一种空气隙/铜互连结构的制造方法与流程

本发明涉及半导体加工制造领域，尤其涉及一种空气隙/铜互连结构的制造方法。

背景技术：

晶体管随着摩尔定律不断发展，特征线宽越来越小，集成密度越来越高，性能越来越强大。对于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)晶体管而言，速度是表征其性能的重要指标。

本领域技术人员清楚，CMOS的速度与CMOS的延迟相关，CMOS的延迟可以细分为前道器件的延迟和后道互连线的延迟；并且，随着半导体工艺尺寸减少，后道互连线的CMOS延迟的影响变得越来越大，在先进工艺中已经成为最主要的延迟。后道互连线的延迟主要是由互连导线的电阻R和互连导线间电容C(即RC)决定的。

为了降低后道互连线RC延迟，集成电路制造商一直在想办法降低互连导线电阻和互连导线间电容，如采用电阻率更低的铜导线代替铝导线，采用介电常数更低的low-k介质代替二氧化硅介质。

对于后者，已经经过了数个技术带的技术更新，互连导线间介质从SiO₂→F doped SiO₂(FSG)→BD I→BD II→BD III的改进过程中，互连导线间介质的介电常数在持续降低，以此满足减小后道互连线RC的需求。

众所周知，真空的相对介电常数为1，空气的相对介电常数也约为1，其为最常见的最小相对介电常数的介质。因此，采用空气部分代替互连线之间的传统介质也随之被提出，这就是空气隙/铜互连结构技术。

空气隙的形成方法大致可以分成以下两大类：

第一类，先采用传统的工艺形成正常的介质/铜互连结构，然后通过刻蚀工艺去除铜互连线之间的介质，最后通过化学气相淀积工艺形成空气隙；

第二类，采用牺牲层，如thermal degradable polymer，在完成铜互连结构后去除牺牲层，形成空气隙。

目前对于大多数集成电路生产企业而言，第一类方法的工艺兼容性更高，因此更容易被接收。下面通过附图1-3，简述一下现有技术中采用第一类方法制备空气隙/铜互连结构的工艺方法。

步骤S01：先在半导体衬底101上形成传统的第一介质102/铜104互连结构，该部分工艺与现有CMOS工艺完全一样，没有额外的工艺成本和风险(如图1所示)，在此不再赘述；

步骤S02：除去铜互连导线之间的第一介质，如采用介质刻蚀工艺去除部分第一介质得到如图2所示结构；然而，在刻蚀过程中会使得铜104的表面被氧化，得到一定厚度的铜氧化物105；

步骤S03：采用后道清洗药液去除残留的光刻胶并清洗硅片；在清洗的过程中，由于铜氧化物105很容易被后道清洗药液腐蚀，且后道清洗药液不腐蚀阻挡层103，因此，最后留下阻挡层“耳朵”103’，如图3所示。

由于阻挡层“耳朵”103’的存在，该结构在后续工艺及器件性能上带来一系列负面影响，例如，在采用化学气相淀积介质时，会出现：

①、该阻挡层“耳朵”103’周围的台阶覆盖性能变差；

②、该阻挡层“耳朵”103’的机械强度差而导致坍塌；

③、该阻挡层“耳朵”103’尖端电场强度发生改变等，直接导致CMOS晶体管性能恶化等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种空气隙/铜互连结构的制造方法，以解决现有技术因为存在阻挡层“耳朵”而导致的晶体管性能恶化的问题，其避免了阻挡层“耳朵”的产生，不仅有利于化学气相淀积工艺淀积介质并形成空气隙，且提高了晶体管性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种空气隙/铜互连结构的制造方法，其特征在于，包括：

步骤S1：提供一半导体衬底，先在半导体衬底上完成CMOS器件前道工艺，接着继续形成后道铜互连线，即在所述半导体衬底上形成常规的第一介质/铜互连结构；

步骤S2：对所述常规第一介质/铜互连结构在含氮的氛围中进行表面处理，在所述铜互连线表面形成一层铜的含氮化合物；

步骤S3：采用刻蚀设备刻蚀所述铜互连线中间的第一介质；其中，在刻蚀第一介质过程中采用氟基气体和氧基气体进行刻蚀，所述铜的含氮化合物层保护所述铜互连线没有暴露在刻蚀气体氛围中；

步骤S4：采用湿法药液去除残留光刻胶并清洗；

步骤S5：淀积第二介质，形成所述空气隙/铜互连结构。

优选地，所述步骤S1具体包括：

步骤S11：在半导体衬底上淀积第一介质层；

步骤S12：采用光刻刻蚀工艺在所述第一介质层中形成大马士革槽或者双大马士革孔槽；

步骤S13：分别淀积阻挡层材料和铜互连材料；

步骤S14：经过研磨工艺形成阻挡层和铜互连层，即在所述半导体衬底上形成常规的第一介质/铜互连结构。

优选地，所述常规第一介质/铜互连结构中的第一介质材料为氧化硅、氟掺杂的氧化硅、碳掺杂的氧化硅、氮化硅、氮掺杂的碳化硅中的一种或者多种。

优选地，所述介质用氮掺杂的碳化硅/碳掺杂的氧化硅/氧化硅多层叠层结构。

优选地，在步骤S2中，在所述铜互连线表面形成的一层铜的含氮化合物的厚度可控且厚度均匀。

优选地，所述铜的含氮化合物的厚度为50～300埃。

优选地，在步骤S3中，采用CF4/O₂混合气体刻蚀所述第一介质层。

优选地，在步骤S4中，所述去除残留光刻胶的后道湿法药液对残留光刻胶的腐蚀速率大于对所述铜的含氮化合物的腐蚀速率。

优选地，在步骤S5中，采用化学气相淀积设备沉积所述第二介质层。

优选地，所述第二介质层为氧化硅、氟掺杂的氧化硅、碳掺杂的氧化硅、氮化硅、氮掺杂的碳化硅中的一种或者多种。

从上述技术方案可以看出，在本发明提供的一种空气隙/铜互连的制造方法中，先通过表面处理技术在常规介质/铜互连结构中的铜表面形成一层厚度均匀的铜的含氮化合物，该铜的含氮化合物在后续介质刻蚀中可以保护互连线铜不会被刻蚀和氧化，并且不会被后道湿法药液快速腐蚀，避免了现有技术中由于后道湿法药液腐蚀铜的氧化物而造成的阻挡层“耳朵”结构，有利于后续介质的淀积和空气隙的形成，提高晶体管的性能。

附图说明

图1所示为现有技术中在半导体衬底上形成传统的第一介质/铜互连结构的典型示意图

图2所示为现有技术中完成第一介质/铜互连结构除去铜互连导线之间第一介质后的结构示意图

图3所示为现有技术中完成后道清洗步骤后留下阻挡层“耳朵”的结构示意图

图4为本发明所提出的一种空气隙/铜互连结构的制造方法流程示意图

图5为本发明空气隙/铜互连结构的制造方法一实施例中完成步骤S1后所形成的剖面示意图

图6为本发明空气隙/铜互连结构的制造方法一实施例中完成步骤S2后所形成的剖面示意图

图7为本发明空气隙/铜互连结构的制造方法一实施例中完成步骤S3后所形成的剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

现结合附图4-7，通过具体实施例对本发明的一种空气隙/铜互连工艺作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参阅图4，如图所示为本发明的一种空气隙/铜互连结构的制造方法的一个较佳实施例的流程示意图。在本实施例中，一种空气隙/铜互连结构的制造方法包括如下步骤：

步骤S01：提供一半导体衬底，先在半导体衬底上完成CMOS器件前道工艺，接着继续形成后道铜互连线，即在所述半导体衬底上形成常规的第一介质/铜互连结构。具体的，请参阅图5，图5为本发明空气隙/铜互连结构的制造方法一实施例中完成步骤S1后所形成的剖面示意图。

如图所示，本步骤先在衬底硅片301上完成CMOS器件前道工艺，接着继续形成后道互连线，形成常规的介质302/铜互连304结构，其中，标号303为阻挡层。

下面通过一12英寸的晶圆硅片作为一可选的实施方式，对采用公知的CMOS工艺，在硅片上形成常规的前道CMOS器件结构，接着采用铜互连工艺形成互连线的具体步骤进行说明。

具体而言，在该实施例中，步骤S1可以包括如下步骤：

步骤S11：在半导体衬底301上淀积第一介质层302；

步骤S12：采用光刻刻蚀工艺在第一介质层302中形成大马士革槽或者双大马士革孔槽；

步骤S13：分别淀积阻挡层材料和铜互连材料；

步骤S14：经过研磨工艺形成阻挡层303和铜互连层304，即在半导体衬底上形成常规的第一介质/铜互连结构。

较佳地，所淀积的常规第一介质302可以为氧化硅、氟掺杂的氧化硅、碳掺杂的氧化硅、氮化硅、氮掺杂的碳化硅中的一种或者多种，在本发明的实施例中，第一介质302采用氮掺杂的碳化硅/碳掺杂的氧化硅/氧化硅多层叠层结构。

步骤S2：对所述常规第一介质/铜互连结构在含氮的氛围中进行表面处理，在所述铜互连线表面形成一层铜的含氮化合物。请参阅图6，图6为本发明空气隙/铜互连结构的制造方法一实施例中完成步骤S2后所形成的剖面示意图。

如图6所示，在本实施例中，将常规第一介质/铜互连结构置于含氮的氛围中进行表面处理，在互连金属铜304的表面形成一层厚度可控且厚度均匀的铜的含氮化合物305，较佳地，铜的含氮化合物的厚度可以为50～300埃。

在本实施例中，可以将常规第一介质/铜互连结构置于等离子体化学气相淀积设备中，采用氮等离子进行处理，在铜互连304表面得到120埃厚度的铜的含氮化物305。

在另一实施例中，可以将常规第一介质/铜互连结构置于等离子体化学气相淀积设备中，选择含氮的前驱气体，只在铜互连304表面选择性地沉积100埃厚度的含氮化合物CuNSi，且第一介质表面并不会形成铜的含氮化合物。

该铜的含氮化合物305不易被含氟的气体刻蚀，且后道湿法药液对该铜的含氮化合物305的腐蚀速率远远小于对残留光刻胶的腐蚀速率，因此该铜的含氮化合物层充当后续工艺中的保护层。

除此之外，该铜的含氮化合物305还可以作为铜互连线304的覆盖层(capping layer)，可以有效提高抗电迁移特性。

步骤S3：采用刻蚀设备刻蚀所述铜互连线中间的第一介质；其中，在刻蚀第一介质过程中采用氟基气体和氧基气体进行刻蚀，所述铜的含氮化合物层保护所述铜互连线没有暴露在刻蚀气体氛围中。具体的，请参阅图7，图7为本发明空气隙/铜互连结构的制造方法一实施例中完成步骤S3后所形成的剖面示意图。

如图7所示，在本实施例中，采用光刻、刻蚀工艺去除铜互连线304之间的第一介质。在刻蚀第一介质过程中采用氟基气体和氧基气体进行刻蚀，但由于铜互连线304表面有一层铜的含氮化合物305作为保护层，因此，只会刻蚀掉需要去除的第一介质。

在本实施例中，可以采用CF4/O₂混合气体刻蚀介质层302，由于铜互连304表面有一层铜的含氮化合物305，可以阻止金属铜304被氧化，因此，铜的含氮化合物305起到刻蚀保护层的作用。

步骤S4：采用湿法药液去除残留光刻胶并清洗。

具体的，采用后道湿法药液将刻蚀残留的光刻胶去除并将硅片表面清洗干净，且后道湿法药液对残留的光刻胶的腐蚀速率远远大于对金属铜或者铜的含氮化合物的腐蚀速率，因此，不会再形成阻挡层“耳朵”。

步骤S5：淀积第二介质材料，形成所述空气隙/铜互连结构。

具体的，可以采用化学气相淀积方法沉积第二介质层，形成空气隙/铜互连结构。第二介质层可以为氧化硅、氟掺杂的氧化硅、碳掺杂的氧化硅、氮化硅、氮掺杂的碳化硅中的一种或者多种，所形成的空气隙位于铜互连线之间。本实施例中，可以采用等离子体增强化学气相淀积设备依此沉积掺氮的碳化硅和掺碳的氧化硅，由于铜互连304之间的槽的深宽比较高，因此，在沉积第二介质材料时会自动在金属铜互连之间形成空气隙，形成空气隙/铜互连结构。

综上所述，在本发明提供的一种空气隙/铜互连结构的制造方法中，通过先采用表面处理技术在常规介质/铜互连结构中的铜表面形成一层厚度可控且厚度均匀的铜的含氮化合物，利用该铜的含氮化合物作为介质刻蚀时的铜金属保护层和湿法清洗时的掩膜层，避免形成阻挡层“耳朵”结构，提高了工艺可控性及一致性，能有效提高晶体管器件性能。

以上的仅为本发明的实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。