专利名称：一种使用超低介电材料的半导体制造工艺方法
技术领域：
本发明属集成电路工艺技术领域，具体涉及一种新颖的使用超低介电材料的半导体制造工艺。
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。
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RC delay=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。
但低介电常数材料的结构疏松而且硬度较软，抗机械应力的能力很弱，这点特别对化学机械抛光工艺的影响非常巨大，而铜工艺中由于铜难以刻蚀的特性，铜的化学机械抛光工艺是必不可少的，如何既利用低介电材料的优良表现又克服它在化学机械抛光中的自身不足，便成为问题的焦点；其次，由于低介电常数材料疏松的结构，在等离子体的刻蚀中容易受到损伤，产生的有机聚合物会嵌在疏松的结构里，很难被去除，从而介电常数发生明显的变化，失去了低介电常数的优势，这同样是芯片生产商不愿意看到的结果。
本发明提出一种新颖的使用超低介电材料的半导体制造工艺，在每层半导体金属工艺制造完成后，利用化学试剂反应移除金属间的介质材料，重新填入低介电材料，随后在此低介电材料上生长硬掩膜介质材料作为保护层，并制造下一层金属导线，依次重复过程，实现多层金属连线，同时使在金属中的低介电材料不再受到化学机械抛光的损伤，同时也大大降低由刻蚀带来的不利影响，最终成功实现使用超低介电材料的半导体制造工艺。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，以使得既能使用低介电材料，同时又使得在金属中的低介电材料不受到化学机械抛光的损伤，降低由刻蚀带来的不利影响。
本发明的工艺步骤如下(1)沉积所述金属导线底部刻蚀阻挡层，金属间介质层；(2)在所述金属介质层表面涂布光敏感材料，进行光刻、刻蚀、清洗，完成金属导线形貌的制造；(3)利用物理气相溅射、化学电镀、化学机械抛光制造金属导线；(4)利用化学试剂反应移除原金属间的介质材料；(5)填入超低介电材料，并在表面涂布光敏感材料，使用回刻工艺达到表面平整；(6)在低介电材料上生长硬掩膜介质材料作为下一层金属的底部刻蚀阻挡层，以及生长下一层金属的介质层；
(7)按上述步骤依次重复操作，以制造下一层金属导线，最终完成制造工艺。
金属间的介质材料，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1200nm，每次的处理时间为500到4000秒，气压为5到50托，功率为100到500瓦，温度为150到400度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。
低介电材料，可以是无机材料其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、四氟化碳、六氟化碳、八氟化碳或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1000nm，每次的处理时间为300到1000秒，气压为5到50托，功率为100到500瓦，温度为150到400度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅、含氟硅玻璃、含氟碳氧硅玻璃、半球型含氟硅玻璃、碳氧硅或其它低介电材料；也可以是有机物，分子量在30000到50000之间，包括碳、氢、氮、氧高分子聚合物交联树脂，可挥发性有机溶剂包括酮类、醚类、烷类或脂类可挥发有机溶剂，材料活性剂以及其他辅助成分，每次的涂布厚度为500nm到1500nm，烘烤温度是150℃到400℃，烘烤时间是30秒到200秒。
刻蚀阻挡层，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为30nm到120nm，每次的处理时间为50到400秒，气压为5到50托，功率为100到500瓦，温度为150到400度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。
光敏材料，其特征在于所述单层光敏感材料由酮类，醚类，烷烃类有机溶剂和感光交联树脂构成，分子量在85000到150000之间，每次涂布剂量为1.5ml到5ml，所述每次烘烤温度为60℃到250℃，烘烤时间为10秒到120秒。
移除金属间介质材料的化学试剂，其特征在于稀释氢氟酸，浓度可以是0.2％、0.4％、0.8％、1.0％、1.2％或1.4％；稀释氢氟酸与双氧水的混合物，配比可以是1∶2、1∶3、1∶4、2∶1、3∶1或4∶1；稀释氢氟酸、双氧水与盐酸的混合物，配比可以是1∶2∶1、1∶3∶1、1∶4∶1、2∶1∶1、3∶1∶1或4∶1∶1；温度为30℃、40℃、50℃、60℃或70℃；反应时间根据刻蚀数率和膜厚加以计算。
使用超低介电材料的半导体制造工艺的回刻方法，其原料可以是惰性气体混合一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、四氟化碳、六氟化碳、八氟化碳、氧气或氮气，如氦混合氧气或氖混合氧气，其惰性气体与氧气的比例为0.5∶1到2∶1；刻蚀可为终点自动检测；气压为5托到50托，功率为100瓦到300瓦，温度为50℃到100℃。
本发明的有益效果是由于利用化学试剂反应移除金属间的介质材料，重新填入低介电材料，随后在此低介电材料上生长硬掩膜介质材料作为保护层，并制造下一层金属导线，避免由于多次刻蚀、多次金属以及金属阻挡层化学机械抛光工艺等带来的电介质材料的性质变化，介电常数升高的负面问题，也防止由于低电介质材料较软容易形变产生的不利影响，最终成功实现使用超低介电材料的半导体制造工艺。
图1为利用单层光敏感材料制造金属导线示意图；
图2为制造金属导线示意图；图3为移除金属导线间的介质薄膜示意图；图4为填入超低介电材料和光敏材料示意图；图5为填入超低介电材料示意图；图6为生长薄膜示意图；图7为半导体电路示意图。
图中标号解释1金属介质层2金属导线底部刻蚀阻挡层3介质层表面涂布单层光敏感材料4金属5超低介电材料具体实施方式
现结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的详细说明首先，如图1所示，生长金属导线底部刻蚀阻挡层2和金属间介质层1，刻蚀阻挡层，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为其厚度为30纳米，40纳米，50纳米，60纳米，70纳米。80纳米，90纳米，100纳米，110纳米，120纳米，每次的处理时间为50秒，100秒，150秒，200秒，250秒，300秒，350秒，400秒，450秒和500秒，气压为5托、10托、30托和50托，功率分别选择为100瓦，150瓦和300瓦；温度分别选择为150℃，175℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃温度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。金属间的介质材料，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1200nm，每次的处理时间为500到4000秒，气压为5托、10托、30托和50托，功率分别选择为200瓦，350瓦和500瓦，温度分别选择为150℃，175℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。
其次，在该介质1的表面涂布单层光敏感材料3，进行光刻，随后刻蚀、清洗。单层光敏感材料由酮类，醚类，烷烃类有机溶剂和感光交联树脂构成，分子量在85000到150000之间，每次涂布剂量为1.5ml、2ml、2.5ml、3ml、3.5ml、4ml、4.5ml或5ml，所述每次烘烤温度为60℃，80℃，100℃，120℃，150℃，200℃和200℃，烘烤时间为50秒，60秒，70秒，80秒，90秒，100秒到120秒。
然后，如图2所示，利用物理气相溅射、化学电镀、化学机械抛光制造金属导线4；如图3所示，利用化学试剂反应移除原金属间的介质材料，移除金属间介质材料的化学试剂，可以是稀释氢氟酸，浓度可以是0.2％、0.4％、0.8％、1.0％、1.2％或1.4％；稀释氢氟酸与双氧水的混合物，配比可以是1∶2、1∶3、1∶4、2∶1、3∶1或4∶1；稀释氢氟酸、双氧水与盐酸的混合物，配比可以是1∶2∶1、1∶3∶1、1∶4∶1、2∶1∶1、3∶1∶1或4∶1∶1；温度为30℃、40℃、50℃、60℃或70℃；反应时间根据刻蚀数率和膜厚加以计算。
如图4所示，填入超低介电材料5，无机材料其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、四氟化碳、六氟化碳、八氟化碳或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1000nm，每次的处理时间为300到1000秒，气压为5托、10托、30托和50托，功率分别选择为200瓦，350瓦和500瓦，温度分别选择为150℃，175℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅、含氟硅玻璃、含氟碳氧硅玻璃、半球型含氟硅玻璃、碳氧硅或其它低介电材料；也可以是有机物，分子量在30000到50000之间，包括碳、氢、氮、氧高分子聚合物交联树脂，可挥发性有机溶剂包括酮类、醚类、烷类或脂类可挥发有机溶剂，材料活性剂以及其他辅助成分，每次的涂布厚度为500nm到1500nm，烘烤温度是150℃到400℃，烘烤时间是30秒到200秒。并在表面涂布光敏感材料3，光敏感材料每次涂布剂量为1.5ml、2ml、2.5ml、3ml、3.5ml、4ml、4.5ml或5ml，所述每次烘烤温度为60℃，80℃，100℃，120℃，150℃，200℃和200℃，烘烤时间为50秒，60秒，70秒，80秒，90秒，100秒到120秒。；如图5所示，使用公知的回刻工艺达到表面平整，其原料可以是惰性气体混合一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、四氟化碳、六氟化碳、八氟化碳、氧气或氮气，如氦混合氧气或氖混合氧气，其惰性气体与氧气的比例为0.5∶1到2∶1；刻蚀可为终点自动检测；气压为5托、10托、30托和50托，功率分别选择为100瓦，150瓦和200瓦，温度分别选择为50℃，75℃，90℃，950℃和100℃。
其次，如图6所示，生长金属导线底部刻蚀阻挡层2和金属间介质层1，刻蚀阻挡层2，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为其厚度为30纳米，40纳米，50纳米，60纳米，70纳米。80纳米，90纳米，100纳米，110纳米，120纳米，每次的处理时间为50秒，100秒，150秒，200秒，250秒，300秒，350秒，400秒，450秒和500秒，气压为5托、10托、30托和50托，功率分别选择为100瓦，150瓦和300瓦；温度分别选择为150℃，175℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃温度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。金属间的介质层1，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1200nm，每次的处理时间为500到4000秒，气压为5托、10托、30托和50托，功率分别选择为200瓦，350瓦和500瓦，温度分别选择为150℃，175℃，200℃，250℃，300℃，350℃和400℃，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。
最后，重复上述操作，最终成功完成使用超低介电材料的半导体制造工艺图7所示，图7为整体结构，图中黑色虚线框的是图5的单一结构。
权利要求
1.一种使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，其特征是在每层半导体金属工艺制造完成后，利用化学试剂反应移除金属间的介质材料，重新填入低介电材料，随后在此低介电材料上生长硬掩膜介质材料作为保护层，并制造下一层金属导线，依次重复过程。
2.根据权利要求1所述的使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，其特征在于包括如下步骤(1)沉积所述金属导线底部刻蚀阻挡层，金属间介质层；(2)在所述金属介质层表面涂布光敏感材料，进行光刻、刻蚀、清洗，完成金属导线形貌的制造；(3)利用物理气相溅射、化学电镀、化学机械抛光制造金属导线；(4)利用化学试剂反应移除原金属间的介质材料；(5)填入超低介电材料，并在表面涂布光敏感材料，使用回刻工艺达到表面平整；(6)在低介电材料上生长硬掩膜介质材料作为下一层金属的底部刻蚀阻挡层，以及生长下一层金属的介质层；(7)按上述步骤依次重复操作，以制造下一层金属导线，最终完成制造工艺。
3.根据权利要求1或2所述的使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，其特征在于所述金属间介质材料的原料源为氦、氖、氩、氪、氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1200nm，每次的处理时间为500到4000秒，气压为5到50托，功率为100到500瓦，温度为150到400度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。
4.根据权利要求1或2所述的使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，其特征在于所述低介电材料，可以是无机材料其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、四氟化碳、六氟化碳、八氟化碳或氮气，工艺生产制造，其厚度为300nm到1000nm，每次的处理时间为300到1000秒，气压为5到50托，功率为100到500瓦，温度为150到400度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅、含氟硅玻璃、含氟碳氧硅玻璃、半球型含氟硅玻璃、碳氧硅或其它低介电材料；也可以是有机物，分子量在30000到50000之间，包括碳、氢、氮、氧高分子聚合物交联树脂，可挥发性有机溶剂包括酮类、醚类、烷类或脂类可挥发有机溶剂，材料活性剂以及其他辅助成分，每次的涂布厚度为500nm到1500nm，烘烤温度是150℃到400℃，烘烤时间是30秒到200秒。
5.根据权利要求1或2所述的使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，其特征在于所述移除金属间介质材料的化学试剂可为稀释氢氟酸，浓度可以是0.2％、0.4％、0.8％、1.0％、1.2％或1.4％；也可为稀释氢氟酸与双氧水的混合物，配比可以是1∶2、1∶3、1∶4、2∶1、3∶1或4∶1；也可为稀释氢氟酸、双氧水与盐酸的混合物，配比可以是1∶2∶1、1∶3∶1、1∶4∶1、2∶1∶1、3∶1∶1或4∶1∶1；温度为30℃、40℃、50℃、60℃或70℃；反应时间根据刻蚀数率和膜厚加以计算。
6.根据权利要求2所述的使用超低介电材料的半导体制造工艺方法，其特征在于所述刻蚀阻挡层，其原料源是氦、氖、氩、氪或氙惰性气体，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮气，工艺生产制造，其厚度为30nm到120nm，每次的处理时间为50到400秒，气压为5到50托，功率为100到500瓦，温度为150到400度，产物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅或其它介质材料。
7.根据权利要求2所述的使用超低介电材料的半导体制造方法，其特征在于所述光敏感材料由酮类，醚类，烷烃类有机溶剂和感光交联树脂构成，分子量在85000到150000之间，每次涂布剂量为1.5ml到5ml，所述每次烘烤温度为60℃到250℃，烘烤时间为10秒到120秒。
8.根据权利要求2所述的使用超低介电材料的半导体制造工艺的方法，其特征在于所述对超低介电材料进行回刻，其原料可以是惰性气体混合一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、四氟化碳、六氟化碳、八氟化碳、氧气或氮气，如氦混合氧气或氖混合氧气，其惰性气体与氧气的比例为0.5∶1到2∶1；刻蚀可为终点自动检测；气压为5托到50托，功率为100瓦到300瓦，温度为50℃到100℃。
全文摘要
本发明公开了一种使用超低介电材料的半导体制造方法，在每层半导体金属工艺制造完成后，利用化学试剂反应移除金属间的介质材料，重新填入低介电材料，随后在此低介电材料上生长硬掩膜介质材料作为保护层，并制造下一层金属导线，依次重复过程，实现多层金属连线，同时使在金属中的低介电材料不再受到化学机械抛光的损伤，同时也大大降低由刻蚀带来的不利影响，最终成功实现使用超低介电材料的半导体制造工艺。
文档编号H01L21/70GK1925132SQ20051002940
公开日2007年3月7日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者朱骏 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