[發明專利]形成具有擴展空氣間隙的半導體器件的方法

有效

• 申請號: 201610178733.3
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN107230658B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 韓秋華;吳端毅;肖芳元
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司;中芯國際集成電路制造（北京）有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 屈蘅;李時云

本發明提供一種形成具有空氣間隙的半導體器件的方法，通過對金屬互連線進行回刻蝕來在所述金屬互連線上方形成凹槽，以用于定義金屬互連線之間形成空氣間隙的擴展深度，從而保證了后續形成的器件結構的對準精度，同時通過在凹槽中填充第三層間介質層后，將金屬互連線周圍的第二層間介質層替換為犧牲層，并在之后在犧牲層和第三層間介質層上覆蓋第四層間介質層，使得去除犧牲層而獲得空氣間隙僅在深度方向上擴展，從而在實現進一步降低金屬互連結構之間的寄生電容的同時，還能足夠保證器件的機械抗壓能力的效果。

技術領域

本發明涉及集成電路制造技術領域，尤其涉及一種形成具有擴展空氣間隙的半導體器件的方法。

背景技術

隨著微處理器變得更快和更小，集成電路(IC)變得更加復雜且部件變得更加密集。由發送和/或接收電信號所通過的導電跡線和過孔(共同地稱作“金屬互連”)連接IC部件。通過鑲嵌工藝典型地形成金屬互連結構，由此將導電材料沉積到被蝕刻到半導體襯底中的孔和溝槽中。周圍材料將每個金屬互連結構與鄰近的金屬互連結構電絕緣。然而，襯底材料的電介質性質能夠使得相鄰的金屬互連結構之間電容耦合，這增加了芯片功率要求和對信號傳輸的干擾。

然而隨著集成電路密度不斷提高的結果，器件尺寸減小，金屬互連結構尺寸和間距也減小，這導致電流密度和電阻增大以及電遷移、電容耦合和RC延遲較大，進而使得半導體器件的操作速度降低，并且其刷新特性惡化。此外，互連材料可以擴散到周圍電介質材料中，降低電介質絕緣能力且導致在相鄰的互連結構和部件之間產生串擾。雖然可以通過使用阻擋層密閉互連來控制擴散和電遷移，然而附加的阻擋材料可能會增加互連的電阻和尺寸。

請參考圖1A，在現有技術中，降低層間介質10間的金屬互連結構之間寄生電容的主要方法在鄰近的金屬互連導線11之間形成空氣間隙(air gap，可簡稱“氣隙”)12，空氣(air)具有極低的介電常數(大約為1，而氧化硅的介電常數大約為4，氮化硅的介電常數大約為7)，并因此空氣間隙12比固體電介質材料能更有效地隔離相鄰的金屬互連結構。

請參考圖1B，現有技術中的一些研究，例如論文“Air-Gaps for High-Performance On-Chip Interconnect Part II:Modeling,Fabrication,andCharacterization”(SEONGHO PARK,Journal of ELECTRONIC MATERIALS,Vol.37,No.10,2008,Issue 10,pp 1534-1546)，發現通過擴展空氣間隙12進入層間電介質10中的深度，可以減小邊緣電場，進而進一步降低金屬互連結構之間寄生電容，例如空氣間隙12的頂部和底部完全在層間介質10與金屬互連線11的交界面時(如圖1A所示)，金屬互連結構之間寄生電容可以降低39％，而當空氣間隙12向頂部和底部的層間介質10中擴展100nm深度時(如圖1B所示)，金屬互連結構之間寄生電容可以降低49％。

在現有金屬互連工藝的制作方法中，形成具有空氣間隙的半導體器件的一種方法是在當前層間介質層中，通過光刻和刻蝕法，在金屬互連線之間形成尺寸較小的間隙，然后利用化學氣相沉積(CVD)法，在當前層間介質層上覆蓋形成后一層間介質層，而不填充該間隙，從而在當前介質層中形成空氣間隙；雖然該方法達到了降低集成電路RC延遲的目的，但是由于制造工藝本身的限制，對于關鍵尺寸(CD)較小的半導體器件來說，該方法在形成具有多個的金屬互連層的半導體器件時，由于金屬互連線之間的間隔(Space)較小并且現有光刻工藝的精確度限制，后一層金屬層的通孔插塞(Plug)難以與當前層的金屬互連線對準，而是與位于金屬互連線之間的空氣間隙相連通，使后一層通孔插塞內填充的金屬銅落進空氣間隙中，導致半導體器件的短路問題。

現有技術中另一種方法通過形成一種能夠在特定工藝中去除的犧牲層，在完成當前金屬互連層和后一金屬互連層后，在特定工藝，例如加熱工藝中去除犧牲層，以形成空氣間隙。該方法形成的犧牲層是整體覆蓋于層間介質層之上的，因此在后續全部去除之后，在形成大面積空氣間隙時，大大降低了器件的機械抗壓能力，甚至因此器件中金屬互連層的塌陷，嚴重降低半導體器件的性能。