专利名称：集成电路结构及其形成方法
技术领域：
本发明涉及集成电路，特别涉及具有空气间隙的内连线结构及其形成方法。
背景技术：
随着半导体工业引进新一代的集成电路，其具有较高的性能与较多的功 能，增加了用以形成上述集成电路的元件密度，另一方面却縮减了其尺寸、 大小、与构件或元件之间的间隔。在过去，上述縮减仅限制以光刻法定义结 构的能力，具有较小尺度的装置形状则造成了新的限制西子。例如对于任何 二个相邻的导体元件而言，当导体元件之间的距离减少时，结果会造成电容值(其为以前述距离将上述导体元件分开的绝缘材料的介电常数(k值)的函数) 的增加。此电容值的增加会造成导体间的电容耦合(capacitive coupling)的增 加、耗电量的增加、与电阻-电容时间常数(resistive-capacitive time constant; RCtimeconstant)的增加。因此，要对半导体集成电路的表现与功能做持续性 的改善，是依靠低介电常数材料的发展。既然具有最低的介电常数的材料是空气(k-l.O)，低介电常数材料通常包 含多孔质的材料。另外，空气间隙的形成，会更进一步降低内连线结构的有 效介电常数。图1A 图1C示出第一工艺，用以形成具有空气间隙的内连线结构。请 参考图1A，铜线4及对应的扩散阻挡层(未示出)形成于金属间介电层6中， 金属间介电层6为低介电常数材料，含高浓度的碳。在铜线4的形成过程中， 金属间介电层6的一部分8，其在铜线4的形成过程中为暴露的状态，其会 受到损伤而因此具有较低的碳浓度。如图1B所示，可以HF来蚀刻受损的 部分8，而形成空气间隙IO。接下来，如图1C所示，形成介电层ll而将空 气间隙10密封。虽然空气间隙10的形成会减少内连线结构的寄生电容，但是传统的工。由于空气间隙10的形成，无任何的介电层倚靠着铜线4 的侧壁而形成。缺少了来自上述介电层所提供的背向压力，会增加电性迁移 (electro-migration; EM)，且会对内连线结构的依时性介质击穿电压(time dependent dielectric breakdown; TDDB)的表现造成不良影响。另一个问题是 在后续工艺中，在铜线4上形成介层结构(via)时，若发生对准不良时，有可 能会将上述介层结构形成于空气间隙10上，而将铜镀于空气间隙10内。此 问题会造成铜直接与低介电常数材料的金属间介电层6接触，而使铜扩散而 进入低介电常数材料的金属间介电层6中。图2A与图2B示出第二工艺，用以形成空气间隙。在图2A中，铜线4 形成于可热分解式的介电层12内，可热分解式的介电层12又为可渗透的硬 掩模层14所覆盖。然后如图2B所示，将此基底加热，而将可热分解式的介 电层12分解、并经由可渗透的硬掩模层14而蒸发，而因此形成空气间隙16。图3示出第三工艺，用以形成空气间隙。铜线4形成于可热分解式的介 电层12中，而为金属顶盖18所覆盖，然后形成可渗透的层间介电层17。在 后续的工艺步骤中，将此基底加热，而将可热分解式的介电层12分解、并 经由可渗透的层间介电层17而蒸发，而因此形成空气间隙。示出于图2A 图3的传统工艺与第一传统工艺有相同的问题，无任何介 电层倚靠着铜线4的侧壁而形成。缺少了来自上述介电层所提供的背向压力， 会增加电性迁移，且会对内连线结构的依时性介质击穿电压的表现造成不良 影响。另外，在铜线4上形成介层结构(via)时的对准不良有可能将铜形成于 空气间隙内，而大幅减少金属线间的距离，而因此增加寄生电容。因此，业界需要一种技术，将空气间隙导入内连线结构而得到降低寄生 电容的效果的同时，能够克服前述己知技术的问题。发明内容有鉴于此，本发明提供一种集成电路结构，包含导线；侧壁间隔物于上述导线的侧壁上，其中上述侧壁间隔物包含介电材料；空气间隙水平地毗 邻着上述侧壁间隔物；以及介电层于该空气间隙上。根据本发明的集成电路结构，其中所述介电层为可渗透性的硬掩模层， 且所述侧壁间隔物延伸至所述介电层的侧壁上。根据本发明的集成电路结构，还包含蚀刻停止层于所述介电层与所述导 线上。根据本发明的集成电路结构，其中所述介电层为可渗透性的金属间介电 层，且所述介电层延伸至所述侧壁间隔物的上缘的上方。 根据本发明的集成电路结构，还包含额外的导线，位于所述空气间隙的一侧，且为所述导线的相反侧，其中 所述空气间隙水平地毗邻着所述额外的导线；以及 额外的侧壁间隔物于所述额外的导线的侧壁上。根据本发明的集成电路结构，其中所述侧壁间隔物并未延伸至所述导线下。根据本发明的集成电路结构，其中所述侧壁间隔物的上部是水平地毗邻 着所述空气间隙，且所述侧壁间隔物的下部是水平地毗邻着所述空气间隙下 的一低介电常数介电层。本发明又提供一种集成电路结构，包含第一导线；第一侧壁间隔物于 上述第一导线的侧壁上；第二导线与上述第一导线成水平间隔配置；第二侧 壁间隔物于上述第二导线的侧壁上；空气间隙水平地毗邻着上述第一侧壁间 隔物与该第二侧壁间隔物；以及可渗透的介电层，位于上述空气间隙上、且 与其毗邻。根据本发明的集成电路结构，还包含蚀刻停止层于所述可渗透的介电 层、所述第一导线、与所述第二导线上，其中所述可渗透的介电层为可渗透 的硬掩模层，且所述第一侧壁间隔物与所述第二侧壁间隔物延伸至所述可渗 透的介电层的侧壁上。本发明又提供一种集成电路结构，包含导线；侧壁间隔物于上述导线 的侧壁上；空气间隙水平地毗邻着上述侧壁间隔物；可渗透的掩模位于上述 空气间隙的正上方，且上述侧壁间隔物延伸至上述可渗透的掩模的侧壁上； 蚀刻停止层于上述导线与上述可渗透的掩模上；以及金属间介电层于上述导 线与上述可渗透的掩模上。根据本发明的集成电路结构，其中所述可渗透的掩模包含材料择自下列 所组成的族群黑钻石、芳香族碳氢化合物、碳氧化硅、与上述的组合。本发明又提供一种集成电路结构的形成方法，包含形成牺牲层；形成可渗透性的介电层于上述牺牲层上；形成开口于上述牺牲层中；形成侧壁间 隔物于上述开口中，并位于上述牺牲层的侧壁上；以导体材料填满上述开口； 以及经由上述可渗透性的介电层移除上述牺牲层的至少一部分。 根据本发明的集成电路结构的形成方法，还包含 形成蚀刻停止层于所述导体材料与所述可渗透性的介电层上；以及 形成金属间介电层于所述蚀刻停止层上。
根据本发明的集成电路结构的形成方法，其中所述牺牲层是择自由下列 所组成的族群聚丙二醇、聚丁二烯、聚乙二醇、聚己内酯、掺氟的非晶系 碳、硅胶以及有机硅氧垸。
根据本发明的集成电路结构的形成方法，其中所述可渗透性的介电层是 择自由下列所组成的族群黑钻石、芳香族碳氢化合物、碳氧化硅、与上述 的组合。
本发明所能提供的技术效果包含减少电性迁移、以及改善依时性介质击 穿电压的表现。
图1A 图1C为一系列的剖面图，显示用以形成空气间隙的传统工艺， 其中将低介电常数介电层的受损部分蚀除而形成空气间隙。
图2A与图2B为一系列的剖面图，显示用以形成空气间隙的传统工艺， 其经由可渗透的硬掩模层移除可热分解式的介电层，而形成空气间隙。
图3为剖面图，显示用以形成空气间隙的传统工艺，其经由可渗透的硬 掩模层移除可热分解式的材料，而形成空气间隙。。
图4~图IO为一系列的剖面图，显示本发明的第一实施例的中间制造阶段。
图11 图16为一系列的剖面图，显示本发明的第二实施例的中间制造阶段。
其中，附图标记说明如下
4 铜线 6 金属间介电层 8 部分 l(T空气间隙 11 介电层 12 可热分解式的介电层14 可渗透的硬掩模层
17 可渗透的层间介电层
20 底层
24 可渗透性的硬掩模层
28 间隔物层
32 扩散阻挡层
36 空气间隙
40 金属间介电层
16 空气间隙
18~金属顶盖
22 牺牲层
26 沟槽
30 间隔物
34 金属线(铜线)
38 蚀刻停止层
44 顶盖层
46 可渗透性的金属间介电层
具体实施例方式
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举
出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
本发明提供内连线结构，其具有空气间隙与侧壁间隔物。本发明较佳实 施例的中间制造阶段已示出于附图中。在本发明的整体图式与整体示出的实 施例中，类似的元件符号用以代表类似的元件。在后续的叙述中，细讨论单 镶嵌工艺。本领域技术人员可以了解以下的公开内容也可应用于双镶嵌工艺 中。
图4~图IO为一系列的剖面图，显示本发明的第一实施例的中间制造阶
段。图4示出起始结构，其包含底层20上的牺牲层22、以及牺牲层22上的 可渗透性的硬掩模层24。底层20、牺牲层22、与可渗透性的硬掩模层24形 成于基底(未示出)上，上述基底可以是单晶或化合物半导体基底。主动装置 (未示出)例如为晶体管可形成于上述半导体基底上。底层20可以是介电层例 如为层间介电层、金属间介电层、以及其他类似者。可将导体元件(未示出) 例如为接触插塞或介层结构形成于底层20中，并连接至后续形成的导线。
在例示的实施例中，底层20为低介电常数材料，其介电常数小于3。底 层20可包含常用的低介电常数材料例如为含碳的介电材料，并可还包含氮、 氢、氧、及上述的组合。在实施例中，牺牲层22包含聚合物，其可在高温 下例如为250。C 450。C分解并蒸发。当牺牲层22分解时，上述聚合物会崩解 为较小的气体分子，其可经由可渗透性的硬掩模层24而扩散。牺牲层22的例示材料包含聚丙二醇(polypropylene glycol; PPG)、聚丁二烯(polybutadine; PB)、聚乙二醇(polyethylene glycol; PEG)、聚己内酉旨(polycaprolactone diol; PCL)、掺氟的非晶系碳(fluorinated amorphous carbon; a-FiC)、硅胶(silicon gel)、与有机硅氧烷(siloxane)。牺牲层22的形成较好为通过旋转涂布法的工 艺或化学气相沉积法的工艺。在另一实施例中，可通过湿蚀刻或干蚀刻的工 艺移除牺牲层22，其中所形成的液体或气体也可穿透可渗透性的硬掩模层 24而将其移除。在例示的实施例中，可蚀刻的牺牲层22包含氧化硅。
可渗透性的硬掩模层24可允许热分解反应或蚀刻工艺所产生的物质穿 透。可渗透性的硬掩模层24的例示材料包含由下列所组成的族群黑钻石(应 用材料的Black DiamondTM)、芳香族碳氢化合物(Dow Chemical Company的 SiLKTM)、碳氧化硅、及上述的组合。在例示的实施例中，其中可渗透性的 硬掩模层24包含碳氧化硅，其形成可使用高密度等离子化学气相沉积法 (high-density plasma chemical vapor deposition; HDPCVD)的工艺，且用于工 艺中的气体较好为包含含硅的气体(例如为硅垸)、氩、与氧。可渗透性的硬 掩模层24的厚度较好为小于2000A、更好为500~1500A。
图5显示多个沟槽26的形成，其形成较好为通过光阻的涂覆与图形化， 再蚀刻牺牲层22与可渗透性的硬掩模层24，然后再移除上述光阻。
然后如图6所示，沉积间隔物层28，以覆盖沟槽26。间隔物层28较好 为包含介电材料例如择自下列所组成的族群黑钻石(应用材料的Black DiamondTM)、 Si02、 SiON、 SiC、 SiCN、与上述的组合。间隔物层28的厚 度较好为50~300A、更好为约100A，该较佳厚度是与形成技术的尺度有关。 然后如图7所示，执行图形化的步骤，以移除间隔物层28的水平部分，而 留下其垂直的部分而形成多个间隔物30。本领域技术人员可了解间隔物层 28的图形化可通过蚀刻或氩气的溅击来执行。
图8示出将导线形成于沟槽26中，上述导线包含多个扩散阻挡层32与 多个金属线34。扩散阻挡层32可包含钛、氮化钛、钽、氮化钽、或其他衍 生物。扩散阻挡层32的形成可使用物理气相沉积法(physical vapor deposition; PVD)、或各种的化学气相沉积法中的一种。扩散阻挡层32的厚 度可以是20 200A。
金属线34的材料较好为包含铜或铜合金，虽然其也可包含其他导体材料例如银、金、钩、铝、及其他类似材料。本领域技术人员可了解用以形成 扩散阻挡层32与金属线34的步骤可包含毯覆性地形成阻挡层；沉积铜或 铜合金的薄层的种子层；以导体材料填入沟槽26中，上述导体材料例如为 铜或铜合金，其方法较好为电镀，因此金属线34也可称之为铜线34。然后， 执行化学机械研磨(chemical mechanical polish; CMP)的步骤以移除可渗透性 的硬掩模层24上多余的扩散阻挡层与导体材料，仅留下沟槽26内的扩散阻 挡层32与铜线34。另外，也可不形成扩散阻挡层32，而以间隔物30作为 扩散阻挡层。如图9A所示，将牺牲层22分解，将其转换成蒸气，其分子小 到足以经由可渗透性的硬掩模层24而向外扩散。因此，而形成多个空气间 隙36。较好为通过加热的工艺来执行上述的分解与蒸发，将温度升高至相对 高温。在例示的实施例中，升温至200~450°C 。另外，也可以通过湿蚀刻或 干蚀刻来移除牺牲层22，其中蚀刻的副产品(液体或气体)可穿透可渗透性的 硬掩模层24。既然是从上方移除牺牲层22，如图9B所示，有可能会残留牺 牲层22的下部。请参考图10，形成蚀刻停止层38与金属间介电层40。蚀刻停止层38 较好为由SiC、 SiCN、或其他常用的材料所形成，形成于上述导线与可渗透 性的硬掩模层24上。金属间介电层40较好为包含低介电常数介电材料例如 为含碳的材料，形成于蚀刻停止层38上。在后续的工艺步骤中，可形成介 层结构与上方的金属线，而继续内连线结构的形成工艺。在某些实施例中，若已完成内连线结构的最上层电路，则不需再形成蚀 刻停止层38与金属间介电层40。图11~图16为一系列的剖面图，显示本发明的第二实施例的中间制造阶 段，其中第二实施例中类似的元件符号用来代表与第一实施例中类似的元 件。除非有特别注记，第一与第二实施例中类似的元件使用本质上相同的材 料与相同的形成方法。请参考图ll，形成底层20与牺牲层22，然后将沟槽 26形成于牺牲层22中。然后如图12所示，将多个间隔物30形成于沟槽26 的侧壁上。图13显示将扩散阻挡层32与金属线34形成于沟槽26中。然后如图14 所示，将多个顶盖层44形成于金属线34上，也有可能形成于扩散阻挡层32 的上缘上。可以择自下列所组成的族群的材料来形成顶盖层44: CoP、 CoB、CoWP、 CoWB、 NiWP、 CoSnP、 NiWB、 CuSi、 ZrN、 NiMoP、及上述的组 合，其较佳的形成方法包含无电镀法(electroless plating)，其中顶盖层44选 择性地形成于金属线34 (与扩散阻挡层32)上，但未形成于介电材料上。请参考图15，毯覆性地形成可渗透性的金属间介电层46于牺牲层22、 间隔物30、与顶盖层44上。在较佳的实施例中，可渗透性的金属间介电层 46包含择自由下列所组成的族群黑钻石(应用材料的Black DiamondTM)、 芳香族碳氢化合物(Dow Chemical Company的SiLKTM)、碳氧化硅、及上述 的组合。可渗透性的金属间介电层46的厚度较好为500~2000A。图16示出牺牲层22的移除。在以可热分解式的聚合物形成牺牲层22 的情况中，将基底加热以分解牺牲层22，而形成空气间隙36。在另一实施 例中，执行干蚀刻或湿蚀刻的步骤，并经由可渗透性的金属间介电层46来 移除其副产物。移除牺牲层22的细节已叙述于第一实施例中，在此便不重 复叙述。本发明的实施例具有多个技术效果。通过空气间隙的形成，减少内连线 结构中的介电材料的介电常数，有时可将其降至约2.0。间隔物30对金属线 34与扩散阻挡层32提供背向压力，因此可减少内连线结构的电性迁移情况、 以及改善内连线结构的依时性介质击穿电压的表现。另一项技术效果则是当 上方的介层结构发生对准不良时，上述介层结构可坐落于间隔物30上，而 非空气间隙36中，因此改善了内连线结构的性能与可靠度。虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何 本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润 饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种集成电路结构，包含导线；侧壁间隔物，位于所述导线的侧壁上，其中所述侧壁间隔物包含介电材料；空气间隙，水平地毗邻着所述侧壁间隔物；以及介电层，位于所述空气间隙上。
2. 如权利要求1所述的集成电路结构，其中所述介电层为可渗透性的硬 掩模层，且所述侧壁间隔物延伸至所述介电层的侧壁上。
3. 如权利要求2所述的集成电路结构，还包含蚀刻停止层，位于所述介 电层与所述导线上。
4. 如权利要求1所述的集成电路结构，其中所述介电层为可渗透性的金 属间介电层，且所述介电层延伸至所述侧壁间隔物的上缘的上方。
5. 如权利要求1所述的集成电路结构，还包含额外的导线，位于所述空气间隙的一侧，且为所述导线的相反侧，其中 所述空气间隙水平地毗邻着所述额外的导线；以及额外的侧壁间隔物，位于所述额外的导线的侧壁上。
6. 如权利要求1所述的集成电路结构，其中所述侧壁间隔物并未延伸至 所述导线下。
7. 如权利要求1所述的集成电路结构，其中所述侧壁间隔物的上部水平 地毗邻着所述空气间隙，且所述侧壁间隔物的下部水平地毗邻着所述空气间 隙下的低介电常数介电层。
8. —种集成电路结构，包含 第一导线；第一侧壁间隔物，位于所述第一导线的侧壁上； 第二导线，与所述第一导线成水平间隔配置； 第二侧壁间隔物，位于所述第二导线的侧壁上；空气间隙，水平地毗邻着所述第一侧壁间隔物与所述第二侧壁间隔物；以及可渗透的介电层，位于所述空气间隙上、且与其毗邻。
9. 如权利要求8所述的集成电路结构，还包含蚀刻停止层于所述可渗透 的介电层、所述第一导线、与所述第二导线上，其中所述可渗透的介电层为 可渗透的硬掩模层，且所述第一侧壁间隔物与所述第二侧壁间隔物延伸至所 述可渗透的介电层的侧壁上。
10. —种集成电路结构，包含 导线；侧壁间隔物，位于所述导线的侧壁上； 空气间隙，水平地毗邻着所述侧壁间隔物；可渗透的掩模，位于所述空气间隙的正上方，且所述侧壁间隔物延伸至 所述可渗透的掩模的侧壁上；蚀刻停止层，位于所述导线与所述可渗透的掩模上；以及 金属间介电层，位于所述导线与所述可渗透的掩模上。
11. 如权利要求10所述的集成电路结构，其中所述可渗透的掩模包含材 料择自下列族群黑钻石、芳香族碳氢化合物、碳氧化硅以及上述的组合。
12. —种集成电路结构的形成方法，包含 形成牺牲层；形成可渗透性的介电层于所述牺牲层上； 形成开口于所述牺牲层中；形成侧壁间隔物于所述开口中，并位于所述牺牲层的侧壁上； 以导体材料填满所述开口；以及通过所述可渗透性的介电层移除所述牺牲层的至少一部分。
13. 如权利要求12所述的集成电路结构的形成方法，还包含 形成蚀刻停止层于所述导体材料与所述可渗透性的介电层上；以及 形成金属间介电层于所述蚀刻停止层上。
14. 如权利要求12所述的集成电路结构的形成方法，其中所述牺牲层是 择自下列族群聚丙二醇、聚丁二烯、聚乙二醇、聚己内酯、掺氟的非晶系 碳、硅胶以及有机硅氧烷。
15. 如权利要求12所述的集成电路结构的形成方法，其中所述可渗透性 的介电层是择自下列族群黑钻石、芳香族碳氢化合物、碳氧化硅以及上述 的组合。
全文摘要
本发明公开了一种集成电路结构及其形成方法，上述集成电路结构具有空气间隙。上述集成电路结构包含导线；侧壁间隔物于上述导线的侧壁上，其中上述侧壁间隔物包含介电材料；空气间隙(air-gap)水平地毗邻着上述侧壁间隔物；以及介电层于上述空气间隙上。本发明所能提供的技术效果包含减少电性迁移、以及改善依时性介质击穿电压的表现。
文档编号H01L23/522GK101241897SQ200710153268
公开日2008年8月13日 申请日期2007年9月29日 优先权日2007年2月5日
发明者余振华, 刘重希, 孙元成, 米玉杰 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司