降低多孔low-k材料的k值的互连工艺

摘要

本发明提供了一种降低多孔low-k材料的k值的互连工艺，半导体器件衬底包括所述前段互连工艺形成的第一沟槽及其内的填充金属，包括：在半导体器件衬底上依次沉积第一阻挡层和low-k材料；对所沉积的low-k材料进行第一紫外固化工艺；在low-k材料中形成第二沟槽，并刻蚀掉第二沟槽底部的第一阻挡层；在第二沟槽中进行金属填充，然后对所填充的金属进行化学机械研磨至low-k材料表面；对low-k材料进行第二紫外固化工艺，以形成多孔low-k材料；在多孔low-k材料表面和所填充的金属表面沉积第二阻挡层；本发明利用互连通孔的支撑作用，避免low-k材料发生收缩，提高了孔隙率并降低了k值，克服了传统工艺中low-k材料发生严重收缩导致k值降低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种降低多孔low-k材料的k值的互 连工艺。

背景技术

随着CMOS集成电路制造工艺的发展以及关键尺寸的缩小，很多新的材料 和工艺被运用到器件制造工艺中，用以改善器件性能。多孔low k材料可以实现 2.5左右的介电常数(空气的介电常数为1，所以多孔材料能够获取很低的k值)， 能够有效降低集成电路的RC延迟。

目前的多孔low k材料(主要是BD2：Black Diamond 2)的形成分了两个 步骤：薄膜沉积和紫外照射。薄膜沉积是在PECVD反应腔里完成的，在这个过 程中会通入有机致孔剂(ATRP)。沉积得到的初始薄膜并不是多孔的，里面含 有大量的致孔剂。随后在紫外照射反应腔中，致孔剂在紫外线的作用下被驱赶 出薄膜，同时薄膜内部发生交联反应，形成多孔。有机致孔剂被赶出的越彻底， 越有利于提高多孔low k材料的性能。

请参阅图1，现有的后段互连工艺包括：

步骤L01：在半导体器件衬底上依次沉积阻挡层和low-k材料；这里，在前 续互连工艺的第一沟槽形成和填充金属之后，在衬底表面沉积铜扩散阻挡层， 一般为氮掺杂碳化硅(NDC)，然后在铜扩散阻挡层表面沉积low-k材料；

步骤L02：对low-k材料进行紫外固化工艺，以形成多孔low-k材料；在这 个过程中low-k材料中的致孔剂被赶出并形成多孔，同时薄膜发生厚度收缩。

步骤L03：经光刻和刻蚀工艺，在多孔low-k材料中形成第二沟槽，并刻蚀 掉第二沟槽底部的阻挡层，以暴露第一沟槽中的填充金属；

步骤L04：在第二沟槽中进行金属填充，然后对所填充的金属进行化学机械 研磨至多孔low-k材料表面；从而在多孔low k材料中形成铜互连线(一般而言 将化学机械研磨作为形成某一层金属连线的最后一步)。金属的填充方法包括铜 电镀等。第一沟槽及其内的填充金属和第二沟槽及其内的填充金属构成互连通 孔；

步骤L05：在多孔low-k材料表面和所填充的金属表面沉积阻挡层；这里， 阻挡层为氮掺杂碳化硅。

然而，在上述紫外固化工艺(UV Cure)过程中，low-k薄膜会发生收缩， 一般收缩率在10％-20％(即厚度减少10％-20％)。紫外固化的目的是形成多孔 稀疏的薄膜，以获取k值更低的薄膜，但是收缩对材料而言是一个致密化的过 程，从而导致k值升高。

因此，需要一种方法使的紫外固化过程中low-k材料不发生收缩，从而避免 k值的升高。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种降低多孔low-k材料的k值的互连 工艺，期间对多孔low-k材料分步多次进行紫外固化工艺。

为了实现上述目的，本发明提供了降低多孔low-k材料的k值的互连工艺， 在完成前段互连工艺的一半导体器件衬底上进行，半导体器件衬底包括前段互 连工艺形成的第一沟槽及其内的填充金属，其包括以下步骤：

步骤01：在所述半导体器件衬底上依次沉积第一阻挡层和low-k材料；

步骤02：对所沉积的所述low-k材料进行第一紫外固化工艺；

步骤03：经光刻和刻蚀工艺，在所述low-k材料中形成第二沟槽，并将所 述第二沟槽底部的所述第一阻挡层刻蚀掉，以暴露所述第一沟槽中的填充金属；

步骤04：在所述第二沟槽中进行金属填充，然后对所填充的金属进行化学 机械研磨至所述low-k材料表面；所述第一沟槽及其内的填充金属和所述第二沟 槽及其内的填充金属构成互连通孔；

步骤05：对所述low-k材料进行第二紫外固化工艺，以形成多孔low-k材 料；

步骤06：在所述多孔low-k材料表面和所填充的金属表面沉积第二阻挡层。

优选地，所述第一紫外固化工艺中，采用的固化温度为300～400℃。

优选地，所述第二紫外固化工艺所采用的时间为所述第一紫外固化工艺时 间与所述第二紫外固化工艺时间总和的5～20％。

优选地，所述第一紫外固化时间为100～1000S。

优选地，所述第二紫外固化工艺中，采用的固化温度为300～400℃。

优选地，形成所述low-k材料的主要反应物包括：甲基二乙氧基硅烷和α- 萜品烯。

优选地，形成所述low-k材料采用的反应温度为200～400℃。

优选地，所述步骤04中还包括：采用化学机械研磨掉部分所述low-k材料。

优选地，所述第一阻挡层或所述第二阻挡层的材料为氮掺杂碳化硅。

优选地，所述第一沟槽或所述第二沟槽内壁表面沉积有扩散阻挡层。

本发明的互连工艺，通过在互连通孔形成前后分别进行第一紫外固化工艺 和第二紫外固化工艺，第一次紫外固化工艺使low-k材料的k值降低且机械性能 上升，在第二紫外固化过程中，利用互连通孔的支撑作用，避免low-k材料发生 收缩，提高了孔隙率和降低了k值，克服了传统工艺中low-k材料发生严重收缩 导致k值降低的问题。这里，第一紫外固化工艺是必须的，因为如果没有进行 第一紫外固化工艺，而直接进行后续工艺，low-k材料的机械强度很难满足后续 工艺的要求。

附图说明

图1为现有的后段互连工艺的流程示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的降低多孔low-k材料的k值的互连工艺的 流程示意图

图3～8为本发明的一个较佳实施例的降低多孔low-k材料的k值的互连工艺 的各步骤示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容 作进一步说明。当然本发明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发明的保护范围内。

本发明通过改进现有的互连工艺，在互连通孔形成前后分别进行第一、第 二紫外固化工艺，避免了low-k材料在紫外固化工艺中严重的收缩，降低了多孔 low-k材料的k值。

以下结合附图2～8和具体实施例对本发明的降低多孔low-k材料的k值的互 连工艺作进一步详细说明。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。

本实施例中，请参阅图2，降低多孔low-k材料的k值的互连工艺，在一半 导体器件衬底上进行，包括以下步骤：

步骤01：请参阅图3，在半导体器件衬底上依次沉积第一阻挡层03和low-k 材料04；

具体的，半导体器件衬底可以但不限于为完成前段互连工艺之后的衬底； 半导体器件衬底包括前段互连工艺形成多孔low-k材料01、第一沟槽和其内的 填充金属02，在第一沟槽内壁还具有扩散阻挡层例如Ta/TaN，填充金属02形 成于扩散阻挡层表面；本步骤01中的low-k材料04在PECVD反应腔中形成， 其反应物包括甲基二乙氧基硅烷(mDEOS)和α-萜品烯(ATRP)，其中，ATRP为 制孔剂，反应温度为200～400℃，所沉积的low-k材料的厚度为1000～5000A。 需要说明的是，本发明中的半导体器件衬底可以为任意半导体衬底，只要是进 行多孔low-k材料的互连工艺的半导体器件衬底均可以应用于本发明中。

步骤02：请参阅图4，对所沉积的low-k材料04进行第一紫外固化工艺；

具体的，经第一紫外固化工艺之后形成low-k材料04’；第一紫外固化工艺 所采用的固化温度为300～400℃，固化时间根据low-k材料的厚度来设定，例如 为100～1000S。本发明要通过第一紫外固化工艺实现low-k材料的较高的孔隙率 和较低的k值，以及较高的机械强度，如果第一紫外固化工艺的时间过短，则 不能达到此效果；因此，在本发明的一些实施例中，第一紫外固化工艺的固化 时间大于第二紫外固化工艺的固化时间。在本实施例中，第一紫外固化工艺的 固化时间为第一紫外固化工艺和第二紫外固化工艺的时间总和的80％～95％。这 样，在本实施例中的第一紫外固化工艺中，low-k材料仍然会产生收缩，但是， 第一紫外固化工艺中的收缩程度小于将low-k材料一次彻底固化的收缩程度。第 一紫外固化工艺可以包括多个紫外固化过程，比如，采用不同的固化温度等。

步骤03：请参阅图5，经光刻和刻蚀工艺，在low-k材料04’中形成第二沟 槽05，并将第二沟槽05底部的第一阻挡层03刻蚀掉，以暴露第一沟槽中的填 充金属02；

具体的，首先，经光刻和刻蚀形成第二沟槽05；然后，在形成的第二沟槽 05的内壁和底部沉积扩散阻挡层例如Ta/TaN；接着，刻蚀掉第二沟槽底部的第 一阻挡层03部分；具体的工艺可以采用常规工艺来完成，这里不再赘述。

步骤04：请参阅图6，在第二沟槽05中进行金属填充，然后对所填充的金 属06进行化学机械研磨至low-k材料04’表面；

具体的，可以采用铜电镀工艺在第二沟槽05中沉积金属铜；本步骤中还采 用化学机械研磨掉部分low-k材料04’；本实施例中，化学机械研磨之后，low-k 材料04’的厚度为1200～1800A。这里，第一沟槽及其内的填充金属和第二沟槽 及其内的填充金属构成互连通孔；

步骤05：请参阅图7，对low-k材料04’进行第二紫外固化工艺，以形成多 孔low-k材料04”；

具体的，第二紫外固化工艺中，采用的固化温度为300～400℃；第二紫外固 化工艺将low-k材料04’中的制孔剂彻底排出，由于互连通孔的存在，对low-k 材料起到支撑作用，使其不能发生收缩；而致孔剂析出和交联反应依然会进行， 这意味着low-k材料将得到更高的孔隙率和更低的k值。本实施例中，第二紫外 固化工艺所采用的时间为第一紫外固化工艺时间与第二紫外固化工艺时间总和 的5～20％。第二紫外固化工艺可以包括多个紫外固化过程，例如，可以采用不 同的固化温度等。

步骤06：请参阅图8，在多孔low-k材料04”表面和所填充的金属06表面 沉积第二阻挡层07。

具体的，第二阻挡层07的材料可以但不限于为氮掺杂碳化硅。

综上所述，本发明的互连工艺，通过在互连通孔形成前后分别进行第一紫 外固化工艺和第二紫外固化工艺，第一次紫外固化工艺使low-k材料的k值降低 且机械性能上升，在第二紫外固化过程中，利用互连通孔的支撑作用，避免low-k 材料发生收缩，提高了孔隙率并降低了k值，克服了传统工艺中low-k材料发生 严重收缩导致k值降低的问题。这里，第一紫外固化工艺是必须的，因为如果 没有进行第一紫外固化工艺，而直接进行后续工艺，low-k材料的机械强度很难 满足后续工艺的要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举 例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围 的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所 述为准。