TW495913B - An interconnect structure of a semiconductor device with an air gap and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

495913 A7 B7 五、發明說明（ 發明領域 本發明主要是有關於一種半導體元件中 具有空氣間隔之内連接結構及形成該結構之 方法，更詳細的尤其是有關於一種藉由鑲嵌 (damascene)方式形成之内連接結構，其具有 空氣間隔結構及形成該結構之方法。 發明背景： 近來，金屬内連接間隔與線寬隨著半導體 元件高積集度的比例持續減少。金屬内連接間 隔一旦減少，金屬内連接間之電容即增加而引 起信號延遲，並與緊鄰之内連接產生交調失 真。 習知已有許多用以減低金屬内連接間寄 生電容之提案。其中一種方法係使用具有低介 電層之絕緣層作為内連接間絕緣層。 亦即，因電容與絕緣層之介電常數（k)成 比例，故使用介電常數低於氧化矽層（S i 0 2)之 介電常數（k = 4 . 1 )的 F S G ( f 1 u 〇 r i n a t e d silicate glas，SixOFy，k = 3.4 〜4.1) 或 HSQ(hydrogeb silsesquioxane，k = 2.9)等各種物質作為内連接 間絕緣。 然而，為滿足此方法絕緣層之介電常數必 須減低至約3左右，容易導致工程複雜化及提 高成本。而且，相對於高積集化之要求，上述 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -2- 495913 A7 B7__ 五、發明說明（2) 介電常數並非非常小之數值。 (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 因而有在緊鄰之金屬内連接間使用空氣間 隔（air gap)，使内連接間介電常數約為1之提 案。第1A圖至第1D圖其所繪示為一般使用介 於緊鄰之内連接間之空氣間隔的方法。 首先，請參照第1 A圖，於半導體基底1 0上 形成含特定電路圖之底層12。於第1絕緣層12 上沉積金屬内連接用金屬層1 4。金屬層1 4係使 用鋁金屬層作為大部分的金屬内連接材料。以 眾所週知之微影作業，於金屬層1 4上形成用以 限制金屬内連接之光阻圖案1 6。 •請參照第1 B圖，藉光阻圖案1 6金屬層1 4 定義而形成金屬内連接14a、14b。其後，藉眾 所週知之方法除去光組圖案1 6。 如第1C圖其所繪示，於金屬内連接14a、 14b 上以 PECVD(plasma enhanced chemica vapor d e p o s i t i ο η )方式形成層間絕緣層1 8。此 時，沉積形成層間絕緣層1 8使金屬内連接 14a、14b下方較上方厚，於金屬内連接14a、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 4 b間之層間絕緣層1 8内形成空氣間隔1 9。而 且，以P E C V D方式形成之層間絕緣層1 8因產生 階梯差而部分具有拓樸（topology)。 接著，如第1D圖其所繪示，藉 CMP(chemical mechanical ρ ο 1 i s h i n g )方式研 磨具有拓樸之層間絕緣層1 8表面進行磨平作 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495913 A7 B7_ 五、發明說明（3) 發明目的及概述： 但是，習知所使用之金屬内連接材料-銘，如眾所週知一般具有電致移動 (electromigration) 或 由 應 力 導致移 動 (s t r e s s m i g r a t i ο η )等各種慢性問題，故容易導 致斷電。因此，現在使用電致移動與由應力導 致移動問題較少之銅金屬作為内連接材料。然 而，銅金屬具有不易藉蝕刻作業形成金屬内連 接之缺點。故，形成金屬内連接作為銅金屬 時，·藉由鑲嵌方式形成金屬内連接。 第2 Α圖至第2 C圖其所繪示為用以說明習 知技術中藉鑲嵌方式之銅金屬内連接形成方 法剖面圖。 請參照第2A圖，於半導體基底20上之底 層2 2上形成層間絕緣層2 4。蝕刻層間絕緣層2 4 使形成金屬内連接之部分成開口狀。 接著，如第2 B圖其所繪示，於層間絕緣層 2 4上形成銅金屬層2 6使層間絕緣層2 4間之空 間充分充電。 請參照第2 C圖，化學機械研磨銅金屬層2 6 以露出層間絕緣層2 4表面，形成埋入於層間絕 緣層24間之銅金屬内連接26a、26b。 然而，藉鑲嵌方式之金屬内連接方法係， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -4- (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 裝--------訂---------肇 495913 A7 B7 五、發明說明（ 不不 故， ，此 層因 緣 。 絕隔 間間 層氣 成空 形成 先形 前内 接24 連層 内緣 屬絕 金間 成層 形於 於易 電 之 間 接 内 屬 金 於 成 形 式 方 嵌 鑲 藉 低 減。 易容 要 主 之 明 發 本 屬氣 金空 嵌 鑲 由 藉 種 一 成 ,形 此間 於接 鑑連 有内 是 就 的 式 方 於之 ，造 在製 隔 間 至 明 發 本 的 i 他 其 及 述 上 成 達 為 牲處 犧化 成案 形圖 上行 底施 基分 體部 導定 半特 之層 層 牲 Μ 犧 有該 含對 於； : 含步 包的的 少層理 成； 形觸 ， 步 層的 電層 導牲 入犧 埋去 間除 空地 之性 間擇 層選 牲·， 犧驟 該步 於的 ;接 驟連 步内

S 驟 步 的 間隔 層間 成氣 形空 及入 以埋 間 空 之 間 接 4tblJ 内 該 於 而 層 導定 半特 之層 層牲 底犧 有該 含對 於； :騾 含步 包的 少層 至牲 明犧 發成 本形 ，上 且 底 基 體 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之， 義驟充 定步分 被的充 述層以 上電得 使導間 , 成空 驟形之 步；間 的態^ 理狀牲 處角犧 化錐該 案呈上 圖壁層 行側牲 施層犧 分牲該 部犧使 &色 導 該 去 除 犧接除 該連地 於内性 ， 該擇 面使選 表 ，·， 層驟態 牲步狀 犧的錐 該層倒 ά 電呈 露導壁 層成側 電形層 間牲 空犧 之該 間藉 層壁 牲側 該 於 而 層 緣 絕 間 層 成 形 及 以 般 1 隔 間： 氣含 空包 成少 •, 形至 驟間明 步空發 的之本 層間， 牲接且 犧連 去内 驟 步 的 底 基 體 導 半 含 其 n im§ ϋ ϋ-，備 MM· IW ew MM* MV IW Μ·* I t t 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495913 A7 B7_ 五、發明說明（5) 有底層；内連接，該半導體基底底層上至少一 處以上依特定間隔配置，且其線寬越向下越 窄；以及層間絕緣層，覆蓋内連接上方與側壁 面，並於内連接間具有空氣間隔。 圖式簡單說明： 第1 A圖至第1 D圖為用以說明習知技術中導電 層間空氣間隔之形成方法剖面圖。 第2 A圖至第2 C圖為用以說明習知技術中藉鑲 嵌方式之金屬内連接形成方法剖面圖。 第3 A圖至第3 F圖為用以說明本發明中藉鑲嵌 •方式於内連接間形成空氣間隔之方法剖 面圖 。 圖號對照說明： 10 半 導 體 基 底 12 底 層 14 金 屬 層 14a 金 屬 内 連 接 14b 金 屬 内 連 接 16 光 阻 圖 案 18 層 間 絕 緣 層 19 空 氣 間 隔 20 半 導 體 基 底 22 底 層 2 4 層 間 絕 緣 層 26 銅 金 屬 層 26a 銅 金 屬 内 連接 26b 銅 金 屬 内 連接 3 0 半 導 體 基 底 3 2 底 層 3 4 犧 牲 層 3 6 導 電 層 3 6a 内 連 接 3 6b 内 連 接 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) T -n — ·ϋ —ϋ ϋ ϋ an J t n Hi n Hi n an n I - 495913 A7 B7 五、發明說明（ 6 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 3 8 層間絕緣層 發明詳細說明： 請參照第3 A圖，於半導體基底3 0上形成底 層3 2。此時，底層3 2係具備如同Μ 0 S電晶體一 般之電路圖的氧化層，或形成於半導體基底30 表面之電容器。犧牲層34形成於底層32上。犧 牲層3 4係與底層3 2之蝕刻速度具有明顯差異 之物質，例如：PSG(phospho-silicate glass)物 質，或例如：以P E C V D方式形成。犧牲層3 4最 好具備與其後形成之金屬内連接相同之厚 度。而後，触刻犧牲層3 4使金屬内連接之特定 領域開放。此時，犧牲層3 4側壁呈錐角狀態與 底層3 2表面傾斜。亦即，剩餘之犧牲層3 4上側 線寬較下側線寬窄。 此後，如第3 B圖所示，於錐角狀態之犧牲 層3 4上形成用以使犧牲層3 4間之空間充分充 電之導電層36，例如銅金屬層。除了銅金屬層 以外，可使用鋁層、矽化物或具備導電性之多 晶矽等作為導電層3 6，例如：以C V D ( c h e m i c a 1 vapor deposition) 或 PVD(physical vapor deposition) o 接著，請參照第3 C圖，藉C Μ P或蝕刻作業 除去導電層36露出犧牲層34表面，而形成埋入 犧牲層3 4間之内連接3 6 a、3 6 b。此時，内連接 3 6 a、3 6 b側壁如同犧牲層3 4 —般具有倒錐 39 空氣間隔 請 先 閱 讀 背 S 之 注 意 事 項 寫 本 頁 I I訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 495913 A7 B7 五、發明說明（ (inverse-tapered)狀態 。 然後，如第3 D圖其所繪示，藉一般之乾蝕 刻或濕钱刻除去犧牲層3 4。此時，因犧牲層3 4 具有與底層32及内連接36a、36b明顯不同之蝕 刻速度，故可選擇性地除去。藉此，底層32 之上僅餘越向上側線寬越寬之内連接36a、 36b 〇 請參照第3 Ε圖，形成内連接3 6 a、3 6 b之底 層3 2上形成有層間絕緣層3 8。層間絕緣層3 8 内，藉内連接36a、36b之形態於内連接36a、 3 6 b間形成有空氣間隔3 9。亦即，層間絕緣層 38因·内連接上方之露出多於下方，故内連接 36a、36b上方沉積速度較下方快，而與緊鄰之 上方層間絕緣層相接。因此，隨著倒錐形態形 成内連接，層間絕緣層3 8内較容易形成空氣間 隔3 9。此時，層間絕緣層3 8因内連接3 6 a、3 6 b 之高度差具有拓樸。而且，可使用 USG(undoped silicate glass) 、 PSG(phos-phoros silicate glass)、 BSG(boro silicate glass) 、 BPSG(borophosphoros silicate glass)等作為層間絕緣層38，為了更 加減低寄生電容，可使用如FSG(fluorinated silicate glass)、聚合物或 SOG(spin on glass) 一般介電常數低於4之介電層。而且，可藉CVD 法、滅鍍法、旋塗法或蒸鍍法（e v a ρ 〇 r a t i ο η )等 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再, 寫 本 頁 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495913 A7 _B7___ 五、發明說明（8) 形成層間絕緣層3 8。 此後，如第3 F圖其所繪示，藉C Μ P或蝕刻 對層間絕緣層3 8表面進行平坦化。 發明功效： 如上述詳細說明所述，藉由本發明，於以 鑲嵌方式形成之内連接3 6 a、3 6 b間形成空氣間 隔，可減低内連接3 6 a、3 6 b間之電容。藉此， 可防止驅動器信號延遲與交調失真。 而且，因藉鑲嵌方式形成内連接36a、36b，可 防止電致移動與由應力導致移動。故，可改善 金脣内連接之可靠性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 495913 A8 B8 C8 D8 六 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 1 . 一種半導體元件内連接結構之形成方法，至 少包含： 於含有一底層之一半導體基底上形成一犧 牲層的步驟； 對定義該犧牲層特定部分施行圖案化處理 的步驟； 於該犧牲層間之空間埋入一導電層，形成 一内連接的步驟； 選擇性地除去該犧牲層的步驟；以及 形成一層間絕緣層而於該内連接間之空間 埋入空氣間隔的步驟。 2 .如申請專利範圍第1項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中對該犧牲層施行 圖案化處理的步驟係使上述犧牲層側壁呈 錐角狀態，而定義為上述犧牲層之線寬越向 下越寬。 3 .如申請專利範圍第1項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中上述層間絕緣層 係 ， USG(undoped silicate glass) 、 PSG(phos-phoros silicate glass)、BSG(boro silicate glass) 、 BPSG(borophosphoros silicate glass) 、 FSG(fluorinated silicate glass)、聚合物及 SOG(spin on glass)層之中 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再

   t I I 訂 ΐ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -10- 495913 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 一種 4 .如申請專利範圍第3項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中上述層間絕緣層 係，介電常數低於4之低介電層。 5 .如申請專利範圍第3項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中上述層間絕緣層 係由C V D法、濺鍍法、旋塗法及蒸鍍法之中 一種方法形成。 請 先 閱 讀 背 © 之 注 意 事 項 Η 頁 I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 至 牲 的層 犧 犧使； 連 ， 犧 理牲 該 該，態 内 法 一 處犧 上 於中狀 該 方 成 化該 層 ，驟錐及上 成 形 案之 牲 面步倒以接 形 上 圖理 犧 表的呈；連 之 底 行處 該；層該壁驟内 構 基 施化 使電牲線側步該 結 體 分案 ，充犧連層的於 接 導 部圖 驟分該内牲層而 連 半 定行 步充出該犧牲層 内 之 特施·，的以露成該犧緣 件 層 層被態層得層形藉該絕 元 底 牲該狀電間電間壁去間 體 一；犧使角導空導空#除層 導：有驟該，錐一 之該之接地一 半含含步對中呈成間去間連性成 種包於的於驟壁形層除層内擇形 一少 層 步側 牲 牲該選 —訂--------- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - 495913 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 接間之空間形成空氣間隔的步驟。 7 .如申請專利範圍第6項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中上述層間絕緣層 係 ， USG(undoped silicate glass) 、 PSG(phos-phoros silicate glass)、BSG(boro silicate glass) 、 BPSG(borophosphoros silicate glass) 、 FSG(fluorinated silicate glass)、聚合物及 SOG(spin on glass)層之中 種 0 8 .如申請專利範圍第7項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中上述層間絕緣層 係，介電常數低於4之低介電氧化層。 9 .如申請專利範圍第7項所述之半導體元件内 連接結構之形成方法，其中上述層間絕緣層 係由C V D法、濺鍍法、旋塗法及蒸鍍法之中 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再

   頁 訂 i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 成 形 法 方 種 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -12-