制造互连结构的方法及由其制造的互连结构技术

本发明专利技术涉及到改善单重或双重镶嵌型互连结构的制作的方法，其中在制作之后不存在硬掩模的滞留问题或各个金属线条之间的导电性问题。本发明专利技术的方法至少包括化学机械抛光和ＵＶ曝光或化学修复处理的步骤，这些步骤改善了所形成的互连结构的可靠性。本发明专利技术还涉及到一种互连结构，它包括ＳｉＣＯＨ型的多孔超低ｋ介质，其中，其表面层已经被修正，以便形成具有密度梯度和Ｃ含量梯度的渐变层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及到集成电路(IC)，更确切地说，本专利技术涉及到互连结构，包括其中各个金属线条之间的电容和导电性低的用镶嵌方法制作的多层金属互连结构。本专利技术提供了各种用来制作基于金属镶嵌布线的改进了的互连结构的方法，这种互连结构在IC工作和IC器件可靠性负荷中，各个金属线条之间都具有降低了的电容和稳定的低导电性。
技术介绍
通常，半导体器件包括多个电路，构成制作在单个硅晶体衬底上的IC。复杂的信号路由网络通常迂回连接分布在衬底表面上的各个电路元件。这些信号在器件上的有效迂回，要求形成多层次即多层互连结构，诸如基于铜或其它导电金属的双重镶嵌布线结构。铜基的互连由于其在复杂半导体芯片上的大量晶体管之间提供高速信号传输方面的效能而成为可取。在互连结构内，各个金属通道垂直于硅衬底而延伸，且各个金属线条平行于硅衬底而延伸。目前，形成在一个集成电路芯片上的互连结构至少包括大约2-10个以指定约为1x的最小光刻特征尺寸(称为“细线”)制作的布线层，并在这些布线层上有大约2-6个以较大的尺寸(称为“粗线”)制作的布线层。借助于将金属线条和通道包围在介电常数(k)约为3-3.5的低k介质内，在90nm节点产品IC芯片中得到了信号速度的进一步提高和相邻各个金属线条中信号相互作用(所谓“串扰”)的降低。将来的产品节点将采用介电常数为1.8-3的超低介电常数。在各种现有技术的结构中，细线(以及可选的粗线)被形成在介电常数约为3-3.5的低介电常数(k)材料中。在其它的现有技术结构中，细线(以及可选的粗线)被形成在介电常数小于3且潜在地低达1.8的超低介电常数(ULK)材料中。这些ULK材料典型地具有范围为1.8-3的介电常数。但这些现有技术结构存在着制造和可靠性问题。例如，为了执行诸如铜和金属衬里之类的导电金属的化学机械抛光(CMP)整平，硬掩模(HM)层被用于ULK介质顶部。此HM提供了一个CMP速率低的层，防止了ULK介质被包括水(它在ULK介质中反应形成Si-OH原子团)以及各种与ULK介质相互反应的化学物的各个CMP浆料组分沾污。采用多孔低k(ULK)介质膜且与HM层整合的二个具体问题是电容和HM滞留；可以用一种牺牲成孔剂(porogen)相来制作多孔ULK介质，其中刚淀积的膜包含100％的牺牲相，而固化了的ULK基本上清除了所有这种相且仅仅包含很小百分比的牺牲相。BEOL结构的有效介电常数(keff)由于在结构中采用了HM层而大于所希望的数值。HM滞留意味着在所有结构中确保均匀的滞留，尽管CMP速率依赖于金属图形密度以及尽管晶片上抛光速率的中心-边沿变化。这可能导致潜在的HM浸蚀和抛光进入到ULK介质中，从而使ULK介质直接暴露于CMP浆料。上述的浸蚀和抛光由于增大了线条之间的漏电(导电性)和电容(由较高的膜介电常数造成)而对整个芯片性能可能有不利的影响。而且，下层中产生的形貌(粗糙度)可能在集成的多层构建中的后续各个上层处导致其它的CMP或光刻问题。采用多孔ULK介质的第三个问题是对HM层的CMP损伤，这可能存在于3种不同的形式中。第一种形式是增添的Si-OH原子团，它使k增大，并提高了ULK介质的导电性。第二种形式是增大导电性的断裂键。第三种形式是金属离子或其它化学物对HM的沾污，这也提高了导电性。HM滞留问题的一种解决办法是不整合通常具有低k介质的HM层。在这种方法中，ULK介质被暴露于CMP，这可能使介质发生一些诸如高导电性和k增大之类的电学问题。图1示出了在暴露于CMP工艺A中60秒钟的满铺ULK介质上测得的J-E(亦即电流密度对电场)曲线。CMP工艺A是化学机械性质的，但使用了适合于与多孔超低k介质膜结合的非常低的向下压力(0.8psi)。图1的满铺ULK膜被暴露于工艺A，其细节如下双氧水基的市售衬里浆料(Cabot6618)处于0.8psi向下压力下60秒钟。工艺A使介电常数从2.2增大到3.4(在150℃下测得的)。图1所示的J-E曲线示出了工艺A如何提高用等离子体增强化学气相淀积方法所淀积的多孔ULK介质膜的导电性。在图1中，在暴露于工艺A的晶片上，测量了曲线1A和1B(在150℃下测得的同一个SiCOH介质)以及曲线2A和2B(在23℃下测得的同一个SiCOH介质)，显示出高的泄漏电流密度(J)。图1中的曲线5(在150℃下测得的SiCOH介质)以及曲线6(在23℃下测得的SiCOH介质)是从未被暴露于CMP的控制晶片测量的显示出低的J。如本技术所知，可以用热退火工艺步骤来修复某些这种电学损伤。图2示出了用热(例如炉子)退火来修复CMP损伤的一种已知的现有技术方法。虽然能够用低温退火容易地清除物理吸附的水，但(形成Si-OH原子团的)化学吸附的水可能要求更高温度的退化。具体地说，图2示出了在与图1所用相同的ULK介质(满铺)膜上测得的J-E曲线(电流密度对电场)。此满铺膜被暴露于CMP工艺B，其细节如下市售衬里浆料处于6psi的下压力下15秒钟的接触时间。CMP工艺B暴露导致增大了的漏电、曲线21、以及2.6的介电常数。晶片的一些小片在350℃、375℃、以及400℃的温度下被退火6分钟。CMP工艺B之后的J-E曲线是曲线21，具有最高的泄漏电流。CMP工艺和350℃退火之后的J-E曲线是曲线22，CMP工艺和375℃退火之后的J-E曲线是曲线23，而CMP工艺和400℃退火之后的J-E曲线是曲线24。在曲线22-24中，膜的漏电被降低了，但绝对没有达到曲线25所示的控制(未暴露于CMP的)膜原来的数值。在淀积于铜线条上的铜势垒/腐蚀停止层(此处称为“铜帽”)的淀积过程中，出现与这些现有技术相关的不同的制造和可靠性问题。为了提供铜帽到铜线条的牢固粘合性从而提供对常有的失效模式即电迁移的抵制，在马上要淀积铜帽之前，原位采用了为了铜帽的等离子体预清洗(PPFCC)步骤。这一等离子体预清洗增强了帽与铜的粘合性，但引起了对HM或ULK介质的损伤。这种等离子体损伤可能有至少3种形式。第一种形式是氮注入(当采用NH3或N2/NH3等离子体时)，提高了各个金属线条之间的介电常数(电容)。第二种形式是断裂键，提高了各个金属线条之间的导电性。第三种形式是碳从HM或ULK被清除，提高了k并增大了导电性。图3示出了具有SiCOH组分的HM膜在被暴露于NH3PPFCC之后的泄漏电流的增大。具体地说，图3示出了在用于图1和2的相同的ULK介质(满铺)膜上测得的J-E曲线(电流密度对电场)。曲线31是从控制晶片(未暴露于等离子体的)得到的J-E曲线，曲线32是在暴露于等离子体预清洗(PPFCC)之后测得的。采用紫外(UV)光来修正SiCOH介质膜本体，是众所周知的。如本
所知，UV辐射可以被用来穿透进入到SiCOH组分的介质中以增强介质本体来提高弹性模量。例如，Harvey的美国专利No.6566278论述了使用UV光来使SiCOH本体更加致密。具体地说，’278专利论述了膜本体中的Si-OH原子团到Si-O-Si链的转换。’278专利所公开的得到的膜在UV辐照之后具有“有序氧化硅晶格的键特征”。为了实现这一点，UV辐照断裂了Si-O和O-H键，并引起更多Si(O)3和Si(O)4结构(分别具有3或4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造互连结构的方法，它包括下列步骤：在衬底上提供包括介电常数小于３．０的多孔超低ｋ（ＵＬＫ）介质的结构，所述多孔ＵＬＫ介质具有至少一个位于其中的窗口；用至少一种导电材料填充所述的至少一个窗口；用ＣＭＰ浆料整平至少所述导电材料，以便提供整平了的结构，此整平了的结构具有基本上与所述ＵＬＫ介质上表面共平面的所述导电材料的上表面，所述ＵＬＫ介质被暴露于所述ＣＭＰ浆料；在约为２００－４５０℃的温度下，将所述整平了的结构暴露于ＵＶ辐射；使所述整平了的结构经受等离子体预清洗工艺；以及在至少所述导电材料上形成帽层。

【技术特征摘要】
US 2005-2-22 11/063,1521.一种制造互连结构的方法，它包括下列步骤在衬底上提供包括介电常数小于3.0的多孔超低k(ULK)介质的结构，所述多孔ULK介质具有至少一个位于其中的窗口；用至少一种导电材料填充所述的至少一个窗口；用CMP浆料整平至少所述导电材料，以便提供整平了的结构，此整平了的结构具有基本上与所述ULK介质上表面共平面的所述导电材料的上表面，所述ULK介质被暴露于所述CMP浆料；在约为200-450℃的温度下，将所述整平了的结构暴露于UV辐射；使所述整平了的结构经受等离子体预清洗工艺；以及在至少所述导电材料上形成帽层。2.权利要求1的方法，其中，所述ULK介质是包括按三维网络结构键合的Si、C、O、H原子的介质材料。3.权利要求2的方法，其中，用淀积和固化来形成所述ULK介质。4.权利要求3的方法，其中，所述ULK介质在所述固化之后保留有大约50％或更少的成孔剂。5.权利要求1的方法，其中，借助于至少将包括Si、C、O、H的第一前体和惰性气体提供到反应器中，然后用所述第一前体淀积所述ULK介质，来形成所述ULK介质。6.权利要求1的方法，其中，所述整平步骤使Si-OH原子团形成在所述ULK介质中，这增大了所述ULK介质的介电常数。7.权利要求1的方法，其中，所述整平步骤提供了具有图形化的导体的整平的ULK介质，其泄漏电流密度低于没有UV辐照曝光步骤所测得的泄漏电流，且其击穿电场高于没有UV辐照曝光步骤所测得的击穿电场。8.权利要求1的方法，其中，所述UV曝光的所述温度约为400℃。9.权利要求1的方法，其中，利用能够产生波长约为150-500nm的光的源来执行所述UV曝光。10.权利要求1的方法，其中，在存在能够与化学活泼物质可选地混合的惰性气体的情况下来执行所述UV曝光。11.权利要求10的方法，其中，所述化学活泼物质是H2、CH4、三甲基硅烷、乙烯、或化学式为HSiRR1R2的硅烷衍生物，其中，R、R1、R2可以是相同的或不同的，并选自甲基、乙基、丙基、乙烯基、丙烯基、甲氧基、以及乙氧基。12.权利要求1的方法，其中，具有密度梯度和C含量梯度的渐变表面层，在所述暴露步骤中被形成在所述ULK介质上。13.权利要求1的方法，其中，在含氮的等离子体中，于大约350-450℃的温度下，来执行所述等离子体预清洗工艺。14.权利要求1的方法，还包括在形成所述帽层之后执行额外的UV曝光步骤。15...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托D迪米特拉克普洛斯，斯蒂芬M盖茨，文森特J麦克加哈，桑佳C梅塔，
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]