一种空气隙的形成方法与流程

本发明涉及空气隙领域，具体涉及一种空气隙的形成方法。

背景技术：

在超大规模集成电路的工艺发展中，由于芯片速度的提升、功耗的降低等，金属互连线的延迟已经远超器件的延迟。为了降低互连延迟，需要采用低介电常数材料。由于空气的相对节点常数为1，降低介电常数的终极手段是实现空气隙。

传统空气隙互连技术方案是在互连形成后，通过光刻刻蚀形成金属互连线间的凹槽，然后，然后通过非保形的化学气相沉积(cvd)等成膜技术，沉积介质薄膜将凹槽封住，形成互连线间的封口的空气隙。传统方案存在以下问题：

(1)工艺复杂，需要额外的图形化和平坦化等工艺；

(2)非保形的cvd成膜技术，依然会有大量的薄膜沉积在空气隙中，导致空气隙的实际提及相比互连线间的凹槽提及缩小，有效介电常数增加。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种空气隙的形成方法，可以有效提高空气隙的形成比例，从而大幅度降低有效介电常数和互连延迟，进一步降低成本和提升产品性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种空气隙的形成方法，包括如下步骤：

s01：形成位于固体介质之间的凹槽；

s02：制备绝缘片状二维材料，其中，所述绝缘片状二维材料包括绝缘片状层，所述绝缘片状层在片状二维方向上的尺寸大于上述凹槽的尺寸；

s03：将所述绝缘片状二维材料沉积在固体介质以及凹槽上；

s04：对固体介质以及绝缘片状二维材料进行退火，形成稳定的绝缘片状二维材料组成的薄膜，从而形成被绝缘片状二维材料组成的薄膜封口的空气隙。

进一步地，所述步骤s02还包括：将绝缘片状二维材料溶于水中，并加入有机溶剂，制备成绝缘片状二维材料溶液，所述步骤s03中采用旋涂的方法将绝缘片状二维材料溶液沉积在固体介质以及凹槽上并进行热处理，从而在固体介质以及凹槽上形成绝缘片状二维材料组成的薄膜。进一步地，所述步骤s02还包括：将绝缘片状二维材料溶于水中，并加入有机溶剂，制备成绝缘片状二维材料溶液，所述步骤s03中采用浸没式成膜工艺将绝缘片状二维材料沉积在固体介质以及凹槽上，具体方法为：将固体介质浸没在绝缘片状二维材料溶液中，通过加热使得溶剂蒸发，从而在固体介质以及凹槽上形成绝缘片状二维材料组成的薄膜。

进一步地，所述浸没式成膜过程中，夹持部件位于所述固体介质的上表面边缘，且所述夹持部件与所述固体介质上表面边缘保持距离，其中，通过调节绝缘片状二维材料溶液的表面张力以及固体介质和夹持部件的材料，使得绝缘片状二维材料溶液自身表面张力大于其与固体介质以及其与夹持部件之间的作用力，且所述绝缘片状二维材料溶液与固体介质和夹持部件之间的接触角均大于60°，使得绝缘片状二维材料溶液不能通过上述距离进入固体介质上表面边缘、固体介质侧壁以及固体介质底部。

进一步地，所述浸没式成膜过程中，采用夹持部件覆盖在所述固体介质的底部、侧壁以及上表面边缘。

进一步地，所述绝缘片状二维材料为氧化石墨烯或者氮化硼或者si2bn。

进一步地，所述绝缘片状层的尺寸值呈正态分布，且正态分布的中心值大于凹槽尺寸的1.2倍。

进一步地，氧化石墨烯溶液的制备方法包括如下步骤：

s01：将氧化石墨烯溶于水中，并加入有机溶剂，在55-65℃下超声溶解形成稳定的氧化石墨烯溶液；

s02：采用尺寸为m1的过滤膜对氧化石墨烯溶液进行过滤，过滤之后剩余的部分为第一次过滤后的氧化石墨烯溶液；其中，m1为所述凹槽的尺寸；

s03:：采用尺寸为m2的过滤膜对氧化石墨烯溶液进行过滤，过滤掉的部分为第二次过滤后的氧化石墨烯溶液；其中，m2大于m1。

一种空气隙，包括固体介质以及位于固体介质中的凹槽，所述固体介质以及凹槽的上表面覆盖绝缘片状二维材料组成的薄膜，所述绝缘片状二维材料组成的薄膜对凹槽进行封口，从而形成空气隙；其中，绝缘片状二维材料包括绝缘片状层，且所述绝缘片状层在片状二维方向上的最小尺寸大于上述凹槽的尺寸。

进一步地，所述凹槽的内侧壁上覆盖介质保护层，当固体介质为金属层时，所述绝缘片状二维材料组成的薄膜与金属层之间包括介质保护层。

本发明的有益效果为：本发明采用最小尺寸大于固体介质之间凹槽尺寸的绝缘片状层，对凹槽进行封口，从而形成空气隙，该方法可以避免现有技术中将封口薄膜沉积在空气隙中，可以有效提高空气隙的形成比例，从而大幅度降低有效介电常数和互连延迟，进一步降低成本和提升产品性能；同时本发明方法形成的空气隙表面平坦，在对空气隙进行封口的同时可以得到平坦化的效果，从而无需后续的平坦化工艺，简化了集成工艺。

附图说明

附图1为实施例1中浸没式成膜的示意图。

附图2为液体与固体之间不同接触角对应的状态。

附图3为实施例2中硅片上同时沉积金属层和介质层的示意图。

附图4为实施例2中去除介质层的示意图。

附图5为实施例2中沉积介质保护层的示意图。

附图6为实施例2中形成金属间空气隙的示意图。

附图7为实施例2中金属间空气隙的sem示意图。

附图8为实施例3中形成绝缘介质层间空气隙的示意图。

1夹持部件，2固体介质，3氧化石墨烯组成的薄膜，31氧化石墨烯溶液，11硅片，12金属层，13隔离介质层，14介质保护层，15绝缘片状二维材料组成的薄膜，16绝缘介质层，17金属间空气隙，18绝缘介质层间空气隙。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供的一种空气隙的形成方法，包括如下步骤：

s01：形成位于固体介质之间的凹槽。其中，空气隙的形成位置根据工艺需求来确定，现有技术中任何可以形成空气隙的方法均可使用本发明方法来形成空气隙。固体介质可以是金属线，也可以是位于金属线上方的绝缘介质。

s02：制备绝缘片状二维材料，其中，绝缘片状二维材料包括绝缘片状层，所有的绝缘片状层的尺寸均大于上述凹槽的尺寸。由于绝缘片状二维材料用来对上述凹槽进行封口，从而形成空气隙，在封口的过程中，需要确保绝缘片状层的最小尺寸大于凹槽的尺寸，这里的尺寸指的是二维方向上的尺寸，即分别指的是绝缘片状层在片状二维方向上的尺寸以及凹槽上表面的尺寸，从而确保绝缘片状二维材料可以覆盖在凹槽上方的固体介质上，而不是掉落在凹槽内。

s03：将绝缘片状二维材料沉积在固体介质以及凹槽上。绝缘片状层的最小尺寸大于凹槽的尺寸，因此，绝缘片状二维材料可以覆盖在凹槽两侧的固体介质上以及凹槽的上面，正好用于对凹槽进行封口，形成空气隙。覆盖在固体介质上的绝缘片状二维材料可以作为绝缘隔离层，当固体介质为金属时，绝缘片状二维材料可以用于隔绝相邻的上下层金属。具体工艺中可以采用任何形式的方式将绝缘片状二维材料放置于固体介质以及凹槽的上方。

s04：对固体介质以及绝缘片状二维材料进行退火，从而在凹槽上形成稳定的绝缘片状二维材料组成的薄膜。沉积好薄膜的样品在退火设备内以及氧气环境下退火，温度为小于等于450℃，时间为10min-60min。本步骤中的高温退火是为了将绝缘片状二维材料中不稳定的悬挂键及基团使其断裂，避免这些基团吸附环境中的其他气氛，导致绝缘片装二维材料组成的薄膜特性变化，通过退火之后在凹槽上形成稳定的绝缘片状二维材料组成的薄膜。

本发明中制备绝缘片状二维材料较优的为氧化石墨烯，也可以为氮化硼或者si2bn。氧化石墨烯的制备方法可以采用现有技术中的制备方法，例如使用强氧化剂(高锰酸钾、浓硫酸、磷酸等)将石墨氧化并插层分理制备出氧化石墨烯层，其中单个的氧化石墨烯层是片状二维结构。

其中，氧化石墨烯溶液的具体制备方法为：

s01：将氧化石墨烯溶于水中，并加入有机溶剂，有机溶剂可以为ipa、乙二醇等；在55-65℃下超声溶解，利用超声将氧化石墨烯插层并溶解均匀形成稳定的氧化石墨烯溶液；

s02：采用尺寸为m1的过滤膜对氧化石墨烯溶液进行过滤，过滤之后剩余的部分为第一次过滤后的氧化石墨烯溶液；其中，m1为本发明中国待封口的凹槽的尺寸；

s03：采用尺寸为m2的过滤膜对氧化石墨烯溶液进行过滤，过滤掉的部分为第二次过滤后的氧化石墨烯溶液；其中，m2大于m1。通过两次过滤，使得氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯层的最小尺寸大于待封口的空气隙的尺寸，并且氧化石墨烯层的尺寸值呈正态分布，且正态分布的中心值大于待封口凹槽尺寸的1.2倍，同时将氧化石墨烯溶液的表面张力调整到大于20mn/m，黏度大于3mpa·s。

本发明制备的一种空气隙，包括固体介质以及位于固体介质中的凹槽，固体介质以及凹槽的上表面覆盖绝缘片状二维材料组成的薄膜，绝缘片状二维材料组成的薄膜对凹槽进行封口，从而形成空气隙；其中，绝缘片状二维材料组成的薄膜包括绝缘片状二维材料，绝缘片状二维材料中有包含多个绝缘片状层，且绝缘片状层的最小尺寸大于上述凹槽的尺寸，当固体介质为金属层时，凹槽的内侧壁上覆盖介质保护层，绝缘片状二维材料组成的薄膜与金属层之间包括介质保护层。这里的介质保护层用于保护金属层不会受到绝缘片状二维材料的损伤，也避免了金属层与绝缘片状二维材料之间可能的漏电现象。

上述制备好的氧化石墨烯溶液涂覆在固体介质以及凹槽上的具体过程通过以下实施例1进行详细说明：

实施例1

绝缘片状二维材料溶液对待封口空气隙进行封口的过程可以采用如下两种方式进行：

第一种方式是采用多次旋涂的方法，即将氧化石墨烯溶液多次旋涂在凹槽两侧的固体介质上，每次旋涂后都会用热板快速烘干，通过多次旋涂在凹槽的上方形成氧化石墨烯组成的薄膜，并在多次旋涂之后用长时间(例如30min)热处理的方式来去除薄膜中的溶剂，使得氧化石墨烯组成的薄膜变得更加稳定；从而对凹槽封口形成空气隙。

第二种方式采用浸没式成膜方法，即将含有上述凹槽的固体介质浸入氧化石墨烯溶液中，通过缓慢加热将溶剂蒸发掉，从而在凹槽上表面以及两侧的固体介质上形成氧化石墨烯组成的薄膜，从而对凹槽封口形成空气隙。具体方法为：将含有凹槽的固体介质放入一个容器中，例如培养皿等，利用量筒量取一定体积的稳定氧化石墨烯溶液，并缓慢到入容器中，将容器置于加热板上，加热板设置温度为40-80℃，从而将稳定氧化石墨烯溶液内的溶质缓慢蒸发，由于氧化石墨烯的溶解度较低，故会有氧化石墨烯层析出，并缓慢沉淀到固体介质的上表面，这里加热的温度不能太高，放置沉淀物受到氧化石墨烯溶液内剧烈的分子运动，从而团聚形成大颗粒。采用上述浸没式成膜方法，由于样品上方的氧化石墨烯层的量是固定的，因此，缓慢蒸发后，其沉积下来的溶质即氧化石墨烯组成的薄膜的厚度也是固定的，且沉积出来的氧化石墨烯的厚度比较均匀。这里也可以通过控制氧化石墨烯溶液的体积来控制最终生成的氧化石墨烯组成的薄膜的厚度。采用浸没式成膜方法在凹槽上形成氧化石墨烯组成的薄膜之后，请参阅附图6，凹槽上的氧化石墨烯组成的薄膜相比周边固体介质上的氧化石墨烯组成的薄膜，是内嵌于凹槽中的，具体也可以参阅附图5和7。结合附图5-7，可以看出氧化石墨烯组成的薄膜的表面是非常平坦的，因此，在采用氧化石墨烯组成的薄膜封口之后可以省去了现有技术中cmp工艺，大大简化了空气隙的形成工艺。同时也可以看出，厚度较小的氧化石墨烯组成的薄膜就可以实现对凹槽的封口，确保空气隙的性能，这也大大节省了空气隙形成过程中原材料。

值得说明的是，由于氧化石墨烯溶液是以稳定的溶液形式存在的，即单个的氧化石墨烯层均匀分散在溶液中。在将氧化石墨烯溶液倒入容器中时，氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯层是单个存在的，由于单个氧化石墨烯层的尺寸大于凹槽的尺寸，当其中一个氧化石墨烯层将凹槽的口封住时，其余的氧化石墨烯层便不会再进入凹槽中了，这也是本发明中为什么凹槽底部很少或者基本不会存在氧化石墨烯的理由，具体如附图6所示。

值得注意的是，在浸没式成膜方法中，为了防止固体介质浸没在溶液中，导致固体介质背面接触到溶液并影响后续工艺，在浸没式成膜过程中，为了保护样品的侧壁以及底部，需要确保氧化石墨烯溶液不会接触到样品的侧壁和底部。具体可以采用如下方式：(1)设置夹持部件位于固体介质的上表面边缘的上方，并且，夹持部件与固体介质上表面边缘保持一定的距离，并且该距离足够小(具体可以将夹持部件设计为可升降的模式，用以调节该处的具体距离)。请参阅附图2，为液体与固体接触角的大小及其对应的状态，从左往右液体依次呈现展开、部分浸润、开始拒水、最佳拒水以及完全拒水的理想状况。若该接触角小于一定角度，即液体与固体产生浸润，液体就会摊开，例如图2中的0°；当液体与夹具之间的接触角大于一定角度(例如60°)，液体就不会摊开；本发明希望液体和夹具以及固体介质之间不产生浸润效应，如附图2所述，通过调节绝缘片状二维材料溶液的表面张力以及固体介质和夹持部件的材料，使得绝缘片状二维材料溶液自身表面张力大于其与固体介质以及其与夹持部件之间的作用力，使得绝缘片装二维材料溶液与固体介质以及夹持部件之间的接触角均大于60°，并设置合理的夹持部件与固体介质上表面的距离，使得绝缘片状二维材料不会进入到固体介质上表面边缘、固体介质侧壁以及固体介质底部。这里的底部是相对于固体介质上表面边缘而言的。如上所述，绝缘片状二维材料溶液与固体介质和夹持部件之间的接触角可以通过调整绝缘片状二维材料溶液以及选择合适的固体介质和夹持部件来确定，例如可以通过在绝缘片状二维材料溶液中添加大分子溶剂来降低其表面张力，或者通过更换固体介质以及夹持部件的材料，最终使得绝缘片状二维材料溶液自身表面张力大于其所接触的材料与绝缘片状二维材料溶液之间的表面张力，从而产生不浸润现象，这样当夹持部件和固体介质之间不接触且有狭缝时，绝缘片状二维材料溶液不会摊开并沿着狭缝钻进去。这种夹持部件和固体介质上表面不接触的方法可以防止固体介质上表面遭到破坏。夹持部件除了上述设置方法之外，还可以设置在固体介质的侧壁上，即使得夹持部件与固体介质的侧壁保持一定的距离，使得绝缘片状二维材料溶液不能通过上述距离进入固体介质固体介质侧壁以及固体介质底部。(2)采用上述表面张力的原理，还可以将固体介质上表面边缘以及上表面边缘对应的位置刻蚀成纳米结构，利用溶液的表面张力在纳米结构处形成较大的表面张力，阻止液体进一步进入固体介质上表面边缘，这里的上表面边缘即上述与夹持部件保持特定距离的部分。(3)使用夹持部件夹持并覆盖住固体介质的上表面边缘、底部和侧面，确保绝缘片状二维材料溶液不会进入固体介质的上表面边缘、侧壁和底部。由于固体介质上表面边缘的芯片在后续没有功能区，因此，这里的覆盖不会影响固体介质的正常性能，如附图1中所示的结构，在附图1中固体介质上表面边缘位置进行夹持部件的覆盖即可。(4)在浸没式成膜之前，还可以在固体介质下表面和侧壁上生长一层牺牲层，例如氧化硅，当浸没式成膜工艺完成之后，再刻蚀背面和侧壁的牺牲层去除。其中，上述提及的夹持部件是为了将固体介质的周围进行夹持或覆盖，因此，该夹持部件均为环形，具体形状根据固体介质的形状进行设定。同时，上述提及的上表面边缘指的是位于固体介质上表面边缘特定距离的区域，该区域通常不设置功能区，具体的距离根据固体介质所形成器件的大小来确定。

以下通过实施例2和实施例3对本发明中形成凹槽的过程进行进一步说明：

实施例2

请参阅附图3-6，形成金属间的空气隙的具体方法包括如下步骤：

s01：请参阅附图3，硅片11上同时沉积金属层12和隔离介质层13，且隔离介质层13与金属层12具有高选择比刻蚀系数。

s02：请参阅附图4，采用介质刻蚀工艺去除隔离介质层13，由于金属层12和隔离介质层13具有高选择比，金属层12基本保持不变，从而在金属层之间形成凹槽。

s03：请参阅附图5，在金属层12的上表面和侧壁沉积一层介质保护层14；该介质保护层的作用是为了保护金属层不受到后续绝缘片状二维材料溶液的损伤。

s04：请参阅附图6，在金属层上涂覆绝缘片状二维材料溶液，形成位于凹槽上的绝缘片状二维材料组成的薄膜15，从而形成被绝缘片状二维材料组成的薄膜封口的金属间空气隙。具体涂覆绝缘片状二维材料的方法如实施例1所述。

除此之外，形成金属间的空气隙还可以采用如下方法：在硅片上沉积牺牲层，在牺牲层内形成金属互连，然后释放牺牲层，从而形成位于金属间的凹槽，再采用上述步骤s03-s04的方法形成金属间空气隙。

采用本发明方法形成的金属间空气隙的sem图如附图7所示，可以看出金属间空气隙的底面基本没有填充物，大大增加了空气隙的形成比例。本发明中即使在涂覆绝缘片状二维材料溶液的过程中，有部分绝缘片状层一端位于金属上，另一端垂在空气隙中，掉入凹槽中的绝缘片状层也是紧贴在空气隙的侧壁上，并不会沉积在空气隙的底面上，再加上绝缘片状层的最小尺寸大于凹槽的待封口尺寸，紧贴在凹槽侧壁上的绝缘片状层数量并不多，如附图7所示。

实施例3

请参阅附图8，形成绝缘介质层间空气隙的具体方法为：在实施例2中形成金属间空气隙17之后，在绝缘片状二维材料组成的薄膜上方沉积绝缘介质层16，在于金属间空气隙17错开的位置刻蚀绝缘介质层，并停止于绝缘片状二维材料组成的薄膜上，形成位于绝缘介质层之间的凹槽，在绝缘介质层上涂覆绝缘片状二维材料溶液，形成位于凹槽上的绝缘片状二维材料组成的薄膜，从而形成以绝缘片状二维材料封口的绝缘介质层间空气隙18。具体涂覆绝缘片状二维材料的方法如实施例1所述。在制备绝缘介质层间空气隙18的过程中，为了避免可能的漏电，需要在金属层以及氧化石墨烯组成的薄膜接触的部分设置介质保护层。

本发明采用最小尺寸大于固体介质之间凹槽宽度的绝缘片状层，对凹槽进行封口，从而形成空气隙，该方法可以避免现有技术中将封口薄膜沉积在空隙期中，可以有效提高空气隙的形成比例，从而大幅度降低有效介电常数和互连延迟，进一步降低成本和提升产品性能；同时本发明方法形成的空气隙表面平坦，在对空气隙进行封口的同时可以得到平坦化的效果，从而无需后续的平坦化工艺，简化了集成工艺。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于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所附权利要求的保护范围内。