沟槽间形成空气间隔的方法
【专利摘要】本发明提供了一种沟槽间形成空气间隔的方法：预先提供一表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和图案化的光阻胶层的半导体衬底，图案化的光阻胶层所显露区域定义沟槽的关键尺寸；在第一刻蚀终止层和图案化的光阻胶层表面沉积超低温氧化层，并对超低温氧化层进行各向异性刻蚀，形成位于图案化光阻胶层两侧的侧壁层；去除图案化光阻胶层；沉积金属铜并进行化学机械研磨或等离子刻蚀方法使铜表面高度与侧壁层的高度齐平，形成侧壁层间隔的金属铜层；在侧壁层间隔的金属铜层表面沉积第二刻蚀终止层，并在第二刻蚀终止层表面其下方初始时具有图案化光阻胶层的位置形成通孔；去除通孔下方的金属铜层，形成沟槽间的空气间隔。从而降低整个IC的RC延迟。
【专利说明】沟槽间形成空气间隔的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制造技术，特别涉及一种沟槽间形成空气间隔的方法。
【背景技术】
[0002]目前，在半导体器件的后段(back-end-o f-1 ine, BE0L)工艺中，可根据不同需要在半导体衬底上生长多层金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和绝缘层，这就需要对上述绝缘层制造沟槽(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。绝缘层可根据制程的需要进行具体设置。例如包括在半导体衬底上依次形成的刻蚀终止层，例如掺氮的碳化硅层；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(blackdiamond, BD)材料等。
[0003]现有技术中形成沟槽的方法，包括以下步骤:
[0004]步骤011、提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括刻蚀终止层和层间介质层，在层间介质层上涂布光阻胶(PR，Photo Resist)层，并图案化所述光阻胶层，图案化的光阻胶层所显露区域定义沟槽的关键尺寸(CD)；
[0005]步骤012、以图案化的光阻胶层为掩膜，干法刻蚀层间介质层，在刻蚀终止层停止刻蚀，形成沟槽。在现有的刻蚀工艺中，一般采用等离子体刻蚀的方法形成沟槽。
[0006]步骤013、去除图案化的光阻胶层后在沟槽内填充金属铜。
[0007]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，要求层间介质层具有更低的K值，虽然层间介质层采用了低介电常数绝缘材料层，但BD的介电常数为
2.7?3，因此如何进一步降低整个集成电路(IC)的电阻电容(RC)延迟，提高器件的电学性能，成为目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明解决的技术问题是:降低整个IC的RC延迟。
[0009]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:
[0010]本发明提供了一种沟槽间形成空气间隔的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括:
[0011]预先提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和图案化的光阻胶层，图案化的光阻胶层所显露区域定义沟槽的关键尺寸；
[0012]在第一刻蚀终止层和图案化的光阻胶层表面沉积超低温氧化层，并对所述超低温氧化层进行各向异性刻蚀，形成位于图案化光阻胶层两侧的侧壁层；
[0013]去除图案化光阻胶层；
[0014]沉积金属铜并进行化学机械研磨或等离子刻蚀方法使铜表面高度与侧壁层的高度齐平，形成侧壁层间隔的金属铜层；
[0015]在侧壁层间隔的金属铜层表面沉积第二刻蚀终止层，并在第二刻蚀终止层表面其下方初始时具有图案化光阻胶层的位置形成通孔；
[0016]去除通孔下方的金属铜层，形成沟槽间的空气间隔。
[0017]去除通孔下方的金属铜层采用湿法刻蚀的方法在包含酸溶液和双氧水的溶液中进行。
[0018]所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸或其它酸性溶液中的一种或几种的混合液。
[0019]去除图案化光阻胶层的方法包括氧气灰化的方法或者含氧离子体刻蚀的方法或者湿法刻蚀的方法。
[0020]所述超低温氧化层的形成温度低于100摄氏度。
[0021]形成沟槽间的空气间隔之后，该方法进一步包括形成下层的层间介质层。
[0022]所述层间介质层的介电常数为2?7。
[0023]所述层间介质层为碳氧化硅SiOC层、二氧化硅SiO2层、氢氧化硅层、氮化硅层、碳氮化硅SiNC层中的一种或者几种的任意组合。
[0024]由上述的技术方案可见，在侧壁层之间形成金属铜层，该金属铜层包括沟槽内的金属铜层，也包括后续需要去除形成空气间隔的金属铜层。通过通孔显露出来的金属铜层浸入在包含酸溶液和双氧水的溶液中，进行湿法刻蚀，将这部分铜溶解掉，在沟槽间形成空气间隔，空气间隔替代了现有技术的层间介质层，从而达到了降低整个IC的RC延迟的目的。而且，本发明采用了不同于现有技术刻蚀层间介质层形成沟槽的方法，而是曝光显影光阻胶层，定义沟槽的CD，这样形成的沟槽不存在刻蚀层间介质层的过程，因此沟槽具有较高的特征尺寸均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明实施例沟槽间形成空气间隔的方法的流程示意图。
[0026]图2a至图2f为本发明实施例沟槽间形成空气间隔的方法的具体剖面示意图。
[0027]图2g为本发明实施例在当层金属互连层表面沉积有下层层间介质层的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]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。
[0029]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。
[0030]本发明的核心思想是:在侧壁层之间形成金属铜层，该金属铜层包括沟槽内的金属铜层，也包括后续需要去除形成空气间隔的金属铜层。通过通孔显露出来的金属铜层浸入在包含酸溶液和双氧水的溶液中，进行湿法刻蚀，将这部分铜溶解掉，在沟槽间形成空气间隔，空气间隔替代了现有技术的层间介质层，从而达到了降低整个IC的RC延迟的目的。而且，本发明采用了不同于现有技术刻蚀层间介质层形成沟槽的方法，而是曝光显影光阻胶层，定义沟槽的CD，这样形成的沟槽不存在刻蚀层间介质层的过程，因此沟槽具有较高的特征尺寸均匀性。
[0031]本发明实施例沟槽间形成空气间隔的方法，其流程示意图如图1所示，包括以下步骤，下面结合图2a至图2f，进行详细说明。
[0032]步骤11、请参阅图2a，预先提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层101和图案化的光阻胶层102，图案化的光阻胶层102所显露区域定义沟槽的关键尺寸；
[0033]步骤12、请参阅图2b，在第一刻蚀终止层101和图案化的光阻胶层102表面沉积超低温氧化层，并对所述超低温氧化层进行各向异性刻蚀，形成位于图案化光阻胶层两侧的侧壁层103 ；
[0034]超低温氧化层为低温氧化层(Low Temperature Oxide, LT0)的一种,之所以选择超低温氧化层作为光阻胶的侧壁层，是因为超低温氧化层的形成温度低于100摄氏度，低于光阻胶的熔化温度，不至于在形成侧壁层的过程中，改变光阻胶层的形貌。
[0035]步骤13、请参阅图2c，去除图案化光阻胶层102 ；
[0036]去除图案化光阻胶层的方法包括氧气灰化的方法或者含氧离子体刻蚀的方法或者湿法刻蚀的方法。
[0037]步骤14、请参阅图2d，沉积金属铜并进行化学机械研磨或等离子刻蚀方法使铜表面高度与侧壁层的高度齐平，形成侧壁层间隔的金属铜层104 ；
[0038]步骤15、请参阅图2e，在侧壁层间隔的金属铜层104表面沉积第二刻蚀终止层105，并在第二刻蚀终止层表面其下方初始时具有图案化光阻胶层的位置形成通孔106 ；
[0039]其中，每个初始时具有图案化光阻胶层的位置形成通孔的数量不限，图2e中只示出一个通孔。通孔宽度也不限定，不至于后续沉积的层间介质层坍塌到空气间隔中即可。第二刻蚀终止层105—般为碳化硅，氮化硅，碳氮硅层中的一种或者几种的组合。形成通孔的过程一般是在第二刻蚀终止层105表面涂布光阻胶，通过图案化光阻胶定义通孔的尺寸和位置，然后以该图案化光阻胶为掩膜，刻蚀第二刻蚀终止层105，从而在第二刻蚀终止层105上形成通孔。
[0040]步骤16、请参阅图2f，去除通孔106下方的金属铜层，形成沟槽间的空气间隔107。
[0041]该步骤是本发明的关键，因为通孔能够将金属铜层显露出来，其他位置的金属铜层被第二刻蚀终止层覆盖，所以将具有该结构的器件浸入包含酸溶液和双氧水的溶液中，对通过通孔显露出来的金属铜层进行湿法刻蚀。所述酸溶液可以为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸或其它酸性溶液中的一种或几种的混合液，或者其他可以结合双氧水与金属铜进行反应，溶解铜的物质。
[0042]其中，以酸溶液为盐酸为例,进行反应的化学方程式为:
[0043]H202+2 (HCl) +Cu=CuC12+2 (H2O)。
[0044]这样，沟槽内的金属铜仍然保留，而在沟槽之间形成空气间隔。
[0045]至此，本发明实施例实现了沟槽间形成空气间隔的方法。
[0046]进一步地，本发明实施例还可以包括步骤17、请参阅图2g，沉积下层的层间介质层108。本领域技术人员可以知道，在下层的层间介质层上可以制作沟槽和连接孔，连接孔会与金属铜层104电性连接，在此不再赘述。层间介质层108的介电常数为2?7，可以为碳氧化硅(SiOC)层、二氧化硅(SiO2)层、氢氧化硅层、氮化硅层或碳氮化硅(SiNC)层中的一种或几种的任意组合。
[0047]目前,特征尺寸均勻性(Critical Dimension Uniform,Q)U)是半导体器件制造工艺中需要考察的重要指标。通常，在半导体制造工艺中，刻蚀偏移量(etch bias)等于显影后检测(After Development Inspection, ADI)的特征尺寸减去刻蚀后检测(After EtchInspection, ΑΕΙ)的特征尺寸。在晶圆中存在若干个芯片单元(Die),每个芯片单元中存在若干个单线(Iso)和密线(Dense)。从单线处到密线处，沟槽与沟槽之间的间距是逐渐减小的。ADI的特征尺寸是指量测曝光显影后PR的中间位置尺寸，AEI的特征尺寸是指量测刻蚀后的沟槽的底部位置尺寸。Iso和Dense的刻蚀偏移量越接近，则说明其特征尺寸均匀性越高，也表现为Iso和Dense沟槽尺寸平均值越接近。现有技术形成沟槽时，需要长时间刻蚀层间介质层，而Iso和Dense的刻蚀速率不同，导致Iso和Dense的AEI差异就越大，因此etch bias就越大，最终导致沟槽的CDU比较差。而本发明的方法不涉及刻蚀层间介质层，在步骤11中，曝光显影形成图案化的光阻胶层102将沟槽的宽度和高度都定义出来，在Iso和Dense处得到的沟槽尺寸基本没有差异，因此沟槽的⑶U也就越高。
[0048]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】
1.一种沟槽间形成空气间隔的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括: 预先提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和图案化的光阻胶层，图案化的光阻胶层所显露区域定义沟槽的关键尺寸； 在第一刻蚀终止层和图案化的光阻胶层表面沉积超低温氧化层，并对所述超低温氧化层进行各向异性刻蚀，形成位于图案化光阻胶层两侧的侧壁层； 去除图案化光阻胶层； 沉积金属铜并进行化学机械研磨或等离子刻蚀方法使铜表面高度与侧壁层的高度齐平，形成侧壁层间隔的金属铜层； 在侧壁层间隔的金属铜层表面沉积第二刻蚀终止层，并在第二刻蚀终止层表面其下方初始时具有图案化光阻胶层的位置形成通孔； 去除通孔下方的金属铜层，形成沟槽间的空气间隔。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，去除通孔下方的金属铜层采用湿法刻蚀的方法在包含酸溶液和双氧水的溶液中进行。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸或其它酸性溶液中的一种或几种的混合液。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，去除图案化光阻胶层的方法包括氧气灰化的方法或者含氧离子体刻蚀的方法或者湿法刻蚀的方法。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超低温氧化层的形成温度低于100摄氏度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成沟槽间的空气间隔之后，该方法进一步包括形成下层的层间介质层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述层间介质层的介电常数为2?7。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述层间介质层为碳氧化硅SiOC层、二氧化娃SiO2层、氢氧化娃层、氮化娃层或碳氮化娃SiNC层中的一种或者几种的任意组合。
【文档编号】H01L21/764GK103474388SQ201210187235
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2012年6月8日
【发明者】张城龙, 胡敏达, 张海洋 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司