金属埋层凸起的去除方法以及空气隙的制备方法与流程

本发明涉及集成电路制造技术领域，具体涉及一种金属埋层凸起的去除方法以及空气隙的制备方法。

背景技术：

随着集成电路工艺的不断发展和进步，半导体制程关键尺寸的不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距离持续下降。增加的互连线电阻R和寄生电容C使互联线的时间常数RC大幅度提高。于是互联线的时间常数RC在集成电路延迟总所占的比例越来越大，成为限制互连速度的主要原因。在0.13um制程以上，半导体通常采用铝作为后道连线的金属材料。而进入到90nm及其以下制程时，随着互连线层数和长度的迅速增加以及互连宽度的减小，Al连线的电阻增加，导致互连时间延迟，信号衰减及串扰增加，同时电迁移和应力效应加剧，严重影响了电路的可靠性。而金属铜具有更小的电阻率和电迁移率，因此，铜成为深亚微米时代的后道金属的首选金属材料。此外，选择K值较低的介质材料也可以有效的降低RC，从而提高器件的响应速度等参数。

一般来说，常用的TEOS氧化膜，其K值约为3.9～4.2，可满足0.13um及其以上技术代工艺要求。90nm工艺后道互连时常使用低k介质掺氟硅玻璃(FSG)，其k值约为3.5～3.8。在65nm及其以下时常用的低k介质材料是黑金刚(BD)和黑金刚II(BDII)，其k值为2.5～3.3，其中BDII是BD的优化版，具有较低的k值。随着半导体技术的不断发展，BDII已不能满足如32nm，28nm等技术代的工艺要求。因此，空气隙的概念应运而生。由于空气的k值为1，能很好的降低RC，但是其机械强度无法支撑整个结构。于是，将低k介质材料部分空气隙化，从而将整体的k值降低。

铜/空气隙的集成方案有两种主流：一是采用特殊材料(条件分解)作为互连层介质完成整个工艺流程，然后对特殊材料施加一个特定条件(如400℃高温)使其发生分解，变成气态物质被释放出，最终形成空气隙。二是采用常规材料(如SiO₂、Low-k)作为互连层牺牲介质，在完成当前层金属化后，反刻蚀掉牺牲介质，沉积一层填充能力差的介质，形成空气隙。这些技术都能满足关键尺寸进一步缩小的要求，前者在特殊材料释放过程中存在技术风险；后者与现有铜互连工艺兼容，更容易实现量产。

对于采用常规牺牲介质的第二类铜/空气隙的集成方案，采用金属铜作为掩膜，直接反刻金属间的介质，然后沉积薄膜形成空气隙。在干法等离子体刻蚀介质的过程中，含Cu/N的有机物残留在金属铜的顶部，这些有机物能够被有机药液ST250去除，但同时造成金属Cu的损伤，使得铜的上表面高度低于侧壁的埋层金属的高度，而形成埋层凸起。埋层凸起在后续的介质膜沉积过程中，容易发生空气隙塌陷问题，造成空气隙的物理强度较低，从而最终导致器件失效。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种金属埋层凸起的去除方法以及空气隙的制备方法，从而制备出无金属埋层凸起的空气隙。

为了达到上述目的，本发明提供了一种金属埋层凸起的去除方法，其包括；

步骤01：提供一具有金属埋层的衬底；其中，衬底上具有介质层、位于介质层中的沟槽、与沟槽相间设置的金属互连线；金属埋层位于金属互连线底部和侧壁表面，金属埋层的顶部高出金属互连线的顶部的部分为金属埋层凸起；

步骤02：采用具有高表面张力的刻蚀药液，该刻蚀药液与金属互连线、介质层不润湿；该刻蚀药液与金属埋层凸起接触后，仅将金属埋层凸起刻蚀掉；其中，该高表面张力的刻蚀药液为与金属互连线、金属埋层和介质层的接触角大于90度的刻蚀药液。

优选地，步骤02中，还包括：在刻蚀药液刻蚀金属埋层凸起之前，先降低衬底所处的温度。

优选地，降低衬底所处的温度至3～10℃。

优选地，所述步骤02中，还包括：在刻蚀药液中注入气泡。

优选地，在刻蚀药液中注入气泡具体为：向刻蚀药液中通入H₂，CO₂，N₂其中一种或多种气体，从而在刻蚀药液中形成气泡。

优选地，所述步骤02中，还包括：在刻蚀药液中添加无机盐。

优选地，所述无机盐为NH₄Cl、(NH4)₂CO₃、NH₄HCO₃其中一种或多种。

优选地，金属埋层的材料为TaN/Ta复合薄膜。

优选地，所采用的刻蚀药液由NH₄OH，H₂O₂，H₂O混合而成，NH₄OH，H₂O₂，H₂O三者的体积比为1:(1～4):(5～20)，刻蚀时间为1～30min。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种空气隙的制备方法，包括：

步骤01：提供一衬底，在衬底表面依次形成介质层、在介质层中刻蚀出互连线沟槽，在互连线沟槽中沉积金属埋层，以及在金属埋层表面沉积填充金属，从而形成金属互连线；

步骤02：刻蚀去除金属互连线之间的介质层，在去除的介质层位置形成沟槽；其中，在金属互连线顶部表面形成了有机物残留；

步骤03：去除有机物残留，造成金属互连线顶部的金属损失，并使得金属埋层顶部高出金属互连线顶部，从而形成金属埋层凸起；

步骤04：采用权利要求1～8任意一项的金属埋层凸起的去除方法来去除金属埋层凸起，使得金属埋层顶部与金属互连线顶部齐平；

步骤05：在完成步骤04的衬底上沉积另一层介质层，将沟槽顶部封住，从而形成空气隙。

本发明利用了高表面张力的湿法刻蚀将金属埋层凸起刻蚀掉，为了避免刻蚀药液对于空气隙结构中的介质层以及金属埋层的过多刻蚀，采用提高刻蚀药液的表面张力方法，使得刻蚀药液只停留在衬底表面包括金属埋层表面，阻止刻蚀药液进入到待形成空气隙的沟槽中，从而在确保空气隙结构不被破坏的前提下，成功去除金属埋层凸起，实现了降低介质层K值的目的。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的金属埋层凸起的去除方法的流程示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的高表面张力刻蚀药液在衬底上的分布情况

图3为本发明的一个较佳实施例的空气隙的制备方法的流程示意图

图4～8为本发明的一个较佳实施例的空气隙的制备方法的各制备步骤示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

以下结合附图1～8和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，一种金属埋层凸起的去除方法，包括；

步骤A01：提供一具有金属埋层的衬底；

具体的，请参阅图2，衬底1可以为具有前道工艺器件结构的多层衬底，衬底1上具有介质层2、位于介质层2中的沟槽、与沟槽相间设置的金属互连线4；金属埋层3位于金属互连线底部和侧壁表面，金属埋层3的顶部高出金属互连线4的顶部的部分为金属埋层3凸起。这里的金属埋层的材料可以为TaN/Ta复合薄膜等，这里的金属互连线的材料可以为铜，介质层可以为低K介质材料，例如BD或BDII。

步骤A02：采用具有高表面张力的刻蚀药液，该刻蚀药液与金属互连线、介质层不润湿；该刻蚀药液与金属埋层凸起接触后，仅将金属埋层凸起刻蚀掉；

具体的，请再次参阅图2，本实施例所采用的刻蚀药液由NH₄OH，H₂O₂，H₂O混合而成，NH₄OH，H₂O₂，H₂O三者的体积比为1:(1～4):(5～20)。这里，可以在刻蚀药液刻蚀金属埋层凸起之前，先降低衬底所处的温度，较佳的，降低衬底所处的温度至3～10℃，例如，可以在衬底底部施加冷却循环装置即可实现，或者将衬底置于具有冷藏功能的腔体中等。刻蚀时间可以为1～30min。还可以在刻蚀药液中注入气泡，在刻蚀药液中注入气泡具体为：向刻蚀药液中通入H₂，CO₂，N₂其中一种或多种气体，从而在刻蚀药液中形成气泡，如图2所示，刻蚀药液7中充满了气泡8。还可以在刻蚀药液中添加无机盐，无机盐为NH₄Cl、(NH₄)₂CO₃、NH₄HCO₃其中一种或多种。

本实施例中所称的高表面张力的刻蚀药液为与金属互连线、金属埋层和介质层的接触角大于90度的刻蚀药液。这是因为，当液体与固体接触时，液体与固体之间产生表面张力作用。当不同相相接触时，表面张力间的互相作用使得不同相之间的接触不同，如固液相接触，即有润湿或者不润湿状态。固液接触角是判定润湿性好坏的依据。当接触角等于0度时，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；当接触角小于90度时，可认为液体可润湿固体；当接触角大于90度小于180度时，可认为液体不润湿固体。当接触角等于180时，液体在固体表面凝聚成小球，完全不润湿。当液体对固体表面的润湿性越差，液体进入到结构内部的难度也就越大。因此，本实施例中利用液固界面的这一特性，阻止药液对沟槽(后续的空气隙)的润湿，在刻蚀金属埋层凸起的同时避免了刻蚀药液对沟槽侧壁的腐蚀。再者，由于刻蚀液体的表面张力对于液固界面的润湿性影响很大，增大刻蚀液体的表面的张力，刻蚀液体对固体表面的润湿越难。因此，本实施例中通过降低刻蚀药液温度、在刻蚀药液中添加无机盐以及在刻蚀药液中添加气泡等手段，来增大刻蚀药液的表面张力，阻止刻蚀药液进入到沟槽中而影响最终空气隙的形成。

接下来，请查阅图3，本实施例中还提供了一种空气隙的制备方法，采用了上述的金属埋层凸起的去除方法，该空气隙的制备方法具体包括：

步骤B01：请参阅图4，提供一衬底，在衬底表面依次形成介质层、在介质层中刻蚀出互连线沟槽，在互连线沟槽中沉积金属埋层，以及在金属埋层表面沉积填充金属，从而形成金属互连线；

具体的，衬底1可以为具有前道工艺器件结构的多层衬底，衬底1上具有介质层2、位于介质层2中的沟槽、与沟槽相间设置的金属互连线4；金属埋层3位于金属互连线底部和侧壁表面，金属埋层3的顶部高出金属互连线4的顶部的部分为金属埋层3凸起。这里的金属埋层的材料可以为TaN/Ta复合薄膜等，这里的金属互连线的材料可以为铜，介质层可以为低K介质材料，例如BD或BDII。

步骤B02：请参阅图5，刻蚀去除金属互连线4之间的介质层2，在去除的介质层2位置形成沟槽；其中，在金属互连线4顶部表面形成了有机物残留6；

具体的，可以采用光刻和刻蚀工艺来去除金属互连线4之间的介质层23，刻蚀工艺为等离子体干法刻蚀工艺，在刻蚀工艺之后，本实施例中会在介质层2表面以及金属互连线4顶部产生含Cu/N的多组分物质(6)，统称为有机物残留。

步骤B03：请参阅图6，去除有机物残留6，造成金属互连线4顶部的金属损失，并使得金属埋层3顶部高出金属互连线4顶部，从而形成金属埋层凸起；

具体的，采用湿法刻蚀药液例如ST250药液来去除有机物残留，去除之后金属互连线4顶部的金属也缺失，使得金属埋层3顶部高出金属互连线4顶部，金属埋层3顶部高出金属互连线4顶部的部分为金属埋层凸起。

步骤B04：请参阅图7，采用上述的金属埋层3凸起的去除方法来去除金属埋层凸起，使得金属埋层3顶部与金属互连线4顶部齐平；

具体的，关于去除金属埋层凸起的详细过程可以参见上述描述，这里不再赘述。

步骤B05：请参阅图8，在完成步骤B04的衬底1上沉积另一层介质层，将沟槽顶部封住，从而形成空气隙。

具体的，可以但不限于采用化学气相沉积方法来沉积另一层介质层，另一层介质层将沟槽顶部封住，从而形成空气隙。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。