diamond, BD)材料、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)，氟化玻璃(FSG)等。其中，FSG和USG的介电常数大于3，BD的介电常数为2.7 3。随着集成电路的不断发展，后段金属互连层的层数越来越密集，为了降低整个集成电路(IC)的电阻电容(RC)延迟，提高器件的电学性能，开发了新型超低k(ULK)层间介质层材料，一般为多孔材料，比上述的BD、FSG、USG具有更低的介电常数，例如可以是多孔掺碳的二氧化硅，称之为黑钻石二代(BDII)。但是这种多孔材料的问题也比较明显:一、机械强度差，在沟槽和连接孔内沉积完金属铜之后，需要对金属铜进行化学机械研磨(CMP)，同时会研磨到层间介质层，此时，具有较差机械强度的层间介质层很容易形成变形或者裂缝；二、由于多孔材料易吸收的特点，很容易在干法刻蚀或者湿法刻蚀时吸收化学物质，改变材料的性质；三、现有技术中为了防止铜扩散进入层间介质层，更好地限制在沟槽和连接孔内，一般在层间介质层和金属互连线之间沉积阻挡膜，而阻挡膜在形成过程中很容易扩散到多孔的层间介质层材料中，降低器件的电学性能，如击穿电压(VBD)等。因此，如何降低集成电路的RC延迟成为业内需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是:如何降低集成电路的RC延迟。为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的:本发明公开了一种降低层间介质层介电常数的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括:预先对层间介质层进行刻蚀，并在其内填充金属互连线形成当层金属互连层；在所形成的当层金属互连层的层间介质层表面打孔。所述在所形成的当层金属互连层的层间介质层表面打孔为:在层间介质层上采用直接自组装DSA方法形成多孔图案；以所述多孔图案为掩膜，对层间介质层进行刻蚀，在层间介质层表面形成多个预定深度和宽度的孔。
所述在层间介质层上采用直接自组装为:在层间介质层表面涂布共聚物copolymer,所述共聚物自动形成多孔图案。所述共聚物为由两种聚合物聚苯乙烯PS和聚乙烯甲基丙烯酸甲酯PMMA混合而成的 PS-PMMA。以所述多孔图案为掩膜，对层间介质层进行刻蚀的步骤在刻蚀反应腔内进行，刻蚀气体包括八氟化四碳C4F8、二氟甲烷CH2F2、N2和Ar ；其中，C4F8的流量为5 100标准立方厘米每分钟sccm，CH2F2的流量为5 lOOsccm, N2 的流量为 100 500sccm, Ar 的流量为 100 lOOOsccm。对层间介质层进行刻蚀，形成多个孔之后，该方法进一步包括去除共聚物的步骤。所述去除共聚物采用干法刻蚀刻蚀气体包括二氧化碳和甲烷。在层间介质层表面涂布共聚物之前，该方法进一步包括对层间介质层进行回刻，至显露出预定高度的金属互连线。所述孔的直径不大于20纳米。所述层间介质层包括:黑金刚石BD、未掺杂的硅酸盐玻璃USG或者氟化玻璃FSG。由上述的技术方案可见，本发明在当层金属互连层的层间介质层表面打孔，使层间介质层具有多个且有一定深度的孔，由于这些孔是后期打上去的，在孔的密度、深度及数量上，相比于黑钻石二代那些多孔材料的孔来说，都明显低很多，这样就不会出现上述所说的多孔材料所存在的问题，但由于这些孔内充满了空气，空气的介电常数为1，使得层间介质层的整体介电常数下降，从而实现了本发明的目的。
图1为金属互连层的结构示意图。图2为本发明实施例降低层间介质层介电常数的方法的流程示意图。图2a至图2d为本发明实施例降低层间介质层介电常数的方法的具体剖面示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。本发明实施例降低层间介质层介电常数的方法，其流程示意图如图2所示，包括以下步骤，下面结合图2a至图2d，进行详细说明。步骤21、请参阅图2a，提供当层金属互连层的层间介质层和金属互连线；具体地，在当层金属互连层的层间介质层101上刻蚀形成沟槽和连接孔，在所述沟槽和连接孔内沉积金属铜，然后对其中高于层间介质层表面的金属铜进行CMP，沉积有金属铜的沟槽和连接孔称为金属互连线102。步骤22、请参阅图2b,在层间介质层101表面采用直接自组装(Directedself-assembly, DSA)方法形成多孔图案201 ；具体地，在层间介质层表面涂布共聚物(copolymer)。需要说明的是，共聚物只会生长在层间介质层表面，而不会附着在金属铜表面，而且共聚物由多种聚合物组成，其特性就是这几种聚合物会在层间介质层表面自动分离，形成规则排列的多孔图案，本领域技术人员称之为DSA方法。其中，要求各个孔的直径小于20纳米，目的是避免后续在层间介质层表面沉积材料时，由于孔的直径太大，而进入这些孔内，而且如果孔的直径太大，就会导致其具有差的机械强度等问题。本发明实施例采用的共聚物为PS-PMMA,即由两种聚合物聚苯乙烯(polystyrene,PS)和聚乙烯甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl methacrylate, PMMA)混合而成,该共聚物在层间介质层表面自动形成多孔图案。其多孔图案的孔直径为18纳米，且孔与孔之间具有42纳米的间距，排列比较规则。步骤23、请参阅图2c，以所述多孔图案201为掩膜，对层间介质层进行刻蚀，在层间介质层表面形成多个预定深度和宽度的孔202 ；由于是以多孔图案为掩膜，所以刻蚀层间介质层形成的孔与所述多孔图案的孔一致。对层间介质层进行刻蚀的步骤在刻蚀反应腔内进行，对刻蚀气体及流量参数进行一定的控制，就可以形成所需要的孔。具体地，可以采用含氟气体，本发明实施例中刻蚀气体包括八氟化四碳(C4F8)、二氟甲烷(CH2F2)、N2和Ar，其中，C4F8的流量为5 100标准立方厘米每分钟(sccm), CH2F2的流量为5 lOOsccm, N2的流量为100 500sccm, Ar的流量为100 lOOOsccm。进一步地，本发明实施例还包括步骤24、请参阅图2d，去除所述掩膜。其中，作为掩膜的共聚物的去除可以采用湿法刻蚀或者干法刻蚀。以干法刻蚀为例，可以在刻蚀反应腔内通入二氧化碳和甲烷等气体，这是本领域专业人员所熟知的方法，在此不再赘述。本发明优选实施例为在步骤21和22之间加入回刻层间介质层的步骤。经过回刻的层间介质层的高度明显低于金属互连线的高度，这样由于凸出的金属互连线能够明显将层间介质层划分为多个区域，在有限小的区域范围内，更有利于共聚物特性的发挥，即能够更有效地形成上述的多孔图案。需要说明的是，本发明实施例是利用了共聚物的特性，以共聚物所形成的掩膜，对层间介质层进行打孔，其他能够实现在层间介质层表面打孔的方式，都在本发明的保护范围内。而且，共聚物也不限于本发明实施例中的PS-PMMA，还可以是其他两种或者两种以上聚合物混合形成的共聚物。通过本发明的方法，层间介质层的K值可以比原来降低20% 30%，在克服了多孔材料所存在的问题的基础之上，实现了本发明的目的，大大降低了层间介质层的介电常数，从而降低了集成电路的RC延迟。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种降低层间介质层介电常数的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，其特征在于，该方法包括:预先对层间介质层进行刻蚀，并在其内填充金属互连线形成当层金属互连层；在所形成的当层金属互连层的层间介质层表面打孔。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所形成的当层金属互连层的层间介质层表面打孔为: 在层间介质层上采用直接自组装DSA方法形成多孔图案； 以所述多孔图案为掩膜，对层间介质层进行刻蚀，在层间介质层表面形成多个预定深度和宽度的孔。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在层间介质层上采用直接自组装为:在层间介质层表面涂布共聚物copolymer,所述共聚物自动形成多孔图案。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述共聚物为由两种聚合物聚苯乙烯PS和聚乙烯甲基丙烯酸甲酯PMMA混合而成的PS-PMMA。
5.按权利要求2所述的方法，其特征在于，以所述多孔图案为掩膜，对层间介质层进行刻蚀的步骤在刻蚀反应腔内进行，刻蚀气体包括八氟化四碳C4F8、二氟甲烷CH2F2、N2和Ar ； 其中，C4F8的流量为5 100标准立方厘米每分钟sccm，CH2F2的流量为5 lOOsccm，N2的流量为100 500sccm, Ar的流量为100 lOOOsccm。
6.按权利要求4所述的方法，其特征在于，对层间介质层进行刻蚀，形成多个孔之后，该方法进一步包括去除共聚物的步骤。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，所述去除共聚物采用干法刻蚀刻蚀气体包括二氧化碳和甲烷。
8.按权利要求3所述的方法，其特征在于，在层间介质层表面涂布共聚物之前，该方法进一步包括对层间介质层进行回刻，至显露出预定高度的金属互连线。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔的直径不大于20纳米。
10.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层间介质层包括:黑金刚石BD、未掺杂的硅酸盐玻璃USG或者氟化玻璃FSG。
全文摘要
本发明提供了一种降低层间介质层介电常数的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括预先对层间介质层进行刻蚀，并在其内填充金属互连线形成当层金属互连层；在所形成的当层金属互连层的层间介质层表面打孔。采用本发明能够有效降低集成电路的RC延迟。
文档编号H01L21/768GK103094191SQ20111034049
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者张海洋, 王新鹏, 洪中山 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司