CN103094199A

CN103094199A - 金属互连结构的制造方法

Info

Publication number: CN103094199A
Application number: CN2011103421988A
Authority: CN
Inventors: 张海洋; 周俊卿; 张城龙
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: CN103094199B

Abstract

本发明提供了一种金属互连结构的制造方法，通过在半导体衬底上形成多孔的低K介质层；在所述多孔的低K介质层上形成有机聚合物层；加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔，使得所述多孔的低K介质层结构坚固，从而在刻蚀所述多孔的低K介质层以形成配线槽及通孔时，能够保证所述配线槽及通孔的质量，即避免所述配线槽及通孔的缺陷产生，从而提高了后续形成的金属互连结构的质量及可靠性。

Description

金属互连结构的制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造工艺，特别涉及一种金属互连结构的制造方法。

背景技术

随着集成电路的制造向超大规模集成电路(ULSI)发展，其内部的电路密度越来越大，所含元件数量不断增加，使得晶片的表面无法提供足够的面积来制造所需的互连线。为了配合元件缩小后所增加的互连线需求，利用配线槽及通孔实现的两层以上的多层金属互连结构的设计，成为超大规模集成电路技术所必须采用的方法。

传统的金属互连结构是由铝金属制造实现的，但随着集成电路芯片中器件特征尺寸的不断缩小，金属互连结构中的电流密度不断增大，响应时间不断缩短，传统铝互连结构已达到了工艺极限。当工艺尺寸小于130nm以后，传统的铝互连结构技术已逐渐被铜互连结构技术所取代。与铝互连结构相比，铜互连结构中由于铜金属的电阻率更低、电迁移寿命更长，从而可以降低铝互连结构的RC延迟、改善电迁移等引起的可靠性问题。

随着集成电路工艺的进一步发展，电路密度进一步增大，金属互连结构带来的寄生电容已经成为限制半导体电路速度的主要因素。为了减少金属互连结构之间的寄生电容，低介电常数绝缘材料被用作隔离金属互连结构之间的介质层，该作为介质层的低介电常数绝缘材料被称为低K介质层。而为了进一步降低介电常数以减少金属互连结构之间的寄生电容，该低K介质层一般被做成多孔、疏松的结构，所述多孔指介质层物质分子之间的间隙。但是，在刻蚀该多孔、疏松的低K介质层以形成配线槽及通孔时，将产生具有结构缺陷的配线槽及通孔，例如，配线槽及通孔的结构壁不平滑、具有凹陷等，从而降低后续所形成的金属互连结构的质量及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属互连结构的制造方法，以解决现有的金属互连结构的制造方法中配线槽及通孔易于产生缺陷，从而降低了金属互连结构的质量及可靠性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种金属互连结构的制造方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成多孔的低K介质层；在所述多孔的低K介质层上形成有机聚合物层；加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔；刻蚀所述多孔的低K介质层，形成配线槽及通孔；在所述配线槽及通孔中填充金属，形成金属互连结构；对所述多孔的低K介质层进行热固化工艺，去除多孔中的有机聚合物。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，所述多孔的低K介质层的K值为1.6～2.6。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，所述多孔的低K介质层为疏松的氧化硅。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，所述多孔的低K介质层中的多孔的直径为1nm～6nm。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，所述有机聚合物为Tg。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，加热所述有机聚合物层的工艺温度为200℃～350℃。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，在工艺温度为400℃～500℃下，在氮气环境中，对所述多孔的低K介质层进行热固化工艺。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层的深度与所述配线槽的深度相同。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，利用旋涂工艺在所述半导体衬底上形成多孔的低K介质层。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，在加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔的步骤之后，执行下述步骤：在无氧环境中，通过剥离工艺移除所述多孔的低K介质层上剩余的有机聚合物层。

可选的，在所述的金属互连结构的制造方法中，刻蚀所述多孔的低K介质层，形成配线槽及通孔的步骤包括：刻蚀所述多孔的低K介质层，形成通孔；在所述通孔中填充Barc层；刻蚀所述多孔的低K介质层及Barc层，形成配线槽；移除残留的Barc层，露出配线槽及通孔。

在本发明提供的金属互连结构的制造方法中，通过加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔，使得所述多孔的低K介质层结构坚固，从而在刻蚀所述多孔的低K介质层以形成配线槽及通孔时，能够保证所述配线槽及通孔的质量，即避免所述配线槽及通孔的缺陷产生，从而提高了后续形成的金属互连结构的质量及可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的金属互连结构的制造方法的流程示意图；

图2a～2g是本发明实施例的金属互连结构的制造方法的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的金属互连结构的制造方法作进一步详细说明。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1，其为本发明实施例的金属互连结构的制造方法的流程示意图。如图1所示，所述金属互连结构的制造方法具体包括如下步骤：

S10：提供半导体衬底；

S20：在所述半导体衬底上形成多孔的低K介质层；

S30：在所述多孔的低K介质层上形成有机聚合物层；

S40：加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔；

S50：刻蚀所述多孔的低K介质层，形成配线槽及通孔；

S60：在所述配线槽及通孔中填充金属，形成金属互连结构；

S70：对所述多孔的低K介质层进行热固化工艺，分解多孔中的有机聚合物。

具体的，请参考图2a～2g，其为本发明实施例的金属互连结构的制造方法的剖面示意图。

如图2a所示，提供半导体衬底10。所述半导体衬底10上可以形成有组成集成电路芯片的器件，例如NMOS、PMOS等器件。

如图2b所示，在所述半导体衬底10上形成多孔的低K介质层20。在本实施例中，利用旋涂工艺形成所述多孔的低K介质层20。利用旋涂工艺形成膜层，其速度更快，从而提高生产效率，降低成本。此外，利用旋涂工艺相较于化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺等各类淀积工艺更利于形成疏松的膜层，从而得到介电常数较低的介质层。在本实施例中，所述多孔的低K介质层的K值(即介电常数)为1.6～2.6，优选的，该多孔的低K介质层为K值为1.8～2.4的疏松的氧化硅(porous silica，Po-SiO)。在本发明的其他实施例中，所述多孔的低K介质层也可以选取其他材料，例如疏松的掺碳氧化硅(porous SiOC)。优选的，该多孔的低K介质层中的多孔的直径为1nm～6nm。

如图2c所示，在所述多孔的低K介质层20上形成有机聚合物层30。在本实施例中，利用化学气相沉积工艺形成所述有机聚合物层30，所述有机聚合物层30可以为Tg(甘油三酯)。

接着，如图2d所示，加热所述有机聚合物层30，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层20，填充其中的多孔。具体的，加热所述有机聚合物层的工艺温度为：200℃～350℃。在此，通过加热所述有机聚合物层30，使得其中的有机聚合物融化，从而渗透进多孔的低K介质层20中，填充其中的多孔。在本实施例中，利用所述有机聚合物对所述多孔的低K介质层20进行填充的填充深度为后续将形成的配线槽的深度，即从多孔的低K介质层20的表面至后续将形成的配线槽的底面之间的厚度。通过将形成配线槽的部分的多孔的低K介质层20进行有机聚合物注入工艺，使其更加坚固，便可极大地改善后续刻蚀所形成的配线槽及通孔的形貌质量，避免产生结构缺陷。鉴于后续需要将渗透进多孔的有机聚合物去除，因此，在提高多孔的低K介质层的硬度以保证后续刻蚀质量的情况下，并不将有机聚合物过多、过深的注入至多孔的低K介质层的多孔中。

具体的，请参考图2d-1，首先，加热所述有机聚合物层30，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层20，填充其中的多孔。接着，请参考图2d-2，去除多孔的低K介质层20上剩余的有机聚合物层31，在本实施例中，在无氧环境中，通过剥离工艺移除所述多孔的低K介质层20上剩余的有机聚合物层31，以防止在去除剩余的有机聚合物层31的过程中，对多孔的低K介质层20所产生的损伤，提高工艺的可靠性及产品的质量。

接着，如图2e所示，刻蚀所述多孔的低K介质层20，形成配线槽50及通孔40。

具体的，请参考图2e-1，首先，刻蚀所述多孔的低K介质层20，形成通孔40。在本实施例中，可利用等离子刻蚀工艺对所述多孔的低K介质层20进行刻蚀，以形成通孔40。由于通过上一步骤，对所述多孔的低K介质层20进行了加固，因此，通过刻蚀工艺所形成的通孔40的结构壁将更加平滑，避免缺陷的产生。

接着，如图2e-2所示，在所述通孔40中填充Barc层41。具体的，可首先淀积Barc材料层，所述Barc材料层覆盖所述多孔的低K介质层20及通孔40，接着，对所述Barc材料层进行化学机械研磨工艺，去除所述多孔的低K介质层20上的Barc材料层，即保留覆盖所述通孔40的Barc材料层，以在所述通孔40中填充Barc层41。

如图2e-3所示，刻蚀所述多孔的低K介质层20及Barc层41，形成配线槽50。在本实施例中，所述配线槽50的深度与有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层20的深度相同。

最后，如图2e-4所示，移除残留的Barc层，露出配线槽50及通孔40。

在形成配线槽50及通孔40之后，接着，如图2f所示，在所述配线槽50及通孔40中填充金属，形成金属互连结构60。在本实施例中，所述金属为铜。具体的，可首先淀积铜材料层，所述铜材料层覆盖所述多孔的低K介质层20、配线槽50及通孔40，接着，对所述铜材料层进行化学机械研磨工艺，去除所述多孔的低K介质层20上的铜材料层，即保留覆盖所述配线槽50及通孔40的铜材料层，以形成铜金属互连结构60。

最后，如图2g所示，对所述多孔的低K介质层20进行热固化工艺，去除多空中的有机聚合物。具体的，在工艺温度为400℃～500℃下，在氮气环境中，对所述多孔的低K介质层20进行热固化工艺。通过本步工艺，去除了多孔中的有机聚合物，从而保证了多孔的低K介质层20的低K值，减少金属互连结构60之间的寄生电容，同时，又保证了所述配线槽及通孔的质量，即避免所述配线槽及通孔的缺陷产生，从而提高了金属互连结构的质量及可靠性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种金属互连结构的制造方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成多孔的低K介质层；

在所述多孔的低K介质层上形成有机聚合物层；

加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔；

刻蚀所述多孔的低K介质层，形成配线槽及通孔；

在所述配线槽及通孔中填充金属，形成金属互连结构；

对所述多孔的低K介质层进行热固化工艺，去除多孔中的有机聚合物。

2.如权利要求1所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，所述多孔的低K介质层的K值为1.6～2.6。

3.如权利要求2所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，所述多孔的低K介质层为疏松的氧化硅。

4.如权利要求1所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，所述多孔的低K介质层中的多孔的直径为1nm～6nm。

5.如权利要求1所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，所述有机聚合物为Tg。

6.如权利要求1所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，加热所述有机聚合物层的工艺温度为200℃～350℃。

7.如权利要求1所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，在工艺温度为400℃～500℃下，在氮气环境中，对所述多孔的低K介质层进行热固化工艺。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层的深度与所述配线槽的深度相同。

9.如权利要求1至7中的任一项所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，利用旋涂工艺在所述半导体衬底上形成多孔的低K介质层。

10.如权利要求1至7中的任一项所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，在加热所述有机聚合物层，使得有机聚合物渗透至所述多孔的低K介质层，填充其中的多孔的步骤之后，执行下述步骤：

在无氧环境中，通过剥离工艺移除所述多孔的低K介质层上剩余的有机聚合物层。

11.如权利要求1至7中的任一项所述的金属互连结构的制造方法，其特征在于，刻蚀所述多孔的低K介质层，形成配线槽及通孔的步骤包括：

刻蚀所述多孔的低K介质层，形成通孔；

在所述通孔中填充Barc层；

刻蚀所述多孔的低K介质层及Barc层，形成配线槽；

移除残留的Barc层，露出配线槽及通孔。