CN108388735B - 一种设计具有多孔介质层的集成电路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设计具有多孔介质层的集成电路的方法，该方法通过计算设备控制集成电路设计工具(飞秒激光设备)，该方法不需要使用掩模工艺，也就省去了掩模版，突破了掩模版的限制，同时不使用有毒的显影步骤，还省去了对多孔介质层的暴露的孔结构的“封堵”工艺，减少了制备工艺，缩短了制备流程，节约了成本，并且提高了半导体器件的稳定性和可靠性。

Description

一种设计具有多孔介质层的集成电路的方法

技术领域

一种使用在计算设备上实施集成电路设计工具设计具有多孔介质层的集成电路的方法，特别设计一种使用飞秒激光设备刻蚀多孔介质层形成集成电路的方法。

背景技术

半导体集成电路技术的飞速发展不断对互连技术发展提出新的要求。目前，在半导体制造的后段工艺中，为了连接各个部件构成的集成电路，通常使用具有相对高导电率的金属材料，但随着半导体器件的尺寸不断收缩，互连结构变得越来越窄，从而导致互连电阻越来越高。

在现有形成铜布线或铜互连的过程中，通过刻蚀绝缘介质层形成沟槽或通孔，然后在沟槽或者通孔中填充铜导电材料。然而由于金属连线之间的空间逐渐缩小，因此，用于隔离金属连线之间的绝缘介质层也变得越来越薄，这样会导致金属连线之间可能会发生不利的相互作用或串扰。现已研究发现，降低用于隔离金属连线层的绝缘介质层的介电常数(K)，可以有效降低这种串扰，同时，降低层间介质层材料的K值还可以有效降低互连的电阻电容延迟效应(RC delay)。

然而，低K或超低K绝缘介质材料的使用对于半导体制造工艺提出来新的要求，一方面，为了获得低K材料或超低K材料，降低材料的K值，通常使用的材料为多孔材料，然而多孔材料的机械强度偏低，这就导致在刻蚀通孔或沟槽过程中，绝缘介质层容易受到破坏，另一方面，多孔的绝缘介质层容易受到外界材料的渗入，而造成污染，降低材料的可靠性。已有学着研究指出，可以通过额外的“封堵”工艺，将刻蚀多孔介质层时暴露在外部的“开放的”孔结构形成密闭的结构，以防止在形成互连结构时金属杂质容易进入孔中的缺陷，然而额外的工艺不仅造成了成本的增加，还容易对刻蚀形成的通孔或沟槽的形貌改变，导致最终形成的互连结构效果并不是很理想；并且在刻蚀通孔或者沟槽过程中，会使用掩模层的开口进一步的刻蚀形成通孔或沟槽结构，为了增加开口的精准的形成，通常使用的掩模结构为双层的掩模结构，而在形成掩模层的开口时，需要使用光刻胶先定义出开口的位置，然后再对光刻胶曝光显影形成开口。

这种情况在，在刻蚀绝缘介质层之前，先要形成多层掩模层的步骤，形成光刻胶的步骤，然后再进行曝光显影的步骤，在刻蚀形成开口之后，还要对残余的光刻胶以及剩余的掩模层去除步骤，工艺繁琐，同时，在对光刻胶显影过程中通常使用的显影液为甲基异丁酮+异丙醇的混合溶液，而这些有机物是有毒物质，吸入后有危险，不利于安全生产。

鉴于上述问题，需要提供一种具有多孔介质层的集成电路结构的制备方法，一方面要减少对形成工艺步骤并提高安全性能，同时要减少对多孔介质层的污染和损伤，提高集成电路结构的性能，减少制作成本。

发明内容

本发明内容部分中引入一系列简化形式的概念，这将在具体实施部分进行详细的说明。

本发明解决的技术问题是提供一种具有多孔介质层的半导体结构，防止在制备过程中对层间介质层的损害或污染，并且无需额外的对多孔的层间介质层的“封堵”步骤，无需形成掩模层以及光刻胶层开口的工艺，减少制作成本，提高工艺安全性，提高半导体器件的稳定性和可靠性。

为解决上述问题，一种使用在计算设备上实施集成电路设计工具设计具有多孔介质层的集成电路的方法，该方法包括有：在所述计算设备上存储所需设计的所述集成电路的布图结构；将所述计算设备与所述实施集成电路设计工具进行连接，所述实施集成电路设计工具为飞秒激光刻蚀设备，该飞秒激光刻蚀设备用于对所述集成电路的所述多孔介质层进行刻蚀；利用在所述计算设备上的所述实施集成电路设计工具，识别在集成电路上的需要形成互连结构的区域；利用所述飞秒激光刻蚀设备，对所述的需要形成互连结构的区域的多孔介质层进行刻蚀形成开口结构，飞秒激光在刻蚀所述多孔介质层时，通过对暴露的孔结构的局部熔化使暴露的所述孔结构密封；在所述开口结构中形成金属互连线，形成具有多孔介质层的集成电路结构。

进一步的，所述金属互连线结构的材料为铜。

进一步的，所述多孔层间介质层下方还具有其他的互连线结构，形成的所述金属互连线以与其他的互连线结构进行电连接。

进一步的，所述多孔层间介质层下方还具有其他的电路结构，形成的所述金属互连线以与其他的电路结构进行电连接。

进一步的，所述其他的电路结构，晶体管、电容器或电阻器中的一个或其组合。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益的技术效果：

1、具有超短脉冲时间(通常为10^-15m/s)的飞秒激光，具有超强的高聚焦能力，飞秒激光可以将其能量全部快速准确的集中在很小的作用区域中，在刻蚀时能够快速准确的刻蚀，并且与传统的激光刻蚀相比很少产生副作用，刻蚀完之后无需清洗去除残余物的工序，飞秒激光在刻蚀时产生的高温对暴露的多孔结构的边缘处的介质层进行熔化，熔化的介质层可以将暴露的打开的孔结构进行封堵，也就是在刻蚀过程中就对开口的孔结构进行了密闭的处理，而无需采用额外的封堵处理步骤，也无需额外的清洗去除残余物的步骤；

2、采用计算设备精准控制集成电路设计工具(飞秒激光设备)，按照计算设备上存储的集成电路布图结构，使用飞秒激光直接对需要形成互连结构的多孔介质层进行精确刻蚀，通过控制激光束的刻蚀路径，直接将所需的布图结构刻蚀形成，无需采用掩模工序，也就省去了光刻胶的形成工艺、曝光显影步骤，并且省去了价格昂贵的掩模版，减少了形成工艺，节约了成本；并且对于复杂的布线结构，更能够准确快捷的形成，突破了掩模版的限制。

综上，该方法不仅可以减少制备工序，并且可以提高半导体器件的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例中采用计算设备形成集成电路的示意图；

图2是形成的集成电路结构的俯视图及其剖面图

图3是通过刻蚀在多孔介质中形成沟槽的放大示意图，其中图3a所示的为采用传统的干法刻蚀时沟槽的开口处暴露的“开放的”孔结构，图3b所示的为本发明中采用飞秒激光刻蚀时沟槽开口处的孔结构的“密封”状态。

具体实施方式

在下文的描述中，结合附图和实施例对本发明提出的半导体互连结构的制备方法做进一步的详细的说明，通过具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。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、清晰的辅助说明本发明实施例的目的。在实施例中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

请参考附图1所示的本发明中采用计算设备形成集成电路的示意图，通过计算设备控制集成电路设计工具，对集成电路进行控制，以形成期望的集成电路结构。具体的，在所述计算设备上存储所需设计的所述集成电路的布图结构，如采用CAD将需要形成线路的布图结构先存储在计算设备上；然后将计算设备与所述实施集成电路设计工具进行连接，在本实施例中实施集成电路设计工具为飞秒激光刻蚀设备，该飞秒激光刻蚀设备用于对所述集成电路的所述多孔介质层进行刻蚀；利用在所述计算设备上的所述实施集成电路设计工具，识别在集成电路上的需要形成互连结构的区域，按照计算设备上存储的集成电路布图结构，使用飞秒激光直接对需要形成互连结构的多孔介质层进行精确刻蚀，通过控制激光束的刻蚀路径，直接将所需的布图结构刻蚀形成，无需采用掩模工序，也就省去了光刻胶的形成工艺、曝光显影步骤，并且省去了价格昂贵的掩模版，减少了形成工艺，节约了成本，并且对于复杂的布线结构，更能够准确快捷的形成，突破了掩模版的限制。利用所述飞秒激光刻蚀设备，对所述的需要形成互连结构的区域的多孔介质层进行刻蚀形成开口结构，飞秒激光在刻蚀所述多孔介质层时，通过对暴露的孔结构的局部熔化使暴露的所述孔结构密封；在所述开口结构中形成金属互连线，形成具有多孔介质层的集成电路结构，其中金属互连线的材料为铜。

如图2所示的为具有一定布线结构的集成电路的俯视图和剖面图，其中仅示意性的示出了不同的布线结构以及多孔的介质层结构，在多孔的介质层结构下方还具有其他的互连线结构，形成的所述金属互连线以与其他的互连线结构进行电连接，或者是在多孔层间介质层下方还具有其他的电路结构，如晶体管、电容器或电阻器中的一个或其组合，形成的所述金属互连线以与其他的电路结构进行电连接，在图2中并没有示出介质层下方的其他的互连线或电路结构。其中附图2中的俯视图(附图2中上方的图)中的L1-L6，为形成的介质层中的不同形状的布线结构示意图，本领域技术人员应知悉，在集成电路布线结构中会存在各种形状的布线结构，这里仅是示意出几种结构。附图2的下方的图为沿上方的图的虚线的剖面图，其在衬底基板结构1上形成有多孔的介质层3，多孔的介质层3中形成有布线结构4，衬底基板结构可以为本领域中常见的半导体基板，如硅基板或者SOI基板结构；多孔介质层4为低K或者超低K的材料，低K或者超低K多孔介质层的材料可以为介电常数值(K值)为2.2-2.9的硅基高分子材料，如HSQ、MSQ等，还可以为多孔的SiLK，形成低K或超低K的多孔介质层的方法可以为旋涂工艺，形成的多孔介质层的厚度为200-300nm；其中的布线结构4也就是金属互连线的材料为铜，其形成工艺可以为电镀或沉积工艺。

在对多孔介质层进行刻蚀步骤时，如图3a所示，是采用现有的干法刻蚀的示意图，在采用干法刻蚀(通常为等离子体刻蚀)在衬底基板结构1上的多孔介质层3中形成开口时，开口下方对应有其他的互连线2或者其他的电路结构2，开口两侧的多孔介质层(图3a中的虚线部分)在刻蚀时，由于多孔介质层中通常会具有很多的孔结构，而在刻蚀形成开口时，同样会对孔结构进行刻蚀，也就是如放大的部分中刻蚀边界处会形成有很多具有开口暴露的孔结构(其中的内部为多孔介质层的内部，对其内部的形貌并没有示出)，而这些打开的孔结构在后续的清洗和沉积步骤中会残留有很多杂质，这些杂质会在后续的高温工艺中进入到多孔介质层中，对多孔介质层的介电常数产生很大的影响，而最终影响器件的性能。而本发明采用的是飞秒激光的刻蚀工艺，该飞秒激光不同于传统的干法刻蚀(采用等离子体进行轰击待刻蚀的表面或直接用传统的激光进行刻蚀)，飞秒激光具有超短脉冲时间(通常为10^-15m/s)，具有超强的高聚焦能力，其可以将其能量全部快速准确的集中在很小的作用区域中，在刻蚀时能够快速准确的刻蚀，并且与传统的激光刻蚀相比很少产生副作用，刻蚀完之后无需清洗去除残余物的工序；飞秒激光在刻蚀时产生的高温对暴露的多孔结构的边缘处的多孔介质层进行熔化，熔化的多孔介质层可以将暴露的打开的孔结构进行封堵，也就是在刻蚀过程中就对开口的孔结构进行了密闭的处理，而无需采用额外的步骤，如图3b所示的结构，在刻蚀之后其放大结构为刻蚀的边界处，对打开的孔结构进行了一定的封堵。在形成的多孔介质层中的通孔结构之后，在通孔结构中形成有阻挡层、晶种层和金属层，其中的金属层的材料可以为铜，阻挡层为TiN，可以采用电镀的工艺形成金属层，然后经过CMP工艺将通孔结构外部的，多孔介质层表面的多余的铜金属层去除，形成金属互连结构，也就是完成了金属布线的形成工艺。

综上，该使用在计算设备上实施集成电路设计工具设计具有多孔介质层的集成电路的方法，该方法不需要使用掩模工艺，也就省去了掩模版，突破了掩模版的限制，同时不使用有毒的显影步骤，还省去了对多孔介质层的暴露的孔结构的“封堵”工艺，减少了制备工艺，缩短了制备流程，节约了成本，并且提高了半导体器件的稳定性和可靠性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外，本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以作出更多的变形和修改，这些变形和修改均落在本发明所要保护的范围内。本发明的保护范围由所属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (5)

1.一种设计具有多孔介质层的集成电路的方法，该方法包括有：

在计算设备上存储所需设计的所述集成电路的布图结构；

将所述计算设备与实施集成电路设计工具进行连接，所述实施集成电路设计工具为飞秒激光刻蚀设备，该飞秒激光刻蚀设备用于对所述集成电路的多孔层间介质层进行刻蚀；

利用在所述计算设备上的所述实施集成电路设计工具，识别在集成电路上的需要形成互连结构的区域；

利用所述飞秒激光刻蚀设备，对所述的需要形成互连结构的区域的多孔介质层进行刻蚀形成开口结构，飞秒激光在刻蚀所述多孔介质层时，通过对所述开口结构内侧暴露的孔结构的边缘处进行局部熔化，使暴露的所述孔结构密封；

在所述开口结构中形成金属互连线，形成具有多孔介质层的集成电路结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属互连线结构的材料为铜。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔层间介质层下方还具有其他的互连线结构，形成的所述金属互连线以与其他的互连线结构进行电连接。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多孔层间介质层下方还具有其他的电路结构，形成的所述金属互连线以与其他的电路结构进行电连接。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述其他的电路结构，晶体管、电容器、电阻器中的一个或其组合。

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