专利名称：低介电常数半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于逻辑、存储器、通信和微控制器应用的微电子芯片的制造。本发明尤其涉及支撑结构的使用，以在半导体器件中集成超低介电常数(K)的材料。
背景技术：
硅集成电路的工作速度正在显著地提高，以满足在计算、通信和微控制器应用中需要的强大性能。这又需要减少用于互连芯片上的电路的布线中的信号传输延迟，从而不会由于互连延迟而较大地限制或妨碍性能。芯片中互连延迟的发生是由于RC时间常数，其中R是芯片布线中的电阻值，C是在多层互连叠层中的信号线和周围导体之间的有效电容量。
通过减小围绕这些线的绝缘介质的介电常数K，可以减小互连电容量。因此，已经有很多研究，用于在互连结构中确定和使用低K绝缘体。为此已经提出可能用作低K材料的全部绝缘体材料包括氟化硅、经过或未经过氟化的聚合物、无定形特氟隆类聚合物、以及由多孔硅形成的气凝胶。
将低K介质材料集成到这种布线结构中存在几个实际困难。首先，很多这些低K材料的物理化学性质对于化学机械抛光处理不是最优的。例如，大部分聚合材料过于软，在化学机械抛光中过快地腐蚀，从而不能很好地控制嵌入的层厚。通过在介质上施加硬覆层作为化学机械抛光停止层可以控制一些上述情况，但是需要附加的处理，并难于确保低K材料与所述附加层的处理的兼容性。其次，大部分低K聚合物在温度等于或大于400℃时发生变质。从而，因为它们不能经受在退火工艺中造成的器件毁坏，所以不适合用于器件互连应用，所述退火工艺严格地限制了可以用于该目的的介质的选择。最后，如气凝胶的多孔无机介质在机械上非常脆弱(即多孔和易碎)，因此不可能经受重复的金属沉积和化学机械抛光的多层制造方法。
Chang等人的美国专利5,559,005中提出的方法解决了这个问题，其中第一层由铝基互连布线形成，包括绝缘体(二氧化硅)和沉积在绝缘体的过孔中的柱层。然后在第一层上沉积第二互连布线铝合金层，并对其构图。通过蚀刻工艺从金属特征之间除去绝缘体。然后全部或部分地在所述结构中填充低介电常数材料，并且在形成的结构上沉积钝化层。通过由低K绝缘体代替氧化物材料的该过程，实现了对介电常数的净降低。尽管该方法从原理上可以实现均匀和较低K值的介质，但是部分中空的低K介质结构不能获得均匀或预定的有效K值，因为空隙的存在与否依赖于多种因素，包括金属特征的尺寸、间隔和纵横比，并且对于基于溶液的绝缘体沉积，还依赖于填充绝缘体前体溶液的粘度和溶剂成分。这复杂化了设计电路的任务，因为电路需要精确地获得有效介电常数，并使其保持在窄范围内，以获得最小化的延迟容差，从而提高芯片性能。
Buchwalter等人的美国专利6,148,121提出了一种方法，其中，将具有最低介电常数的空气用作级内介质。通过半导体处理领域中现有的方法和材料制造多层互连布线结构；然后通过合适的蚀刻工艺除去相邻金属特征之间的级内介质；对蚀刻的结构进行退火，以除去等离子体损伤；在暴露的蚀刻的结构上施加薄钝化涂层；在钝化的金属特征的顶部表面上层压绝缘覆层；在覆层上可选地沉积绝缘环境阻挡层；以及在环境阻挡层、覆层和薄钝化层中蚀刻出过孔，用于接线焊盘接触。通过形成接线输入/输出焊盘完成该器件。尽管该方法通过避免使用低介电常数材料，克服了与低介电常数材料相关的例如可处理性和热稳定性的问题，但是该方法需要附加的处理步骤。
本发明的方法以有效和高成本效益的方法实现了上述目的，所述方法还避免了构图、蚀刻和对准的附加处理步骤。本发明通过采用接触印刷代替常规的平版印刷来形成支撑结构，为超低K介质的集成提供了更可行和经济的解决方案。使用接触印刷，即高产出(high-through-put)高解决方案印刷技术代替平版印刷，提供了常规芯片制造方法所不具有的几个优点。首先，接触印刷解决了在低于200nm的尺寸的制造科学的问题。其次，接触印刷使得能够提供完全新颖的半导体芯片制造的方法。直接进行图形转移，从而使得能够提供新颖的装配半导体器件的方法。接触印刷工艺还在制造半导体器件中提供了益处，其中支撑结构的对准对于接触印刷工艺不再关键。
发明内容
尽管希望在高性能微电子器件芯片中使用多孔超低介电常数的材料，但是由于其多孔性和差的机械稳定性，存在问题。多孔超低介电常数材料不能无故障地或不限制高模量介质材料地经受标准晶片处理。
因此，本发明的一个目的是提供实现解决上述问题和限制的低K芯片互连结构的方法。
本发明的另一个目的是利用易得的半导体处理工具和材料制造互连结构。
本发明的另一个目的是提供可行、低成本和高分辨率的解决方案，用于集成超低K介质材料，其中通过采用接触印刷技术，所述技术不需要构图、蚀刻或对准的常规制造步骤，解决了在低于200nm的尺寸下的制造科学的问题，并且允许装配器件制造的新方法。
本发明的另一个目的是提供用于由绝缘材料形成的多孔超低介电常数材料的支撑结构，其能够使多孔超低介电常数材料在化学机械抛光处理中经受机械应力。
本发明的另一个目的是提供一种方法，其中使支撑结构与多孔低介电常数材料的面积比非常低，从而组合的总介电常数保持接近多孔低介电常数材料的介电常数。
通过参考附图详细描述本发明，将使本发明的其它目的、特征和优点更加显而易见，其中图1示出了形成本发明的低K介质半导体器件的沉积和构图金属覆盖的衬底层的步骤；图2示出了形成本发明的低K介质半导体器件的利用高产出印刷技术形成印刷支撑结构的步骤；图3示出了形成本发明的低K介质半导体器件的沉积多孔超低介电常数材料的步骤；图4示出了形成本发明的低K介质半导体器件的平面化多孔超低介电常数材料的步骤；图5示出了形成本发明的低K介质半导体器件的抛光停止膜沉积的步骤；图6示出了形成本发明的低K介质半导体器件的形成金属柱层的步骤；图7示出了形成本发明的低K介质半导体器件的形成金属互连的步骤；图8a示出了形成本发明的低K介质半导体器件的支撑结构的接触印刷工艺；图8b示出了本发明的低K介质半导体器件的支撑结构；图9示出了对本发明的低K介质半导体器件的支撑结构的第一非限制性构图；以及图10示出了对本发明的低K介质半导体器件的支撑结构的第二非限制性构图。
具体实施例方式
本发明公开了一种多层低介质K的半导体器件的制造方法，所述器件具有非常低的电容量，从而具有快的传播速度。本发明的半导体通过采用无孔低K介质绝缘材料支撑结构，成功地集成了多孔、以及因此易碎、超低K介质绝缘材料(或多种材料)。所述支撑结构用作支架，使超低K介质经受住在化学机械抛光步骤中施加的机械应力。通过下面的步骤形成半导体器件如图1所示，在衬底10上沉积第一金属层20。可以由铝、铜或类似的材料形成第一金属层20。构图第一金属层20以形成构图的第一金属布线30。通过本领域公知的常规方法，例如反应离子蚀刻(RIE)或镶嵌工艺进行对第一金属层20的构图。
如图2所示，通过对构图的第一金属布线30施加第一绝缘材料40，形成超低K介质材料的支撑结构50。第一绝缘材料40是无孔低K介质。如图8a所示，在构图的第一金属布线30上形成支撑结构50，并利用接触印刷对其进行构图。图8b示出了利用图8a所示的方法构图完成的支撑结构。通过利用希望图形的反图形在模板70上浇铸聚二甲基硅氧烷(PDMS)，来制造接触印刷的印模(stamp)60。利用电子束或STM平板印刷制造所述反图形。固化支撑结构50，并将PDMS印模60从模板70剥离。然后将模板70暴露于由印模60和衬底80之间的瞬时接触传送的墨水。图8a和8b示出了用于镀覆的非限制性可选支撑结构图形。
第一绝缘材料40优选具有低于3.9的介质K。第一绝缘材料40可以是常规的聚合物或具有适当物理强度的绝缘体。合适的有机聚合材料的非限制示例包括芳香族热固性聚合树脂，例如Dow Chemicals公司制造的商标为SiLK的树脂和Honeywell Microeletronics制造的商标为Flare的聚合树脂。另外，可以使用在CMP中可以经受强力的无孔无机或有机-无机混合材料，如甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、MSQ-HSQ共聚物、MSQ-HSQ混合物、原硅酸四乙酯、或任何其它低K无机材料。优选为有机芳香族热固性聚合物，因为其相比于无机介质具有更大的强度。
接触印刷比常规平板印刷具有更大的优点。接触印刷不需要常规平板印刷所需要的构图和蚀刻。接触印刷可以在小于200nm的尺寸下制造。接触印刷还提供了半导体制造的新颖方法，因为直接进行图形转移，不存在衍射限制，其固有地平行，并且其使用保形接触以影响衬底的材料性质。
如图3所示，在支撑结构50上沉积第二绝缘材料90。第二绝缘材料90是多孔超低K介质材料，其介质K低于支撑结构50的第一绝缘材料40的介质K。适合第二绝缘材料90的超低介质K材料的示例为介质K低于2.2的任何有机或无机介质材料。优选，第二绝缘材料90的介质K低于1.8。还可以使用多孔无机材料或有机-无机混合物，如多孔甲基倍半硅氧烷(MSQ)、多孔氢倍半硅氧烷(HSQ)、多孔MSQ-HSQ共聚物、多孔MSQ-HSQ混合物、多孔原硅酸四乙酯、或任何其它多孔低K无机材料。合适的多孔有机材料可以包括任何芳香族热固性聚合树脂，例如DowChemicals公司出售的商标为SiLK的树脂、Honeywell microelectronics出售的商标为Flare的聚合树脂、以及其它供应商出售的类似树脂。
可选地，用于第二绝缘材料90的多孔超低介电常数材料可以施加为包括牺牲隔离层的无孔材料。随后通过热处理或其它本领域已知的处理除去牺牲隔离层。
然后如图4所示对第二绝缘材料90进行平面化。通过回蚀刻或化学机械抛光处理进行平面化。优选，在沉积化学机械抛光停止层之前采用回蚀刻处理来平面化第二绝缘材料90的表面100。通过首先旋涂材料实现对平表面的回蚀刻，所述材料类似于使用的介质材料，与介质材料具有相同的蚀刻率，并且可以形成平表面。通过对薄聚酰胺层的旋涂，实现了非限制性的示例。然后可以利用定时蚀刻工艺蚀刻该涂层，以平面化介质材料的表面。
然后如图5所示，在所述平面化的低介质K表面100上沉积化学机械抛光停止膜层110。化学机械抛光停止膜层110通过从表面除去多余的材料，减小了表面100的粗糙度。
然后如图6所示，利用镶嵌工艺，在第一金属层20上形成多个互连金属柱120。互连金属柱120示出为通过化学机械平面化使其隔离。在第二绝缘介质材料中平版印刷地限定互连图形，从而形成沟槽。沉积金属以填充形成的沟槽。通过化学机械平面化除去多余的金属。
然后如图7所示，在所述抛光停止膜层110上沉积第二金属层130，以形成与金属柱120的互连。构图第二金属层130以形成到第一金属层20的互连。
可以可选地重复全部过程，以形成具有垂直路径的叠层半导体器件。
因为支撑结构与多孔介质的面积比较低，组合的总介质K保持接近多孔低介质K材料的介质K。添加低K多孔和支撑材料之后的半导体器件的介质K为K1*r+K2*(1-r)，其中K1和K2分别是低K多孔和支撑材料的介质K，r是支撑面积与总面积之比。如果K2＜＜K1并且r＜＜1，则绝缘膜的有效介质K保持非常低，并且结构将足够坚固以支持随后的制造方法。
通过参考特定的优选实施例已经描述了本发明。应该理解，上述描述和示例只是为了说明本发明。只要不脱离本发明的精神和范围，本领域的技术人员可以作出本发明的各种替换和修改。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求书范围内的所有替换、修改和变化。
权利要求
1.一种制造低介电常数半导体的方法，包括以下步骤在衬底上沉积第一金属层；构图所述第一金属层以形成构图的第一金属布线；在所述构图的第一金属布线上形成支撑结构，其中所述支撑结构是介电常数为K1的第一绝缘材料；构图所述支撑结构；在所述支撑结构上沉积第二绝缘材料，其中所述第二绝缘材料的介电常数为K2；平面化所述第二绝缘材料；在所述平面化的第二绝缘材料上沉积抛光停止膜层；在所述抛光停止膜层中形成多个金属柱；在所述抛光停止膜层上沉积第二金属层，以形成第二金属布线；以及构图所述第二金属层，以通过所述金属柱在所述第二金属布线和所述第一金属布线之间形成互连。
2.根据权利要求1的方法，还包括重复每个所述步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中所述第二绝缘材料的所述介电常数K2低于所述第一绝缘材料的所述介电常数K1。
4.根据权利要求1的方法，其中通过反应离子蚀刻或镶嵌工艺构图所述第一金属层。
5.根据权利要求1的方法，其中通过接触印刷形成所述支撑结构。
6.根据权利要求5的方法，其中所述接触印刷包括以下步骤形成印模；形成连接到所述印模的模板，其中所述模板具有希望印刷图形的反图形；固化所述模板和所述印模；从所述模板剥离所述印模；以及将所述模板暴露于墨水。
7.根据权利要求1的方法，其中沉积所述第二绝缘材料的所述步骤还包括以下步骤施加具有隔离层的无孔材料；以及除去所述隔离层。
8.根据权利要求7的方法，其中通过加热进行所述除去步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中通过回蚀刻处理、化学机械抛光处理或其任意组合进行所述平面化步骤。
10.根据权利要求9的方法，其中所述回蚀刻处理包括以下步骤旋涂蚀刻率与所述第二绝缘材料相同的材料；以及蚀刻所述旋涂材料，以在所述第二绝缘材料上形成平表面。
11.根据权利要求1的方法，其中通过镶嵌工艺形成所述金属柱。
12.根据权利要求1的方法，其中所述第一绝缘材料是介电常数低于4的低K介质。
13.根据权利要求1的方法，其中所述第一绝缘材料是介电常数低于3的低K介质。
14.根据权利要求1的方法，其中所述第一绝缘材料选自聚合物、有机聚合材料、无机聚合材料、聚合树脂、无孔无机材料、有机-无机混合材料、低介电常数有机材料、低介电常数无机材料或其组合。
15.根据权利要求1的方法，其中所述第二绝缘材料是介电常数低于2的低K介质。
16.根据权利要求1的方法，其中所述第二绝缘材料是介电常数低于1.8的低K介质。
17.根据权利要求1的方法，其中所述第二绝缘材料是多孔无机-有机混合物。
18.根据权利要求17的方法，其中所述多孔无机-有机混合物选自多孔甲基倍半硅氧烷、多孔氢倍半硅氧烷、多孔甲基倍半硅氧烷-氢倍半硅氧烷共聚物、多孔甲基倍半硅氧烷-氢倍半硅氧烷混合物、多孔原硅酸四乙酯或其任意组合。
19.根据权利要求1的方法，其中所述第二绝缘材料是多孔有机材料。
20.根据权利要求19的方法，其中所述多孔有机材料是芳香族热固性聚合树脂。
21.根据权利要求1的方法，其中所述第一绝缘材料是无孔材料。
22.根据权利要求1的方法，其中所述第二绝缘材料是多孔材料。
23.一种低介电常数器件，通过包括以下步骤的方法制备在衬底上沉积第一金属层；构图所述第一金属层，以形成构图的第一金属布线；在所述构图的第一金属布线上形成支撑结构，其中所述支撑结构是介电常数为K1的第一绝缘材料；构图所述支撑结构；在所述支撑结构上沉积第二绝缘材料，其中所述第二绝缘材料的介电常数为K2；平面化所述第二绝缘材料；在所述平面化的第二绝缘材料上沉积抛光停止膜层；在所述抛光停止膜层中形成多个金属柱；在所述抛光停止膜层上沉积第二金属层，以形成第二金属布线；以及构图所述第二金属层，以通过所述金属柱在所述第二金属布线和所述第一金属布线之间形成互连。
24.一种制造低介电常数半导体的方法，包括以下步骤在衬底上沉积第一金属层；构图所述第一金属层，以形成构图的第一金属布线；在所述构图的第一金属布线上形成支撑结构，其中所述支撑结构是介电常数为K1的第一绝缘材料；构图所述支撑结构；在所述支撑结构上沉积第二绝缘材料，其中所述第二绝缘材料的介电常数为K2，低于所述第一绝缘材料的所述介电常数K1；平面化所述第二绝缘材料；在所述平面化的第二绝缘材料上沉积抛光停止膜层；在所述抛光停止膜层中形成多个金属柱；在所述抛光停止膜层上沉积第二金属层，以形成与所述金属柱的互连；以及构图所述金属层，以通过所述金属柱互连第二金属布线和所述第一金属布线。
全文摘要
一种制造低介电常数半导体的方法，包括以下步骤在衬底上沉积第一金属层；构图第一金属层，以形成构图的第一金属布线；在构图的第一金属布线上施加第一绝缘材料以形成支撑结构；通过接触印刷工艺构图第一绝缘材料；在支撑结构上沉积较低介电常数的第二绝缘材料；平面化第二绝缘材料；在平面化的第二绝缘材料上沉积抛光停止膜层，以形成多个金属柱；在抛光停止膜层上沉积第二金属层，以形成与所述柱的互连；以及构图金属层，以形成通过金属柱互连到第一金属布线的第二金属布线。
文档编号H01L23/532GK1677644SQ20051006300
公开日2005年10月5日 申请日期2005年4月1日 优先权日2004年4月2日
发明者L·克莱文杰, L·徐, T－D·袁, C·蒂贝格 申请人:国际商业机器公司