半导体器件处理方法

专利名称：半导体器件处理方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造半导体器件的方法以及由此制造的半导体器件。
背景技术：
各种半导体器件的操作速度会受到通过器件中互连的信号传播延迟限制。互连的 延迟常数是互连电阻乘以互连之间的电容的函数。因此，互连之间电容的减小能够改善这 种器件的操作速度。随着芯片尺寸不断减小，必须以不断减小的更小节距形成下层互连。因此，下层互 连之间的高电容会导致诸如由晶体管寄生电容增加引起的互连之间串扰和功耗增加的显 著问题。低电阻互连技术，所谓的镶嵌方法，被广泛地用于形成多层铜互连结构。在镶嵌方 法中，基于由彼此的顶面上形成互连层的工艺中的光刻所形成的图案，对在互连层之间形 成的绝缘膜进行干法蚀刻。由于在用于形成铜互连的工艺中层间绝缘膜用作铸模，所以会 在绝缘膜中形成空缺以减小k值(相对介电常数)，或者在形成互连之后通过去除绝缘膜形 成空气空隙，由此减小互连之间的电容。"Proceedings of IITC 2008，ρ· 196 (R. Gras 等人)”描述了用于形成空气空隙的 下述方法。首先，通过使用二氧化硅(SiO2)膜作为层间绝缘膜的镶嵌方法来形成互连层。 然后，在互连层上形成薄SiCN膜。在SiCN层上形成光致抗蚀剂，并且使用该光致抗蚀剂来 对化学物注入口进行构图。通过干法蚀刻来形成化学物注入孔，然后去除光致抗蚀剂，并经 由晶片的表面注入氢氟酸(HF)来溶解SiO2膜以形成空气空隙。然后，形成上层互连层。日本专利特开公布No. 2008-166726公开了一种仅在需要空气空隙的区域中提供 空气空隙的技术，从而使由空气空隙引起的机械强度降低最小化。然而，本发明的发明人发现了有关这些常规技术的下述问题。日本专利特开公布 No. 2008-166726中描述的技术需要金属环，所述金属环将要被形成空气空隙的区域与不形 成空气空隙的区域隔离开。在CMP (化学机械抛光)工艺中在金属环的周围会产生腐蚀。因 此，该技术为了满足对由诸如铜的金属制成的互连中的电阻的规格有设计限制，所以需要 以预定的距离或更加远离金属环来提供互连。此外，如果等离子体处理在金属环形成之后进行，则来自等离子体的荷电粒子的 积聚会损坏所述环。从而，金属会扩散到周围区域中。扩散的金属能够附着到附近的互连 以引起短路。如果金属环小，则在上述的荷电粒子积聚的过程中能够在环的内部产生涡流 磁场。涡流磁场能够通过环内部的互连来影响晶体管的操作。此外，如果下层互连之间的绝缘膜中的空气空隙太大，则互连的机械强度变得不 足够。当在其中形成空气空隙的互连上形成焊料块或将结合线连接到互连时，对互连施加 强压力。该压力能够产生诸如在焊料块或结合线正下方的互连中的图案倒塌的问题。因 此，需要仅从需要互连之间低电容的区域去除绝缘膜的同时在需要机械强固结构的同一下 层互连层中的区域中留下绝缘膜的工艺。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种半导体器件制造方法，包括步骤在覆盖基板的绝缘膜上形成掩模；从绝缘膜的第一区域去除掩模，同时在绝缘膜的第二区域中留下掩模；在掩模遮蔽第二区域的同时使第一区域暴露到等离子体中，以便通过随后的处理 使第一区域更易于去除；从第二区域去除掩模；在第一和第二区域的每个区域中形成至少一个金属互连；以及选择性去除第一区域，以形成与第一区域中形成的金属互连相邻的空气空隙，同 时保留第二区域。根据本发明，用掩模膜覆盖绝缘膜的特定区域并且通过等离子体处理来选择性地 处理未被掩模膜覆盖的区域。相对于没有由等离子体处理的区域，在由等离子体处理的区 域中能够增加绝缘膜的蚀刻速率。因此，能够从由等离子体处理的区域选择性地去除绝缘 膜以形成空气空隙，同时能够在需要机械强度的区域中留下绝缘膜。从而，能够以高产量制 造能高速操作的半导体器件。


从下面结合附图的描述，本发明的上述和其他目的、优势和特征将更明显，其中图IA和IB是示出根据实施例的半导体器件制造方法的示意图；图2A和2B是示出根据实施例的半导体器件制造方法的示意图；图3A和3B是示出根据实施例的半导体器件制造方法的示意图；图4A和4B是示出根据本实施例的半导体器件制造方法的示意图；图5是根据实施例的半导体器件的示意性横截面图；图6是根据实施例的半导体器件的示意性横截面图；图7是根据实施例的半导体器件的互连结构的平面图；图8A和8B是根据实施例的半导体器件的互连结构的平面图；图9是示出实际示例的研究结果的示意图；图10是示出另一实际示例的研究结果的示意图；以及图11是示出又一实际示例的研究结果的示意图。
具体实施例方式现在在此将参考说明性实施例来描述本发明。本领域的技术人员应该认识到，使 用本发明的教导能够实现许多可替选的实施例，并且本发明不限制于用于说明目的而示例 的实施例。下面将参考附图来描述本发明的实施例。贯穿附图同样的部件用相同的附图标记 来标示，并且将适当地省略部件的重复描述。图1至4是示出根据本发明实施例的半导体器件制造方法的图。根据本实施例的 半导体器件制造方法包括在不形成空气空隙的区域1(膜区域)和将要形成空气空隙的区域2 (空气空隙区域)中提供绝缘膜102的步骤(图1A)，用光致抗蚀剂104 (掩模膜)覆盖 区域1的表面的步骤(图1B)，对绝缘膜102的区域2与覆盖有光致抗蚀剂104覆盖的区域 1 一起实施等离子体处理的步骤(图2A)，从暴露到等离子体处理的绝缘膜102去除光致抗 蚀剂104的步骤(图2B)，在去除了光致抗蚀剂104的绝缘膜102的区域1和2中嵌入铜 (Cu)互连105 (金属互连)的步骤(图3A)，以及沿Cu互连105的侧面从由等离子体处理 所处理的区域2去除绝缘膜102以形成空气空隙108的步骤(图4A)。下面将详细描述这些步骤。首先，如图IA所示，在基板101上形成绝缘膜102。如图5和6所示，当在基板101 上形成晶体管时，图1至4省略了该晶体管。绝缘膜102是包括Si-O键和Si-C键且具有k 值(相对介电常数)为2. 7以下的SiOC膜。具体地，绝缘膜102优选为具有低Si-O键能 和高孔率的SiOC膜。更具体地，绝缘膜102可以是诸如BD (k为2. 35)、BD 2. 7 (k为2. 4) 或8021&为2.5)的黑金刚石膜，使用诸如OMCTS (八甲基环四硅氧烷[(CH3)2SiO]4)的环 硅氧烷的有机二氧化硅膜，或者诸如P-SiCOH膜的多孔二氧化硅膜。例如，绝缘膜102被形 成为IOOnm至IOOOnm范围的厚度。然后在绝缘膜102上形成对光致抗蚀剂104有亲合性的中间层103。形成中间层 103能够改善光致抗蚀剂104的润湿性。中间层103优选形成为小于或者等于50nm的厚 度。在后面将要描述的等离子体处理中，这能够使等离子体通过中间层103穿透到绝缘膜 102中。中间层103可以是SiC、SiCN或SiO2膜。特别地，以小于或者等于250°C的温度沉 积SOG (旋涂玻璃)和低温氧化物膜。然后用光致抗蚀剂104涂覆中间层103的表面。光致抗蚀剂104的密度可以大于 绝缘膜102的密度。这是因为在绝缘膜102中形成了用于减小相对介电常数的空孔。光致 抗蚀剂104的厚度与绝缘膜102的厚度大致相同。然后，进行曝光和显影以图案化光致抗 蚀剂104，以仅在区域1中留下光致抗蚀剂104 (图1B)。然后，将区域1中的光致抗蚀剂104的表面和区域2中的中间层103的表面暴露 到等离子体(图2A)。具体地，垂直于晶片的表面，对绝缘膜102施加等离子体处理。等离 子体源可以是诸如氦、氖或者氩的惰性气体或者氨气。施加到中间层103的表面的等离子 体通过中间层103穿透到绝缘膜102中。另一方面，区域1中的绝缘膜102由光致抗蚀剂 104保护，并且因此它不被等离子体处理。因此，仅能够对区域2中的绝缘膜102的特性进 行改性。通过设计等离子体源、等离子体暴露时间、以及根据绝缘膜102的材料类型的施加 功率能够控制等离子体穿透距离。从而，绝缘膜102能够被改性至期望的深度。控制等离 子体以穿透到小于或者等于光致抗蚀剂104的厚度的距离。使光致抗蚀剂104灰化，然后通过回蚀刻去除中间层103 (图2B)。通过常规的光刻和干法蚀刻技术，在绝缘膜102中形成互连沟槽。然后，通过使用 PVD (物理气相沉积)、镀覆和CMP的镶嵌方法来形成Cu互连105 (图3A)。扩散防止膜106被形成为覆盖在区域1和2中形成的Cu互连105的表面。扩散 防止膜106防止Cu从Cu互连105扩散。扩散防止膜106可以是SiCN膜或SiC膜。例如， 扩散防止膜106被形成为IOnm至IOOnm范围的厚度。然后，使用光致抗蚀剂来对扩散防止膜106进行构图，以对扩散防止膜106的一部 分进行开口，以形成用于注入蚀刻溶液的注入口(开口)107，并且暴露注入口 107底部处的绝缘膜102 (图3B)。注入口 107的直径dl优选为约lOOnm。区域1和2之间的边界到注 入口 107的外周之间的距离(AD)优选在0. 5μπι至Iym的范围内。然后，经由注入口 107注入蚀刻溶液，以蚀刻掉绝缘膜102。蚀刻溶液可以是氢氟 酸(HF)或HF的盐。HF的盐可以是氟化铵。蚀刻溶液的氟含量优选为溶液的0.5%摩尔百 分比。蚀刻溶液的PH优选在1至8的范围内。这种蚀刻溶液能够使由于与蚀刻溶液相接 触的Cu连105的氧化而引起的表面粗糙度和晶界侵蚀最小化。由于扩散防止膜106包括Si-C键，所以扩散防止膜106阻挡HF的蚀刻。通过等离 子体对利用等离子体处理的绝缘膜102中的区域的特性进行改性，以使其变得容易蚀刻。 从而，首先去除在注入口 107的底部的绝缘膜102。另一方面，区域1中的绝缘膜102没有由等离子体处理，并且因此会阻挡蚀刻。因 此，在区域1和2之间的边界处蚀刻速率降低。从而，能够仅在区域2中形成空气空隙108。 通过在图2Β的步骤中选择大于或等于空气空隙108的深度的光致抗蚀剂104，能够防止在 区域1中形成空气空隙108。等离子体没有到达的区域2中的绝缘膜102部分的特性没有被改性，并且因此该 部分阻挡蚀刻。因此，当蚀刻溶液到达区域2的没有由等离子体处理的部分时，蚀刻速率下 降。从而，能够以期望的厚度形成空气空隙108，以便使其不完全穿透绝缘膜102。通过使 空气空隙108形成为小于绝缘膜102厚度的厚度，能够确保区域2的所需机械强度。在扩散防止膜106上形成另一绝缘膜102b (图4B)。绝缘膜102b可以由作为 绝缘膜102材料的示例给出的任何材料制成。绝缘膜102b的厚度(t)优选满足条件 dl < 0. 9Xt，其中dl是注入口 107的直径。如图4B所示，在空气空隙108上方形成的绝 缘膜102b形成孔隙109。这是因为CVD固有保形地沉积材料。如果孔隙109太大，则会引 起诸如机械强度降低的问题。然而，通过确保绝缘膜102b的有效厚度，能够防止形成过大 的孔隙109，并因此能够使诸如机械强度降低的孔隙109的影响被减小到可忽略的程度。然后，重复图IB中所述的光刻工艺以及图2A和2B中所述的等离子体处理，以在 绝缘膜102b中形成通孔110。通孔的直径(Φ)例如在20nm至ISOnm的范围内，并且通孔 的高度例如在IOOnm至1500nm的范围内。然后，嵌入Cu膜，以形成具有高度范围例如为 50nm 至 IOOOnm 的 Cu 互连。重复图3B和4A中所描述的蚀刻工艺，并且重复图IB至4A中所描述的工艺，以在 绝缘膜102的顶部上形成多层互连结构。在形成多层互连结构之后，在区域1中的顶部互 连层中形成电极焊盘。图5和6示出了完整的示范性半导体器件。尽管从图1至4中省略了多个晶体管， 但是在基板101上提供多个晶体管。这些晶体管通过元件隔离层202相互隔离。栅电极 203与Cu互连105通过连接204相接触。在晶体管上形成包括绝缘膜102、在绝缘膜102中 嵌入的Cu互连105以及沿Cu互连105的侧面形成的空气空隙108的互连层。堆叠多个这 种互连层。在绝缘膜102与上层互连层之间形成的扩散防止膜106中，保留用于注入蚀刻 溶液而形成的注入口 107。注入口 107形成在空气空隙108正上方并且与空气空隙108相 连接。在顶部互连层中形成电极焊盘。在其中形成电极焊盘的互连层正下方的绝缘膜102 中，没有形成空气空隙108。通过按顺序堆叠的包括钛层207、铝层208和镍层209的金属多层膜，形成图5所示的半导体器件的电极焊盘。在镍层209的顶部上形成焊料球210。焊料球210经由金属 多层膜与互连层相连接。在互连层的顶部处形成诸如聚酰亚胺材料的绝缘层206。在图6所示的半导体器件中，形成诸如铝材料的结合焊盘307作为电极焊盘。结 合线310与结合焊盘307相连接。结合线310通过由铝或者其他材料制成的结合焊盘307 与互连层相连接。在图6的互连层的顶部处形成诸如聚酰亚胺材料的绝缘层206。下面将描述本实施例的有利效果。根据本实施例的制造方法，利用光致抗蚀剂104 来覆盖绝缘膜102的区域1，并且利用等离子体选择性处理没有覆盖有光致抗蚀剂104覆盖 的绝缘膜102的区域2。从而，相对于区域1，能够增加通过等离子体处理的区域2中的绝 缘膜102的蚀刻速率。因此，能够选择性地去除由等离子体处理的区域2中的绝缘膜102， 以形成空气空隙108，同时能够在需要机械强度的区域中留下绝缘膜102。因此，能够以高 产量制造能高速操作的半导体器件。下面将更详细地描述本实施例的有利效果。已知可以通过形成空气空隙减小互连 电阻。因此，期望可以通过形成空气空隙来制造能高速操作的半导体器件。然而，形成的空 气空隙不利地降低互连的机械强度。例如，当通过焊料球形成外部连接端子时，在制造工艺中的热处理或者器件装载 后的温度变化期间，由于绝缘膜与焊料之间的应力差，会使下层绝缘膜剥离。如果在绝缘膜 中形成超过特定限制区域的空气空隙，则由于应力变化将会加速绝缘膜的分离。因此，存在 使形成宽空气空隙的部分很可能剥离的问题。当形成结合线时，在结合或测试焊盘探测期间，从上面对半导体器件施加强的力。 该力主要施加到在焊盘正下方的部分。因此，如果在结合焊盘正下方形成空气空隙，则由探 测施加的外力能够损坏半导体器件的下层膜。为了解决这些问题，根据本实施例，在绝缘膜102中提供将要形成空气空隙108的 区域(区域2)和不形成空气空隙的区域(区域1)，并且组合应用光刻、等离子体处理和蚀 刻。结果，仅在由等离子体处理的区域2中形成空气空隙108，并且在区域1与2之间能够 形成明确的边界。因此，可以在没有形成空气空隙的区域1中提供用于连接外部封装的电 极焊盘，同时能够减小形成空气空隙108的区域2中的互连电阻。此外，由于通过控制在执 行等离子体处理期间的条件能够灵活地控制空气空隙的深度，所以能够通过互连电阻与机 械强度之间的折衷在区域2中形成空气空隙108。在没有形成空气空隙的区域1中，能够通 过形成具有低k值的绝缘膜来减小互连电阻。由于通过等离子体处理对绝缘膜的特性进行改性，所以很可能提供本实施例的有 利效果。如果绝缘膜102是SiOC膜，则通过等离子体处理使具有特别弱键能的Si-C键物 理地断裂，并且使绝缘膜102变成利用较少Si-O桥形成的膜。该膜在HF中具有高溶解度， 然而包含Si-C键的膜在HF中不会溶解。这也许是能够在用等离子体处理的区域与没有用 等离子体处理的区域之间提供高蚀刻选择性的原因。此外，通过等离子体处理使Si-C键 断裂的膜的深度可以取决于等离子体源的质量和能量。因此，通过控制在执行等离子体处 理期间的条件，能够在绝缘膜102中形成不使Si-C键断裂的区域，结果，能够形成具有期望 深度的空气空隙108。由于根据本实施例的方法没有提供用于防止在日本专利特开公布 No. 2008-166726中公开的方法中使用的蚀刻溶液横向扩散的金属环，所以能够减小芯片面积。此外，由于能够控制蚀刻溶液在深度方向上的扩散，所以能够在不需要提供双层绝缘膜 102的情况下确保互连105的机械强度。因此，能够减小互连之间的电容，并且还能够减少 制造成本、浪费量和等离子体损伤。将参考附图来描述根据本实施例制造的互连结构的示范性设计。图7是根据该实 施例制造的互连结构的平面图。下层互连105a是在与其中形成空气空隙108的绝缘膜102 的同一层中形成的Cu互连。在其中形成空气空隙108的绝缘膜102上方的层中形成通孔 110。上层互连105b是在与通孔110的同一层中形成的Cu互连。首先，优选以小于或等于Ι.Ομπι的节距(d2)形成蚀刻溶液注入口 107。这使得蚀 刻溶液经由注入口 107充分扩散到绝缘膜102中。结果，能够形成具有期望尺寸的空气空 隙 108。优选在距将不形成空气空隙的区域1与将要形成空气空隙的区域2之间的边界、 以范围为0.5μπι至ιμπι的距离(AD)处形成蚀刻溶液注入口 107。如果绝缘膜102是具 有空孔的SiOC膜，则绝缘膜102本身的密度小，并且因此蚀刻溶液还能够渗入到没有用等 离子体处理的区域1。如果来自蚀刻溶液的氟化物离子保留在绝缘膜102中，则氟化物离子 会在随后的热处理期间扩散，并且会引起铜侵蚀以及使层间膜分解。为了防止该问题，必须 防止蚀刻溶液渗入到不形成空气空隙的区域1中。本发明的发明人通过使用相对介电常数为2. 7以下的SiOC膜来研究了 HF的扩散 距离。该研究示出了，扩散距离最大为0.3 μ m。考虑到该结果以及横向进行等离子体处理 和在形成光致抗蚀剂104、形成Cu互连105以及形成蚀刻溶液注入口 107的光刻工艺中会 产生未对准的事实，通过提供大于或等于0. 5 μ m的距离Δ D，能够防止蚀刻溶液渗入到区 域1中。通过选择如上所述的小于或等于Ιμπι的距离Δ D，能够使蚀刻溶液在形成空气空 隙的区域中很好地扩散。上述注入口 107的布局能够提供其中空气空隙108的外周与注入 口 107的外周之间的距离AD在0. 5μπι与1口111之间或者等于0.5口111和Iym的互连结 构。蚀刻溶液注入口 107的外周与下层互连105a之间的距离(d3)优选为大于或等于 30nm。由于暴露下层互连105a的表面，所以这种距离能够防止铜泄漏。蚀刻溶液注入口 107的外周与上层互连105b之间的距离(d4)优选为大于或等于 30nm。如图4B所示，在注入口 107上方形成绝缘膜102导致在注入口 107正上方形成孔隙 109。如果通过镶嵌方法在注入口 107正上方形成互连沟槽，则孔隙109将接合上层互连 105b的沟槽的底部。如果在这种情况下，则会在互连沟槽的底部中形成孔，并且铜会通过该 孔泄漏。泄漏的铜会经由空气空隙108与下层互连105a相接触，在下层中会产生层间短路 或者层内短路。30nm以上的距离d4能够防止该问题。从上面观看，形成在空气空隙108上方的通孔110与下层互连105a重叠。从上面 观看，优选在距下层互连105a的外周大于或等于30nm的距离d5处形成通孔110。这种距 离能够防止通孔110与空气空隙108相接合。由于相同的原因，优选在距空气空隙108的外 周大于或等于30nm的距离d6处，形成其中不形成空气空隙108的区域1中的通孔110。图8是互连结构的平面图。如所示出的，如果互连105被形成为跨过空气空隙108， 则空气空隙108被形成为使得绝缘膜102留在预定的位置中。这能够防止互连的机械强度 降低。
例如，如图8A所示，如果互连105被延伸跨过空气空隙108，则互连105被分割成 具有预定长度(d8)的分段，并且绝缘膜102被留在互连105的每个分段的两端。可以根据 互连105的宽度和深度来控制在绝缘膜102中嵌入的互连105的长度(d7a，d7b)与越过 空气空隙108的互连105的长度(d8-d7a-d7b)之间的比率。例如，如果互连105的深度为 115nm且宽度为50nm，则d8优选为小于或等于10 μ m并且d7a和d7b中的每一个优选为大 于或等于0. 5μπι。优选地，在互连105端部的侧面处留下绝缘膜102。例如，如图8Β所示，在互连105 被架桥的截面中，如所示出在互连105的端部留下部分绝缘膜102。距离d7c优选为大于或 等于 0. 5μπι。虽然上面已参考附图描述了本发明的实施例，但它们是本发明的示范性实施例。 还可以使用不同的其他结构。[应用示例](第一应用示例)在图IA中，形成200nm厚度的BD2x(来自Applied Materials, Inc.)的绝缘膜
102。在图IB中，在200°C、在绝缘膜102上形成50nm厚度的SOG(旋涂玻璃)的中间层
103。用500nm厚度的光致抗蚀剂104来涂覆中间层103，随后通过光刻来形成空气空隙区 域2。在气体压力为533Pa(4.0Torr)、温度为335°C、电极之间距离为320密耳的条件下， 使用用氨气(NH3)作为源、功率为300W以及流动速率为900sCCm的等离子体增强型CVD系 统(Producer由Applied Materials, Inc.制造)执行等离子体处理20秒(图2A)。使光 致抗蚀剂104灰化，然后通过回蚀刻去除中间层103 (图2B)。在绝缘膜102上形成SiO2膜 并且通过光刻和干法蚀刻来形成通孔和互连沟槽。然后，通过使用PVD、镀覆和CMP的镶嵌 方法，形成115nm厚度的Cu互连105 (图3A)。在形成绝缘膜102至CMP的工艺期间，BD2x 膜厚度减小了 30nm。在其中将要形成空气空隙108的区域2中的以及在其在正上方将要 形成通孔110的Cu互连105中，相对于锤头形状的直径为50nm的通孔110，在X和Y的所 有四个方向上，形成长度为30nm的Cu互连105的延伸部。在Cu互连105上形成35nm厚 度的SiCN的扩散防止膜106。使用在扩散防止膜106上形成的光致抗蚀剂，以对蚀刻溶液 注入口 107进行构图(图3B)。蚀刻溶液注入口 107的布局是使得在距边界0.8μπι的距 离Δ D处形成注入口 107。注入口 107的直径(dl)是lOOnm。注入口 107之间的节距(图 7，d2)是Ιμπι。该布局被设置成使得注入口与Cu互连105之间的距离为30nm以上。执 行光刻，其中将注入口 107相对于Cu互连105的未对准控制为最大20nm。通过干法蚀刻 形成蚀刻溶液注入口 107 (图3B)，然后去除光致抗蚀剂。经由晶片的表面注入了重量比率 为1 200的HF以形成深度约为70nm的空气空隙108 (图4A)。然后，形成了上层互连层 (图4B)。上层绝缘膜102b是厚度为200nm的BD2x。通孔的直径(Φ)为50nm，并且高度 为90nm。互连的高度是115nm。控制通孔110的布局被控制成使得相对于在通孔110正下 方的层和空气空隙形成层的对准最大为30nm，并执行光刻。控制上层互连105b的布局被控 制成使得相对于在上层互连105b正下方的互连层和蚀刻溶液注入口 107的未对准最大为 30nm，并执行光刻。在距边界30nm以上的距离处布置了在没有形成空气空隙的区域1中的 通孔110之中的、在具有空气空隙108的边界附近的通孔101。(第二应用示例)
用不同的施加功率执行第一应用示例的等离子体处理持续不同的处理时间(图 2A)，并且研究了空气空隙108的深度与施加功率和处理时间之间的关系。除了施加功率 (100W、150W和300W)和处理时间改变了以外，在与第一应用示例相同的条件下执行了等离 子体处理。图9示出了结果。图9中的垂直轴表示在空气空隙108底部正下方的绝缘膜 102的厚度(图4A中的Δχ)。(第三应用示例)用不同的等离子体源执行第一应用示例的等离子体处理持续不同的等离子体处 理时间(图2Α)，并且研究了空气空隙108的深度与等离子体源和等离子体处理时间之间的 关系。考虑到等离子体的稳定性，在下列固定的条件下执行该处理。该示例的剩余部分与 第一应用示例相同。_使用氦的处理功率:440ff；流动速率:5200sccm ；气体压力:1067Pa(8. OTorr)；温度335°C，电 极之间的距离430密耳_使用氩的处理功率:600ff；流动速率:400sccm ；气体压力:867Pa(6. 5Torr)；温度335°C ；电极 之间的距离350密耳图10示出了结果。图10的垂直轴表示在空气空隙108底部正下方的绝缘膜102 的厚度(图4A中的Δχ)。从该结果可以看出，使用氦气作为等离子体源在控制空气空隙 108的深度为最小值方面是尤其有效的。(第四应用示例)使用不同类型的绝缘膜102执行第一应用示例的等离子体处理持续不同的等离 子体处理时间(图2Α)，并且研究了空气空隙108的深度与绝缘膜102的类型和等离子体处 理时间之间的关系。使用了下列类型的绝缘膜102。该处理的剩余部分与第一应用示例相 同。-BD 自 Applied Materials, Inc.)-在等离子体增强型CVD系统(Producer由AppliedMaterials, Inc.制造)中 形成的多孔SiCOH(p-SiCOH)-在等离子体增强CVD系统(Producer由AppliedMaterials, Inc制造)中使用 OMCTS(八甲基环四硅氧烷)气体形成的环硅氧烷-Aurora(注册商标,来自 Applied Materials, Inc.)图11示出了结果。图11的垂直轴表示在空气空隙108底部正下方的绝缘膜102 的厚度(图4A中的Δχ)。从该结果可以看出，根据在其中没有形成空气空隙108的区域1 中形成的Cu互连105的特性，能够相对灵活地选择绝缘膜102的类型。如上参考附图描述了本发明的实施例。然而，这些实施例是本发明的示范性实施 例，并且能够采用除上述构造之外的不同构造。此外，下面在本发明中公开了本发明的实现 方法。下面将提供本发明的可替选实施例。(1)在Cu互连的同一互连层中，提供其中将要形成空气空隙的区域和其中将不形 成空气空隙的区域。
(2)在其中将不形成空气空隙的⑴中形成的互连层区域中的层间绝缘膜具有用 Si-O键架桥的结构，包括Si-C键，以及除非对该膜实施等离子体处理，否则它会相当大地 阻挡诸如氢氟酸的蚀刻溶液。(3)在(1)中所述的空气空隙的深度小于层间绝缘膜的厚度。(4)在(2)中所述的互连层之间形成空气空隙的方法中，在绝缘膜上形成对光致 抗蚀剂有高亲合性的薄膜，然后涂覆有光致抗蚀剂，然后执行曝光和显影以对其中将要形 成空气空隙的区域进行构图，以及在垂直于晶片的方向上执行等离子体处理。(5)在(2)中所述的互连层之间形成空气空隙的方法中，在其中将要形成空气空 隙的区域中的层间绝缘膜上形成的Cu防止扩散绝缘中，对化学物注入口进行构图，然后经 由注入口注入溶解绝缘膜的化学物以溶解该绝缘膜。(6)在⑵中所述的绝缘膜是k值小于或等于2. 7的SiOC膜。(7)在绝缘膜上形成的、对(4)中所述的光致抗蚀剂有高亲合性的膜的厚度小于 或等于50nm。(8)在绝缘膜上形成的、对(4)中所述的光致抗蚀剂有高亲合性的膜是在250°C以 下的控制温度下形成的SiO2膜。(9)在绝缘膜上形成的、对(4)中所述的光致抗蚀剂有高亲合性的膜是SiC膜或 SiCN 膜。(10)在(4)中使用的光致抗蚀剂具有高于层间绝缘膜的密度。(11)在(4)中使用的光致抗蚀剂具有大于将要形成的空气空隙的厚度。(12)通过使用对绝缘膜具有高化学惰性的、诸如NH3、He、Ne或Ar的等离子体源， 执行(5)中的等离子体处理。(13)在(5)中使用的化学物是氢氟酸或氢氟酸盐溶液。(14)在(13)中使用的化学物的氟含量大于或等于溶液的0. 5%摩尔百分比。(15)以Iym以下的间隔来设置(5)中形成的化学物注入口。(16)在距其中不将形成空气空隙的区域的边界的距离在0. 5 μ m与1 μ m之间或者 等于0.5μπι和Ιμπι处，设置(5)中形成的化学物注入口。(17)以如下方式设置注入口 注入口的一个端部与最接近该注入口的互连的端 部之间的距离大于或等于30nm，使得在其中将要形成空气空隙的区域中设置的互连不与 (5)中注入的化学物相接触。(18)以如下方式设置注入口 注入口的一个端部与最接近该注入口的互连的端 部之间的距离大于在对化学物注入口进行构图期间产生的与下层互连未对准的最大量、化 学物注入口直径的设计值与能够提供的化学物注入口的最大直径之间差的一半、以及互连 宽度的设计值与能够提供的互连的最大宽度之间差的一半之和，使得在其中将要形成空气 空隙的区域中设置的互连不与(5)中注入的化学物相接触。(19)以如下方式设置注入口 注入口的一个端部与最接近该注入口的互连的端 部之间的距离大于或等于30nm，使得在其中将要形成空气空隙的互连层上形成的层中形成 的互连不与(5)中注入的化学物相接触。(20)以如下方式设置注入口 注入口的一个端部与最接近该注入口的互连的端 部之间的距离大于在对上层互连进行构图期间产生的与化学物注入口未对准的最大量、化学物注入口直径的设计值与能够提供的注入口的最大直径之间的差的一半以及上层互连 宽度的设计值与能够提供的互连的最大宽度之间的差的一半之和，使得在其中将要形成空 气空隙的互连层上的层中形成的互连不与(5)中注入的化学物相接触。(21)在(5)中形成的化学物注入口的直径不超过在其中将要形成空气空隙的互 连层上形成的Cu扩散阻挡绝缘膜上形成的层间绝缘膜的厚度的0. 9倍。(22)在(5)中形成的化学物注入口的直径不超过在其中将要形成空气空隙的互 连层上形成的Cu扩散阻挡绝缘膜上形成的层间绝缘膜的厚度的0. 9倍。(23)以如下方式设置用于将其中如(1)所述的要被形成空气空隙的区域中设置 的互连与所述互连正上方的层中的互连相连接的通孔通孔的一个端部与在其中将要形成 空气空隙的区域中设置的、最接近于通孔端部的互连的端部之间的距离大于或等于30nm， 使得通孔底部的所有区域与下层互连相接触。(24)以如下方式设置用于将其中如(1)所述的要被形成空气空隙的区域中设置 的互连与所述互连正上方的层中的互连相连接的通孔通孔的一个端部与在其中将要形成 空气空隙的区域中设置的、最接近于通孔端部的互连的端部之间的距离大于在对通孔进行 构图期间产生的与下层互连未对准的最大量、通孔直径的设计值与能够提供的通孔的最大 直径之间的差的一半、以及互连宽度的设计值与能够提供的最大互连宽度之间的差的一半 之和，使得通孔底部的所有区域与下层互连相接触。(25)通孔的端部位于距边界至少30nm的距离处，该通孔用于将在其中如(1)所述 的将不形成空气空隙的区域中设置的互连与在最接近于其中将要形成空气空隙的区域的 边界的互连正上方的互连相连接。(26)以如下方式设置用于将其中如(1)所述的不形成空气空隙的区域中设置的 互连与所述互连正上方的层中的互连相连接的通孔最接近于其中将要形成空气空隙的区 域的边界的通孔的端部与该边界之间的距离大于在对通孔进行构图期间产生的与化学物 注入口未对准的最大值、以及通孔直径的设计值与能够提供的通孔的最大直径之间的差的 一半之和。(27)在(4)中所述的等离子体处理中，通过适当地控制诸如等离子体处理中的施 加功率、等离子体源、以及根据要被处理的层间绝缘膜的类型的处理时间的条件，能够相对 于互连的高度来灵活地控制空气空隙的深度。(28)如果存在被完全包含在如(1)所述的将要形成空气空隙的区域内的互连，则 空气空隙的深度小于互连的高度。(29)如果跨过(1)中所述的其中将不形成空气空隙的区域和其中将要形成空气 空隙的区域设置(1)中所述的所有Cu互连，则空气空隙的深度大于互连的高度，只要在其 中将不形成空气空隙的区域中的互连中的任一互连的长度大于或等于该互连的整个长度 的10%即可，在互连两个端部处的至少两个部分位于其中将不形成空气空隙的区域中，并 且架桥跨过其中将不形成空气空隙的任何两个区域的并且设置在其中将要形成空气空隙 的区域中的互连是线性形状。(30)如果跨过(1)中所述的其中将不形成空气空隙的区域和其中将要形成空气 空隙的区域设置(1)中所述的所有Cu互连，则该空气空隙的深度大于互连的高度，只要互 连的长度范围在10-μπι以内的互连的两个端部处的至少两个部分位于其中将不形成空气空隙的区域中即可，该部分的长度大于或等于0. 5 μ m，并且架桥跨过其中将不形成空气空 隙的任何两个区域的并且设置在空气空隙区域中的互连是线性形状。(31)以如下方式来设计(1)中所述的空气空隙区域空气空隙区域不设置结合焊 盘的正下方，所述结合焊盘要被形成在空气空隙区域上方的互连中。(32)在(5)中所述的Cu扩散防止绝缘膜是SiC或者SiCN膜。
权利要求
一种制造半导体器件的方法，包括在覆盖基板的绝缘膜上形成掩模；从所述绝缘膜的第一区域去除所述掩模，同时在所述绝缘膜的第二区域中留下所述掩模；在所述掩模遮蔽所述第二区域的同时使所述第一区域暴露到等离子体，以便通过随后的处理使所述第一区域更易于去除；从所述第二区域去除所述掩模膜；在所述第一区域和第二区域的每个中，形成至少一个金属互连；以及选择性去除所述第一区域，以形成与所述第一区域中形成的金属互连相邻的空气空隙，同时保留所述第二区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择性去除步骤包括 在所述绝缘膜上形成扩散防止膜；在覆盖所述第一区域的所述扩散防止膜的一部分中形成开口，以暴露所述第一区域；以及通过蚀刻来去除暴露的第一区域。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述扩散防止膜是SiCN膜或SiC膜。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，暴露所述绝缘膜，使得所述开口的外周与所述第 一区域和第二区域之间的边界之间的距离为0. 5 μ m至1. 0 μ m。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体是从选自由铵、氦、氖和氩组成的 组中的气体来产生。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用包含氢氟酸或氢氟酸的盐的蚀刻溶液来选 择性地去除所述第一区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述绝缘膜包括Si-O键和Si-C键。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤 在所述绝缘膜上形成互连层；以及在所述互连层的上部区域中形成电极焊盘。
全文摘要
本发明提供了半导体器件处理方法。通过等离子体预处理将被去除的绝缘膜区域，来实现对在层间绝缘膜中形成低k空气空隙的改良控制。通过掩模暴露想要的空气空隙区域同时用掩模遮蔽将被保留的膜区域。然后，使想要的空气空隙区域暴露到等离子体，以便在随后的处理中使其更易于去除。在绝缘膜的这两个区域中嵌入一个或多个Cu互连。然后，选择性去除在想要的空气空隙区域中的绝缘膜，以在那个区域中形成邻近Cu互连的空气空隙。
文档编号H01L21/3205GK101958247SQ20101021831
公开日2011年1月26日 申请日期2010年6月28日 优先权日2009年6月26日
发明者浜中信秋, 笠间佳子 申请人:瑞萨电子株式会社