專利名稱：包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件為了達(dá)到更快的運(yùn)算速度、更大的資料存儲量以及更多的功能，半導(dǎo)體芯片向更高集成度方向發(fā)展。而半導(dǎo)體芯片的集成度越高，半導(dǎo)體器件的特征尺寸(⑶，Critical Dimension)越小。隨著特征尺寸⑶的逐漸減小，RC延遲對器件運(yùn)行速度的影響越來越明顯，如何減小RC延遲是本領(lǐng)域技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)問題之一。而解決RC延遲的方法之一就是減小金屬導(dǎo)線之間的寄生電容。 現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)展了多種減小寄生電容的方法，例如，在金屬導(dǎo)線之間填充多孔低K介質(zhì)材料等。但是多孔材料易碎，采用多孔低K介質(zhì)材料的半導(dǎo)體器件的可靠性較差。現(xiàn)有技術(shù)中還發(fā)展了一種在金屬導(dǎo)線之間形成空氣間隙，以減小介電常數(shù)，進(jìn)而減小寄生電容的方法。例如采用自組織的有機(jī)薄膜(polymer)形成空氣間隙等,但是所述方法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制程兼容性較差、制造過程較為復(fù)雜。在公告號為CN1967799C的中國專利中可以發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件的制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種較為簡單的包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件及其制造方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件的制造方法，包括提供襯底，在襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；在第二介質(zhì)層上形成掩模層；以所述掩模層為掩模圖形化所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，形成通孔；向所述通孔中填充導(dǎo)電材料；去除第二介質(zhì)層上多余的導(dǎo)電材料，直至露出第二介質(zhì)層，形成導(dǎo)電插塞；在第二介質(zhì)層和導(dǎo)電插塞上形成分子篩；透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體，部分去除或完全去除所述第二介質(zhì)層，形成空氣間隔。相應(yīng)地,本發(fā)明還提供一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件,襯底；位于襯底上的第一介質(zhì)層；設(shè)置于第一介質(zhì)層中的多個(gè)導(dǎo)電插塞，所述導(dǎo)電插塞的表面高于所述第一介質(zhì)層的表面；至少一對相鄰導(dǎo)電插塞之間為空氣間隔，其他相鄰的導(dǎo)電插塞之間填充有第二介質(zhì)層；位于導(dǎo)電插塞上的分子篩；位于分子篩上的層間介質(zhì)層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.借由分子篩形成空氣間隔，較為新穎和簡單；2.通過硬掩模層可以設(shè)置空氣間隔的位置和數(shù)量，方便設(shè)計(jì)和實(shí)施。


圖I是本發(fā)明包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件制造方法一實(shí)施方式的流程示意圖；圖2 圖9是本發(fā)明制造方法形成的包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件一實(shí)施例的側(cè)面示意圖；圖10 圖12是本發(fā)明制造方法形成的包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件另一實(shí)施例的側(cè)面示意圖。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說明，所述示意圖只是實(shí)例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。參考圖1，示出了本發(fā)明包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件的制造方法一實(shí)施方式的流程示意圖，所述方法大致包括以下步驟步驟SI，提供襯底，在襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；步驟S2，在第二介質(zhì)層上形成掩模層；步驟S3，以所述掩模層為掩模圖形化所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，形成通孔；步驟S4，向所述通孔中填充導(dǎo)電材料；步驟S5，去除第二介質(zhì)層上多余的導(dǎo)電材料，直至露出第二介質(zhì)層，形成導(dǎo)電插塞；步驟S6，在第二介質(zhì)層和導(dǎo)電插塞上形成分子篩；步驟S7，透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體，去除所述第二介質(zhì)層，形成空氣間隔；步驟S8，在所述分子篩上形成層間介質(zhì)層。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。參考圖2 圖9，示出了本發(fā)明制造方法形成的包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件一實(shí)施例的側(cè)面示意圖。參考圖2，執(zhí)行步驟SI，提供襯底100，所述襯底100可以是單晶硅或硅鍺；也可以是絕緣體上娃(Silicon on insulator, SOI)。在襯底100上形成第一介質(zhì)層101，所述第一介質(zhì)層101用于在后續(xù)去除所述第二介質(zhì)層的步驟中的停止層，本實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)層101的材料可以是氮化硅(Si3N4)、NBLoK(由 Si、C、H、N 組成的化合物)、摻氮的碳化娃(Nitrogen Doped SiliconCarbon, NDC)等。本實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)層101的厚度在200 800A的范圍內(nèi)。在第一介質(zhì)層101上形成第二介質(zhì)層102，所述第二介質(zhì)層102在后續(xù)步驟中會被去除，通常選擇易去除的材料，本實(shí)施例中，后續(xù)去除第二介質(zhì)層102的步驟中采用灰化工藝，所述第二介質(zhì)層102的材料為可灰化材料，例如，灰化中采用氧氣，相應(yīng)地，所述第二介質(zhì)層102為氮、碳、氫一種或多種的介質(zhì)層，具體地，例如所述第二介質(zhì)層102為無定形碳、類金剛石碳(Diamond-like carbon, DLC)等等。
所述第二介質(zhì)層102被去除后，其所在位置處形成空氣間隔。因此，可以根據(jù)空氣間隔的設(shè)計(jì)需求設(shè)置所述第二介質(zhì)層102的厚度。參考圖3，執(zhí)行步驟S2，在第二介質(zhì)層102上形成掩模層103，本實(shí)施例中，所述掩模層103可以是圖形化的光刻膠層，也可以是圖形化的三層硬掩模(Tri-layer HM)。所述掩模層103的圖形與后續(xù)形成的導(dǎo)電插塞相對應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)導(dǎo)電插塞的設(shè)計(jì)需求設(shè)置掩模層103的圖形。參考圖4，執(zhí)行步驟S3，以所述掩模層103為掩模，圖形化所述第一介質(zhì)層102和第二介質(zhì)層102，形成通孔104 ;本實(shí)施例中，通過干刻法將掩模層103的圖形轉(zhuǎn)移到第一介質(zhì)層102和第二介質(zhì)層102中，所述干刻以襯底100為停止層。參考圖5，執(zhí)行步驟S4，向所述通孔104中填充導(dǎo)電材料，直至填滿所述通孔104，形成導(dǎo)電層105，本實(shí)施例中，所述導(dǎo)電材料為諸如銅等的金屬材料，但是本發(fā)明并不限制于此。 參考圖6，執(zhí)行步驟S5，去除第二介質(zhì)層102上多余的導(dǎo)電材料，直至露出第二介質(zhì)層102,形成導(dǎo)電插塞112。具體地，通過化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical MechanicalPolishing,CMP)的方式去除所述多余的導(dǎo)電材料。本實(shí)施例中,所述導(dǎo)電插塞112的材料為銅，但是本發(fā)明并不限制于此。參考圖7，執(zhí)行步驟S6，在CMP工藝之后，所述第二介質(zhì)層102和導(dǎo)電插塞112的表面基本齊平，在第二介質(zhì)層102和導(dǎo)電插塞102的表面上形成分子篩106。其中，所述分子篩106為具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)，所述分子篩106中具有排列規(guī)則的微孔(如圖7所示)。通常所述微孔的尺寸在3 20A的范圍內(nèi)。具體地，所述分子篩106可以是結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽。本實(shí)施例中，形成分子篩106的步驟包括首先，在第二介質(zhì)層102和導(dǎo)電插塞102的表面上旋涂反應(yīng)材料，所述反應(yīng)材料包括含硅化合物(水玻璃、硅溶膠等)、含鋁化合物(水合氧化鋁、鋁鹽等)、堿(氫氧化鈉、氫氧化鉀等)和水；對所述旋涂的反應(yīng)材料進(jìn)行加熱析出分子篩晶體，最后洗去其他反應(yīng)物。本發(fā)明形成分子篩106的方法不限制于此。本實(shí)施例中，所述分子篩106的厚度在100 400A的范圍內(nèi)。參考圖8，執(zhí)行步驟S7，透過所述分子篩106向第二介質(zhì)層107通入反應(yīng)氣體，去除所述第二介質(zhì)層102。本實(shí)施例中，所述第二介質(zhì)層107的材料包含碳，相應(yīng)地，含碳的第二介質(zhì)層107和氧氣反應(yīng)刻形成二氧化碳，二氧化碳為氣體，容易去除，從而所述第二介質(zhì)層102原本占據(jù)的空間形成空氣間隔107。具體地，透過所述分子篩106向第二介質(zhì)層102通入高能量的氧氣等離子體，所述高能量的氧氣等離子體通過分子篩106中的微孔，到達(dá)第二介質(zhì)層102所在面，并與第二介質(zhì)層102反應(yīng),直至將第二介質(zhì)層102完全去除,露出第一介質(zhì)層101。同時(shí)，氧氣等離子體與導(dǎo)電插塞112并不發(fā)生反應(yīng)，這樣原本位于導(dǎo)電插塞112之間的第二介質(zhì)層102位置處形成空氣間隙107。所述空氣間隙107可以降低導(dǎo)電插塞112之間的寄生電容，從而減小RC延遲。參考圖9，執(zhí)行步驟S8，在所述分子篩106上形成層間介質(zhì)層108。之后可以再在層間介質(zhì)層108中形成其他半導(dǎo)體器件。
需要說明的是，在上述實(shí)施例中，第二介質(zhì)層被完全去除，但是本發(fā)明并不限制于此，在透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體時(shí)，所述第二介質(zhì)層可以被部分去除，這樣在剩余第二介質(zhì)層上形成空氣間隔，雖然這樣形成的空氣間隔高度較小，但是仍可以起至IJ降低寄生電容、進(jìn)而減小RC延遲的作用。本發(fā)明還提供包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件另一實(shí)施例，所述實(shí)施例與前述實(shí)施例的步驟SI 步驟S6均相同，在此不再贅述，下面結(jié)合附圖主要描述步驟S7 步驟S8。參考圖10 圖12，示出了本發(fā)明制造方法形成的包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件另一實(shí)施例的側(cè)面示意圖。參考圖10，在形成第二介質(zhì)層102上形成分子篩106之后，透過分子篩106向第二介質(zhì)層102通入反應(yīng)氣體的步驟之前，在分子篩106上形成硬掩模層109，后續(xù)去除第二介質(zhì)層102的步驟以所述硬掩模層109掩模，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過硬掩模層109圖形，設(shè)置空氣間隙的位置和數(shù)量。
本實(shí)施例中，所述硬掩模層109的中心位置設(shè)置有通孔，所述通孔露出分子篩106中心位置的部分，而分子篩106周邊位置則被硬掩模層109覆蓋。具體地，所述硬掩模層109的材料為氮化硅(Si3N4)。參考圖11，執(zhí)行步驟S7，以所述硬掩模層109為掩模，向第二介質(zhì)層107通入反應(yīng)氣體，所述反應(yīng)氣體透過硬掩模層109露出的分子篩106到達(dá)第二介質(zhì)層107，并與第二介質(zhì)層107發(fā)生反應(yīng)，直至去除所述第二介質(zhì)層107。由于反應(yīng)氣體并不與導(dǎo)電插塞112發(fā)生反應(yīng)，因此與硬掩模層109通孔對應(yīng)位置處相鄰導(dǎo)電插塞112之間的第二介質(zhì)層107會被去除，進(jìn)而在硬掩模層109通孔對應(yīng)位置處的相鄰導(dǎo)電插塞112之間形成空氣間隔，而被硬掩模層109覆蓋的分子篩106不會使反應(yīng)氣體透過，因此此位置的第二介質(zhì)層107不會和反應(yīng)氣體接觸，因此不會被去除。參考圖12，執(zhí)行步驟S8，在所述硬掩模層109上形成層間介質(zhì)層110。與前述實(shí)施例相比，本實(shí)施例可以通過所述硬掩模層109較為靈活地設(shè)置空氣間隔的位置和數(shù)量。需要說明的是，在后續(xù)步驟所形成的連接插塞、或類似連接結(jié)構(gòu)的過程中，也可以采用本發(fā)明的制造方法，以形成具有空氣間隔的半導(dǎo)體器件，以減小RC延遲，提高半導(dǎo)體器件的運(yùn)行速度。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件，請繼續(xù)參考圖12，本發(fā)明提供的包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件包括襯底100 ;位于襯底100上的第一介質(zhì)層101 ;設(shè)置于第一介質(zhì)層中的多個(gè)導(dǎo)電插塞112，所述導(dǎo)電插塞112的表面高于所述第一介質(zhì)層101的表面；至少一對相鄰導(dǎo)電插塞112之間為空氣間隔111,其他相鄰的導(dǎo)電插塞之間填充有第二介質(zhì)層102 ;位于導(dǎo)電插塞112上的分子篩109 ;位于分子篩109上的層間介質(zhì)層。在較佳實(shí)施例中，所述包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件還包括位于分子篩109和層間介質(zhì)層110之間的硬掩模層109。硬掩膜層109覆蓋的第二硬掩膜層102不會被去除，因此所述分子篩109還可以位于第二介質(zhì)層102上。綜上，本發(fā)明提供一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件及其制造方法，借由分子篩形成空氣間隔，較為新穎和簡單；通過硬掩模層可以設(shè)置空氣間隔的位置和數(shù)量，方便設(shè)計(jì)和實(shí)施。本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，包括提供襯底，在襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；在第二介質(zhì)層上形成掩模層；以所述掩模層為掩模圖形化所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，形成通孔；向所述通孔中填充導(dǎo)電材料；去除第二介質(zhì)層上多余的導(dǎo)電材料，直至露出第二介質(zhì)層，形成導(dǎo)電插塞；在第二介質(zhì)層和導(dǎo)電插塞上形成分子篩；透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體，部分去除或完全去除所述第二介質(zhì)層，形成空氣間隔。
2.如權(quán)利要求I所述的制造方法，其特征在于，在形成分子篩的步驟之后，透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體之前，還包括在分子篩上形成硬掩模層，所述透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體的步驟中，以所述硬掩模層為掩模，透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體。
3.如權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，所述分子篩中設(shè)置有規(guī)則排列的微孔，所述微孔的尺寸在3 20A的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，所述分子篩為結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽。
5.如權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層的材料為可灰化材料，所述透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體，部分去除或完全去除所述第二介質(zhì)層，形成空氣間隔的步驟包括，通過灰化方法部分去除或完全去除所述第二介質(zhì)層，形成空氣間隔。
6.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層的材料為含碳、氮、氫中的一種或多種的介質(zhì)材料，所述灰化方法包括透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入氧氣等離子體。
7.如權(quán)利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第二介質(zhì)層的材料包括無定形碳或類金剛石碳。
8.如權(quán)利要求I或2所述的制造方法，其特征在于，所述第一介質(zhì)層的材料為氮化硅，摻氮的碳化硅，或者硅、炭、氫、氮組成的化合物。
9.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述硬掩模層的材料為氮化硅。
10.一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件，其特征在于，襯底；位于襯底上的第一介質(zhì)層；設(shè)置于第一介質(zhì)層中的多個(gè)導(dǎo)電插塞，所述導(dǎo)電插塞的表面高于所述第一介質(zhì)層的表面；至少一對相鄰導(dǎo)電插塞之間為空氣間隔,其他相鄰的導(dǎo)電插塞之間填充有第二介質(zhì)層；位于導(dǎo)電插塞上的分子篩；位于分子篩上的層間介質(zhì)層。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，還包括位于分子篩和層間介質(zhì)層之間的硬掩模層。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述分子篩還位于第二介質(zhì)層上。
全文摘要
一種包括空氣間隔的半導(dǎo)體器件的制造方法，包括提供襯底，在襯底上依次形成第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層；在第二介質(zhì)層上形成掩模層；以所述掩模層為掩模圖形化所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，形成通孔；向所述通孔中填充導(dǎo)電材料；去除第二介質(zhì)層上多余的導(dǎo)電材料，直至露出第二介質(zhì)層，形成導(dǎo)電插塞；在第二介質(zhì)層和導(dǎo)電插塞上形成分子篩；透過所述分子篩向第二介質(zhì)層通入反應(yīng)氣體，部分去除或完全去除所述第二介質(zhì)層，形成空氣間隔。本發(fā)明借由分子篩形成空氣間隔，較為新穎和簡單。
文檔編號H01L21/768GK102760687SQ20111010962
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者李凡, 洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司