专利名称：制造自对准纳米柱形空气桥的方法以及由之制造的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造超大规模集成电路(VLSI)和极大规模集成电路(Ultra-Large integrated(ULSI))器件中的纳米柱空气桥结构和高性能封装的方法。具体地，本发明涉及用本发明的方法制造纳米柱形空气桥结构。
背景技术：
超大规模集成电路(VLSI)或者极大规模集成电路(ULSI)的制造需要将半导体芯片中的分立器件相互连接起来的金属布线。在这样小的尺度上制造这样的布线网络的一种方法是现有技术中已知的如图1a到1g所示意性地图示的双镶嵌工艺(dual damascene，DD)在标准的DD工艺中，如图1a所示，在衬底PA1-100上覆盖层间电介质层(ILD)，图中示为两个层PA1-110，PA1-120。为了工艺流程描述的简明，单独地图示了通孔层位的电介质层PA1-110和线路层位的电介质层PA1-120。一般，这两层可以用相同的或者不同的绝缘膜制成，在用相同的绝缘膜制成的情况下被镀覆为单个层。可以可选地使用硬掩模层PA1-130以方便蚀刻的选择性，并如后所述用作抛光停止层。
线路互连网络具有两种类型的结构(1)横越芯片上的距离的线结构，以及(2)将不同层面上的线路连接起来的通孔结构。在过去，两个层都是用无机玻璃比如二氧化硅(SiO2)或者用等离子体增强化学蒸汽淀积(plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD))法淀积的氟化石英膜制成的。
在双镶嵌工艺中，线路PA1-150和通孔PA1-170的位置是在如图1b和1d所示的光致抗蚀剂层PA1-140中用刻蚀法形成的，并使用反应离子蚀刻工艺转移到硬掩模和ILD层中。图1a到1g所示的工艺序列被称为线路优先方法，因为首先蚀刻将容纳线路结构的槽PA1-160，如图1c所示。在形成槽之后，使用刻蚀法在光致抗蚀剂层PA1-140中形成通孔图案PA1-170，将通孔图案转移到介电材料中以产生通孔开口PA1-180，如图1d所示。
在剥离光致抗蚀剂之后，双镶嵌槽和通孔结构PA1-190图示于图1e中。用导电里衬材料或者材料叠层PA1-200覆盖该结构PA1-190，用来保护导体金属线路和通孔。它们也用作导体和ILD之间的粘附层。
然后在图案化衬底的表面上用导电填充材料PA1-200填充该凹陷。该填充过程最通常的是通过电镀铜来完成，但是也可以使用其它方法，比如化学蒸汽淀积(CVD)，以及其它材料，比如Al或者Au。然后将填充和里衬材料进行化学机械抛光(CMP)，以使之与硬掩模的表面共面。在此阶段的结构示于图1f中。
在所述金属上淀积盖层材料PA1-220，或者作为表面膜，如图1g所示，以使暴露的金属薄膜钝化，用作金属和要在上面叠加的任何附加ILD层之间的扩散阻挡层。作为盖层材料PA1-220，一般使用用PECVD淀积的氮化硅、碳化硅以及碳氮化硅膜。对器件上的每一级(层)互连重复该工艺序列。由于用单个抛光步骤形成两个互连结构以形成绝缘体内的导体镶嵌，该工艺被称为双镶嵌工艺。
由于对于任何电路，半导体芯片都易于产生信号传播延迟，该延迟取决于线路电阻R和互连电容C的乘积。为了改进半导体芯片的性能，制造商通过用铜替代铝线来降低制造过程中使用的金属电阻。通过转而使用低介电常数(k)的材料，制造商也开始降低电路中的电容。
用来描述介电膜的一般术语是将它们划分为标准k(4.5＜k＜10)、低k(k＜3.0)、超低k(2.0＜k＜2.5)以及极低k(k＜2.0)。超低k和极低k电介质层一般倾向于多孔，其结构中有故意加工出来的空隙。由于可能的最低介电常数是用空气或者真空定义的(kvac＝1)，已经发展了很多手段来在介电材料中产生空隙。当空隙体积延展而占据线路之间的间隙的基本上连续的区域时，就形成了线路被作为ILD材料的气体或者真空名义上隔离的互连结构。在下面的说明中，术语“空气桥”用来描述这样的互连结构，以将其与空隙随机分散在名义上连续的固体电介质中的多孔ILD的结构区分开。
在图2中图示了一种实现空气桥构造的现有技术的方法。在该方法中，在金属淀积步骤之后构造低k结构，以形成所述互连。为了引用的目的，在本申请中，这些类型的方法按照所使用的工艺顺序称为“先金属后空气桥(Metal-then-Air Bridge(MAB))”方法。
遵循这种方法的多数工艺以标准DD制造序列开始。这样，该工艺流程与图1a到1g一致。在金属化步骤之后，在盖层淀积之前，将一个纳米级图案转移到下伏互连结构中，并被覆盖。这样，例如，图2所示的结构与图1f所示的DD结构相同，只是电介质叠层中有纳米柱形空隙或者柱PA2-150。在所述空气桥层上，然后可以按照相同的方式制造另外的层次。
这种方法的一种缺点是，在电介质的图案化步骤中，一般要求将金属线暴露于严酷的反应离子蚀刻工艺。因此，非常希望有一种替代的方法能够避开MAB方法的限制，以有利于可靠的多层空气桥结构的制造。
本发明提供了这样一种在超大规模集成电路(VLSI)和极大规模集成电路(ULSI)器件和高性能封装中制造纳米柱形空气桥结构的方法。
发明内容
本发明提供了一种制造纳米柱形空气桥结构的方法，包括下述步骤在衬底表面上形成至少一种电介质的层；形成一组线槽，在电介质层中具有槽底表面，线槽中最接近的线槽隔开一个基本规则距离(ground rule distance)；
将纳米级图案转移到包含所述线槽的电介质中；在所述电介质层的表面上淀积桥层，以形成相邻线路之间的机械连接；在所述线槽内形成一组穿过所述电介质层的通孔；对所述通孔和线槽淀积一个里衬层；用导电填充金属填充所述通孔和线槽，以形成一组金属线；通过抛光将所述金属线和里衬层平面化，使得所述金属与所述桥层的顶部共面；以及用电迁移和/或扩散阻挡层覆盖所述金属线，以形成纳米柱形空气桥结构。
本发明提供了一种纳米柱形空气桥结构，包括衬底；在所述衬底表面上的至少一个电介质层；具有在所述电介质层中的槽底面的一组线槽，最接近的线槽之间隔开一个基本规则距离(ground rule distance)；被转移到包含所述线槽的电介质中的纳米级图案；淀积在所述电介质层的表面上的桥层，以形成所述相邻线路之间的机械连接；形成在所述线槽内的穿过所述电介质层的一组通孔，所述通孔和所述线槽被衬以一个里衬层，并被填充以导电填充金属，以形成一组金属线，其中，所述金属线和所述里衬层被抛光，使得所述金属与所述桥层的顶部共面；以及用以覆盖所述金属线的电迁移和/或扩散阻挡层。
从下面的详细说明和
可以明了本发明的上述以及其它目的、特征和优点，本发明的优选实施例，以及制造本发明的集成电路结构的技术。
图1图示了双镶嵌(DD)工艺中的步骤的示意图；图2图示了现有技术中用双镶嵌工艺后期金属化制造的纳米柱形空气桥的示意图；图3a图示了这样一种结构ILD是在已经形成了线槽图案的衬底上的单体电介质图3b图示了一种结构，该结构被覆盖了平面化层、蚀刻硬掩模以及纳米柱形构图层；图3c图示了这样一种结构其中，纳米柱形图案从所述构图层被转移到所述硬掩模材料中，部分穿过所述平面化层；图3d图示了这样一种结构其中，所述图案总是被转移到小槽图案之间的ILD的区域中；图3e图示了这样一种结构，其中所述硬掩模和所述平面化层被去除，在所述结构上淀积一个共形“桥”层；图3f图示了这样一种结构所述通孔图案从抗蚀剂层被转移到所述电介质中；图3g图示了具有金属线和通孔的结构；图3h图示了被盖有扩散和电迁移阻挡层的结构。
具体实施例方式
本发明涉及多种包括被包在电介质中的导体的极低k互连结构，所述导体嵌在电介质内被延伸到相邻互连线的桥部件横向支撑，并被通孔和电介质支架竖直支持，所述电介质支架或者是连续的，或者是被图案化为仅存在于金属线下方。相邻导线支架的区域或者由电介质中的纳米柱形空隙占据，或者由电介质柱占据。
在本发明的用于在衬底上制造低k、超低k和极低k多层互连结构的方法中，所述互连被具有纳米柱形空气隙的ILD横向隔开。所述结构在双镶嵌结构的通孔层位中具有支持层，它仅在金属线下方，通过用亚光刻构图技术(suboptical lithography patterning techniques)穿透它来降低电介质的有效介电常数。
在一个优选实施例中，在将互连线的槽之间形成电介质的纳米柱形结构，一个支持电介质层提供结构上的刚性，在形成导体结构之前形成淀积侧壁和桥层，从而分别在导体顶部和侧壁钝化层之间形成桥层。
见图3a到3h，作为先空气桥后金属方法(Air-Bridge-then-Metal(ABM)approach)的一部分图示了根据本发明的方法的在分步形成纳米柱形空气桥结构时产生的结构。该方法始于标准线路的前几个DD工艺步骤，但是在通孔转移蚀刻之前开始有所不同。也可以对ILD加以调整以产生多种最终结构。
图3a图示了一种结构，其中，ILD是在已经用线槽3-120构图了的衬底3-100上的单体电介质3-110。
图3b图示了一种结构，该结构被覆盖了平面化层3-130、蚀刻硬掩模3-140以及纳米柱形构图层3-150。
图3c图示了一种结构，其中，纳米柱形图案从构图层被转移到硬掩模材料中，该结构被用作将纳米柱形图案转移到如结构3-160中所示的平面化底层中的蚀刻掩模。如图3c所示，该图案不是通过槽的深度转移的，槽是可以保护槽区之下的电介质的结构。
看图3c，如果不需要这样的保护，该图案也可以被转移到ILD中的槽的底部。
看图3d，纳米柱形图案然后被转移到槽结构之间的电介质区域中，以形成在所述槽之间的纳米柱形电介质结构3-170。该纳米柱形图案可以通过ILD完全或者部分转移，以实现合适的性能级别。
如果使用从图3c开始的替代工艺，相应的纳米柱形图案也可以被转移到槽下方的电介质中。
看图3e，然后移除硬掩模和平面化层，在所述结构上淀积一个共形层3-180，也就是桥层，从顶部封闭所述结构，提供形成槽的侧壁的衬层的覆盖层。所述共形“桥”层在顶面上闭合所述纳米级开口，形成纳米柱形结构上的机械连接，在金属化之前提供“闭合的加工出来的纳米空隙”。具有不同程度的淀积共形性的一个或者多个电介质覆盖层可以用来实现该最终结果。另外，侧壁覆盖层可以用作密封层，如果ILD多孔或者具有可渗透性时，防止处理环境侵蚀到ILD内部。它也能够防止来自使用环境的物质(比如空气或者潮气)的进入降低随后将位于槽和通孔区域中的互连结构的质量。所形成的结构是自对准的，因为对于仅仅线槽之间的“加工出来的空隙度”的产生来说不需要对准。这是因为本发明的方法中的独特的工艺序列的结果。
图3f图示了一种结构，其中，通孔图案3-190从抗蚀剂被转移到电介质中。从该图可以看到，在该步骤中，线路区再次被平面化区覆盖，从而防止ILD在槽结构下面被穿透。
图3g图示了一种结构，其中，抗蚀剂被剥离，所述结构被衬以一个导电里衬3-200，被填充以高导电金属或者合金，并被抛光以产生金属线(和通孔)3-210。
图3h图示了一种结构，该结构被盖以一个扩散和电迁移阻挡层3-220。如果需要，可以在该结构上建构另外的层次。
所述纳米柱形图案可以以多种方式产生。图案的形成可以用刻蚀法，成像可以用电子束、电子投射(发射)、X射线、远紫外辐射、离子束、离子投射(发射)或者深紫外光子(deep ultraviolet photons)等实现。也可以用现有技术中已知的各种技术形成所述孔，这些技术比如有压印刻蚀(imprint lithography)、软刻蚀(soft lithography)、纳米晶体比如CdSe和Si、自组装工艺(self-assembly processes)，共混聚合物、共聚物、嵌段共聚物(block copolymer)或者复合物的旋节线分解(亚稳线分解，spinoidal decomposition)或者相分离。纳米柱形图案的结构尺寸最好小于互连线之间的基本规则距离(groundrule distance)。
例如，可以用聚甲基丙烯酸甲酯-b-聚苯乙烯(poly(methylmethacrylate)-b-(polystyrene))、聚二甲基硅氧烷-b-己内脂(poly(dimethylsiloxane)-b-(caprolactone))以及其它相分离的嵌段共聚物或者共混系统，来在衬底表面上产生“自构图案的”，也就是孔相互隔离的结构。
图示于图3c的纳米柱形空隙图案3-150的一种形成方法是选择性地移除二嵌段共聚物结构的一种成份，使用剩余的相作为蚀刻掩模，来对桥层构图。使用进行了相分离的二嵌段共聚物膜，将该膜的一个相选择性地移除以留下具有纳米级尺寸的孔的规则阵列图案，如下述文献所述布莱克(C.T.Black)、格瓦瑞尼(K.W.Guarini)、米尔科夫(K.R.Milkove)、贝克(S.M.Baker)、努塞尔(T.P.Russell)、托米莱恩(M.T.Tuominen)，在《应用物理学》(Appl.Phys.Lett.)79，409(2001)中所著的“用于半导体电容制造的自装配的二嵌段共聚物的集成”(″Integration of Self-Assembled Diblock Copolymers forSemiconductor Capacitor Fabrication，″)，以及格瓦瑞尼(K.W.Guarini)、布莱克(C.T.Black)和施叶文(S.Yeung)，在《先进材料》(Adv.Mat.)14，1290(2002)中所著的“二嵌段共聚物薄膜自装配的最优法”(″Optimization of Diblock Copolymer Thin Film SelfAssembly″)。
然后将这些图案转移到硬掩模层、平面化层和ILD叠层中，所述ILD叠层可以包括一系列电介质材料。在某些环境下，被透图后的聚合物可以直接被包括到最终结构中，如果所述聚合物具有足够的热稳定性和机械强度的话。
所述电介质层材料的选择包括有机电介质，比如SiLKTM，无机电介质，比如二氧化硅和氟化二氧化硅，一组PECVD低k电介质，包含Si、C、O、F和H中的两种或者多种；旋涂玻璃(spin on glasses)比如甲基倍半硅氧烷、氢倍半硅氧烷以及混合倍半硅氧烷；以及这些材料中的任何材料的多孔形态，以及这些材料的任意组合。包括在电介质材料中的还有硬掩模、抛光停止层，比如氢化的碳化硅，蚀刻停止层比如氢化的碳化硅，牺牲层，能够在ILD中产生空隙的可去除材料(在这里称为生孔材料(porogens))，以及粘合增进剂。
上面结合具体的实施例描述了本发明。应当理解，本领域的普通技术人员能够作出各种变化和改进而不偏离本发明的实质范围。因此本发明应包括落在所附权利要求范围内的所有这样的替代方案、修改和变化。
权利要求
1.一种制造纳米柱形空气桥结构的方法，包括下述步骤在衬底表面上形成至少一种电介质的层；形成一组线槽，槽底表面在所述电介质层中，所述线槽中最接近的线槽隔开一个基本规则距离；将纳米级图案转移到包含所述线槽的电介质中；在所述电介质层的表面上淀积桥层，以形成相邻线路之间的机械连接；在所述线槽内形成一组穿过所述电介质层的通孔；对所述通孔和线槽淀积一个里衬层；用导电填充金属填充所述通孔和线槽，以形成一组金属线；通过抛光将所述金属线和里衬层平面化，使得所述金属与所述桥层的顶部共面；以及用电迁移和/或扩散阻挡层覆盖所述金属线，以形成所述纳米柱形空气桥结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米级构图步骤是通过在所述电介质层中形成直径小于所述基本规则距离的精细孔阵列而完成的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电介质层是下述之一旋涂有机硅酸盐膜、CVD有机硅酸盐膜、二氧化硅、氟化二氧化硅、从氟化硅烷淀积的氟化玻璃，粘合增进剂、抛光停止层、蚀刻停止层、有机电介质，前述任何材料的多孔形态，以及它们的任意组合。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米级构图步骤是使用相分离聚合物完成的。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米级构图步骤是使用二嵌段共聚物完成的。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述纳米级构图步骤使用下述刻蚀技术之一光刻、电子束刻蚀、X射线刻蚀、干涉刻蚀、远紫外刻蚀、压印刻蚀、软刻蚀、光压印刻蚀、热压印刻蚀、模压，以及它们的组合。
7.如权利要求1所述的方法，其中，转移所述纳米级图案的步骤导致所述电介质仅在所述槽线之间具有纳米级孔或者柱形图案。
8.如权利要求1所述的方法，其中，转移所述纳米级图案的步骤导致所述电介质在所述槽线之间和所述槽线之下具有纳米级孔或者柱形。
9.如权利要求1所述的方法，其中，在所述纳米级构图电介质上淀积所述桥层的步骤形成纳米级的被覆盖的空隙。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述桥层包括电介质材料。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述桥层为包括多种电介质材料的多层结构。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述桥层是介电常数小于3.5的电介质膜。
13.一种纳米柱形空气桥结构，包括衬底；在所述衬底表面上的至少一个电介质层；具有在所述电介质层中的槽底面的一组线槽，最接近的线槽之间隔开一个基本规则距离；被转移到包含所述线槽的电介质中的纳米级图案；淀积在所述电介质层的表面上的桥层，以形成所述相邻线路之间的机械连接；形成在所述线槽内的穿过所述电介质层的一组通孔，所述通孔和所述线槽被衬以一个里衬层，并被填充以导电填充金属，以形成一组金属线，其中，所述金属线和所述里衬层被抛光，使得所述金属与所述桥层的顶部共面；以及用以覆盖所述金属线的顶面的电迁移和/或扩散阻挡层。
14.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述纳米级图案是在所述电介质层中的直径小于所述基本规则距离的精细孔的阵列。
15.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述电介质层是下述之一旋涂有机硅酸盐膜、CVD有机硅酸盐膜、二氧化硅、氟化二氧化硅、从氟化硅烷淀积的氟化玻璃，粘合增进剂、抛光停止层、蚀刻停止层、有机电介质，前述任何材料的多孔形态，以及它们的任意组合。
16.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述纳米级图案是使用相分离聚合物形成的。
17.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述纳米级图案是使用二嵌段共聚物形成的。
18.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述纳米级图案是使用刻蚀技术形成的。
19.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述刻蚀技术选自光刻、电子束刻蚀、X射线刻蚀、干涉刻蚀、远紫外刻蚀、压印刻蚀、模压，以及它们的组合。
20.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述纳米级图案的转移导致所述电介质仅在所述槽线之间具有孔或者柱的纳米级图案。
21.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述纳米级图案的转移导致所述电介质在所述槽线之间和所述槽线之下具有孔或者柱的纳米级图案。
22.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，在所述纳米级构图电介质上的所述桥层导致形成纳米级的被覆盖的空隙。
23.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述桥层包括电介质材料。
24.如权利要求23所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述桥层为包括多种电介质材料的组合的多层结构。
25.如权利要求13所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述桥层是介电常数小于3.5的电介质膜。
26.如权利要求9所述的纳米柱形空气桥结构，其中，所述空隙是竖直取向的。
全文摘要
本发明涉及制造自对准纳米柱形空气桥的方法以及由之制造的结构，尤其是一种自衬底上制造低k、超低k和极低k多层互连结构的方法，其中，用电介质将互连线路结构在横向上隔离开，所述电介质具有竖直取向的纳米级空隙，这些空隙是通过使用底层光刻构图和蚀刻技术穿透所述电介质，并用电介质淀积步骤封闭穿透孔的顶部而形成的。这些线路由下方的实心的或者被构图的电介质结构支持。该方法避免了在制造导体图案之后与空气隙的形成有关的问题，以及与传统的低k、超低k和极低k电介质的集成有关的问题，在形成所述互连图案之前，所述电介质具有空隙度。
文档编号H01L29/02GK1670941SQ20051000458
公开日2005年9月21日 申请日期2005年1月18日 优先权日2004年3月19日
发明者马修·E·科尔伯恩, 萨特亚纳拉亚纳·V·尼塔, 萨姆帕斯·普鲁肖萨曼 申请人:国际商业机器公司