一种具有空气隙的金属互连层结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有空气隙的金属互连层结构及其制备方法，包括：位于衬底表面的由金属互连线线和填充于其中的填充金属构成的金属互连层；金属互连层的金属互连线线侧壁和填充金属之间具有阻挡层；金属互连线线之间具有空气隙；以及在阻挡层上、金属互连层上和暴露的衬底表面形成有隔离介质；阻挡层高出填充金属顶部的部分为倾斜的变形阻挡层，变形阻挡层向空气隙中心方向倾斜，从而将空气隙上方的开口缩小或者封闭。本发明专利技术有效阻止介质填入空气隙内，获得尽可能大的空气隙体积，进而降低了空气隙的有效k值。此外，本发明专利技术的方法与现有技术兼容，显著降低了空气隙的有效k值，进而满足未来技术代对铜互连介质的超低k值要求。

Metal interconnection layer structure with air gap and preparation method thereof

The present invention provides an air gap with the metal interconnection layer structure and preparation method thereof, comprises a metal interconnect line and fill in the surface of the substrate metal interconnection layer formed in the filler metal; metal interconnection layer metal interconnect line between the side wall and the filler metal barrier layer with metal interconnection; the connection with the air gap between the lines; and a metal interconnection layer on the barrier layer, and the substrate surface exposed form isolation dielectric barrier layer; a filler metal at the top part of the inclined deformation of the barrier layer, the barrier layer is inclined to the direction of heart deformation in the air gap, and the air gap is above the open or closed down. The invention can effectively prevent the medium from filling in the air gap to obtain the air gap volume as large as possible, thereby reducing the effective K value of the air gap. In addition, the method of the present invention is compatible with the prior art, and significantly reduces the effective K value of the air gap, thereby meeting the requirements of the low k value of the future generation of copper interconnection medium.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种具有空气隙的金属互连层结构及其制备方法。
技术介绍
近年来，铜互连线的RC延迟已成为整个集成电路芯片RC延迟的重要组成部分之一，而无法被忽略。业界普遍采用更低介电常数(Low-k)介质来降低铜互连线的RC延迟。在90nm至65nm技术代，业界一般使用介电常数在2.6～3.0的SiOCH介质，通常采用CVD技术沉积，便于工艺集成。进入45nm技术代，一般采用多孔型SiOCH进一步降低k值，其介电常数可达2.4～2.7；也有采用C、H有机介质，其介电常数在2.2～2.6。进入28nm以下技术代，业界需要考虑采用介电常数为2.0～2.2的ULK介质。尽管现有技术的超低介电常数介质已经将k值降至2.0附近，仍无法满足金属线宽进一步缩小的技术要求，业界开始考虑采用介电常数为1的空气作为互连介质，即空气隙，且该技术可能在10nm及以下技术代得到量产应用。铜/空气隙的集成方案有两种主流：一是采用特殊材料(条件分解)作为互连层介质完成整个工艺流程，然后对特殊材料施加一个特定条件(如400℃高温)使其发生分解，变成气态物质被释放出，最终形成空气隙。二是采用常规材料(如SiO2、Low-k)作为互连层牺牲介质，在完成当前层金属化后，反刻蚀掉牺牲介质，沉积一层填充能力差的介质，形成空气隙。这些技术都能满足关键尺寸进一步缩小的要求，前者在特殊材料释放过程中存在技术风险；后者与现有铜互连工艺兼容，更容易实现量产。但是，对于采用常规牺牲介质的第二类铜/空气隙的集成方案，形成空气隙的覆盖介质尽管拥有较差的填充能力，也会有一部分介质沉积在空气隙的底部和侧壁上，其中，覆盖介质包括k值较高的SiCN阻挡层、Low-k介质等铜互连工艺所使用的金属间介质(IMD)。因此，填入空气隙的介质会减少空气隙的有效体积，更严重的是，填入的高介电常数介质会抵消空气隙对有效k值降低的贡献，进而很难达到空气隙的有效k值低于2.0。
技术实现思路
为了克服以上问题，本专利技术旨在提供一种金属互连间空气隙的制备方法，从而有效限制覆盖介质进入空气隙。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种具有空气隙的金属互连层结构，包括：一衬底；位于衬底表面的由金属互连线和填充于其中的填充金属共同构成的金属互连层；金属互连层的金属互连线侧壁和填充金属之间具有阻挡层；金属互连线之间具有空气隙；以及，在所述阻挡层上、所述金属互连层上和暴露的所述衬底表面形成有隔离介质；所述阻挡层高出填充金属顶部的部分为倾斜的变形阻挡层，变形阻挡层向空气隙中心方向倾斜，从而将空气隙上方的开口缩小或者封闭。优选地，所述金属互连线侧壁与所述空气隙之间也具有隔离介质。优选地，所述金属互连线侧壁与所述空气隙之间的隔离介质的厚度为1～2nm。优选地，所述变形阻挡层向所述空气隙中心方向倾斜的角度为30～70°。优选地，所述变形阻挡层的高度可以为相邻的金属互连线的间距的1/4-2/3。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种具有空气隙的金属互连层结构的制备方法，包括：步骤01：提供一衬底，并且，在衬底表面制备出由金属互连线和填充于其中的填充金属构成的金属互连层；其中，金属互连层的金属互连线侧壁和填充金属之间具有阻挡层；金属互连线之间具有第一隔离介质；步骤02：对衬底表面进行氧化处理，使金属互连层表面生成氧化层；步骤03：以所述氧化层为掩膜，刻蚀所述第一隔离介质，其中，保留位于所述阻挡层侧壁的第一隔离介质以及位于无金属互连线区域的第一隔离介质，去除其余第一隔离介质，在金属互连线区域形成凹槽；步骤04：去除金属互连层表面生成的氧化层，使得金属互连线侧壁的阻挡层顶部高出所述金属互连线内的填充金属顶部；所述金属互连线侧壁的阻挡层顶部高出所述金属互连线内的填充金属顶部的那部分作为变形阻挡层；步骤05：轰击所述变形阻挡层，使所述凹槽侧壁的上方的所述变形阻挡层向所述凹槽的中心方向倾斜；步骤06：在完成步骤05的衬底上沉积第二隔离介质，所述隔离介质覆盖于金属互连层表面、暴露的介质表面和变形阻挡层表面，从而在金属互连层中形成空气隙。优选地，所述步骤02中，采用O2等离子体对衬底表面进行氧化处理。优选地，所述步骤02中，所述氧化层的厚度为相邻的所述金属互连线的间距的1/4-2/3。优选地，所述步骤03中，保留的所述阻挡层侧壁的第一隔离介质的宽度为1～2nm。优选地，所述步骤04中，采用稀释的非氧化性酸作为刻蚀剂来去除所述氧化层。优选地，所述步骤05中，采用惰性气体对所述变形阻挡层进行物理轰击。优选地，所述物理轰击的工艺参数包括：采用惰性气体的流量为400～800sccm，采用的交流源为13～14MHz，采用的交流功率为800～1200W，采用的工艺压强为80～150mTorr。优选地，所述步骤05中，控制所述变形阻挡层向所述凹槽中心方向倾斜的角度为30～70°。本专利技术利用金属阻挡层来限制空气隙顶部的物理开口的工艺集成方法，可以有效阻止覆盖于空气隙上的隔离介质填入空气隙内，获得尽可能大的空气隙体积，同时抑制了高介电常数介质进入空气隙，进而有效降低了空气隙的有效k值。本专利技术的空气隙工艺方法与现有技术兼容，工艺集成难度不大，能有效降低第二类空气隙技术的有效k值，进而满足未来技术代对铜互连介质的超低k值要求。附图说明图1为本专利技术的一个较佳实施例的具有空气隙的金属互连层结构的示意图图2为本专利技术的一个较佳实施例的具有空气隙的金属互连层结构的制备方法的流程示意图图3～8为本专利技术的一个较佳实施例的具有空气隙的金属互连层结构的制备方法的各步骤示意图具体实施方式为使本专利技术的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本专利技术的内容作进一步说明。当然本专利技术并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本专利技术的保护范围内。以下结合附图1～7和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。请参阅图1，本实施例中的具有空气隙的金属互连层结构，包括：一衬底101；这里的衬底101可以为硅衬底。位于衬底101表面的由金属互连线和填充于其中的填充金属103构成的金属互连层；金属互连层的金属互连线侧壁和填充金属103之间具有阻挡层104；具体的，阻挡层104可以采用TaN/Ta金属阻挡层；这里的填充金属103可以为铜；这里的金属互连层具有平坦表面。金属互连线之间具有空气隙109；以及，在阻挡层104上、金属互连层上和暴露的衬底101表面形成有隔离介质；本实施例中，这里的阻挡层104高出填充金属103顶部的部分为倾斜的变形阻挡层107'。倾斜的变形阻挡层107'向空气隙109中心方向倾斜，从而将空气隙109上方的开口缩小或者封闭。这里，金属互连线侧壁与空气隙109之间还具有介质102。为了防止阻挡层104直接暴露在外而间接带来的可靠性问题，要在金属互连线侧壁上保留一定厚度的第一隔离介质102，较佳的，第一隔离介质102部分的厚度为1～2nm。这里，隔离介质包括位于衬底101边缘区域表面的第一隔离介质102、位于金属互连线侧壁的第一隔离介质102和位于暴露的第一隔离介质102、暴露的阻挡层104表面、填充金属103顶部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有空气隙的金属互连层结构，包括：一衬底；位于衬底表面的由金属互连线和填充于其中的填充金属共同构成的金属互连层；金属互连层的金属互连线侧壁和填充金属之间具有阻挡层；金属互连线之间具有空气隙；以及，在所述阻挡层上、所述金属互连层上和暴露的所述衬底表面形成有隔离介质；其特征在于，所述阻挡层高出填充金属顶部的部分为倾斜的变形阻挡层，变形阻挡层向空气隙中心方向倾斜，从而将空气隙上方的开口缩小或者封闭。

【技术特征摘要】
1.一种具有空气隙的金属互连层结构，包括：一衬底；位于衬底表面的由金属互连线和填充于其中的填充金属共同构成的金属互连层；金属互连层的金属互连线侧壁和填充金属之间具有阻挡层；金属互连线之间具有空气隙；以及，在所述阻挡层上、所述金属互连层上和暴露的所述衬底表面形成有隔离介质；其特征在于，所述阻挡层高出填充金属顶部的部分为倾斜的变形阻挡层，变形阻挡层向空气隙中心方向倾斜，从而将空气隙上方的开口缩小或者封闭。2.根据权利要求1所述的具有空气隙的金属互连层结构，其特征在于，所述金属互连线侧壁与所述空气隙之间也具有隔离介质。3.根据权利要求2所述的具有空气隙的金属互连层结构，其特征在于，所述金属互连线侧壁与所述空气隙之间的隔离介质的厚度为1～2nm。4.根据权利要求1所述的具有空气隙的金属互连层结构，其特征在于，所述变形阻挡层向所述空气隙中心方向倾斜的角度为30～70°。5.根据权利要求1所述的具有空气隙的金属互连层结构，其特征在于，所述变形阻挡层的高度为相邻的金属互连线的间距的1/4-2/3。6.一种具有空气隙的金属互连层结构的制备方法，其特征在于，包括：步骤01：提供一衬底，并且，在衬底表面制备出由金属互连线和填充于其中的填充金属构成的金属互连层；其中，金属互连层的金属互连线侧壁和填充金属之间具有阻挡层；金属互连线之间具有第一隔离介质；步骤02：对衬底表面进行氧化处理，使金属互连层表面生成氧化层；步骤03：以所述氧化层为掩膜，刻蚀所述第一隔离介质，其中，保留位于所述阻挡层侧壁的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宏，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31