专利名称：铜互连的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种铜互连的制作方法。
背景技术：
随着超大规模集成电路工艺技术的不断进步，半导体器件的特征尺寸不断缩小，芯片面积持续增大，互连引线的延迟时间已经可以与器件门延迟时间相比较。人们面临着如何克服由于连接长度的急速增长而带来的RC(R指电阻，C指电容)延迟显著增加的问题。特别是由于金属布线线间电容的影响日益严重，造成器件性能大幅度下降，已经成为半导体工业进一步发展的关键制约因素。为了减小互连造成的RC延迟，现已采用了多种措施。互连之间的寄生电容和互连电阻造成了信号的传输延迟。由于铜具有较低的电阻率，优越的抗电迁移特性和高的可靠性，能够降低金属的互连电阻，进而减小总的互连延迟效应，现已由常规的铝互连改变为低电阻的铜互连。同时降低互连之间的电容同样可以减小延迟，而寄生电容C正比于电路层绝缘介质的相对介电常数k，因此使用低k材料作为不同电路层的绝缘介质代替传统的SiO2介质已成为满足高速芯片的发展的需要。器件的延迟和互连的延迟共同决定着电路的最高工作频率。随着器件尺寸的不断缩小，互连延迟已经超越了器件级延迟，成为影响电路工作频率的主要因素；low-k介质的使用可以降低互连引入的寄生电容，然而其应用也带来很多其它问题，如集成问题、可靠性问题等等，同时low-k材料介电常数也将在1.5左右达到极限。预计CVD法淀积low-k材料的应用可以继续到2020年，但后Cu互连技术(包括光互连、碳纳米材料互连、空腔隔离等技术)的研发已刻不容缓。应用到后道互连的低k材料可以极大地降低互连延迟，改善芯片性能。然而业界向低k(大致定义为体材料k < 3.0)材料的转变所花的时间比以前预计的时间要长，这是因为低k介质固有较差的机械和化学稳定性导致其装配性能较差，同时带来严峻的可靠性问题。为了改善互连性能，早在1998年就已引入铜和二氧化硅的互连工艺，然而降低后道绝缘体介电常数的要求却一直难以实现。掺氟的二氧化硅(k = 3.7)直到180nm技术代才被引入，而到90nm技术代k = 2.7 3.0的绝缘材料还没有被广泛使用，这是因为利用双大马士革铜工艺对这些材料的集成中产生的可靠性和成品率问题比实际预测的更具挑战性。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜互连的制作方法，在铜互连之间形成空气介质，以降低介电常数，降低互连延迟，改善芯片性能。本发明的技术解决方案是一种铜互连的制作方法，包括以下步骤:在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和低介电常数薄膜；形成贯穿低介电常数薄膜和第一刻蚀停止层的多个通孔或沟槽；
在通孔或沟槽内填充形成第一铜层；采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口 ；稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜,使各个第一开口横向扩大后形成第二开口 ；在第二开口内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连；采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜；在铜互连上沉积第二刻蚀停止层，在相邻铜互连之间形成空腔。作为优选:所述采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口的步骤中还包括对上述结构表面进行氧气等离子体处理，去除低介电常数薄膜表面的碳元素。作为优选:所述氧气等离子体处理步骤的工艺条件为:压强:0.5~7Torr ；功率:50-1000W；氧气流量:50-1000sccm；氦气流量:50-1000sccm。作为优选:所述强氧化性的酸为硝酸。作为优选:所述强氧化性的酸为稀硫酸和双氧水。作为优选:所述强氧化性的酸为盐酸和双氧水。作为优选:所述低介电常数薄膜的材料为SiCOH。作为优选:所述稀氢氟酸溶液中水和氢氟酸的体积比300: 1-1000: I。作为优选:所述空腔顶部的宽度为10nm_300nm。与现有技术相比，本发明先形成贯穿低介电常数薄膜的第一铜层，采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口，再用稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜，使各个第一开口横向扩大后形成第二开口，在第二开口内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连，再采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜，在第二铜层上快速沉积刻蚀停止层，在铜互连之间形成空气介质，从而降低介电常数，进而降低互连延迟，改善芯片性能。
图1是本发明铜互连的制作流程图。图2a_2n是本发明铜互连制作过程中各个工艺步骤的剖面图。
具体实施例方式本发明下面将结合附图作进一步详述:在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。图1示出了本发明的铜互连的制作流程图。请参阅图1所示,在本实施例中，在铜互连上沉积第二刻蚀停止层，在相邻铜互连之间形成空腔。在步骤101中，如图2a所示，在衬底200上依次沉积第一刻蚀停止层201和低介电常数薄膜202，所述低介电常数薄膜202的材料为SiCOH ；在步骤102中，形成贯穿低介电常数薄膜和第一刻蚀停止层的多个通孔或沟槽，具体步骤如下:如图2b所示，在低介电常数薄膜202上依次沉积二氧化硅层203、氧化层204和抗反射层205，在抗反射层205上涂覆光刻胶206 ；如图2c所不,刻蚀光刻胶206形成多个第一窗口 206a ;如图2d所不,刻蚀第一窗口 206a内的抗反射层205、氧化层204、二氧化硅层203、低介电常数薄膜202和第一刻蚀停止层201形成多个通孔或沟槽207，如图2e所示，去除光刻胶206 ；在步骤103中，在通孔或沟槽内填充形成第一铜层；具体步骤如下:如图2f所示，在通孔或沟槽207内溅射沉积金属势垒层和铜的籽晶层，并采用电镀工艺填充通孔或沟槽207，在通孔或沟槽207内及抗反射层205上形成金属铜208，再化学机械研磨去除低介电常数薄膜202上的金属铜208、抗反射层205、氧化层204和二氧化硅层203，得到第一铜层209，如图2g所示；在步骤104中，如图2h所示，采用强氧化性的酸去除部分第一铜层209，以在各个通孔或沟槽207顶部形成第一开口 209a ;所述强氧化性的酸为硝酸或稀硫酸和双氧水或盐酸和双氧水，所述双氧水也可以用氧气来代替；在形成第一开口 209a后还包括对上述结构表面进行氧气等离子体处理，去除低介电常数薄膜202表面的碳元素，同时在第一铜层209表面生成氧化铜，如图2i所示，所述氧气等离子体处理的工艺条件为:压强:0.5-7Torr ；功率:50-1000W；氧气流量:50-1000sccm；氦气流量:50-1000sccm；在步骤106中，如图2j所示，稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜202，使各个第一开口 209a横向扩大后形成第二开口 20%，同时去除第一铜层209表面的氧化铜；所述稀氢氟酸溶液中水和氢氟酸的体积比为300: 1-1000: I ；在步骤107中，如图2k所示，在第二开口 209b内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连；具体步骤如下:在上述结构表面沉积金属势垒层和铜的籽晶层，并采用电镀工艺进行填充，在第二开口 20%内及低介电常数薄膜202上形成金属铜210，再化学机械研磨去除低介电常数薄膜202上的金属铜210，得到第二铜层211，如图21所示，所述第一铜层209和第二铜层211组成铜互连212 ；在步骤108中，如图2m所示，采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜202，在铜互连212之间形成开口窄的间隙213，所述间隙213的开口的宽度d为10nm_300nm ；在步骤109中，如图2n所示，在铜互连212上快速沉积第二刻蚀停止层214，在相邻铜互连212之间形成空腔215，由于间隙213的开口尺寸小，在沉积第二互连介质层206时易封住，所述空腔顶部的宽度为10nm-300nm。
本发明先形成贯穿低介电常数薄膜的第一铜层，采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口，再用稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜，使各个第一开口横向扩大后形成第二开口，在第二开口内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连，再采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜，在第二铜层上快速沉积刻蚀停止层，在铜互连之间形成空气介质，从而降低介电常数，进而降低互连延迟，改善芯片性能。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。
权利要求
1.一种铜互连的制作方法，其特征在于，包括以下步骤: 在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和低介电常数薄膜； 形成贯穿低介电常数薄膜和第一刻蚀停止层的多个通孔或沟槽； 在通孔或沟槽内填充形成第一铜层； 采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口 ； 稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜，使各个第一开口横向扩大后形成第二开Π ； 在第二开口内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连； 采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜； 在铜互连上沉积第二刻蚀停止层，在相邻铜互连之间形成空腔。
2.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口的步骤中还包括对上述结构表面进行氧气等离子体处理，去除低介电常数薄膜表面的碳元素。
3.根据权 利要求2所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述氧气等离子体处理步骤的工艺条件为:压强:0.5-7Torr ；功率:50-1000ff ； 氧气流量:50_1000sccm ； 氦气流量:50-1000sccm。
4.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述强氧化性的酸为硝酸。
5.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述强氧化性的酸为稀硫酸和双氧水。
6.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述强氧化性的酸为盐酸和双氧水。
7.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述低介电常数薄膜的材料为 SiCOH0
8.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述稀氢氟酸溶液中水和氢氟酸的体积比为300: 1-1000: I。
9.根据权利要求1所述铜互连的制作方法，其特征在于:所述空腔顶部的宽度为10nm_300nm。
全文摘要
本发明涉及一种铜互连的制作方法，包括以下步骤在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和低介电常数薄膜；形成贯穿低介电常数薄膜和第一刻蚀停止层的多个通孔或沟槽；在通孔或沟槽内填充形成第一铜层；采用强氧化性的酸去除部分第一铜层，以在各个通孔或沟槽顶部形成第一开口；稀氢氟酸溶液各向同性刻蚀低介电常数薄膜，使各个第一开口横向扩大后形成第二开口；在第二开口内填充形成第二铜层，所述第二铜层与第一铜层构成铜互连；采用氢气等离子体去除低介电常数薄膜；在铜互连上沉积第二刻蚀停止层，在相邻铜互连之间形成空腔。本发明在铜互连之间形成空腔，从而降低介电常数，进而降低互连延迟，改善芯片性能。
文档编号H01L21/768GK103187363SQ20111045776
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者周鸣 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司