專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，以及更具體地說，本發(fā)明涉及 一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，其中具有充氣空間的低k絕緣層形成于金屬布 線之間的，從而降低RC延遲。
背景技術(shù)：
由于金屬布線的寬度和斜度的減小，半導(dǎo)體技術(shù)的方案都集中于向半導(dǎo)體 器件提供多層金屬布線結(jié)構(gòu)。隨著金屬布線的斜度已減小了，由于在金屬布線 之間提供的層間絕緣層介電常數(shù)和布線的電阻，阻容(RC)延遲已成為必需 解決的問題。
為解決這個問題，已提供由低k材料組成的介電常數(shù)低于氧化硅(Si02)層
的層間絕緣層。應(yīng)用低k材料作為金屬布線間的層間絕緣層將有助于減少金屬 布線之間的寄生電容和串?dāng)_噪聲，從而改善半導(dǎo)體器件的性能。
在布線的設(shè)計中，除使用低k材料外，層間絕緣層和金屬布線的結(jié)構(gòu)也已 變成重要的條件。到現(xiàn)在，眾所周知，由電子的碰撞引起的電子遷移是降低金 屬布線可靠性的主要因素。然而，在半導(dǎo)體器件的運作期間，在半導(dǎo)體器件中 的金屬布線的可靠性的降低，與由電子的沖撞引起的電子遷移相比，受到由提 供到金屬布線的電流產(chǎn)生的焦耳熱的影響更大。從而，設(shè)計金屬布線時，在決 定低k層間絕緣層和金屬布線的結(jié)構(gòu)時必須考慮這一方面。
應(yīng)用正硅酸乙酯(TEOS)源形成的Si02層已被用做層間絕緣層，其在較 低溫度填充金屬布線間的間隙用于平坦化。這種Si02層將具有較高的沉積速
度并將高度防裂。在另一方面，Si02層對不平的表面將表現(xiàn)出較差的涂覆特性，
從而其在填充形成于金屬布線之間的任何空間時具有局限性。因而，在氧化層 沉積后，應(yīng)用旋涂法，將具有較低粘性的有機(jī)化合物形成于氧化層上和/或上 方。將通過應(yīng)用高密度等離子體(HDP)同時執(zhí)行沉積和蝕刻進(jìn)行平整。
已經(jīng)通過將與銅金屬布線一起使用的低k絕緣層(k S.O)應(yīng)用到多層鋁金 屬布線嘗試提高半導(dǎo)體器件的操作速度并同時提高高集成密度。然而，由于薄 膜的介電常數(shù)減小，應(yīng)用低k薄膜引起降低已沉積薄膜硬度的多個問題。這是 因為隨著薄膜的介電常數(shù)主要由于其中的微細(xì)孔隙而降低，在薄膜中的微細(xì)孔
隙的體積將增加。 一種這樣的低k材料為黑色金剛石，其介電常數(shù)為大約2.7 至3。盡管黑色金剛石的介電常數(shù)不能達(dá)到低于理想低k材料的介電常數(shù)，該 理想低k材料為具有氣隙的材料。然而，由于結(jié)構(gòu)的局限性，實際上難以形成 這種氣隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施方式涉及一種通過在金屬布線之間使用具有充氣空間的低 -k絕緣層來降低RC延遲的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
本發(fā)明的實施方式涉及一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其至少包括以下步驟 的至少其中之一在半導(dǎo)體襯底上方形成下部金屬布線；在下部金屬布線上方 形成第一金屬阻擋層；在第一金屬阻擋層上方形成層間絕緣層；形成在第一金 屬阻擋層和層間絕緣層中延伸的觸點；在層間絕緣層和觸點上方形成負(fù)性光刻 膠；在負(fù)性光刻膠中形成溝道；在溝道中形成上部金屬布線，其中上部金屬連 線通過觸點與下部金屬布線電連接；平坦化負(fù)性光刻膠和上部金屬布線的整個 最上表面；在負(fù)性光刻膠和上部金屬布線上方形成第二金屬阻擋層；在第二金 屬阻擋層上方形成具有多個第一孔的正性光刻膠圖案；形成具有多個第二孔的 第二金屬阻擋層圖案，其多個第二孔對應(yīng)于多個第一孔；以及，隨后通過去除 正性光刻膠圖案和負(fù)性光刻膠圖案，在層間絕緣層和包括多個第二孔的第二金 屬阻擋層圖案之間形成氣隙。
本發(fā)明的實施方式涉及一種半導(dǎo)體器件，其包括在半導(dǎo)體襯底上方形成 的下部金屬布線；在下部金屬布線上方形成的第一金屬阻擋層；在第一金屬阻 擋層上方形成的層間絕緣層；在層間絕緣層上方形成的上部金屬布線；用于電 連接下部金屬布線和上部金屬布線的觸點；在上部金屬布線上方和層間絕緣層 上方形成的具有多個孔的第二金屬阻擋層圖案；以及在層間絕緣層和包含多個
孔的第二金屬阻擋層圖案之間形成的氣隙。依照實施方式，氣隙可形成于層間 絕緣層和未被上部金屬布線占據(jù)的第二金屬阻擋層圖案之間的區(qū)域中。


實施例圖1A至圖1F示出一種根據(jù)實施方式制造半導(dǎo)體器件的方法。
具體實施例方式
如在實施例圖1A中所示，負(fù)性光刻膠114可形成于下部結(jié)構(gòu)上和/或上方， 該下部結(jié)構(gòu)形成于半導(dǎo)體襯底上和/或上方。下部結(jié)構(gòu)可包括由例如銅(Cu)的金 屬材料組成的下部金屬布線110。第一金屬阻擋層111將在下部金屬布線110 上和/或上方形成并由氮化硅(SiN)組成。層間絕緣層112將形成于第一金屬阻 擋層Ul和負(fù)性光刻膠114之間并將由具有較低介電常數(shù)的材料組成。觸點 (contact) 113在第一金屬阻擋層111和層間絕緣層112中延伸，并且也在下 部金屬布線110和負(fù)性光刻膠114之間延伸以提供與下部金屬布線110的電連 接。
負(fù)性光刻膠114可以是感光性材料，其被照射的部分不會在顯影過程中溶 解，與正性光刻膠相反。根據(jù)設(shè)計規(guī)則負(fù)性光刻膠U4可涂覆并形成比所形成 的下部金屬布線110和/或上部金屬布線117的厚度大300-500 A的厚度。
隨后，將溝道掩模圖案115放置在溝道將形成的負(fù)性光刻膠114的部分上方。
如在實施例圖1B中所示，可通過應(yīng)用溝道掩模圖案115在負(fù)性光刻膠114 上執(zhí)行曝光和顯影工藝形成溝道116。
如在實施例圖1C中所示，隨后，可在溝道116中形成由例如銅(Cu)的 金屬材料組成的上部金屬布線117。隨后可執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝以 平坦化包括上部金屬布線117的負(fù)性光刻膠114的整個表面。
如在實施例圖1D中所示，隨后，可在包括上部金屬布線117的平坦化的 負(fù)性光刻膠114上和/或上方形成用于形成氣隙的第二金屬阻擋層118。第二金 屬阻擋層118可由與第一金屬阻擋層111相同的材料組成，特別是，SiN。第 二金屬阻擋層118的厚度在大約700-1000A之間。
如在實施例圖1E中所示，可在第二金屬阻擋層118上和/或上方涂上正性
光刻膠。隨后，在正性光刻膠上放置掩模以形成正性光刻膠掩模圖案119，該
正性光刻膠圖案具有多個排列在第二金屬阻擋層118上并位于上部金屬布線 117的左側(cè)及右側(cè)的致密孔109。每個孔109的直徑將為大約160-200nm。
可通過使用掩模在負(fù)性光刻膠上執(zhí)行曝光和顯影工藝形成包括孔109的 正性光刻膠圖案119。特定地，可應(yīng)用KrF光源在負(fù)性光刻膠上執(zhí)行顯影和曝 光工藝以形成具有多個致密孔的正性光刻膠圖案119。
如在實施例圖1F中所示，隨后將應(yīng)用正性光刻膠圖案119作為掩模在第
二金屬阻擋層118上執(zhí)行活性離子蝕刻(RiEp:藝以限定具有多個致密孔的第
二金屬阻擋層圖案120。
用于形成第二金屬阻擋層圖案120的RIE蝕刻工藝將包括:第一穩(wěn)定步驟， 減反射膜蝕刻步驟，第二穩(wěn)定步驟，以及主蝕刻步驟。將在以下工藝條件下執(zhí) 行這些歩驟。
第一穩(wěn)定步驟可在以下工藝條件下執(zhí)行，包括應(yīng)用于工藝腔室的 45-55mT壓力，以9-1 lsccm流速注入02氣體，以360-440 sccm流速注入Ar 氣體，以70-80 sccm流速注入CF4氣體，以及55-60秒工藝時間。
減反射層蝕刻工藝可通過在第二金屬阻擋層118上和/或上方形成減反射 層作為保護(hù)層用于后續(xù)光刻工藝來執(zhí)行。減反射層蝕刻步驟可在以下工藝條件 下執(zhí)行，包括應(yīng)用于工藝腔室的壓力為45-55mT，在腔室中上部和下部部分 的RF功率設(shè)置為1100-1300W，以流速9-llsccm注入02氣體，以流速360-440 sccm注入Ar氣體，以流速70-80 sccm注入CF4氣體，以及工藝時間為26-30 秒。
第二穩(wěn)定步驟可在以下工藝條件下執(zhí)行，包括應(yīng)用于工藝腔室的壓力為 170-180mT，以流速155-165sccm注入Ar氣體，以流速75-85 sccm注入CF4 氣體，以及工藝時間為55-60秒。
主蝕刻工藝可在以下工藝條件下通過形成具有多個致密孔的第二金屬阻 擋層圖案120來執(zhí)行，其工藝條件包括應(yīng)用于工藝腔室的壓力為170-180mT， 在腔室中上部部分的RF功率設(shè)置為700-800W，在腔室中下部部分的RF功率 設(shè)置為900-1IOOW，以流速155-165sccm注入Ar氣體，以流速75-85sccm注 入CF4氣體，以及工藝時間為36-44秒。
隨后可執(zhí)行灰化工藝以去除被用作掩模的正性光刻膠圖案119以形成具
有多個致密孔的第二金屬阻擋層圖案120。充分執(zhí)行灰化工藝以同樣去除負(fù)性 光刻膠114和正性光刻膠圖案119?；一に嚳稍谝韵鹿に嚄l件下執(zhí)行，包括:
應(yīng)用于工藝腔室的壓力為4-5Torr，將腔室的RF功率設(shè)置為1450-1550W，以 流速300-500sccm注入02氣體，工藝溫度為23-27°C，以及工藝時間為150-200 秒。
如此，可蝕刻第二金屬阻擋層118以形成具有多個致密孔的第二金屬阻擋 層圖案120，從而形成氣隙。這將促使層間絕緣層的介電常數(shù)進(jìn)一步降低，從 而解決了RC延遲問題。
通過在多層金屬布線之間的金屬阻擋層中形成多個致密孔和部分氣隙，依 照本發(fā)明實施方式制造的半導(dǎo)體器件有利于進(jìn)一步減少層間絕緣層的介電常 數(shù)。
盡管已在這里對各實施方式進(jìn)行了描述，應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明的精神 和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明做出許多其它變型和實 施方式。更具體地說，在本公開、附圖以及附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)，對主題組 合配置的組成部件和/或配置進(jìn)行的各種變化和變型是可行的。除對部件和/或 配置的變化和修改外，可選使用對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種方法，其特征在于，包括在半導(dǎo)體襯底上方形成下部金屬布線；在所述下部金屬布線上方形成第一金屬阻擋層；在所述第一金屬阻擋層上方形成層間絕緣層；形成在所述第一金屬阻擋層和所述層間絕緣層中延伸的觸點；在所述層間絕緣層和所述觸點上方形成負(fù)性光刻膠；在負(fù)性光刻膠中形成溝道；在所述溝道中形成上部金屬布線，其中所述上部金屬布線通過所述觸點與所述下部金屬布線電連接；平坦化所述負(fù)性光刻膠和所述上部金屬布線的全部最上表面；在所述負(fù)性光刻膠和所述上部金屬布線上方形成第二金屬阻擋層；在所述第二金屬阻擋層上方形成具有多個第一孔的正性光刻膠圖案；形成第二金屬阻擋層圖案，其具有對應(yīng)于所述多個第一孔的多個第二孔；以及隨后通過去除所述正性光刻膠圖案和所述負(fù)性光刻膠圖案在所述層間絕緣層和包括所述多個第二孔的所述第二金屬阻擋層圖案之間形成氣隙。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個所述下部金屬布線和 所述上部金屬布線都包含銅，每個所述第一金屬阻擋層和所述第二金屬阻擋層 都包含氮化硅，以及所述層間絕緣層包含具有低介電常數(shù)的材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二金屬阻擋層的厚 度在大約700-1000 A之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述負(fù)性光刻膠包含感光 性材料，該感光性材料具有在顯影過程中不溶解的被照射部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述負(fù)性光刻膠涂覆并具 有比所述下部金屬布線和所述上部金屬布線的厚度大300-500A的厚度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述溝道包括 在待形成溝道的所述負(fù)性光刻膠的區(qū)域上形成溝道掩模圖案；并隨后 使用所述溝道掩模圖案，在所述負(fù)性光刻膠上執(zhí)行曝光和顯影工藝。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用化學(xué)機(jī)械拋光工藝， 執(zhí)行所述負(fù)性光刻膠和所述上部金屬布線的所述最上表面的平坦化。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成正性光刻膠圖案 包括在所述第二金屬阻擋層上方形成正性光刻膠；以及隨后使用掩模在正性光刻膠上利用KrF光源執(zhí)行曝光和顯影工藝。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每一個所述多個第一孔的 直徑為大約160-200nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成具有多個第二孔的所述第二金屬阻擋層包括應(yīng)用所述正性光刻膠圖案作為掩模，在所述第二金屬阻擋層上執(zhí)行活性離 子蝕刻工藝。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，執(zhí)行所述活性離子蝕刻 工藝包括第一穩(wěn)定步驟，減反射層蝕刻步驟，第二穩(wěn)定步驟，以及主蝕刻步 驟。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一穩(wěn)定步驟的工藝 時間在55-60秒之間并包括向工藝腔室提供45-55 mT的壓力，并以9-llsccm 之間的流速將02氣體注入所述工藝腔室中，以在360-440 sccm之間的流速注 入Ar氣體，以及以在70-80 sccm之間的流速注入CF4氣體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述減反射層蝕刻步驟包 括在所述第二金屬阻擋層上形成減反射層作為保護(hù)層用于后續(xù)光刻工藝。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述減反射層蝕刻步驟的 工藝時間在26-30秒之間并包括向工藝腔室提供45-55 mT的壓力，為腔室 的上部和下部部分施加在1100-1300W之間的RF功率，以在9-llsccm之間的 流速將02氣體注入所述工藝腔室，以在360-440 sccm之間的流速注入Ar氣 體以及以在70-80 sccm之間的流速注入CF4氣體。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二穩(wěn)定歩驟的工藝 時間在55-60秒之間并包括向工藝腔室施加在170-180 mT之間的壓力，以 以155-165sccm之間的流速將Ar氣體注入所述工藝腔室，以及以75-85 sccm 之間的流速注入CF4氣體。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述主蝕刻歩驟包括形成具有多個第二孔的所述第二金屬阻擋層圖案。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述主蝕刻步驟的工藝時 間為36-44秒并包括向工藝腔室施加170-180mT的壓力，向所述腔室的上部 部分施加在700-800W之間的RF功率并向所述腔室的下部部分提供在 900-1100W之間的RF功率，以及以在155-165 sccm之間的流速將Ar氣體注 入到所述工藝腔室中，并以在75-85 sccm之間的流速注入CF4氣體。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，應(yīng)用灰化工藝去除所述正 性光刻膠圖案、所述負(fù)性光刻膠圖案以及所述第二金屬阻擋層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述灰化工藝的工藝時間 為150-200秒并包括向工藝腔室施加4-5Torr之間的壓力，向所述腔室施加 在1450-1550W之間的RF功率，以300-500 sccm之間的流速將02氣體注入 所述工藝腔室，以及工藝溫度在23-27。C之間。
20. —種設(shè)備，其特征在于，包括 下部金屬布線，其形成于半導(dǎo)體襯底上方； 第一金屬阻擋層，其形成于所述下部金屬布線上方； 層間絕緣層，其形成于所述第一金屬阻擋層上方； 上部金屬布線，其形成于所述層間絕緣層上方；觸點，用于將所述下部金屬布線和所述上部金屬布線電連接-， 具有多個孔的第二金屬阻擋層，其形成于所述上部金屬布線和所述層間絕 緣層上方；以及氣隙，其形成于所述層間絕緣層和包括所述多個孔的所述第二金屬阻擋層 圖案之間，其中所述氣隙形成于所述層間絕緣層和未被所述上部金屬布線占據(jù) 的所述第二金屬阻擋層圖案之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法。該半導(dǎo)體器件可包括形成于半導(dǎo)體襯底上方的下部金屬布線。第一金屬阻擋層形成于下部金屬布線上方，并層間絕緣層可形成于第一金屬阻擋層上方。上部金屬布線可形成于層間絕緣層上方?？尚纬捎|點用于將下部金屬布線和上部金屬布線電連接?？稍谏喜拷饘俨季€上方和層間絕緣層上方形成具有多個孔的第二金屬阻擋層圖案?？赏ㄟ^在層間絕緣層和包括多個孔的第二金屬阻擋層圖案之間形成氣隙進(jìn)一步減小層間絕緣層的介電常數(shù)?？蓪庀缎纬捎趯娱g絕緣層和未被上部金屬布線占據(jù)的第二金屬阻擋層圖案之間的區(qū)域中。
文檔編號H01L21/70GK101192566SQ20071018753
公開日2008年6月4日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者黃祥逸 申請人:東部高科股份有限公司