专利名称：一种铜－气体介质大马士革结构及其制造方法
技术领域：
本发明属集成电路制造工艺术领域，具体涉及在集成电路生产中的使用铜大马士革工艺的制造方法。
背景技术：
随集成电路制造工艺的不断进步，半导体器件的体积正变得越来越小，要将它们连接起来也更加困难。在过去的30年中，半导体工业界都是以铝作为连接器件的材料，但随着芯片的缩小，工业界需要更细，更薄的连接，而且铝的高电阻特性也越来越难以符合需求。而且在高密度特大规模集成电路的情况下，高电阻容易造成电子发生“跳线“，导致附近的器件产生错误的开关状态。也就是说，以铝作为导线的芯片可能产生无法与预测相一致的运作情况，同时稳定性也较差。在如此细微的电路上，铜的传输信号速度比铝更快、而且也更加稳定。
传统集成电路的金属连线是以金属层的刻蚀方式来制作金属导线，然后进行介电层的填充、介电层的化学机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。但当金属导线的材料由铝转换成电阻铝更低的铜的时候，由于铜的干刻较为困难，因此新的镶嵌技术对铜的制程来说就极为必须。
镶嵌技术又称为大马士革工艺，字源来自以镶嵌技术闻名于世的叙利亚城市大马士革，早在2500年前在那里所铸造的刀剑，就已经使用这项技术来锻造。镶嵌技术是首先在介电层上刻蚀金属导线槽，然后再填充金属，再对金属进行金属机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。镶嵌技术的最主要特点是不需要进行金属层的刻蚀工艺，这对铜工艺的推广和应用极为重要。
集成电路制造技术已经跨入130nm的时代。目前的绝大多数铜布线处于180到130nm工艺阶段，约40％的逻辑电路生产线会用到铜布线工艺。到了90nm工艺阶段，则有90％的半导体生产线采用铜布线工艺。采用Cu-CMP(铜化学机械抛光)的大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到IC制造中的铜图形化工艺。镶嵌结构(大马士革结构)一般常见两种单镶嵌结构以及双镶嵌结构。单镶嵌结构(单大马士革结构)以及双镶嵌结构(双大马士革结构)。单镶嵌结构如前所述，仅是把单层金属导线的制作方式由传统的(金属刻蚀+介电层填充)方式改为镶嵌方式(介电层刻蚀+金属填充)，较为单纯。而双镶嵌结构则是将通孔以及金属导线结合一起，如此只需一道金属填充步骤，可简化制程，不过镶嵌结构的制作也相应复杂，困难。
多层连线电容的计算公式C=2(Cl+Cv)=2kϵ0LTW(1W2+1T2)]]>(公式1)其中，k为介电常数，L为金属导线长，T为金属导线深度，W为金属导线宽度，ε0为真空介电常数。由公式可见，介电常数越低，电容越小。
多层连线电阻-电容时间延迟计算公式RCdelay=2ρkϵ0L2(1W2+1T2)]]>(公式2)其中，k为介电常数，L为金属导线长，T为金属导线深度，W为金属导线宽度，ε0为真空介电常数，ρ为金属电阻率。由公式可见，介电常数越低，电阻越小，多层连线电阻-电容时间延迟也越短。对低介电材料和铜工艺的需求成为半导体工业界普遍的共识。随着芯片能力的不断的增强，对芯片滞后的要求也越来越严格，工业上通常使用在2.0～4.9之间介电常数的介质材料已经不能满足要求。
降低互连线电容(层间电容)可以减小信号延迟、高频功耗和导线间的交叉耦合(交叉感应和噪音)。一个0.13um的工艺设计如果要求12层Al/SiO2，用Cu/low-k(低介电常数材料)仅需6层。这种简化改善了可靠性和成品率，同时降低了费用。
目前，人们正在研究大量的有机和无机材料作为可能的低介电常数金属间介电材料；同时人们也提出了相应的评估程序，以发现最优材料。许多侯选材料，尤其是有机材料，在可靠性、可生产性和工艺集成方面暴露出严重问题。
对一种可接受的金属间介质，其相关特性包括低介电常数(k＝1.0)、高击穿场强(＞2MV/cm)、低漏电(电阻率＞10E15Ω/cm)、低表面电导(电阻率＞10E15Ω/cm)、低应力(压应力或弱张应力＞30MPa)、机械/化学/热稳定性好、不吸湿气或抗湿气渗透、工艺兼容性好(CMP(化学机械抛光)/双大马士革/等等)、热特性好(高热导率和低热膨胀系数)和满足环境、健康、安全的要求。
在SiO2淀积过程中形成的金属线间空气缝隙将减小层内金属线间电容高达40％，总体线间电容降低20％。
同时，理论和实验样品评估表明空气介质的漏电、电迁移可靠性和热特性与HDPCVD(高密度等离子体化学气相沉积)SiO2和HSQ(一种低介电材料)介质材料相当。有关空气介质的大马士革金属工艺仍在实验验证中。
气体或空气介质提供了许多好处，最明显的好处是大大降低了传输电容，从而电路传输特性大大提高；同时在漏电、电迁移可靠性和热特性方面也有很大改善。总之，在最小尺寸处均匀介电常数的空气介质提供了很多的好处。
然而，如何在大规模生产中实现铜-气体介质系统大马士革工艺是工业界遇到的最大难题，难点在于一方面要保证集成后的铜-气体介质大马士革结构稳定，且有均一的介电常数K≈1和导热性能好；另一方面要在生产线上容易实现该工艺，且制造费用尽可能低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜-气体介质大马士革结构，使其容易大规模生产，并且产出的铜-气体介质大马士革芯片结构稳定，有均一的介电常数K≈1，导热性能好。
本发明的铜-气体介质大马士革结构包括介质层1；铜布线2；扩散阻挡层和铜籽晶层8；氧化膜5；氦气气体介质层10；碳化硅刻蚀阻挡层11；和等离子体氧化膜12；其中，整个结构底部有一层介质层1，扩散阻挡层和铜籽晶层8衬垫在铜布线2的底部及周围，扩散阻挡层和铜籽晶层8中间的所述铜籽晶层衬垫在铜布线2的底部及周围，所述扩散阻挡层衬垫在所述铜籽晶层的底部及周围，所述氧化膜5包围在所述扩散阻挡层周围，所述碳化硅刻蚀阻挡层11覆盖在所述有氧化膜5、扩散阻挡层和铜籽晶层8的铜布线2顶部，所述氦气气体介质层10填充于包裹有所述有氧化膜5、扩散阻挡层和铜籽晶层8的铜布线2之间，所述等离子体氧化膜12覆盖于整个铜-气体介质大马士革结构的顶部。
上述铜-气体介质大马士革结构可以为单层大马士革结构，也可以为多层大马士革结构。
当该铜-气体介质大马士革结构为多层大马士革结构时，该多层大马士革结构之间的碳化硅刻蚀阻挡层11上有蒸发孔9连接所述各层氦气气体介质层10。
本发明的铜-气体介质大马士革结构的制造方法，在刻蚀阻挡层之间先淀积挥发性有机材料层，在该有机材料层上刻蚀并淀积氧化膜，再在该氧化膜上进行大马士革铜工艺制造，最后除去该挥发性有机材料层，填入氦气并封口，完成铜-气体介质大马士革制造。
本发明的铜-气体介质大马士革结构的制造方法的主要工艺流程是(1)进行包含该有机材料层的每层大马士革铜工艺层制造。
(2)从蒸发孔去除该易挥发性有机材料。
(3)从该蒸发孔充入氦气，用等离子氧化物(PECVD)封闭顶部碳化硅刻蚀阻挡层上的蒸发孔，完成本发明的使用铜-气体介质大马士革工艺的集成电路制造方法。
该去除该易挥发性有机材料的方法可以是等离子体方法，也可以是热处理方法，该热处理方法可以是快速热退火工艺。
该工艺流程中每层大马士革铜工艺制造的具体步骤是a、采用旋涂法(spin-on)在底层碳化硅层上淀积一层挥发性有机材料层，接着在该有机材料层上淀积一层碳化硅刻蚀阻挡层。
b、在该碳化硅刻蚀阻挡层及该有机材料层上刻蚀出氧化膜槽，该氧化膜槽的范围大于铜大马士革槽，该刻蚀同时刻掉划片槽内的易挥发有机材料，使用旋涂法(spin-on)淀积氧化膜填满刻蚀出的氧化膜槽及划片槽，化学机械抛光除去覆盖于该碳化硅刻蚀阻挡层上的氧化膜。
c、在该氧化膜中刻蚀出铜大马士革槽。
d、在该铜大马士革槽内使用物理气相沉积法淀积扩散阻挡层和铜籽晶层。
e、在该覆盖扩散阻挡层和铜籽晶层的铜大马士革槽内使用电镀法进行铜淀积，并使用化学机械抛光(CMP)除去过填的铜以及未开槽区域的该扩散阻挡层和铜籽晶层，该打磨停留在该碳化硅刻蚀阻挡层上。
f、在集成电路表面再淀积一层碳化硅层，并在该有机材料层上方的碳化硅层上刻蚀蒸发孔，该刻蚀穿透该碳化硅刻蚀阻挡层，停留在有机材料层中。
所述氧化膜槽的范围大于所述铜大马士革槽。
本发明铜-气体介质大马士革结构通过使用可挥发性有机材料来形成铜-气体介质大马士革结构，在铜大马士革外面包裹一层薄氧化膜，上面覆盖碳化硅刻蚀阻挡层，这种结构稳定性好，并且有利于热传导，同时减小了互连延迟，容易大规模生产，并且产出的铜-气体介质大马士革芯片结构稳定，有均一的介电常数K≈1，导热性能好。
图1是介质层淀积示意图；图2是氧化膜槽的刻蚀及氧化膜的形成示意图；图3是划片槽示意图；图4是铜大马士革刻蚀示意图；图5是淀积扩散阻挡层和铜籽晶层示意图；图6是淀积铜示意图；图7是刻蚀蒸发孔示意图；图8是去除挥发性有机材料示意图；图9是本发明的铜-气体介质大马士革结构示意图。
标号说明1介质层 2铜布线 3碳化硅层 4挥发性有机材料层5氧化膜 6芯片 7划片槽 8扩散阻挡层和铜籽晶层9蒸发孔 10氦气气体介质层 11碳化硅刻蚀阻挡层12等离子体氧化膜(PECVD)具体实施方式
现结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明本发明的铜-气体介质多层大马士革结构如图9所示(图9是本发明的铜-气体介质大马士革结构示意图)，整个结构底部有一层介质层1。该多层大马士革结构的每一层大马士革结构中，扩散阻挡层和铜籽晶层8衬垫在铜布线2的底部及周围，扩散阻挡层和铜籽晶层8中间的所述铜籽晶层衬垫在铜布线2的底部及周围，所述扩散阻挡层衬垫在所述铜籽晶层的底部及周围，氧化膜5包裹在扩散阻挡层周围，碳化硅刻蚀阻挡层11覆盖在包裹有氧化膜、扩散阻挡层和铜籽晶层8的铜布线顶部，氦气气体介质层10填充于包裹有氧化膜、扩散阻挡层和铜籽晶层的铜布线之间。等离子体氧化膜12覆盖于整个铜-气体介质大马士革结构的顶部。
上述铜-气体介质大马士革结构可以为单层大马士革结构，也可以为多层大马士革结构。
请一并参阅图7，当该铜-气体介质大马士革结构为多层大马士革结构时，该多层大马士革结构之间的碳化硅刻蚀阻挡层11上有蒸发孔9连接所述各层氦气气体介质层10。
本发明的铜-气体介质大马士革结构的制造方法如下首先，如图1所示(图1为介质层淀积示意图)，采用旋涂法(spin-on)在底层碳化硅层3上淀积一层挥发性有机材料层4，接着在该挥发性有机材料层4上淀积一层碳化硅刻蚀阻挡层11。
其次，如图2所示(图2为氧化膜槽的刻蚀及氧化膜的形成示意图)，在该碳化硅刻蚀阻挡层11及该有机材料层4上刻蚀出氧化膜槽，该氧化物槽的范围大于铜大马士革槽，该刻蚀同时刻掉划片槽内的易挥发有机材料，使用旋涂法(spin-on)淀积氧化膜5填满刻蚀出的氧化膜槽及划片槽7，化学机械抛光除去覆盖于该碳化硅刻蚀阻挡层11上的氧化膜5。
划片槽结构如图3所示(图3为划片槽示意图)，划片槽7位于芯片6之间。
其次，如图4所示(图4为铜大马士革刻蚀示意图)，在该氧化膜5中刻蚀出铜大马士革槽。
其次，如图5所示(图5为淀积扩散阻挡层和铜籽晶层示意图)，在该铜大马士革槽内使用物理气相沉积法淀积扩散阻挡层和铜籽晶层8。
其次，如图6所示(图6为淀积铜示意图)，在该覆盖扩散阻挡层和铜籽晶层8的铜大马士革槽内使用电镀法进行铜淀积，并使用化学机械抛光(CMP)除去过填的铜以及未开槽区域的该扩散阻挡层和铜籽晶层8，该打磨停留在该碳化硅刻蚀阻挡层11上。
其次，如图7所示(图7为刻蚀蒸发孔示意图)，在集成电路表面再淀积一层碳化硅层，并在该有机材料层上方的碳化硅层上刻蚀蒸发孔9，该刻蚀穿透该碳化硅刻蚀阻挡层11，停留在有机材料层4中。
再次，如图8所示(图8为去除挥发性有机材料示意图)，按照以上方法完成所有铜大马士革层的制造后，使用快速热退火工艺从蒸发孔9去除该易挥发性有机材料4。
最后，如图9所示(图9为本发明的铜-气体介质大马士革结构示意图)，从该蒸发孔9(未图示)充入氦气气体介质层10，用等离子氧化膜12(PECVD)封闭顶部碳化硅刻蚀阻挡层11上的蒸发孔9(未图示)，完成本发明的铜-气体介质大马士革结构的制造。
本发明铜-气体介质大马士革结构通过使用可挥发性有机材料来形成铜-气体介质大马士革结构，在铜大马士革外面包裹一层薄氧化膜，上面覆盖碳化硅刻蚀阻挡层，这种结构稳定性好，并且有利于热传导，同时减小了互连延迟，容易大规模生产，并且产出的铜-气体介质大马士革芯片结构稳定，有均一的介电常数K≈1，导热性能好。
权利要求
1.一种铜-气体介质大马士革结构，包括介质层(1)；铜布线(2)；扩散阻挡层和铜籽晶层(8)；氧化膜(5)；氦气气体介质层(10)；碳化硅刻蚀阻挡层(11)；和等离子体氧化膜(12)；其中，整个结构底部有一层介质层(1)，扩散阻挡层和铜籽晶层(8)衬垫在铜布线(2)的底部及周围，扩散阻挡层和铜籽晶层(8)中间的所述铜籽晶层衬垫在铜布线(2)的底部及周围，所述扩散阻挡层衬垫在所述铜籽晶层的底部及周围，所述氧化膜(5)包围在所述扩散阻挡层周围，所述碳化硅刻蚀阻挡层(11)覆盖在所述有氧化膜(5)、扩散阻挡层和铜籽晶层(8)的铜布线(2)顶部，所述氦气气体介质层(10)填充于包裹有所述有氧化膜(5)、扩散阻挡层和铜籽晶层(8)的铜布线(2)之间，所述等离子体氧化膜(12)覆盖于整个铜-气体介质大马士革结构的顶部。
2.如权利要求1所述的铜-气体介质大马士革结构，其特征在于所述铜-气体介质大马士革结构可以为单层大马士革结构。
3.如权利要求1所述的铜-气体介质大马士革结构，其特征在于所述铜-气体介质大马士革结构可以为多层大马士革结构。
4.如权利要求3所述的铜-气体介质大马士革结构，其特征在于所述多层大马士革结构之间的碳化硅刻蚀阻挡层(11)上有蒸发孔(9)连接所述各层氦气气体介质层(10)。
5.一种铜-气体介质大马士革结构的制造方法，其特征在于在刻蚀阻挡层之间先淀积挥发性有机材料层，刻蚀所述有机材料层并淀积氧化膜，再在所述氧化膜上进行铜大马士革工艺制造，最后除去所述挥发性有机材料层，填入氦气并封口，完成铜-气体介质大马士革制造。
6.如权利要求5所述的铜-气体介质大马士革结构的制造方法，其特征在于包括如下步骤(1)进行包含所述有机材料层的每层大马士革铜工艺层制造；(2)从蒸发孔去除所述易挥发性有机材料；(3)从所述蒸发孔充入氦气，用等离子氧化物(PECVD)封闭顶部碳化硅刻蚀阻挡层上的蒸发孔，完成本发明的使用铜-气体介质大马士革工艺的集成电路制造方法。
7.如权利要求6所述的铜-气体介质大马士革结构的制造方法，其特征在于去除所述易挥发性有机材料的方法可以是等离子体方法。
8.如权利要求6所述的铜-气体介质大马士革结构的制造方法，其特征在于去除所述易挥发性有机材料的方法可以是热处理方法，所述热处理方法可以是快速热退火工艺。
9.如权利要求6所述的铜-气体介质大马士革结构的制造方法，其特征在于所述每层大马士革铜工艺层制造包括如下步骤a、采用旋涂法(spin-on)在底层碳化硅层上淀积一层挥发性有机材料层，接着在所述有机材料层上淀积一层碳化硅刻蚀阻挡层；b、在所述碳化硅刻蚀阻挡层及所述有机材料层上刻蚀出氧化膜槽，所述刻蚀同时刻掉划片槽内的易挥发有机材料，使用旋涂法(spin-on)淀积氧化膜填满刻蚀出的氧化膜槽及划片槽，化学机械抛光除去覆盖于所述碳化硅刻蚀阻挡层上的氧化膜；c、在所述氧化膜中刻蚀出铜大马士革槽；d、在所述铜大马士革槽内使用物理气相沉积法淀积扩散阻挡层和铜籽晶层；e、在所述覆盖扩散阻挡层和铜籽晶层的铜大马士革槽内使用电镀法进行铜淀积，并使用化学机械抛光(CMP)除去过填的铜以及未开槽区域的所述扩散阻挡层和铜籽晶层，所述打磨停留在所述碳化硅刻蚀阻挡层上；f、在集成电路表面再淀积一层碳化硅层，并在所述有机材料层上方的碳化硅层上刻蚀蒸发孔，所述刻蚀穿透所述碳化硅刻蚀阻挡层，停留在有机材料层中。
10.如权利要求9所述的铜-气体介质大马士革结构的制造方法，其特征在于所述氧化膜槽的范围大于所述铜大马士革槽。
全文摘要
本发明的铜－气体介质大马士革结构，在刻蚀阻挡层之间先淀积挥发性有机材料层，在该有机材料层上刻蚀并淀积氧化膜，再在该氧化膜上进行大马士革铜工艺制造，最后除去该挥发性有机材料层，填入氦气并封口，完成铜－气体介质大马士革结构的制造。通过使用可挥发性有机材料来形成铜－气体介质大马士革结构。此方法容易大规模生产，并且产出的铜－气体介质大马士革芯片结构稳定，有均一的介电常数K≈1，导热性能好。
文档编号H01L21/70GK1996588SQ20051000337
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月31日 优先权日2005年12月31日
发明者缪炳有, 方精询, 朱骏 申请人:上海集成电路研发中心有限公司, 上海华虹(集团)有限公司, 上海华虹Nec电子有限公司