包含气隙的多层互连结构和制造方法

专利名称：包含气隙的多层互连结构和制造方法
技术领域：
本发明涉及一种包含气隙的金属/绝缘体互连结构，用于超大规模集成(VLSI)和特大规模集成(ULSI)设备和封装，尤其涉及与将气隙引入多层互连结构的多级相关的结构、方法、以及材料。
背景技术：
在超大规模集成(VLSI)或特大规模集成(ULSI)半导体芯片中的装置互连通常受包含称为迹线的金属线路层的图形的多级互连结构的影响。当各个线路级被级间介质层相互隔开时，在给定迹线或线路级中的线路结构被级内介质分离。在级间介质中形成导电过孔以在线路迹线之间提供级间接触。
通过它们在信号传播延迟上的效应，这些互连结构的材料和布局能够基本影响芯片速度，以及芯片性能。信号传播延迟是由于RC时间常数而导致的，其中R是芯片上线路的电阻，C是多级互连叠层中的信号线和周围导体之间的有效电容。通过降低线路材料的特定电阻，并且通过使用具有低介电常数k(k为大约4.0或更小，优选为大约3.5或更小)的级间和级内介质，降低RC时间常数。除非另有说明，这里所述的所有介电常数都是相对于真空的。
典型的现有技术的用于低RC互连结构的金属/介质组合包括铜(Cu)和例如SiO2(k在大约4.0的量级)的介质。由于刻除地构图铜较困难，含铜的互连结构通常通过镶嵌工艺来制造。在镶嵌工艺中，插入介质层的金属图形通过以下步骤形成(i)在级间或级内介质内蚀刻孔(用于过孔)或者沟槽(用于线路)，(ii)可选地使用一个或多个粘合剂或扩散阻挡层衬涂孔或沟槽，(iii)使用金属线路材料过填孔或沟槽，以及(iv)通过平面化工艺例如化学机械抛光(CMP)除去金属过填物，使得金属与介质的上表面齐平。重复该工艺，直到形成希望数目的线路和过孔级。
通过使用称为双镶嵌的工艺变化可以大大简化利用镶嵌工艺对互连结构的制造，其中在同一沉积步骤中用金属填充用于线路级和其下的过孔级的构图腔。这将金属抛光步骤数减少了一半，大大节省了成本，但是需要将双凸纹(dual-relief)图形引入到组合的过孔加线路级介质中。
代替介质SiO2的低k替代物包括碳基固态材料，例如类金刚石碳(DLC)，也称为无定形氢化碳(a-C:H)、氟化DLC(FDLC)、SiCO或者SiCOH化合物、以及有机或无机聚合物介质。SiO2和一些碳基材料的纳米孔形式具有甚至更低的k值，而气隙具有任何材料的最低k值(k在约1.00的量级)。注意，气隙中的空气可以包括任何气态材料或者真空。
以下描述结合气隙的多层互连结构的实施例，例如，R.H.Havemann等的美国专利5,461,003；A.Grill等的美国专利5,869,880；以及M.S.Chang等的美国专利5,559,055。
一种优选的用于形成气隙的现有技术方法使用牺牲位置占有(SPH)材料，其被从固态半渗透或穿孔的桥层之下除去或抽出。SPH材料和除去方法的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚对二甲苯(ParyleneTM)、无定形碳，以及聚苯乙烯，其可以通过有机溶剂、氧灰化和/或低温(近似200℃)氧化除去；降冰片烯基材料，例如BF Goodirich的Unity Sacrificial PolymerTM，其通过低温热分解成挥发物来除去；以及使用气相XeF2除去的a-Si或多晶Si。
与具有固态介质的结构相比，气隙基结构具有较低的导热性、较低的机械强度、较高的对湿气和氧气的渗透性。用于将气隙结合入互连结构的可用方案必须考虑到这些限制。此外，由于线路部件不再通过嵌入到固态介质来受到尺寸约束，因此关于气隙介质的另一个问题是，该介质使得金属线路部件更加容易由于电迁移驱动的质量迁移而导致的断路和短路。
另一个问题是，具有气隙的结构不能与由固有较硬的固态介质制成的结构那样是均匀平面的。当桥层在未支撑气隙上下陷而导致局部区域凹陷时，这将成为问题。填充这些下限区域的任何金属将在CMP之后留存在该结构中，并且可能导致短路和/或额外电容。
根据上述的现有技术的含气隙的互连结构的缺点，一直需要研发新的且改进的含气隙的互连结构及其制造方法。

发明内容
本发明提供一种可靠的高性能的含气隙的多层互连结构。尤其是，本发明提供一种含气隙的互连结构，其可以抵抗电迁移故障和环境腐蚀。
本发明还提供一种含气隙的互连结构，其最大化气隙体积率(相对于介质的总体积量)，而最小化未支撑线路的量。
本发明还提供一种用于制造结合气隙的多级互连结构的成本效率高且可改进的方法。
在本发明的一个实施例中，本发明提供一种用于形成含气隙的互连结构的方法，该方法减小了在制造结构中可能对结构中的气隙造成损坏的工艺数。
在本发明的另一个实施例中，提供一种可以制造含气隙的互连结构的方法，该方法减小了与以下相关的额外步骤的数量(i)抽出牺牲位置占有材料，以及(ii)形成、构图以及夹断(pinch off)桥层，该牺牲位置占有材料(SPH)必须通过该桥层除去。
概括地说，本发明提供一种多级的含气隙的互连结构，以及一种制造其的可操作的简单方法。该结构的优选实施例包括“气隙加固态”过孔级介质(固态介质仅在线路之下，以及在线路之间的被穿孔的固态介质)加大多数气隙线路级介质的组合。制造方法建立嵌入介质阵列中的平面的、双镶嵌的“过孔加线路”对，该介质阵列包括位于过孔级中的永久、穿孔介质，以及位于线路级中的牺牲位置占有(SPH)材料。在已经组装了期望数量的级对之后，在该结构上形成含孔或穿孔的介质桥层。然后，通过穿孔桥层有选择地除去在所有级中的SPH，留下永久介质。由于一次同时除去SPH和形成气隙，所以在气隙结构制造的结尾，在该结构的下级中的气隙不必经历多级处理。在SPH抽出之后，通过额外介质沉积步骤夹断在桥层中的穿孔。
在上述第一实施例的变形中，可以在含气隙的结构上形成不包含气隙的额外线路和过孔级，以形成一种较复杂的含有位于其下部线路级中的气隙和位于其上部线路级中的固态介质的互连结构。在具有基本相同的工艺顺序的第二实施例中，可以在互连结构的线路和/或过孔的侧壁上形成介质侧壁隔离体。当这些隔离体将增加该结构的有效介电常数keff时，有益于机械和电迁移保护，以及降低发生电弧的可能性。
概括地说，本发明提供一种用于形成多层互连结构的方法，该多层互连结构包括通过固态和气态介质的组合来隔开的互连导电线路和过孔，所述方法包括(a)提供初始结构，该初始结构包括包括一种或多种永久介质层的构图的过孔级介质，所述构图的过孔级介质位于第一平面“线路级”上，所述第一平面“线路级”具有嵌入到牺牲位置占有介质中的导电部件，并且所述构图的过孔级介质通过其整个厚度被构图出用于过孔的腔和用于随后迁移所述牺牲位置占有介质的穿孔；(b)在所述构图的过孔级介质上形成牺牲位置占有介质的构图的下一个平面线路级层，所述下一个线路级的介质通过其整个厚度被构图出用于线路的腔；(c)使用一层或多层导电粘合/阻挡材料衬涂所述过孔和线路腔，并且使用低电阻率的导电材料填充所述过孔和线路腔，以形成平面结构；(d)形成介质桥层，其内具有位于所述平面结构之上的穿孔；以及(e)通过所述穿孔至少部分地抽出所述位置占有材料而形成气隙。
在本发明的一些实施例，将步骤(a)-(c)至少重复一次以提供多层结构。注意，本申请全文中使用的术语“低电阻率”表示具有小于等于大约3微欧.厘米的体电阻的导电材料。术语“低k介质”表示具有小于等于大约4.0的介电常数的介质材料。
通常，在衬底上沉积本申请步骤(a)中提供的初始结构。
除上述方法以外，本发明还提供一种多级含气隙的互连结构，包括散布的线路级和过孔级的集合，所述线路级包括导电线路和含气隙的介质，而所述过孔级包括嵌入到一个或多个介质层的导电过孔，其中位于所述过孔级中的所述介质层固态地位于相邻级中的线路部件之下或之上、并且在线路部件之间被穿孔；以及固态介质桥层，其包括位于所述散布的线路和过孔级的集合之上的导电接点。


通过结合附图考虑本发明的以下详细描述，将更了解本发明的这些和其它特征、目的、以及优点，其中图1A-1O示出了本发明的用于形成含气隙的互连结构的基本步骤的截面图；图2A-2C示出了一个工艺步骤的示意性结果；图3A-3E示出了用于形成与图1G的结构功能相同的类似结构的两种方法的截面图；图4A-4D示出了用于在线路和/或过孔部件上形成介质侧壁隔离体的可用方法的截面图；以及图5A-5B示出了从本发明的基本结构的变形所导出的两种结构变形的截面图。
具体实施例方式
参考以下描述和附加于本申请的附图详细描述本发明，本发明提供了一种高性能的包含气隙的多层互连结构及其制造方法。注意，提供附图是为了说明，因此，它们没有按比例绘制。如果不是用于理解特定附图所需，在一组附图中所示的附图标记在随后的附图中不再复述。
在以下描述中，提出多个具体的细节，例如特定结构、部件、材料、尺寸、处理步骤以及技术，以提供对本发明的充分了解。但是，本领域技术人员应该明了，本发明也可以实施为没有这些具体细节。在其它实例中，为了避免使本发明不清楚，没有详细描述公知结构或处理步骤。
图1A-1O以截面图示出了用于形成包含气隙的互连结构的本发明的基本步骤。图1A示出了在施加可选的介质蚀刻停止/阻挡/粘合层110和介质牺牲位置占有(SPH)层120之后的衬底100(其通常包括散布有导电区域和绝缘区域的器件)，所述介质牺牲位置占有层的结合厚度近似等于希望线路级的厚度。
图1B示出了在构图介质层110-120以形成线路腔130之后的图1A的结构。未示出用于限定线路腔130的掩模层。在腔形成之后可以立即、或者在工艺中后续的时间(例如，在用作抛光停止层之后)，除去掩模层；可选的是，掩模层的全部或部分可以保留在最后的结构中。然后，使用导电粘合/扩散阻挡材料140衬涂线路腔130，并且然后使用与导电材料140相同或者不同的导电线路/过孔材料150过填所述线路腔。然后，通过例如化学机械抛光的工艺除去过填物，以留下图1D的具有导电线路结构160的平面结构。
图1E示出了在施加可选介质蚀刻停止/阻挡/粘合层170和永久介质180以形成结合的过孔级介质190之后的图1D的结构，该结合的过孔级介质具有用于导电过孔所需的近似厚度。然后，过孔级介质190被构图以具有过孔腔200(其之后使用导电过孔材料填充)和穿孔210(后面将通过其抽出SPH材料120)而形成图1F的结构。本发明的重要组成在于，在单个掩蔽步骤中同时限定图1F的过孔腔200和穿孔210，因此节省了如果分别限定这些特征而所需的光刻和对准步骤。穿孔210通常具有最小的光刻尺寸，并且优选定位为使得(i)不终止于之前在下一级中形成的导电线路上，和(ii)不终止于将随后在上一级中形成的导电线路上。根据几何布局、包含致密隔开的穿孔的过孔级介质的机械强度以及对于期望的抽出效率所需的对SPH材料的接触程度，穿孔210可以以从最小光刻尺寸到几微米的距离来分隔开。利用纳米技术领域的技术人员已知的先进技术(例如自组装)，穿孔210也可以设计成具有次极小的光刻尺寸。
图1F的过孔腔200和穿孔210可以通过本领域技术人员所公知的任何蚀刻工艺例如反应离子蚀刻(RIE)来形成。优选在两步骤RIE工艺中形成过孔腔200和穿孔210，其中蚀刻停止/阻挡/粘合层170用作RIE构图介质层180的蚀刻停止层。
图1G示出了在构图的过孔级介质层190上施加介质SPH层220之后的图1F的结构。SPH层220具有平面上表面、以及下表面，该下表面可以部分地(如图所示)或完全地(未示出)延伸入过孔腔200和穿孔210。然后，通过本领域技术人员所公知的蚀刻工艺例如RIE构图SPH层220，以形成具有线路腔240的图1H的结构。优选，永久介质层180用作RIE构图SPH层220的蚀刻停止层。
然后，使用导电粘合/扩散阻挡材料250衬涂线路腔240，所述线路腔的部分与过孔腔200相邻，然后，使用与导电材料250相同或者不同的导电线路/过孔材料260过填所述线路腔240，以形成图1I的结构。然后，通过例如化学机械抛光的工艺除去过填物，以留下图1J的平面结构。注意，仅使用单个平面化步骤，形成导电过孔结构270和线路结构280的双镶嵌工艺特征。
在重复图1E-1J步骤以形成希望数量的线路级和过孔级之后，沉积介质桥层290以形成图1K结构。介质桥层290包括光学介质蚀刻停止/阻挡/粘合层300和低k介质层310。然后，使用穿孔320构图介质桥层290(随后通过其抽出SPH)以形成图1L的结构。穿孔320可以通过现有技术的任何方法来形成；一种优选方法是利用光刻限定的掩模的反应离子蚀刻(RIE)。穿孔320优选终止于SPH材料220而不是导电线路部件280。穿孔320可以在一个区域中邻近地间隔，在该区域中导电部件的高密度使得除去尽可能多的SPH较重要，而穿孔320可以在一个区域中稀疏地间隔或不存在，在该区域中期望在该结构中留下SPH以支持桥层。
然后，抽出在图1L中的SPH材料120和220以形成具有气隙330的图1M的结构。适当的抽出方法可以包括热分解(具有或没有反应气体)；在可以包括H、H2、O、O2、N、N2、F、CF4、其它含卤素的气体和/或Ar的混合物中在加热和不加热下的等离子体和/或反应离子蚀刻；气相HF或XeF2；湿法蚀刻；具有或不具有添加剂或助溶剂的超临界流体(SCF)(例如，CO2)。但是，重要的是，抽出方法是选择性的必须除去SPH，而不破坏该桥层、永久(过孔级)介质、或导电线路和线路衬层。因此，优选抽出方法的选择与用于SPH的抽出材料和互连结构的永久部分紧密相关。
最后，密封介质桥层300中的穿孔320。可以通过不同沉积工艺填充、或“夹断”穿孔以形成如图1N所示的封闭气隙350。如果希望，在夹断步骤中沉积的材料可以通过例如化学机械抛光的工艺或者通过在RIE后施加平面化介质来平面化。然后，在所选择的用于额外接点360的位置中打开夹断的桥层300/340，以形成图1O的结构，所述接点360包括导电粘合/阻挡层370和导电接点材料380。注意，封闭的气隙350的内容物可以包括Ar、O2、N2、He、CO2、SF6、CF4、其它气体、真空及其混合物，而接点360可以可选地具有用于额外线路级的互连结构的过孔形式。
一种优选的夹断工艺可以包括将1μm厚的PECVD的SiO2层沉积在1μm厚的PECVD的SiO2介质桥层上，该桥层被预构图有直径为0.2μm的孔或穿孔。可以通过不需要沉积单独夹断层的方法来可选地密封穿孔320。例如，可以在施加热、浸没于等离子体中、e束辐射、UV辐射、和/或激光辐射期间引起穿孔320自密封。可选地是，选择性地沉积夹断层340，使得夹断层340的材料优选插入穿孔320而不是累积在桥层300上。
在包含介质110、120、170和180的过孔和线路级中的不同介质可以选自于如下材料含硅材料，例如无定形氢化硅(a-Si:H)、SiO2、Si3N4、SiOxNy、SiC、SiCO、SiCOH以及SiCH化合物；部分或所有Si被Ge置换的上述含硅材料；绝缘金属氧化物或氮化物；无机氧化物、无机聚合物；有机聚合物，例如聚酰亚胺或SiLKTM；其它含碳材料；有机-无机材料，例如旋涂玻璃和倍半硅氧烷基材料；具有或不具有选自于F、N、O、Si、Ge、金属、非金属中的一种或多种添加剂的类金刚石碳(DLC，也称无定形氢化碳，a-C:H)。一种或多种过孔和/或线路级介质的其它选择包括如下形式的任何上述材料，所述材料为多孔形式，或者是这样的形式，其中在加工期间从多孔和/或可渗透的变为非多孔的和/或不可渗透的、或者从非多孔的和/或不可渗透的变为多孔和/或可渗透的。介质层110、120、170和180也可以是混合物、多层或上述材料的层组合。用于过孔级介质190的尤其优选的选择包括用于层170的低k阻挡材料例如SiCH，以及用于层180的SiO2或SiCOH型材料。
介质层110、120、170和180可以由相同材料、不同材料或任何组合形成。介质可以由本领域技术人员已知的以下不同方法形成，包括但不限于溶液旋涂、溶液喷涂、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、溅射沉积、反应溅射沉积、离子束沉积和蒸镀。
介质桥层290优选由一层或多层的一种或多种低k材料形成，例如单层SiO2、a-Si:C:H(嵌段)、SiCOH或SiNx；包括在SiNx或a-Si:C:H层上SiO2层的双层；包括如下的三层SiNx或a-Si:C:H顶层，SiO2中间层，以及SiNx或a-Si:C:H底层。但是，可以使用所列出的可用于介质110、120、170和180任何材料和沉积工艺。
SPH材料120和220不需要为相同的、低k、或甚至不导电的。但是，优选SPH材料相同(用于使工艺简单化)，并且优选是不导电的和低k的(从而在抽出工艺之后的任何SPH残留物不会缩短互连结构，或增加显著的电容)。SPH材料120和220优选充分热稳定，从而可以经历在抽出之前需要的各个沉积和处理步骤。
用于选择性抽出工艺的可用的SPH和永久过孔级介质对包括用于SPH的有机物和用于永久介质的SiO2或SiCOH，这里有机物可以是如SiLKTM的材料(多孔或无孔)、聚酰亚胺、具有或不具有添加剂的无定形碳a-C:H、低热稳定性材料，如，聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚对二甲苯(ParyleneTM)、以及降冰片烯基材料，例如BF Goodrich的Unity Sacrificial PolymerTM，或列出的可用于介质110、120、170和180的任何其它有机材料。更概括地说，其它SPH/永久过孔级介质组合可以从列出的可用于介质110、120、170和180的任何材料中选取。
导电线路和过孔结构150和260通常由以下金属或其合金形成Al、Cu、Au、Ag、W、Al-Cu、Cu-Al、Cu-In、Cu-Sn、Cu-Mg以及CuSi。导电粘合/扩散阻挡层140和250通常是选自于如下物质的一层或多层金属氮化物，包括TaN、TiN、TaAlN、TiAlN；金属硅氮化物；金属，包括Ta、Cr、Co、Co-P、Co-W-P、Ni、Ni-P、Pd、W、Al；金属硅化物；上述材料的合金、混合物以及多层。这些导电材料可以通过本领域技术人员已知的不同方法形成，包括但不限于溶液旋涂、溶液喷涂、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、溅射沉积、反应溅射沉积、离子束沉积和蒸镀。
图2A-2C示出了对于一种优选材料选择的SPH抽出步骤的示意性结果。图2A-2B示出了在通过穿孔桥层的SPH抽出之前和之后的单层线路结构的示意图，以及图2C示出了对于Cu线路、由PECVD制备的有机类金刚石碳(a-C:H)SPH材料、以及SiO2桥层的情况，图2B结构的扫描电子显微图。通过高压(1000mTorr)O2RIE工艺来执行SPH抽出，所述工艺中利用70W的rf功率(对应于近似0.22W/cm2的功率密度)、150℃衬底温度和60sccm O2流。在这些条件下，SPH材料的横向蚀刻速率是大约10到13μm/小时。图2C示出了在蚀刻70分钟之后的样本。
图3A-3E以截面示出了用于形成SPH层220的两种方法，所述SPH层220如图1G所示部分延伸入过孔腔200和穿孔210。SPH层220可以完全填充间隙、部分填充间隙(如图1G所示)、或完全不填充间隙。图3B示出了图3A的具有构图的过孔级介质190在施加完全填充间隙的SPH层400后的结构，所述SPH层400可通过例如CMP的工艺来平面化以形成具有平面表面410的图3C的结构。然后，在平面表面410上形成第二SPH层，以形成图1G中的SPH层220的等同物。可选地是，可以选择较少或不填充间隙的SPH材料，以形成图3E的具有SPH层430的结构，这里SPH层430相当于是图1G中的SPH层220。SPH材料400、420和430选自于前述用于SPH材料120和220的材料。
图4A-4D以截面示出了用于在线路和/或过孔部件上形成介质侧壁隔离体的可用方法。在导电线路部件的侧壁上的介质侧壁隔离体可以起几个关键作用。首先，隔离体提供对导体的机械约束以抵抗对导电材料的电迁移驱动质量迁移而使其离开线路结构。这有助于防止由于线路材料扩散至初始线路之外而留下空腔所导致的断路，并且防止由于线路材料形成于初始线路外部而形成突起所导致的短路。此外，介质侧壁隔离体能够保护线路免于暴露于气隙中的气体环境污染物(例如氧气)，以及防止用于线路材料的原子的可能迁移路径，否则所述原子可能迁移到半导体衬底。但是，应该注意，这些隔离体也带来了该结构的较高keff以及额外工艺步骤。
优选由例如SiO2、a-Si:C:H(嵌段)、SiCOH、倍半硅氧烷基材料、含硅有机物、以及SiNx的低k材料形成介质侧壁隔离体。但是，可以使用列出的可用于介质110和120的任何材料和沉积工艺。用于形成这些介质侧壁隔离体的优选工艺顺序在图4A-4C中示出。将介质隔离体材料500沉积在图4A的结构上作为保形衬层，以形成图4B的结构；然后，通过例如RIE的工艺对隔离体材料500进行各向异性地蚀刻，以除去所暴露的水平区域，而留下过孔级侧壁隔离体510和线路级侧壁隔离体520，如图4C所示。可选的是，如图4D所示，介质侧壁隔离体530和540可以通过如下从图4A的结构形成改性牺牲线路级介质220的暴露表面以形成侧壁隔离体层，该侧壁隔离层可以抵抗用于除去未改性的SPH的抽出工艺。该方法的优点在于，仅将侧壁隔离体层施加到线路级腔侧壁(在需要处)，而不是线路级和过孔级腔侧壁。改性工艺的实例包括(i)硅烷化有机SPH以形成抵抗氧气灰化的含硅材料，以及(ii)对多孔SPH的等离子体诱导表面致密化/改性。
图5A-5B以截面示出了可由本发明的方法制成的图1O的结构的可选结构。图5A示出了图1O的结构的变形的实例，其中在结构的每层结合介质侧壁隔离体530(通过对SPH的改性形成)。应该注意，可将介质侧壁隔离体不结合入、结合入部分或全部互连结构层中，图5A示出了仅在线路级具有侧壁隔离体的结构的情况。
图5B示出了如何使用选择性的、无电金属(例如，Co-P、Co-W-P、Ni-P等)镀覆工艺在导电线路的暴露表面上形成保护涂层560。在优选实施例中，应在沉积下一级的过孔介质之前，将这些镀覆步骤引入到例如图1D和/或图1J的平面化结构。
尽管以示意性方式描述了本发明，应当理解，所使用的术语旨在用于描述而不是为了限制。而且，尽管以几个优选实施例描述了本发明，可以理解，本领域技术人员易于将这些内容施加到本发明其它可能的变形中。特别是，尽管关于单镶嵌下部线路级加双镶嵌上部“过孔加线路”级详细描述了本发明，本发明的方法可以用于形成含任何数量的互连线路级的结构，所述结构的部分和全部可由本发明的方法形成。此外，尽管关于其中单镶嵌线路级包括在衬底上形成的互连结构的第一(最底层)部分的情况描述了本发明，但是，衬底中适当的接点可以允许由嵌入到固态过孔级介质和牺牲线路级介质中的双镶嵌“过孔加线路”级来替代互连结构的所述第一部分。
权利要求
1.一种用于形成多层互连结构的方法，该多层互连结构包括通过固态和气态介质的组合隔开的互连导电线路和过孔，所述方法包括(a)提供初始结构，该初始结构包括包括一种或多种永久介质层的构图的过孔级介质，所述构图的过孔级介质位于第一平面“线路级”上，所述第一平面“线路级”具有嵌入到牺牲位置占有介质中的导电部件，并且所述构图的过孔级介质通过其整个厚度被构图出用于过孔的腔和用于随后迁移所述牺牲位置占有介质的穿孔；(b)在所述构图的过孔级介质上形成牺牲位置占有介质的构图的下一个平面线路级层，所述下一个线路级的介质通过其整个厚度被构图出用于线路的腔；(c)使用一层或多层导电粘合/阻挡材料衬涂所述过孔和线路腔，并且使用低电阻率的导电材料填充所述过孔和线路腔，以形成平面结构；(d)形成介质桥层，其内具有位于所述平面结构之上的穿孔；以及(e)通过所述穿孔至少部分地抽出所述位置占有材料而形成气隙。
2.如权利要求1所述的方法，其中将步骤(a)-(c)至少重复一次，以在执行步骤(d)之前提供多层结构。
3.如权利要求1所述的方法，其中通过以下步骤形成所述第一平面“线路级”形成所述牺牲位置占有介质，使其厚度近似为希望的线路厚度；形成与线路图形对应的腔；层状沉积一层或多层导电衬层和/或阻挡材料；使用低电阻率的导电材料进行过填；以及平面化所述导电材料，以除去在所述腔外部的过填材料和导电衬层材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过双镶嵌“过孔+第一线路级”对来代替所述第一平面“线路级”，所述双镶嵌“过孔+第一线路级”对具有用于下面的过孔级的固态永久介质和用于线路级介质的牺牲位置占有介质。
5.如权利要求1所述的方法，还包括，在所述抽出工艺之后，使用夹断介质材料密封所述桥层中的所述穿孔，所述夹断介质与所述介质桥层的材料相同或不同。
6.如权利要求1所述的方法，还包括在至少部分所述导电线路和/或过孔部件上形成侧壁隔离体。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述形成侧壁隔离体包括沿着通过构图所述牺牲材料所形成的腔的侧壁和底壁来形成侧壁隔离体材料的衬层；各向异性蚀刻所述侧壁隔离体材料，以将其从所述腔的底壁除去，而保留所述侧壁上的侧壁隔离体材料。
8.如权利要求6所述的方法，其中形成侧壁隔离体包括将所述牺牲位置占有介质的暴露的侧壁部分转换成不可抽出的永久介质。
9.如权利要求1所述的方法，还包括将无电镀金属选择性地施加到暴露的且被平面化的导电线路表面。
10.如权利要求1所述的方法，其中通过热分解、湿法蚀刻、气相HF或XeF2蚀刻、等离子体蚀刻或反应离子蚀刻中的至少一种来除去所述位置占有材料。
11.如权利要求1所述的方法，其中通过超临界流体(SCF)抽出进行所述对位置占有材料的抽出。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述SCF抽出使用具有或不具有助溶剂的SCF CO2。
13.一种多层含气隙的互连结构，包括散布的线路级和过孔级的集合，所述线路级包括导电线路和含气隙的介质，而所述过孔级包括嵌入一个或多个介质层的导电过孔，其中在所述过孔级中的所述介质层固态地位于相邻级中的线路部件之下或之上、并且在线路部件之间被穿孔；以及固态介质桥层，其包括位于所述散布的线路和过孔级的集合之上的导电接点。
14.如权利要求13所述的结构，其中所述桥层包括一层或多层第一组合通孔的介质材料，以及一层或多层第二组过填或夹断所述孔的介质材料。
15.如权利要求13所述的结构，还包括位于部分或全部所述导电过孔和/或线路上的介质侧壁隔离体。
16.如权利要求13所述的结构，其中所述导电过孔和导电线路包括选自于如下的相同或不同的导电材料金属、金属氮化物、金属硅氮化物、金属硅化物及其合金、混合物或多层。
17.如权利要求13所述的结构，其中所述过孔级的一种或多种介质选自于如下材料含硅材料、部分或全部Si被Ge置换的含硅材料、无机氧化物、无机聚合物、有机聚合物、含碳材料、有机-无机材料、具有或不具有选自于F、N、O、Si、Ge中的一种或多种添加剂的类金刚石碳、绝缘金属氧化物或氮化物、及其混合物、多层和层组合。
18.如权利要求13所述的结构，其中所述桥层材料选自于如下材料含硅材料、部分或全部Si被Ge置换的含硅材料、无机氧化物、无机聚合物、有机聚合物、含碳材料、有机-无机材料、具有或不具有选自于F、N、O、Si、Ge中的一种或多种添加剂的类金刚石碳、绝缘金属氧化物或氮化物、及其混合物、多层和层组合。
19.如权利要求13所述的结构，其中所述过孔级或桥层介质包括氮化硅(SiNx)或碳化硅(SiCH)的介质阻挡材料下层、和类SiO2或SiCOH材料的低k介质上层。
20.如权利要求14所述的结构，其中所述第二组介质材料选自于如下材料含硅材料、部分或全部Si被Ge置换的含硅材料、无机氧化物、无机聚合物、有机聚合物、含碳材料、有机-无机材料、具有或不具有选自于F、N、O、Si、Ge中的一种或多种添加剂的类金刚石碳、绝缘金属氧化物或氮化物、及其混合物、多层和层组合。
全文摘要
一种多层含气隙的互连结构及其制造方法。该多层含气隙的互连结构，包括散布的线路级和过孔级的集合，所述过孔级包括嵌入到一个或多个介质层的导电过孔，其中所述介质层固态地位于相邻级中的线路部件之下或之上、并且在线路部件之间被穿孔。所述线路级包括导电线路和含气隙的介质。固态介质桥层位于所述散布的线路和过孔级的集合之上，所述固态介质桥层包括导电接点并且通过在穿孔的介质层中填充而形成。
文档编号H01L23/52GK101071789SQ20071010770
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月28日 优先权日2006年5月8日
发明者K·L·森格尔, S·V·尼塔, C·V·亚恩斯, K·S·彼得拉尔卡 申请人:国际商业机器公司