CN106548977B - 一种空气隙结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气隙结构的制造方法，包括在衬底上形成常规的金属互连层次，对沟槽结构进行反刻蚀，去除沟槽之间的第一介质层材料，采用湿法清洗工艺去除沟槽表面的聚合物，采用物理轰击或选择性化学方式去除沟槽侧壁处产生的阻挡层材料凸出物，沉积第二介质层材料，形成空气隙结构；可防止引起第二介质层薄膜的断裂、塌陷等问题，增强空气隙的物理强度，从而可获得理想的空气隙结构形貌，并可实现工艺的稳定可控。

Description

一种空气隙结构的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，更具体地，涉及一种空气隙结构的集成制造方法。
背景技术
对于集成电路的后道互连工艺，总体的技术发展趋势为引入新材料，开发新结构，以缩短信号传输延时(RC延时)，提高器件运行速度。根据这一目标，金属材料已由铝改为铜以降低电阻率，而层间介质层已由二氧化硅逐步拓展到多种低介电常数及超低介电常数介质以减小电容值。
在20nm以下的技术代，为进一步降低电容，又提出了基于空气隙结构的技术解决方案，目前已有相关产品问世。关于空气隙的集成制造工艺有两大类：一种是采用牺牲层材料作为介质层完成互连结构，而后利用释放工艺形成空腔；另一种是在常规互连基础上去除介质层，再将开口封闭形成空气隙。这两种方案互有所长，但其具体工艺流程中都存在一些技术问题亟待解决。
目前，对空气隙结构工艺流程的研究已经比较成熟，也有不少具体的实现手段。如公开号为US9385028的美国专利就提出了一种空气隙的工艺流程，通过工艺流程的优化获得平整的结构表面，有助于后续工艺的顺利进行。但其由于工艺流程的设置差异，还是容易遇到不同的实际问题。在实际工作中，由于不同材料的湿法刻蚀选择性，就产生了具体的技术问题。例如，在空气隙形成过程中会出现阻挡层材料凸出物的实际问题。
因此，针对上述问题，需要提出具体的解决手段，以形成完整可靠的空气隙结构集成制造方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种空气隙结构的制造方法，利用新的工艺步骤解决阻挡层材料凸出物的实际问题，获得理想的空气隙结构形貌，并实现工艺的稳定可控，由此形成完整的集成制造工艺流程。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种空气隙结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤S010：提供一衬底，在所述衬底上形成常规的金属互连层次；
步骤S020：对金属互连层次的沟槽结构进行反刻蚀，去除沟槽之间的第一介质层材料；
步骤S030：采用湿法清洗工艺去除沟槽表面的聚合物；
步骤S040：采用刻蚀工艺去除沟槽侧壁处产生的阻挡层材料凸出物；
步骤S050：沉积第二介质层材料，形成空气隙结构。
优选地，步骤S010中，所述金属互连层次包括形成于所述衬底上的第一介质层，形成于第一介质层中的沟槽结构，所述沟槽填充有金属，并在沟槽侧壁具有阻挡层。
优选地，步骤S020中，进行反刻蚀后，在沟槽侧壁处保留有部分第一介质层材料。
优选地，采用等离子体对沟槽结构进行无胶反刻蚀，以在沟槽之间形成空气隙。
优选地，步骤S030中，湿法清洗工艺的清洗药液含有ST250。
优选地，步骤S040中，采用定向轰击刻蚀方式或选择性刻蚀方式去除阻挡层材料凸出物。
优选地，步骤S040中，采用离子束定向轰击刻蚀方式去除阻挡层材料凸出物。
优选地，步骤S040中，采用反应离子刻蚀去除阻挡层材料凸出物。
优选地，步骤S040中，采用远程等离子体化学刻蚀选择性去除阻挡层材料凸出物。
优选地，步骤S050中，采用非保形性的PECVD沉积第二介质层材料，在沟槽之间形成封闭的空气隙。
从上述技术方案可以看出，本发明针对现有工艺过程中阻挡层材料形成的凸出物问题，引入物理轰击或选择性化学方式对其进行去除，并形成完整的集成制造工艺流程，可防止在后续薄膜沉积中引起薄膜的断裂、塌陷等一系列问题，增强空气隙的物理强度，从而可获得理想的空气隙结构形貌，并可实现工艺的稳定可控。
附图说明
图1是本发明一种空气隙结构的制造方法流程图；
图2-图6是本发明一较佳实施例中根据图1的方法制造空气隙结构的工艺步骤示意图。
具体实施方式
本发明所涉及的空气隙结构制造方法的核心思想主要为，在铜互连工艺基础上形成空气隙结构的完整制造流程，对工艺过程中阻挡层材料形成的凸出物进行定向或选择性去除，以获得理想的空气隙结构形貌，并实现工艺的稳定可控。
本发明提供的空气隙结构制造方法主要适用于28nm以下的后道互连工艺；此外，在其他应用场合也可形成类似的空隙物理结构，本发明不作限定。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一种空气隙结构的制造方法流程图；同时，请参阅图2-图6，图2-图6是本发明一较佳实施例中根据图1的方法制造空气隙结构的工艺步骤示意图。如图1所示，本发明的一种空气隙结构的制造方法，包括以下步骤：
执行步骤S010：在衬底上形成常规的金属互连层次。
本发明的空气隙结构可在常规的铜互连工艺基础上进行。该工艺可为本技术领域的标准流程，包含光刻、刻蚀图形化工艺以及金属的填充、研磨平坦化等工艺过程。形成的互连结构可包括单镶嵌和双镶嵌等形式，以下本发明将以后道的单镶嵌结构为例，在该层次中实现本发明的空气隙结构。
请参阅图2。首先形成初始结构。初始结构例如可包含硅衬底100、BD2第一介质层110、填充有金属Cu 120的沟槽以及沟槽侧壁的TiN阻挡层130。然后经过平坦化工艺后，结构表面基本平整。
相关结构尺寸可为：该金属互连层厚度140～160nm，优选为150nm；沟槽宽度40～50nm，优选为45nm；沟槽间隔宽度40～50nm，优选为45nm；沟槽侧壁阻挡层厚度3～5nm，优选为4nm。
执行步骤S020：对沟槽结构进行反刻蚀去除介质层材料。
请参阅图3。接着，可采用等离子体对金属互连层次的沟槽结构部分进行无胶反刻蚀，去除金属沟槽间隔的第一介质层材料，以形成空气隙。在此过程中，等离子体刻蚀作用于沟槽结构区域，去除第一介质层的同时，金属120表面也受到持续的离子轰击，形成的反应聚合物140含有金属成分，覆盖于沟槽表面。在常规工艺中，形成的反应聚合物会给后续工艺造成困难。
本道刻蚀的典型工艺参数可为：压强90～110mtorr，优选为100mtorr；源功率180～220W，优选为200W；偏置功率270～330W，优选为300W；气体流量C4F8 52sccm、Ar1500sccm、O2 15sccm、N2 150sccm；刻蚀时间70sec。
刻蚀工艺完成后，可在金属沟槽侧壁仍留有部分第一介质层，以在后续去除沟槽侧壁处产生的阻挡层材料凸出物时，对位于沟槽内的阻挡层材料进行保护。如此形成的空气隙深度例如为140nm，宽度40nm，略小于原沟槽间隔宽度。
执行步骤S030：湿法清洗以去除沟槽表面的聚合物。
请参阅图4。接着，进行湿法清洗，以去除沟槽表面的反应聚合物140。由于该层物质含Cu、N、C、O等元素，常规的湿法清洗工艺较难彻底去除。可通过对前道反刻蚀步骤的工艺进行优化，降低聚合物成分中的氮元素含量，并采用ST250等湿法药液，即可以去除该层物质。
但此时又会引入新的问题：由于在去除反应聚合物的同时，对金属层表面也有刻蚀作用，但对阻挡层130材料的刻蚀甚微，使金属层120’低于侧壁阻挡层的高度，即阻挡层凸出于沟槽两侧，形成耳状物。该形貌对后续的第二介质层薄膜沉积有严重影响，将引起薄膜的断裂、塌陷等一系列问题，降低空气隙的物理强度。因此，必须采取有效手段消除该缺陷带来的负面作用，其中常规手段是增加后续工艺步骤去除产生的凸出物。
执行步骤S040：采用相关工艺去除阻挡层材料凸出物。
请参阅图5。由于上述的阻挡层材料凸出物缺陷突起于金属互连层次的表面，因此，可以利用尖端效应，将沟槽侧壁处产生的阻挡层材料凸出物加以去除。
作为一可选的实施方式，可采用离子束刻蚀(IBE)去除该耳状物。该刻蚀方式是一种纯物理刻蚀，刻蚀气氛可为Ar，通过调节离子束流的轰击方向，利用Ar+定向轰击凸出的阻挡层部分，可以获得平整的金属沟槽表面，并减少对金属的损伤。典型的工艺参数为：工作压强(3～5)×10-2Pa，优选为4×10-2Pa；加速电压500～700V，优选为600V；束流密度0.5mA/cm2；刻蚀时间20min。经此步骤，可使金属沟槽表面变得较为平整，有利于后续的第二介质层薄膜的沉积。如图5所示，阻挡层130’上方凸出物被有效去除。
另外，如利用反应离子刻蚀(RIE)，调节相关工艺参数，如降低工艺压强、选用合适的功率和刻蚀气体，也能较好地达到上述效果。相关工艺参数设置为：压强40～60mtorr，优选为50mtorr；射频功率140～160W，优选为150W；气体流量Ar 300sccm、CF4 20sccm；刻蚀时间60sec。
作为一不同的实施方式，在本步骤中，还可采用远程等离子体(remoteplasma)产生具有化学反应活性的自由基，对凸出物进行选择性化学刻蚀。当阻挡层材料为TiN时，可选用含Cl的气体作为反应(离化)气体，如Cl2、HCl、BCl3等。Cl自由基可以与TiN反应，但对金属Cu的刻蚀很小，有较高的选择性。具体参数可为：等离子体发生功率5～7kW，优选为6kW；气体流量BCl3 1500sccm、He 4000sccm；处理室压强1～4torr，优选为2.5torr。同时，该处理方式对前道离子轰击造成的表面损伤还具有一定的修复效果。因此，本道工艺利用化学反应实现所需的效果，避免了物理轰击带来的副作用。
执行步骤S050：沉积第二介质层形成空气隙结构。
请参阅图6。最后，在所得上述结构表面沉积第二介质层薄膜200，以形成空气隙结构。第二介质层材料可与第一介质层相似，可选为BD、BD2，本实施例为BD2，厚度120nm。该层薄膜形成方式为PECVD，采用非保形性方式沉积，薄膜生长过程中在空隙开口处相连，形成封闭的空气隙。然后，对表层进行平坦化处理，由此形成完整的空气隙结构。
综上所述，本发明提供的空气隙结构集成制造方法，针对工艺过程中阻挡层材料形成的凸出物问题，引入物理轰击或选择性化学方式加以去除，并形成完整的集成制造工艺流程，可防止在后续薄膜沉积中引起薄膜的断裂、塌陷等一系列问题，增强空气隙的物理强度，从而可获得理想的空气隙结构形貌，并实现工艺的稳定可控。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种空气隙结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S010：提供一衬底，在所述衬底上形成常规的金属互连层次；
步骤S020：采用等离子体对金属互连层次的沟槽结构进行反刻蚀，去除沟槽之间的第一介质层材料，在此过程中，沟槽结构的金属表面受到持续的离子轰击，形成反应聚合物，覆盖于沟槽表面；
步骤S030：采用湿法清洗工艺去除沟槽表面的聚合物，使沟槽结构的金属层低于侧壁阻挡层的高度，即阻挡层凸出于沟槽两侧；
步骤S040：采用刻蚀工艺并利用尖端效应，去除沟槽侧壁处产生的阻挡层材料凸出物；
步骤S050：沉积第二介质层材料，形成空气隙结构。
2.根据权利要求1所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S010中，所述金属互连层次包括形成于所述衬底上的第一介质层，形成于第一介质层中的沟槽结构，所述沟槽填充有金属，并在沟槽侧壁具有阻挡层。
3.根据权利要求1所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S020中，进行反刻蚀后，在沟槽侧壁处保留有部分第一介质层材料。
4.根据权利要求1所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S040中，采用定向轰击刻蚀方式或选择性刻蚀方式去除阻挡层材料凸出物。
5.根据权利要求1或4所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S040中，采用离子束定向轰击刻蚀方式去除阻挡层材料凸出物。
6.根据权利要求1所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S040中，采用反应离子刻蚀去除阻挡层材料凸出物。
7.根据权利要求1或4所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S040中，采用远程等离子体化学刻蚀选择性去除阻挡层材料凸出物。
8.根据权利要求1所述的空气隙结构的制造方法，其特征在于，步骤S050中，采用非保形性的PECVD沉积第二介质层材料，在沟槽之间形成封闭的空气隙。
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