包含气隙的多层互连结构和制造方法技术

一种多层含气隙的互连结构及其制造方法。该多层含气隙的互连结构，包括散布的线路级和过孔级的集合，所述过孔级包括嵌入到一个或多个介质层的导电过孔，其中所述介质层固态地位于相邻级中的线路部件之下或之上、并且在线路部件之间被穿孔。所述线路级包括导电线路和含气隙的介质。固态介质桥层位于所述散布的线路和过孔级的集合之上，所述固态介质桥层包括导电接点并且通过在穿孔的介质层中填充而形成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种包含气隙的金属/绝缘体互连结构，用于超大规模集成(VLSI)和特大规模集成(ULSI)设备和封装，尤其涉及与将气隙引入多层互连结构的多级相关的结构、方法、以及材料。
技术介绍
在超大规模集成(VLSI)或特大规模集成(ULSI)半导体芯片中的装置互连通常受包含称为迹线的金属线路层的图形的多级互连结构的影响。当各个线路级被级间介质层相互隔开时，在给定迹线或线路级中的线路结构被级内介质分离。在级间介质中形成导电过孔以在线路迹线之间提供级间接触。通过它们在信号传播延迟上的效应，这些互连结构的材料和布局能够基本影响芯片速度，以及芯片性能。信号传播延迟是由于RC时间常数而导致的，其中R是芯片上线路的电阻，C是多级互连叠层中的信号线和周围导体之间的有效电容。通过降低线路材料的特定电阻，并且通过使用具有低介电常数k(k为大约4.0或更小，优选为大约3.5或更小)的级间和级内介质，降低RC时间常数。除非另有说明，这里所述的所有介电常数都是相对于真空的。典型的现有技术的用于低RC互连结构的金属/介质组合包括铜(Cu)和例如SiO2(k在大约4.0的量级)的介质。由于刻除地构图铜较困难，含铜的互连结构通常通过镶嵌工艺来制造。在镶嵌工艺中，插入介质层的金属图形通过以下步骤形成(i)在级间或级内介质内蚀刻孔(用于过孔)或者沟槽(用于线路)，(ii)可选地使用一个或多个粘合剂或扩散阻挡层衬涂孔或沟槽，(iii)使用金属线路材料过填孔或沟槽，以及(iv)通过平面化工艺例如化学机械抛光(CMP)除去金属过填物，使得金属与介质的上表面齐平。重复该工艺，直到形成希望数目的线路和过孔级。通过使用称为双镶嵌的工艺变化可以大大简化利用镶嵌工艺对互连结构的制造，其中在同一沉积步骤中用金属填充用于线路级和其下的过孔级的构图腔。这将金属抛光步骤数减少了一半，大大节省了成本，但是需要将双凸纹(dual-relief)图形引入到组合的过孔加线路级介质中。代替介质SiO2的低k替代物包括碳基固态材料，例如类金刚石碳(DLC)，也称为无定形氢化碳(a-C:H)、氟化DLC(FDLC)、SiCO或者SiCOH化合物、以及有机或无机聚合物介质。SiO2和一些碳基材料的纳米孔形式具有甚至更低的k值，而气隙具有任何材料的最低k值(k在约1.00的量级)。注意，气隙中的空气可以包括任何气态材料或者真空。以下描述结合气隙的多层互连结构的实施例，例如，R.H.Havemann等的美国专利5,461,003；A.Grill等的美国专利5,869,880；以及M.S.Chang等的美国专利5,559,055。一种优选的用于形成气隙的现有技术方法使用牺牲位置占有(SPH)材料，其被从固态半渗透或穿孔的桥层之下除去或抽出。SPH材料和除去方法的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚对二甲苯(ParyleneTM)、无定形碳，以及聚苯乙烯，其可以通过有机溶剂、氧灰化和/或低温(近似200℃)氧化除去；降冰片烯基材料，例如BF Goodirich的Unity Sacrificial PolymerTM，其通过低温热分解成挥发物来除去；以及使用气相XeF2除去的a-Si或多晶Si。与具有固态介质的结构相比，气隙基结构具有较低的导热性、较低的机械强度、较高的对湿气和氧气的渗透性。用于将气隙结合入互连结构的可用方案必须考虑到这些限制。此外，由于线路部件不再通过嵌入到固态介质来受到尺寸约束，因此关于气隙介质的另一个问题是，该介质使得金属线路部件更加容易由于电迁移驱动的质量迁移而导致的断路和短路。另一个问题是，具有气隙的结构不能与由固有较硬的固态介质制成的结构那样是均匀平面的。当桥层在未支撑气隙上下陷而导致局部区域凹陷时，这将成为问题。填充这些下限区域的任何金属将在CMP之后留存在该结构中，并且可能导致短路和/或额外电容。根据上述的现有技术的含气隙的互连结构的缺点，一直需要研发新的且改进的含气隙的互连结构及其制造方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种可靠的高性能的含气隙的多层互连结构。尤其是，本专利技术提供一种含气隙的互连结构，其可以抵抗电迁移故障和环境腐蚀。本专利技术还提供一种含气隙的互连结构，其最大化气隙体积率(相对于介质的总体积量)，而最小化未支撑线路的量。本专利技术还提供一种用于制造结合气隙的多级互连结构的成本效率高且可改进的方法。在本专利技术的一个实施例中，本专利技术提供一种用于形成含气隙的互连结构的方法，该方法减小了在制造结构中可能对结构中的气隙造成损坏的工艺数。在本专利技术的另一个实施例中，提供一种可以制造含气隙的互连结构的方法，该方法减小了与以下相关的额外步骤的数量(i)抽出牺牲位置占有材料，以及(ii)形成、构图以及夹断(pinch off)桥层，该牺牲位置占有材料(SPH)必须通过该桥层除去。概括地说，本专利技术提供一种多级的含气隙的互连结构，以及一种制造其的可操作的简单方法。该结构的优选实施例包括“气隙加固态”过孔级介质(固态介质仅在线路之下，以及在线路之间的被穿孔的固态介质)加大多数气隙线路级介质的组合。制造方法建立嵌入介质阵列中的平面的、双镶嵌的“过孔加线路”对，该介质阵列包括位于过孔级中的永久、穿孔介质，以及位于线路级中的牺牲位置占有(SPH)材料。在已经组装了期望数量的级对之后，在该结构上形成含孔或穿孔的介质桥层。然后，通过穿孔桥层有选择地除去在所有级中的SPH，留下永久介质。由于一次同时除去SPH和形成气隙，所以在气隙结构制造的结尾，在该结构的下级中的气隙不必经历多级处理。在SPH抽出之后，通过额外介质沉积步骤夹断在桥层中的穿孔。在上述第一实施例的变形中，可以在含气隙的结构上形成不包含气隙的额外线路和过孔级，以形成一种较复杂的含有位于其下部线路级中的气隙和位于其上部线路级中的固态介质的互连结构。在具有基本相同的工艺顺序的第二实施例中，可以在互连结构的线路和/或过孔的侧壁上形成介质侧壁隔离体。当这些隔离体将增加该结构的有效介电常数keff时，有益于机械和电迁移保护，以及降低发生电弧的可能性。概括地说，本专利技术提供一种用于形成多层互连结构的方法，该多层互连结构包括通过固态和气态介质的组合来隔开的互连导电线路和过孔，所述方法包括(a)提供初始结构，该初始结构包括包括一种或多种永久介质层的构图的过孔级介质，所述构图的过孔级介质位于第一平面“线路级”上，所述第一平面“线路级”具有嵌入到牺牲位置占有介质中的导电部件，并且所述构图的过孔级介质通过其整个厚度被构图出用于过孔的腔和用于随后迁移所述牺牲位置占有介质的穿孔；(b)在所述构图的过孔级介质上形成牺牲位置占有介质的构图的下一个平面线路级层，所述下一个线路级的介质通过其整个厚度被构图出用于线路的腔；(c)使用一层或多层导电粘合/阻挡材料衬涂所述过孔和线路腔，并且使用低电阻率的导电材料填充所述过孔和线路腔，以形成平面结构；(d)形成介质桥层，其内具有位于所述平面结构之上的穿孔；以及(e)通过所述穿孔至少部分地抽出所述位置占有材料而形成气隙。在本专利技术的一些实施例，将步骤(a)-(c)至少重复一次以提供多层结构。注意，本申请全文中使用的术语“低电阻率”表示具有小于等于大约3微欧.厘米的体电阻的导电材料。术语“低k介质”表示具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成多层互连结构的方法，该多层互连结构包括通过固态和气态介质的组合隔开的互连导电线路和过孔，所述方法包括：　　　　（ａ）提供初始结构，该初始结构包括：包括一种或多种永久介质层的构图的过孔级介质，所述构图的过孔级介质位于第一平面“线路级”上，所述第一平面“线路级”具有嵌入到牺牲位置占有介质中的导电部件，并且所述构图的过孔级介质通过其整个厚度被构图出用于过孔的腔和用于随后迁移所述牺牲位置占有介质的穿孔；　　　　（ｂ）在所述构图的过孔级介质上形成牺牲位置占有介质的构图的下一个平面线路级层，所述下一个线路级的介质通过其整个厚度被构图出用于线路的腔；　　　　（ｃ）使用一层或多层导电粘合／阻挡材料衬涂所述过孔和线路腔，并且使用低电阻率的导电材料填充所述过孔和线路腔，以形成平面结构；　　　　（ｄ）形成介质桥层，其内具有位于所述平面结构之上的穿孔；以及　　　　（ｅ）通过所述穿孔至少部分地抽出所述位置占有材料而形成气隙。

【技术特征摘要】
US 2006-5-8 11/429,7081.一种用于形成多层互连结构的方法，该多层互连结构包括通过固态和气态介质的组合隔开的互连导电线路和过孔，所述方法包括(a)提供初始结构，该初始结构包括包括一种或多种永久介质层的构图的过孔级介质，所述构图的过孔级介质位于第一平面“线路级”上，所述第一平面“线路级”具有嵌入到牺牲位置占有介质中的导电部件，并且所述构图的过孔级介质通过其整个厚度被构图出用于过孔的腔和用于随后迁移所述牺牲位置占有介质的穿孔；(b)在所述构图的过孔级介质上形成牺牲位置占有介质的构图的下一个平面线路级层，所述下一个线路级的介质通过其整个厚度被构图出用于线路的腔；(c)使用一层或多层导电粘合/阻挡材料衬涂所述过孔和线路腔，并且使用低电阻率的导电材料填充所述过孔和线路腔，以形成平面结构；(d)形成介质桥层，其内具有位于所述平面结构之上的穿孔；以及(e)通过所述穿孔至少部分地抽出所述位置占有材料而形成气隙。2.如权利要求1所述的方法，其中将步骤(a)-(c)至少重复一次，以在执行步骤(d)之前提供多层结构。3.如权利要求1所述的方法，其中通过以下步骤形成所述第一平面“线路级”形成所述牺牲位置占有介质，使其厚度近似为希望的线路厚度；形成与线路图形对应的腔；层状沉积一层或多层导电衬层和/或阻挡材料；使用低电阻率的导电材料进行过填；以及平面化所述导电材料，以除去在所述腔外部的过填材料和导电衬层材料。4.如权利要求1所述的方法，其中通过双镶嵌“过孔+第一线路级”对来代替所述第一平面“线路级”，所述双镶嵌“过孔+第一线路级”对具有用于下面的过孔级的固态永久介质和用于线路级介质的牺牲位置占有介质。5.如权利要求1所述的方法，还包括，在所述抽出工艺之后，使用夹断介质材料密封所述桥层中的所述穿孔，所述夹断介质与所述介质桥层的材料相同或不同。6.如权利要求1所述的方法，还包括在至少部分所述导电线路和/或过孔部件上形成侧壁隔离体。7.如权利要求6所述的方法，其中所述形成侧壁隔离体包括沿着通过构图所述牺牲材料所形成的腔的侧壁和底壁来形成侧壁隔离体材料的衬层；各向异性蚀刻所述侧壁隔离体材料，以将其从所述腔的底壁除去，而保留所述侧壁上的侧壁隔离体材料。8.如权利要求6所述的方法，其中形成侧壁隔离体包括将所述牺牲位置占有介质的暴露的侧壁部分转换成不可抽出的永久介质。9.如权利要求1所述的方法，还包括将无电镀金属选择性地施加到暴露的且被平面化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：KL森格尔，SV尼塔，CV亚恩斯，KS彼得拉尔卡，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]