专利名称：改进微电子电路的性能的方法
技术领域：
本发明一般涉及集成电路布线，特别涉及使用气隙来减小电阻和电容的布线结构。
发明内容
本发明以下描述如何减小连接布线的电阻和电容。在本发明的RC减小方案的执行过程中，在多晶硅布线层面上的电阻从本质上大大高于其他金属层面，并且有效的电容耦合也比其他金属层面更大。本发明应用许多方法，如金属扩散或聚合物分解等，沿着布线的侧面和/或在布线顶上建立一个气体通道。通过本发明，用一种自对齐接触方法建立栅极结构，排除了可能出现的栅极与接头短路的高风险性。通过本发明，所述气体通道被嵌入在一个硬壳中，从而保持连接构造的完整性。
为了达到上述目的，依照本发明的一个方面，集成电路晶体管结构包括具有第一导电材料和第二材料的栅极导体。本发明有一种靠近所述栅极导体的不可变形的衬垫，并且在所述栅极导体和所述衬垫之间有一间隙。所述第一导电材料可以是多晶硅，而第二材料可以是金属或者聚合物。所述第二材料作为所述间隙的填充物。在本发明中，所述间隙保存环境气体，以降低所述栅极导体的电阻。
本发明还包括一种在集成电路结构中形成晶体管的方法。本发明首先形成栅极导体。接着，本发明在所述栅极导体上淀积一种第二材料。然后，本发明在第二材料上形成不可变形的衬垫，并且使集成电路结构退火，以在栅极导体和不可变形的衬垫之间形成间隙。在本发明淀积第二材料以前，用一种方法切削所述栅极导体的侧面。在第二材料淀积后，用一种方法移除一部分所述第二材料，这样第二材料基本上仅仅残留在所述栅极导体的侧面被切削的部分中。所述切削和移除的方法保持了所希望得到的栅极导体的长度。所述退火处理驱使所述第二材料进入所述栅极导体。此外，所述栅极导体可以是多晶硅，而第二材料可以是一种金属或者一种聚合物。所述间隙降低了导体的电阻。该导体可以是栅极导体、接头或者布线。
从下文参照附图对本发明的优选实施例的详细描述中，上述和其他目的、方面和优点将得到更好的理解，其中图1为根据本发明的部分完成的集成电路结构的截面视图；图2为根据本发明的部分完成的集成电路结构的截面视图；图3A和3B为根据本发明的部分完成的集成电路结构的截面视图；图4为根据本发明的部分完成的集成电路结构的截面视图；图5为根据本发明的部分完成的集成电路结构的截面视图；图6A和6B为根据本发明的部分完成的集成电路结构的截面视图；图7为根据本发明的整体完成的集成电路结构的截面视图；图8为根据本发明的完成的集成电路结构的顶视图；图9是阐明本发明优选方法的流程图。
具体实施例方式
本发明使用许多不同的方法在集成电路结构中沿导线形成间隙。例如，一种方法依靠金属扩散进入一种硅栅极材料以建立所述间隙。第二种方法依靠聚合物分解形成通道(间隙)。在一个实施例中，所述通道定位于一个栅极导体的两侧，并且埋藏在衬垫下。其创造性的结构与无边界接头的设计兼容，并且为与接头栓的共用提供足够的物理强度。
为了形成所述通道，本发明依照在大多数金属硅化反应中，材料的体积缩小的原理，该原理可能用于扩散周围材料或者形成一个空间。是否形成一个空间(或气隙)将取决于分界面(粘着)的完整性和在扩散方法的具体情况，即扩散原子的位置是否被空隙或被其他扩散的原子所代替。在本发明中，作为所述周围材料，选择在硅化物形成过程中不变形的材料，因此有利于一个空间或间隙的形成。
更具体来说，在金属和硅的反应中，发生反应的区域的体积典型地小于反应开始时，金属加上硅的体积。例如，在钛与硅的反应中，在大约800℃形成二硅化钛的过程中，硅是主要的扩散元素。所述反应元素的相对厚度为1纳米的钛与2.27纳米的硅反应，生成2.51纳米的二硅化钛(见《硅化物在超大规模集成电路中的应用》，S.P.Murarka，第130页，学术出版社1983，下文中以＂Murarka＂代替)因此，最终生成的二硅化钛的体积与初始的钛加上硅的体积的比值为2.51/3.27，或0.77因此，所述体积减小了23％。
在另一个例子，钴与硅的反应中，随温度升高，主要的扩散元素由钴到硅然后再回到钴变化，最终以7502℃的温度下得到二硅化钴。所述钴-硅反应的相对厚度为1纳米的钴与3.64纳米的硅反应，生成3.52纳米的二硅化钴。这样，所述材料的体积减少了24％。其他过渡金属相应的数值见Murarka。
由本发明者完成的实验显示基于典型的0.11微米基本规则，如果50％的GC侧面的氧化物和氮化物衬垫被一个通道间隙取代，则线路电容和线-线耦合电容分别减少30％和38％。在限制情况下，如果整个GC侧面的氧化物和氮化物衬垫被取代，则线路电容和线-线耦合电容分别减少44％和54％。因此，本发明人发现了运用在导线周围的气隙可以实现以一个间隙仅仅部分地取代邻近的衬垫材料的较大的好处，并且整个衬垫不必被取代。
图1表示一个基片100的截面图，其包含一个栅极10(例如，被一层厚的氮化物20所覆盖)、源/漏LDD(微量杂质漏区)区40和浅沟道区50A和50B。以下描述将举本发明的两个例子加以说明，一般熟练的技术人员可能了解许多等效的构造和方法。如图2所示，薄层60淀积在栅极堆10、20以及栅极氧化物30上。在一个实施例中，该层60包括一种金属，如＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿或以上任何几种的合金。因为所述金属60将与多晶硅10反应，其中一部分将扩散到多晶硅10中。金属扩散到多晶硅10中，不但沿栅极结构的侧面建立一个空区，而且栅极导电性可以有效地增强。在另一个实施例中，层60包括一种自分解聚合物，如降烟碱类聚合物＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿或上述任何几种的混合物。该牺牲层60随后将分解成为与扩散无关的气体。这就沿所述栅极导体建立了一个腔(间隙)。
如图3A所示，在所述层60淀积后，完成一个深腐蚀的步骤，从沿着栅极侧面的材料60上形成一个临时的衬垫(例如填充物)70。图3B更加详细地示出该部分的结构。如图3B所示，为了不改变栅极的长度，本发明轻微地切削所述栅极。该切削的方法在材料60被淀积之前，移除一部分所述材料，这样所述材料60基本上仅仅残留在栅极导体的侧面的切削部分中。所述切削和移除的方法保持了所希望得到的栅极导体的长度。在退火步骤中，被切削的尺寸将由在栅极的侧面上的金属硅化物的形成所补偿，如下文所讨论并且展示在图6B的详细说明中。
一个衬垫80A、80B(例如氮化物，＿＿＿＿＿＿＿＿，等等)用一种常规的衬垫方法来形成(如图4所示)，并且完成一个源/漏注入扩散步骤(如图5所示)，以形成源/漏结。所述衬垫厚度和临时衬垫的尺寸按照切削来控制，以致源/漏结得以适当地安置。例如，一个厚度约10纳米的衬垫应该足以支持无边界接头以及栓的形成。
完成一个退火步骤，以驱使金属60进入栅极导体10(第一实施例)，或以分解聚合物60(第二实施例)，使通道(如气隙、间隙、腔，等等)95A、95B沿栅极导体(图6)的侧面形成。根据前面提到的，衬垫80A，80B有充分的刚性(如在退火处理中不可变形)所以间隙95A，95B被正确地形成。换句话说，衬垫80A，80B不一致(变形)配合材料60尺寸的减小。相反，衬垫80A，80B在退火处理中保持有充分的刚性，以致间隙95A，95B形成。
在制造过程中，所述间隙一般包含环境气体。例如，如果在制造过程中存在有空气，则间隙中的气体将包含氮气、氧气、氢气，等等。因为衬垫70的体积在退火处理中减小，材料60可以作为间隙95A，95B的一个填充物。
如图7和8所示，剩下的步骤是用于提供栓130和下一个布线层面110的常规步骤。如图7所示，由于间隙95A，95B的存在，第一布线到栅极导体的耦合电容大幅度减小。该创造性的高性能器件及其相互连接的顶视图在图8中示出。这里，第一金属线110通过一个接头栓130与器件的漏结90A接触。
图9是集成电路结构的流程图。首先，本发明形成一个栅极导体90，然后切削栅极导体91的侧面，并且在栅极导体92上淀积一种第二材料。接着，本发明移除第二材料93的一部分，在第二材料94的上面形成不可变形的衬垫，最终退火该集成电路结构95。
本发明减小了连接布线的电阻和电容。在本发明的RC减小方案中，在多晶硅布线层面上的电阻从本质上大大高于其他金属层面，并且有效的电容耦合也比其他金属层面更加显著。本发明应用许多方法，如金属扩散或聚合物分解等，沿着布线的侧面和(或)在布线顶上建立一个气体通道。关于本发明，用一种自对齐接触方法建立栅极结构，排除了可能出现的栅极与接头短路的高风险性。利用本发明，所述气体通道被注入一个硬壳，所以连接构造的完整性得以保持尽管通过优选实施例描述本发明，但是熟练的技术人员将认识到可以通过在所附权利要求书的精神和范围内的变型来实现本发明。
权利要求
1.一种集成电路布线结构，包括包含第一导电材料和第二材料的导体；与所述导体相邻的一个不可变形的衬垫；以及在所述导体和所述衬垫之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的集成电路布线结构，其中所述第一导电材料包括多晶硅。
3.根据权利要求1所述的集成电路布线结构，其中所述第二材料包括一种金属或者一种聚合物。
4.根据权利要求1所述的集成电路布线结构，其中所述第二材料作为所述间隙的填充物。
5.根据权利要求1所述的集成电路布线结构，其中所述间隙保存环境气体。
6.根据权利要求1所述的集成电路布线结构，其中所述间隙降低了所述栅极导体的电阻。
7.根据权利要求1所述的集成电路布线结构，其中所述导体包括栅极导体、接头或布线。
8.一种集成电路晶体管结构包括一个包括第一导电材料和第二材料的栅极导体；一个邻近所述栅极导体的不可变形的衬垫；以及一个在所述栅极导体和所述衬垫之间的间隙。
9.根据权利要求8所述的集成电路晶体管结构，其中所述第一导电材料包括多晶硅。
10.根据权利要求8所述的集成电路晶体管结构，其中所述第二材料包括一种金属或者一种聚合物。
11.根据权利要求8所述的集成电路晶体管结构，其中所述第二材料作为所述间隙的填充物。
12.根据权利要求8所述的集成电路晶体管结构，其中所述间隙保存环境气体。
13.根据权利要求8所述的集成电路晶体管结构，其中所述间隙降低了所述栅极导体的电阻。
14.一种集成电路布线结构包括一种导体包括多晶硅和一种第二材料包括一种金属或一种聚合物；一个邻近所述导体的不可变形的衬垫；以及一个在所述导体和所述衬垫之间的间隙
15.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述第二材料作为所述间隙的填充物
16.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述间隙保存环境气体
17.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述间隙降低了所述栅极导体的电阻。
18.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述导体包括栅极导体、接头或布线。
19.一种在集成电路结构中形成导体的方法，所述方法包括形成一种第一导电材料；在所述第一导电材料上淀积一种第二材料；在所述第二材料上形成不可变形的衬垫；以及退火处理所述集成电路结构，以在所述第一导电材料和所述不可变形的衬垫间形成一个间隙。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述退火处理驱使所述第二材料进入所述栅极导体。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一导电材料包括多晶硅。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二材料包括一种金属或一种聚合物。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二材料作为所述间隙的填充物。
24.根据权利要求19所述的方法，其中所述间隙保存环境气体。
25.根据权利要求19所述的方法，其中所述间隙降低了所述导体的电阻。
26.根据权利要求19所述的方法，其中所述导体包含栅极导体、接头或布线。
27.一种在集成电路结构中形成晶体管的方法，所述方法包括形成一个栅极导体；在所述栅极导体上淀积一种第二材料；在所述第二材料上形成不可变形的衬垫；以及退火所述集成电路以在所述栅极导体和所述不可变形的衬垫间形成一个间隙。
28.权利要求27中所述的方法，其中进一步包括在所述第二材料淀积之前，切削所述栅极导体的侧面的方法；以及在所述第二材料淀积之后，移除一部分所述第二材料的方法，这样第二材料就基本上仅仅残留在所述栅极导体的侧面被切削的部分中。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述切削和移除的方法保持了所希望得到的栅极导体的长度。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述退火处理驱使所述第二材料进入所述栅极导体。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述栅极导体包括多晶硅。
32.根据权利要求27所述的方法，其中所述第二材料包括一种金属或一种聚合物。
33.根据权利要求27所述的方法，其中所述第二材料作为所述间隙的填充物。
34.根据权利要求27所述的方法，其中所述间隙保存环境气体。
35.根据权利要求27所述的方法，其中所述间隙减小了所述导体的电阻
36.根据权利要求27所述的方法，其中所述导体包括栅极导体、接头或布线。
全文摘要
适合于一种集成电路晶体管结构的方法和结构，其包括具有第一导电材料和第二材料的栅极导体。本发明有一个邻近所述栅极导体的不可变形的衬垫，并且在所述栅极导体和所述衬垫之间有一个间隙。所述第一导电材料可以是多晶硅，且所述第二材料可以是一种金属或者一种聚合物。所述第二材料作为所述间隙的填充物。在本发明中，所述间隙保存环境气体并且降低了所述栅极导体的电阻。
文档编号H01L21/28GK1485909SQ0312777
公开日2004年3月31日 申请日期2003年8月12日 优先权日2002年8月21日
发明者劳伦斯·A·克莱温格尔, 乔治·C.·冯, 杰姆斯·M·E·哈普尔, 路易斯·L·苏, L 苏, M E 哈普尔, C. 冯, 劳伦斯 A 克莱温格尔 申请人:国际商业机器公司