TW200810020A - An interconnect structure with dielectric air gaps - Google Patents

Description

200810020 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上是關於半導體元件的製造，且特、 於在介電層中形成氣隙的方法及其結構。 【先前技術】 隨著半導體元件不斷微縮，隨之縮小的内連線線寬會 增加線阻抗。縮短的内連線間距更會提高寄生電容。 如此 將導致電路訊號延遲並降低晶片速度與性能。 為減緩電路的後段（back end of line ; BEOL)内連線部 分延遲，將以k值約為3.0的緊密低k層取代傳統的二氧 化石夕介電質（k值約為4·0)。為進一步增進性能，先進襄置 需要更大的介電電容（k值小於2.5)。 新的多孔性低k介電質可增進電容，然而相較於緊密 w電質，大部分的多孔性材料的機械性質相當脆弱。整合 這些材料與其他模組製程也是目前BE〇L製程的一大挑 戰例如，傳統的化學機械研磨（CMP)製程難以研磨低機 械模數的多孔性介電質，傳統的物理氣相沉積（pvD)擴散 阻障沉積技術無法適當覆蓋多孔性介電質的表面。 、另一藉由降低介電常數來增進電容的技術為在導線間 形成氣隙。二氧化矽的介電常數約為4或更大，但空氣的 介電常數則約為1。 ，、美國專利證書號5,949，143(Bang)在二相鄰内連線間 形成轧隙。擴散阻障層和絕緣層依序覆蓋氣隙，以利整合 5 200810020 到上内連線層。 美國專利證書號 6,440,839(Partovi)利用層間介電質 上的「榫濕（t e η ο η - w e 11 i n g )」側壁間隙壁抑制金屬沉積， 而形成小氣隙於二相鄰内連線之間。此技術侷限於在間隔 較寬的二内連線間形成小氣隙。 美國專利證書號6,861，332(?31*1〇利用排氣口形成氣隙 於介電質中。

美國專利證書號6,780,756(Latchford)形成氣隙的方 法為沉積介電材料於導體間、沉積多孔層覆蓋導體與介電 質、接耆剝除多孔層中位於導體間的介電材料，而留下氣 隙於導體之間。 美國專利中請案號2005/00621 65(Saengar)形成封閉 的氣隙内連線結構。 美國專利中請案號2006/00 19482(Su)形成氣隙於多個 仿製（dUmmy)堆疊結構與多個金屬線之間。 故而要他增進内連線之可靠度且相容於目前BEOL製 程的結構。 本發明之一目的提出增進性能和電容的方法，其形成 氣隙於緊密的介電材科内。 本發明之另〜 介電材料的改善方 目的提出不需使用新的或特殊的多孔性 法，且此方法相容於目前的BEOL製程。 【發明内容】 本發明提出一向土 内連線結構，其包含埋置於第一介電層 6 200810020 中的内連線特徵，該内連線特徵具有圖案化的内連線暴露 區域；一覆蓋層’位於内連線暴露區域上；一圓柱氣隙結 構，位於第一介電層圍繞内連線暴露區域的部分中；以及 一第二介電材料，位於圓柱氣隙結構和覆蓋層上。

在另一實施例中，提出一内連線結構，其包含：埋置 於第一介電層中的内連線特徵，内連線特徵具有圖案化的 内連線暴露區域；一覆蓋層，位於内連線暴露區域上；一 2種k值介電材料結構，位於第一介電層圍繞内連線暴露 區域的部分中；以及一第二介電材料，位於2種k值介電 材料結構和覆蓋層上。 在本發明之又一實施例中，提出形成内連線結構的方 法，包含：形成埋置在沉積於基材上的第一介電層中之内 連線特徵，且其具有圖案化的内連線暴露區域；形成第二 材料層於第一介電層圍繞内連線暴露區域的部分上；形成 覆蓋層於内連線暴露區域上；沉積多相光阻於第二材料層 和覆蓋層上；以及將鄰近第二材料層的部分多相光阻分離 成不同相的材料圖案。 方法更包含形成圓柱氣隙於第一介電層圍繞内連線暴 露區域的部分中、以及利用RIE製程移除多相光阻和第二 材料層。方法更包含沉積第二介電材料於不同相的材料圖 案和覆蓋層上。 第二材料層較佳具有親水表面。第二材料層的厚度較 佳為約20埃（A)至約800埃。第二材料層較佳為介電質、 絕緣體或半導體。 7 200810020 内連線特徵較佳包含選自由銅（Cu)、鋁（A1)、鋁銅 (AlCu)、和鎢（W)所構成之群組的材料。第一介電層較佳為 低介電常數材料，且厚度較佳為約5〇〇埃至約1〇,〇〇〇埃。 覆蓋層較佳為鈷（Co)合金，含有c〇與選自由鎢、 磷（P)、硼（B)、錫（Sn)、和鈀（pd)所構成之群絚的材料。覆 蓋層的厚度較佳為約50埃至約3〇〇埃。在一較佳實施例 中，覆蓋層的材料選自由碟化始錫（c〇Snp)、磷化銘鶴

(CoWP)、峰d)、和錄u)所構成之群組。覆蓋層較佳具 有疏水表面。 在一較佳實施例中，多 相（A)光阻與第二相（B)光阻 埃至約1000埃。 相光阻為二相光阻，具有第一 。二相光阻的厚度較佳為約50 〜第1目（A)光阻較佳由二氧化石夕、有機石夕燒、及選自由 胺類、醯胺、酸：類、和水解 、 料所組成，第-相⑻光：：r°sys)所構成之群組的材 弟一相（B)先阻較佳為聚合物。在一 中，第二相（B)光 侄實施例

)先阻的抗蝕邊力比第一相（A)光阻高。 方法更可包含移除第一相（A)光阻。八 為低介電常數材料。 一 ”電材料較佳 【實施方式】 本發明提出藉由形成氣隙於介、 結構的性能和電容。 U增進内連轉 本發明利用多相光阻材料 内，藉以增進内連括… 隙結構於層間介電質 200810020 BEOL製程，而不需研發新的模組來形成蝕刻輪 的阻障覆蓋情形、及進行CMP製程。 參照第1 A-1 D圖，其繪示形成氣隙於雙嵌結 統方法。第1A圖繪示選擇性覆蓋層沉積於埋置 ‘ 的内連線上。第1B圖繪示沉積硬罩層。第1C圖 • 圖案化與钱刻用的遮罩。第1D圖繪示移除内連 介電質，進而形成氣隙。 # 此製程需要使用額外的罩幕，故會增加成本 程時間，並且會提高與對準遮罩和圖案化内連線 的產量損失率。 根據本發明，氣隙結構是由如Diblock的多 料所形成’其在反應離子蝕刻（RIE)製程期間有不 選擇性。本發明提出的氣隙形成方法相容於目前 雙肷製程，且不需另行罩幕製程。因此本發明的 將低於目則方法。另外，本發明之技術不受限於 電材料，故應用範圍更廣。 • 本發明製造氣隙内連線結構的細節將參照第 說月於下。參照第2A圖，傳導内連線2〇2埋置 • 電常數（k)材料的絕緣層201和第二材料層2〇3冲 料層203較佳具有「親水表面」，以便後續進行局 ‘ 相分離。埋置的傳導内連線202還具.有未埋入縛 的暴露表面204。 第一材料層2 0 3的厚度較佳為約2 〇埃至約 二材料層可為介電質、絕緣體或半導體。傳導内 廓、良好 構中的傳 介電質中 繪示沉積 線周圍的 及延長製 特徵相關 相光阻材 同的蝕刻 的銅（Cu) 製程成本 特定的介 2A-2F 圖 在如低介 ^第二材 部選擇性 μ緣層2 0 1 800埃。第 連線202 9 200810020 較佳為銅（Cu)、銘（A1)、銘銅（AlCu)、或鶴（W)。較佳地， 絕緣層201為厚度500埃至約10,000埃的低k材料。 參照第2B圖，傳導内連線202的暴露表面204為選 擇性蓋上覆蓋層211。覆蓋層211較佳為CoWP，以同時做 為保護與擴散阻障層之用。較佳地，覆蓋層2 1 1的厚度為 約50埃至約2〇〇埃。除了磷化鈷鎢（C〇wP)以外，其他如 磷化録錫（CoSnP)、把（Pd)、和釕（Ru)等材料也可當作覆蓋

層。覆蓋層2 11較佳具有「疏水表面」，以便後續形成任意 相。選擇性覆蓋沉積也將產生局部地形及形成二個不同的 表面’及金屬覆蓋層211的疏水表面和介電硬罩2〇3的親 水表面。 參照第2C圖，多相光阻材料221沉積在硬罩2〇3和 覆蓋層2 1 1的表面。在一較佳實施例中，多相光阻材料2 2丄 為二相光阻，例如Dibl〇ek。二相光阻材料22i的厚度較 佺為約50埃至約1〇〇〇埃。第一相較佳含有二氧化矽、 有機矽烷、及胺類、醯胺、醛類、或水解物。第二相 光阻較佳為傳統聚合物光阻。 圖i(A:和第二相（B)232的上視圖（第2〇⑷圖）和側視 光阻材料：)圖）。藉由紫外光(U V)固化或熱烘烤可使二相 離，固化可以傳統uv固化工具實施，接 ::基材溫度為約_至約赠的條件下，…照 UV曝照可在存 有周 遭氣體的環境中 進行，周遭氣體 10 200810020 例如為包括氦氣（He)、氬氣（Ar)、氤氣（xe)、氮氣（a)的鈍 氣、或為其混合氣體’例如氮氣/氧氣形成氣體。視情況而 :三化學活性氣體可加入鈍氣。化學活性氣體的例子包括 甲燒(CH4)、三甲基石夕烧、乙稀、或化學式為 HSlRRlR2的矽烷衍生物，盆φ 同的官能基，其選自由甲夷^與R2可為相同或不 由曱基、乙基、丙基、乙烯基、丙烯 基、甲氧基、和乙氧基構成之群組。

同相的材料最好具有不同的蝕刻選擇性。在一較 ，實施例中1 :相⑻232的抗餘能力比第-相（A)231 同°=第2D(b)圖所示，相分離僅發生在具疏水表面之第 材料3 203上的局部區域。因覆蓋層21ι與第二材料層 203的高度差產生的地形特徵也會造成局部相分離。 二相光阻材料221與第二材料層2〇3(產生相分離）和 二相光阻材料221與覆蓋層211(未產生相分離）間的界面 性質差異亦會造成局部相分離。為增強後者的蝕刻選擇 性，可在進行下一步驟前，視情況移除表面上的第一相 (A)231。移除f驟可為溼式、電漿或其他化學相關製程。 屋式化予剝除製程的一例為採用四甲基氫氧化銨（TMAH) 做為化學餘刻劑。 參照第2E圖，其繪示利用RIE製程將覆蓋層211周 圍的已刀離一相光阻圖案轉印到底下的絕緣層2 〇 1。r I e 钱刻形成圓柱氣隙結構240於已分離二相光阻下的絕緣層 2 0 1中。覆蓋層211下的絕緣層2 0 1則不受作用。可視情 況從不同方位重複進行上述光阻沉積、相分離、和RIE製 11 200810020 程來形成網狀氣隙結構， 队樓 再 M進一步降低最終於第二相（B)232材料的為^ ^ #刻選擇性高於第- 料’因此第一相（a)23 衬枓於RIE期間將被 散置第二相（B)232材料內沾向 啊竹円的圓柱氣隙。 參照第2F圖，第-總从 ^ 矛一絕緣層 結構240和覆蓋層211的表面， 第二絕緣層2 5 1為低k材料。

251接著沉 以供進一步， 在第2F(a)圖 :積的第二絕緣層25 1填入圓柱氣隙而形成 η電材料241。在此實施例中，第二絕緣層 數小於第一絕緣層201的介電常數，以降低彳 在第2F(b)圖之較佳實施例中，沉積的第 不填入圓柱氣隙而留下最終氣隙結構240。 熟δ曰此技藝者在參閱上述說明後，在不 精神和範圍内，當可作各種實施例之更動與 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所

【圖式簡單說明】 本發明之特徵咸信是新賴的，且本發明 所附申請專利範圍提出。圖式僅為便於說明 繪示。至於發明本身的組織及操作方法在參 配合所附圖式後，將變得更清楚易懂，其中 第1 A -1 D圖繪示傳統具氣隙之雙嵌結構 第2A-2E圖繪示根據本發明形成氣隙於 方法截面。 介電電容。由 •相（A)231 材 移除’而留下 積在圓柱氣隙 I理。較佳地， 之實施例中， 具2種k值的 2 5 1的介電常 备體k值。 二絕緣層2 5 2 脫離本發明之 濁飾。因此本 界定者為準。 之特徵元件由 而未以等比例 閱詳細說明和 的截面。 雙嵌結構中的 12 200810020 第2F(a)及2F(b)圖繪示根據本發明之較佳氣隙結構的 截面。

【主要元件符號說明】 201、25 1、25 2 絕緣層 202 内連線 203 材料層/硬罩 204 表面 211 覆蓋層 221 光阻材料 231、 23 2 相 240 氣隙結構 241 介電材料

13

Claims (1)

1. 200810020 十、申請專利範圍： 1. 一種形成一内連線結構的方法，該方法至少包含： 形成多個内連線特徵，埋置在沉積於一基材上的一第一 介電層中，該些内連線特徵具有多個圖案化的内連線暴露 區域； 形成一第二材料層於該第一介電層圍繞該些内連線暴 露區域的一部分上；

   形成一覆蓋層於該些内連線暴露區域上； 沉積一多相光阻於該第二材料層和該覆蓋層上；以及 分離鄰近該第二材料層的部分該多相光阻以變成一不 同相的材料圖案。 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包含： 形成多個圓柱氣隙於該第一介電層圍繞該些内連線暴 露區域的該部分中；以及 利用一反應離子蝕刻（RIE)製程移除該多相光阻和該第 二材料層。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包含： 沉積一第二介電材料於該不同相的材料圖案和該覆蓋 層上。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二材料層 14 200810020 具有一親水表面。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中讓第二材料層 的厚度為約20埃至約800埃。 6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二材料層 為一介電質。

   7.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二材料層 為一絕緣體。 8·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二材料層 為一半導體。

   9·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該些内連線特 徵包含選自由銅（Cu)、鋁（A1)、鋁銅（AlCu)、和鎢（W)所構 成之群組的材料。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一介電 層為一低介電常數材料。 Π.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一介電 層的厚度為約500埃至約10,000埃。 15 200810020 12·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該覆蓋層為 一種鈷（Co)合金其含有選自下列之材料：鎢（W)、磷（Ρ)、 硼（B)、錫（Sn)、和 Ιε (Pd)。 13·如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該覆蓋層的 厚度為約50埃至約300埃。

   14.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該覆蓋層的 材料係選自由磷化鈷錫（C〇 SnP)、磷化鈷鎢（Co WP)、鈀 (Pd)、和釕（Ru)所構成之群組。 15·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該覆蓋層具 有一疏水表面。

   1 6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該多相光阻 為一種二相光阻，其具有一第一相（A)光阻與一第二相（B) 光阻。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中該二相光阻 的厚度為約50埃至約1000埃。 1 8·如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中該第一相（A) 16 200810020 光阻含有二氧化矽、有機矽烷、及一種選自下列之材料， 包括胺類、醯胺.、醛類、和水解物，而該第二相（B)光阻為 一聚合物。 19·如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該第二相（B) 光阻的抗蝕能力高於該第一相（A)光阻。

   20.如申請專利範圍第16項所述之方法，其更包含移除該 第一相（A)光阻。 21.如申請專利範圍第3項所述之方法，其t該第二介電 材料為一低介電常數材料。 22. —種内連線結構，其至少包含： 多個内連線特徵，埋置在一第一介電層中，該些内連線 特徵具有多個圖案化的内連線暴露區域； 一覆蓋層，位於該些内連線暴露區域上； 一圓柱氣隙結構，位於該第一介電層圍繞該些内連線暴 露區域的一部分中；以及 一第二介電材料，位於該圓柱氣隙結構和該覆蓋層上。 23. —種内連線結構，其至少包含： 多數内連線特徵，埋置在一第一介電層中，該些内連線 17 200810020

   特徵具有多個圖案化的内連線暴露區域； 一覆蓋層，位於該些内連線暴露區域上； 一 2種k值介電材料結構，位於該第一介電層圍繞該些 内連線暴露區域的一部分中；以及 一第二介電材料，位於該2種k值介電材料結構和該覆 蓋層上。 18