一种金属互连结构的制备工艺的制作方法

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种芯片后端金属制程工艺，特别是一种金属互连结构的制备工艺。

背景技术：

半导体器件，例如3dnand(3d与非)闪存，其制造必须历经一系列工艺流程，该流程包括诸如刻蚀和光刻等各种不同的半导体器件工艺步骤。在传统的制造流程上会包括300～400个步骤，其中每一步骤都会影响该半导体芯片上各器件的最终形貌，即影响器件的特征尺寸，从而影响器件的各种电特性。在传统的工艺流程上会区分为两类主要的次工艺流程，分别为前段制程(frontendofline，简称feol)和后段制程(backendofline，简称beol)。

后段制程可包括金属层的形成，以及在晶圆上不同层的金属层间金属连线、接触孔的形成等。其中，金属互连结构是为了实现半导体芯片器件之间的电连接的重要结构，目前已发展出各种金属互连结构以及形成工艺，例如铜互连结构，以及形成铜互连结构的电化学镀(electrochemicalplating，简称ecp)工艺。

然而，随着半导体器件特征尺寸(criticaldimension，简称cd)越来越小，相邻的金属层之间的距离变得越来越小，导致相邻金属层间产生的电容越来越大，该电容也成为寄生电容，该电容不仅影响半导体器件的运行速度，也对半导体器件的可靠性有严重影响。为了减轻这种问题，在形成层间介质层和/或金属间介质层时，以低k介电材料取代如氧化硅等高k介电材料，以降低相邻的金属层之间的电容。

例如，现有技术中金属互连结构的制备工艺通常包括下述步骤：

s1：参见图1a，在层间介质层1的表面依次沉积低k氧化物层2、钝化层3和光刻层4；

s2：继续参见图1a，进行光刻以去除待刻蚀位置的光刻层4，形成光刻沟道5；

s3：参见图1b，进行刻蚀以形成金属互连层沟道6，并随后去除光刻层4；

s4：参见图1c，在金属互连层沟道6先沉积一层金属籽晶层7；

s5：参见图1d，沉积金属互连层8以充满沟道6；

s6：参见图1e，平坦化所述金属互连层8，并露出低k氧化物层2；

s7：参见图1f，沉积阻挡层9以覆盖金属互连层8和低k氧化物层2。

但是，当半导体器件的特征尺寸变得更小后，寄生电容的问题也变得更加严重，现有的低k介质层已经不能有效地降低寄生电容，从而不利于减小rc延迟。同时，低k介质层大多采用多孔材料来减少k值，但是多孔材料的热力学稳定性较差，会使得热导体的3dnand闪存等半导体器件使用可靠性变差。此外，随着金属连线层最小距离和k值的降低，漏电流等问题也会越发严重。

因此，业内希望可以进一步降低层间介质层和金属间介质层的介电常数，以解决寄生电容和rc延迟及其引起的一系列问题，从而提高3dnand闪存等半导体器件的运行速度，以及使用可靠性，这一直为本领域技术人员所致力研究的方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供金属互连结构的制备工艺，能够有效提高3dnand闪存等半导体器件的运行速度，以及使用可靠性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种金属互连结构的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：

在层间介质层的表面依次沉积牺牲层、钝化层和光刻层；

进行光刻以去除待刻蚀位置的光刻层，形成光刻沟道；

进行刻蚀以形成金属互连层沟道，并随后去除光刻层；

在金属互连层沟道先沉积一层金属籽晶层；

沉积金属互连层以充满沟道；

平坦化所述金属互连层，并露出牺牲层；

去除牺牲层以形成空气隙(airgap)

沉积阻挡层以覆盖金属互连层和空气隙。

进一步的，所述牺牲层为氮化硅。

进一步的，所述金属为铜(cu)。

进一步的，所述沉积一层金属籽晶层，采用物理气相沉积(physicalvapordeposition，简称pvd)工艺。

进一步的，所述沉积金属互连层，采用电化学镀(electrochemicalplating，简称ecp)工艺。

进一步的，所述平坦化金属互连层，采用化学机械研磨工艺(cmp)。

进一步的，所述去除牺牲层，采用磷酸溶液的湿法刻蚀工艺；

进一步的，所述阻挡层为碳氮化硅。

进一步的，所述层间介质层为碳氮化硅。

进一步的，所述钝化层为氧化硅。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

第一，通过采用牺牲层制备空气隙(airgap)来替代低k介质层，而空气隙(airgap)具有比常规低k介电材料更低的介电常数(其真空介电常数约为1)，可以更好发挥降低寄生电容、减少rc延迟的作用；

第二，采用氮化硅作为牺牲层，并采用磷酸溶液湿法刻蚀，能够有效将牺牲层清除，即便在极小尺寸的情况下也能有效制备空气隙，同时也避免光刻、刻蚀等步骤所导致的周期变长、损伤器件的问题；

第三，采用碳氮化硅作为阻挡层，其填充性能相对较差，从而能够避免其对去除牺牲层后的空气隙进行不需要的填充，从而保证空气隙的制备。

第四，空气隙作为金属互连层的间隔介质，可以有效减少漏电流问题，从而提高器件性能。

通过本发明上述工艺，有效制备空气隙、减小寄生电容，从而提高了3dnand闪存等半导体器件的运行速度，以及使用可靠性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1a-f为现有技术中金属互连结构的制备工艺的流程图；

图2a-f为本发明中金属互连结构的制备工艺的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。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。

请参考图2a-f，在本实施例中，提出了本发明提出了一种金属互连结构的制备工艺，其包括以下步骤：

s100：在层间介质层的表面依次沉积牺牲层、钝化层和光刻层；

s200：进行光刻以去除待刻蚀位置的光刻层，形成光刻沟道；

s300：进行刻蚀以形成金属互连层沟道，并随后去除光刻层；

s400：在金属互连层沟道先沉积一层金属籽晶层；

s500：沉积金属互连层以充满沟道；

s600：平坦化所述金属互连层，并露出牺牲层；

s700：去除牺牲层以形成空气隙(airgap)

s800：沉积阻挡层以覆盖金属互连层和空气隙。

具体的，请参考图2a，在步骤s100中，首先进行步骤s110，在碳氮化硅(sicn)层间介质层100表面沉积氮化硅(sin)牺牲层110；随后进行步骤s120，在氮化硅(sin)牺牲层110表面沉积一层氧化硅(sio2)钝化层120；随后进行步骤s130，在氧化硅(sio2)钝化层120表面沉积一层光刻层130。

请继续参考图2a，在步骤s200中，采用常规工艺进行光刻以去除待刻蚀位置的光刻层130，形成光刻沟道140。

请参考图2b，在步骤s300中，首先进行步骤s310，采用常规工艺进行刻蚀以形成金属互连层沟道150；随后进行步骤s320，去除光刻层130。

请参考图2c，在步骤s400中，采用物理气相沉积(physicalvapordeposition，简称pvd)工艺沉积一层薄的金属铜籽晶层160以为后续电化学镀(electrochemicalplating，简称ecp)金属互连层用。

请继续参考图2c，在步骤s500中，利用电化学镀(ecp)工艺，在金属铜籽晶层表面沉积金属铜(cu)170以充满沟道金属互连层沟道150。

请参考图2d，在步骤s600中，采用化学机械研磨工艺(cmp)平坦化处理金属铜170表面，形成铜金属互连层180，并露出氮化硅牺牲层110。

请参考图2e，在步骤s700中，采用磷酸溶液的湿法刻蚀工艺来湿法刻蚀清除氮化硅牺牲层110，以形成空气隙(airgap)190。磷酸溶液具有优异的氮化硅刻蚀选择性，能有效清除氮化硅，从而在极小尺寸下形成空气隙190。

请参考图2f，在步骤s800中，沉积碳氮化硅(sicn)阻挡层200以覆盖层间介质层100和金属互连层180。

综上，通过采用牺牲层制备空气隙(airgap)来替代低k介质层，而空气隙(airgap)具有比常规低k介电材料更低的介电常数(其真空介电常数约为1)，可以更好发挥降低寄生电容、减少rc延迟的作用；并且采用氮化硅作为牺牲层，以及采用磷酸溶液湿法刻蚀，能够有效将牺牲层清除，即便在极小尺寸的情况下也能有效制备空气隙，也避免了后续光刻、刻蚀等步骤所导致的周期变长、损伤器件的问题；而采用碳氮化硅作为阻挡层，其填充性能相对较差，从而能够避免其对去除牺牲层后的空气隙进行不需要的填充，从而保证空气隙的制备；空气隙作为金属互连层的间隔介质，可以有效减少漏电流问题，从而提高器件性能。

本发明上述工艺，有效制备空气隙、减小寄生电容，从而提高了3dnand闪存等半导体器件的运行速度，以及使用可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。