(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属層からなる第１の複数の金属線と、
該第１の金属線の下側にこれに接するよう形成された第１のエッチング停止層と、
第２の金属層からなり、該第１の金属線上に形成された第２の複数の金属線と、
該第２の金属線の下側にこれに接するよう形成された第２のエッチング停止層と、
該第１の金属線と該第２の金属線との間に形成され、これらの金属線を接続する少なくとも１つのビアとを備え、
該金属線の各々は、バリア金属の堆積により形成したバリア金属層と、該バリア金属層上での銅の堆積により形成した銅層との２層構造を有し、
対向する第１の金属線と第２の金属線との間、および対向する第１および第２のエッチング停止層との間にはエアギャップが形成されており、
該第２の金属線上には、最上層としての第２の金属線を覆うようにパターニングされた窒化膜からなるキャッピング層を介して、最上層としての第２の金属線を保護する、酸化膜からなる保護膜が形成され、
該第１の金属層の、該第１の金属線以外の部分、および該第２の金属層の、該第２の金属線以外の部分は、該エアギャップを介して上下に位置する該第１の金属線および該第２の金属線を、該第１および該第２のエッチング停止層を介して支持する支持構造を形成しており、
該支持構造はデバイスの周囲にて分散させて複数設けられて、該第１および第２の金属線を機械的に支持する、
層間絶縁構造。
【請求項２】
前記第１の金属層からなり、隣接して配置された第１の金属線の間には、エアギャップが形成されている、請求項１に記載の層間絶縁構造。
【請求項３】
前記第１の金属層からなる第１の金属線の下側のうち、ビアが存在する箇所以外に前記エッチング停止層として酸化膜層が形成されている、請求項１に記載の層間絶縁構造。
【請求項４】
前記第２の金属層からなる第２の金属線の下側のうち、ビアが存在する箇所以外に前記エッチング停止層として酸化膜層が形成されている、請求項１に記載の層間絶縁構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスにおけるインタコネクトの層間分離に関し、より詳細には、銅のインタコネクトの極めて低い誘電率（ｋ）分離を生成するための集積化プロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅のインタコネクトは、２重ダマシンプロセスを用いて形成される。低誘電率の絶縁体材料の導入は、銅のインタコネクトを介して低誘電率の誘電体材料の第１層を堆積することによって達成され得る。これは、任意のエッチング停止バリア絶縁体、および、次に低誘電率材料の第２層が続き得る。次に、銅のインタコネクトに達するまで低誘電率材料の第２層、任意のエッチング停止バリア絶縁体、および低誘電率材料の第１層を介して、ビアをエッチングする。次に、低誘電率材料の第２層にトレンチをエッチングして、銅のインタコネクトの別の層の形成を支援する。バリア金属および銅は、スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）法、電気化学的蒸着法、またはこれら方法の組み合わせによって堆積される。次に、堆積した銅（および、おそらくバリア金属）は化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を用いて平坦化され、銅のインタコネクトを形成する。
【０００３】
銅に対する層内絶縁用にエアギャップが用いられてきたが、層間の銅層では酸化シリコンが用いらてきた。エアギャップは、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを分解して形成される。しかし、銅は酸化物と直接接触する。このことによって、銅は酸化物中に拡散され、リーク電流フローが隣接する銅線間に生じ得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、層間絶縁体、あるいは層内絶縁体および層間絶縁体としてエアギャップを統合する銅のインタコネクトを製造する方法を提供する。提供される方法により、犠牲ポリマーを堆積し、パターニングして、金属層を形成する。この犠牲ポリマーは分解して、アニーリング中にエアギャップになることができる。犠牲ポリマーとしての使用が可能な候補の１つは、１２ｗｔ％のメシチレン溶液として溶解されたブチルノルボルネンおよびトリエトキシシリルノルボルネンのコポリマーである。
【０００５】
本発明に係る層間絶縁構造は、第１の金属層からなる第１の複数の金属線と、該第１の金属線の下側にこれに接するよう形成された第１のエッチング停止層と、第２の金属層からなり、該第１の金属線上に形成された第２の複数の金属線と、該第２の金属線の下側にこれに接するよう形成された第２のエッチング停止層と、該第１の金属線と該第２の金属線との間に形成され、これらの金属線を接続する少なくとも１つのビアとを備え、該金属線の各々は、バリア金属の堆積により形成したバリア金属層と、該バリア金属層上での銅の堆積により形成した銅層との２層構造を有し、対向する第１の金属線と第２の金属線との間、および対向する第１および第２のエッチング停止層との間にはエアギャップが形成されており、該第２の金属線上には、最上層としての第２の金属線を覆うようにパターニングされた窒化膜からなるキャッピング層を介して、最上層としての第２の金属線を保護する、酸化膜からなる保護膜が形成され、該第１の金属層の、該第１の金属線以外の部分、および該第２の金属層の、該第２の金属線以外の部分は、該エアギャップを介して上下に位置する該第１の金属線および該第２の金属線を、該第１および該第２のエッチング停止層を介して支持する支持構造を形成しており、該支持構造はデバイスの周囲にて分散させて複数設けられて、該第１および第２の金属線を機械的に支持するものであり、それにより上記目的が達成される。
【０００６】
前記第１の金属層からなり、隣接して配置された第１の金属線の間には、エアギャップが形成されていてもよい。
【０００８】
前記第１の金属層からなる第１の金属線の下側のうち、ビアが存在する箇所以外に前記エッチング停止層として酸化膜層が形成されていてもよい。
【０００９】
前記第２の金属層からなる第２の金属線の下側のうち、ビアが存在する箇所以外に前記エッチング停止層として酸化膜層が形成されていてもよい。
【００２４】
１に近似する有効絶縁体誘電率を有する層間絶縁体構造を提供する。層間絶縁体の実施形態は、第１の複数の金属線を含む第１の金属層と、第２の複数の金属線と第１の金属層に接続された少なくとも１つのビアとを含む第２の金属層と、第１の金属層と第２の金属層との間に挿入されるエアギャップとを含む。１実施形態において、エアギャップはまた、どちらか一方の金属層上の金属線間にあり、層内絶縁体および層間絶縁体として作用する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、初期段階の製造に続くデバイス領域１４を備える基板１２を含むインタコネクト構造１０を示す。図面に示される１実施形態において、基板１２と第１の絶縁体を覆うように形成される金属線との間の第１の絶縁体として酸化物が使用される。別の実施形態において、別の低誘電率材料を酸化物の代わりに用いることができる。すなわち、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを、記載されるように上部絶縁層の形成に関する使用のために用いることができる。
【００２６】
初期段階の製造が終了した後、第１の絶縁体層１６（これは、好適には二酸化シリコンであり、約５００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さである）が基板上に堆積して、ＣＭＰ平坦化をして、基板１２と第１の金属線（まだ形成されていない）との間に誘電体層を形成する。第１の犠牲層１８を、約５００ｎｍ〜８００ｎｍの厚さにスピンコートする。１実施形態において、第１の犠牲層１８は、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを含む。ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーは、オハイオ州クリーブランドのＢＦＧｏｏｄｒｉｃｈから市販されている。ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーは、ブチルノルボルネンおよびトリエトキシシリルノルボルネンのコポリマーである。ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーは、スピンコート用に６〜１２ｗｔ％のメシチレン溶液として溶解された。第１の犠牲層１８はＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーであり、好適には、約３〜５分間、約９５℃〜１２０℃でソフトベークされる。このソフトベークはに続いて硬化処理が行われる。このＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーは、好適には、約１〜２時間、約２００℃〜２５０℃で真空または窒素環境下で硬化される。約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さの窒化物ハードマスク２０の堆積に続いて、約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さの酸化物ハードマスク２２の堆積が行われ、自己整合のビア形成のために第１の犠牲層１８上に二重のハードマスクを形成する。このことを図１に示す。あるいは、エッチングの手順をわずかに変更する必要があり得るが、酸化物ハードマスク２２を最初に形成して、上を覆う窒化物ハードマスク２０がその上に形成され得る。
【００２７】
第１のフォトレジスト層を酸化物ハードマスク２２上に堆積して、パターニングする。この酸化物ハードマスクをエッチングして、酸化物ハードマスクにビアの開口を形成する。説明を簡略化するため、図面に示されるように、複数のビアの開口が同時に形成されるが、１つのビアの開口について論じる。
【００２８】
第２のフォトレジスト層を、堆積し、パターニングして、トレンチマスクが形成される。窒化物ハードマスク２０を、酸化物ハードマスク２２に形成されたビアの開口でエッチングして、窒化物のビアの開口２４が形成される。次に、酸化物ハードマスクをエッチングして、トレンチの開口２６が形成される。図２に示されるように、ビアおよびトレンチをエッチングする前に、このレジストを剥ぎ取り得る。または、このレジストを完全の状態で残したまま、エッチングした後にレジストを剥ぎ取り得る。
【００２９】
図３は、パターニングが続く、ハードマスクの上部の平面図を示し、図２の断面図に対応する。ビアの開口２４は、図示されるように、トレンチ幅の方に大きくなり得る。
【００３０】
次に、図４を参照して、第１の犠牲層１８をエッチングし、酸化物ハードマスク２２または窒化物ハードマスク２０の一方が第１の犠牲層１８を保護していない箇所で、ビアの開口３０を形成する。第１の犠牲層１８をエッチングする方法は、第１の犠牲層で選択される材料による。第１の犠牲層にＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを用いる場合、ドライエッチングプロセス（例えば、酸素プラズマエッチング、または他の適切なエッチングプロセス）を用いてエッチングされ得る。
【００３１】
次に、図５を参照して、１実施形態において、酸化物ハードマスク２２を用いて、選択的に窒化物ハードマスク２０をエッチングして、酸化物にトレンチパターンを形成する。１実施形態において、図示されるように、窒化物ハードマスク２２をエッチングした後、酸化物ハードマスクを除去する。あるいは、酸化物ハードマスク２２を完全に残したまま、その後に続くエッチングプロセス中に除去する。次に、図６を参照して、窒化物ハードマスク２０を用いて、第１の犠牲層１８をエッチングして、トレンチ３２を形成する。ビア３０がデバイス領域１４に達するまで、第１の絶縁層１６をエッチングして、ビア３０を拡大する。別の実施形態において、二酸化シリコンをエッチング（例えば、Ｃ３Ｆ８およびアルゴンを含むプラズマを用いてもよい）する間、第１の犠牲層１８は、マスクとして作用する。さらに他の化学エッチングを利用して、第１の犠牲層をエッチングすることなく二酸化シリコンをエッチングすることもできる。次に、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを第１の犠牲層として用いる場合、第１の犠牲層１８を選択的にエッチング（好適には、酸素を含むプラズマを用いる）し、トレンチ３２を形成する。用いるエッチング手順またはエッチングプロセスに関係なく、生じる構造物は、図６で示されるように、トレンチおよびビアを形成している。
【００３２】
次に、図７を参照して、バリア金属４０および銅４２を堆積し、ＣＭＰ平坦化をする。１実施形態において、さらに窒化物ハードマスク２０を除去する。
【００３３】
別の実施形態において、第１の絶縁層も犠牲層（例えば、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマー）である。酸化物の薄膜を堆積し、ＣＭＰ平坦化をする。次に、初期の犠牲層を堆積する。あるいは、初期段階処理の後、二酸化シリコン層を約５０ｎｍ〜２００ｎｍに堆積して、続いて初期の犠牲層の堆積およびＣＭＰ平坦化をする。代替の酸化膜層を第１の層内の犠牲層で堆積する。１実施形態において、バリア金属の堆積および銅の堆積に続いて、初期の犠牲層を第１の銅レベルと基板との間に挿入する。処理の完了後、これにより、第１の銅レベルと基板との間にエアギャップが生成する。
【００３４】
次に、図８を参照して、第２の犠牲層４４を、約５００ｎｍ〜１５００ｎｍの厚さに堆積する。１実施形態において、この第２の犠牲層は、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーであり、スピンコートによって堆積される。エッチング停止層４６を、約５０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに第２の犠牲層上に堆積する。エッチング停止材料は、好適には、二酸化シリコンである。同じ材料である必要はないが、好ましくは他の犠牲層と同じ材料である第３の犠牲層を、約５００ｎｍ〜８００ｎｍの厚さに堆積する。ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを用いる場合、好適には、中間構造物１０を、約３分間、約１２０℃で加熱し、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを穏やかに硬化する。次に、２重のハードマスクを第３の犠牲層４８に覆うように形成する。１実施形態において、第２の窒化物ハードマスク５０を、約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さに堆積し、続いて第２の酸化物ハードマスク５２を、約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さに堆積する。
【００３５】
上述したように、第３のフォトレジスト層を酸化物ハードマスク５２上に堆積し、パターニングする。酸化物ハードマスクをエッチングし、酸化物ハードマスクにビアの開口を形成する。図面に示されるように、複数のビアの開口が、同時に形成されるが、説明を簡略化するために、１つのビアの開口について説明する。
【００３６】
第４のフォトレジスト層を堆積し、パターニングして、トレンチマスクを形成する。酸化物ハードマスク５２に形成されるビアの開口で窒化物ハードマスク５０をエッチングして、窒化物ビアの開口を形成する。次に、酸化物ハードマスクをエッチングして、トレンチの開口を形成する。
【００３７】
第３の犠牲層４８をエッチングして、部分的なビアを形成する。１実施形態において、エッチング停止層４６の剥き出し部分に沿って第２の酸化物ハードマスクを除去し、エッチング停止層４６にビアの開口を形成する。第２の犠牲層をエッチングして、第２のレベルのビア６０を形成し、第３の犠牲層をエッチングして、第２のレベルのトレンチ６２を形成する間、第２の窒化物ハードマスクおよびエッチング停止層はマスクとして作用する。図９は、インタコネクト構造１０を示し、第２層のビアおよびトレンチの形成が続く。
【００３８】
別の実施形態において、第２の酸化物ハードマスクを、第２の窒化物ハードマスクの前に堆積する。この場合、第３のフォトレジスト層を、第２の窒化物ハードマスク上に堆積して、第２の酸化物ハードマスクにおいてビアの開口がエッチングされ得るようにパターニングする。次に、酸化物ハードマスクにおいてビアの開口をエッチングする。第４のフォトレジスト層を堆積して、トレンチマスクを第２の窒化物ハードマスクへとパターニングする。次に、エッチング停止層４６に至るまで第３の犠牲層４８をエッチングする。次に、第２の窒化物ハードマスクを除去する。第２の酸化物ハードマスクの除去に引き続き、ビアの開口より下方でエッチング停止層の一部を剥き出しにする。次に、第３の犠牲層および第２の犠牲層をエッチングして、図９に示されるようにビア構造およびトレンチ構造を形成する。
【００３９】
次に、図１０を参照すると、バリア金属７０および銅７２を堆積して、ＣＭＰ平坦化をする。１実施形態において、さらに第２の窒化物ハードマスクを除去する。
【００４０】
さらなる犠牲層、エッチング停止層、およびハードマスクを堆積する工程を繰り返し、続いて上述したように、パターニングする工程および選択的なエッチング工程を用いて、さらなるインタコネクトレベルを形成し得る。図１１に示すように、３つのインタコネクトレベルの全てが形成されている。上記プロセスを繰り返すことによって、さらなるレベルもまた可能である。最後のインタコネクトレベルを完了すると、窒化シリコンおよび窒化ボロンのキャッピング層８０を、約５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さに堆積して、好適にはフォトレジストを用いてパターニングして、最上層の銅層を保護する。このキャッピング層は、好適には、最上層の金属線のトレンチよりわずかに大きくなるが、寸法的にはあまり重大な意味を持たない。次に、残っている全てのフォトレジスト材を剥ぎ取る。パシベーション層８２（好適には酸化物）を、約５００ｎｍ〜１５００ｎｍの厚さに堆積する。
【００４１】
次に、図１２を参照すると、全ての犠牲層を分解して、エアギャップ１００を有するインタコネクト構造１０を生成する。エアギャップ層１００は、層間絶縁体および層内絶縁体として機能する。ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを用いた実施形態において、好適には、インタコネクト構造１０を、約４２５℃〜５００℃の温度で、窒素パージされた加熱炉でアニールして、ＵｎｉｔｙＴＭ犠牲ポリマーを分解して、全ての覆っている酸化物に浸透することを可能にする。
【００４２】
上述のプロセスに引き続き、エアギャップを層間絶縁体と層内絶縁体との両方として形成する。従って、エッチング停止層／スペースホルダーの酸化シリコンが非常に薄い場合、有効誘電率は、当然極めて１に近似する。極めて多くのインタコネクト層を有する集積回路に関して、エッチング停止層／スペースホルダーの酸化物の厚さは、機械的強度を強めるように厚くする必要があり得る。このことは、システムの有効誘電率を増大させる。最上層の銅表面は、窒化物を用いて保護される。銅と直接接触する酸化シリコンはない。従って、銅の拡散問題はなくなる。隣接した銅線間のリーク電流および銅層間のリーク電流が、極めて小さくなることが期待される。概略図は接触した２つの堆積物を示した。左側は、普通のインタコネクトになる傾向があった。右側の堆積物は、エッジシールディングを図示している。エッジシールディングは、エッチング停止層／スペースホルダーの酸化膜層および銅線の機械的な支持台のために必要とされる。１実施形態において、エッジシールディングをデバイスの周囲に分散して、さらなる機械的な支持台を提供する。別の実施形態において、エッジシールディングを、チップ領域の全体に渡る要点においてさらに提供する。エッジシールディングを、電源供給のバスラインまたはアースラインの１つとして用いてもよい。
【００４３】
エッチング停止層／スペースホルダーの酸化シリコンを、バリア金属を介して金属線に接着する。従って、バリア金属と銅とエッチング停止層／スペースホルダーの酸化物に対するバリア金属との間の良好な接着がより好ましい。この用途に対する好適なバリア金属は、ＴｉまたはＴｉＮである。
【００４４】
いくつかのスペースホルダーに加えて、好適な実施形態を説明してきたが、本発明は、任意の特定の実施形態に限定されない。どちらかと言えば、本発明の範囲は、上掲の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される。
【００４５】
１に近似する有効誘電率を有する層間絶縁構造を提供する。層間絶縁の実施形態は、第１の複数の金属線を含む第１の金属層と、第２の複数の金属線、および第１の金属層に接続された少なくとも１つのビアとを含む第２の金属層と、第１の金属層と第２の金属層との間に挿入されたエアギャップとを含む。１実施形態において、エアギャップは、さらに、どちらか一方の金属層上の金属線間に存在して、層内絶縁および層間絶縁として役に立つ。また、犠牲ポリマーを堆積して、パターニングして、金属層を形成する方法を提供する。犠牲ポリマーを分解して、アニール中にエアギャップになることができる。
【００４６】
【発明の効果】
層間絶縁体、あるいは層内絶縁体および層間絶縁体としてエアギャップを統合する銅のインタコネクトを製造する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、初期層およびハードマスクの堆積が続くインタコネクト構造の断面図である。
【図２】図２は、マスクする工程が続くインタコネクト構造の断面図である。
【図３】図３は、２重ハードマスクの上部を示す平面図である。
【図４】図４は、部分的なビアの形成の形成が続く断面図である。
【図５】図５は、窒化物トレンチマスクの形成が続く断面図である。
【図６】図６は、トレンチおよびビアの形成が続く断面図である。
【図７】図７は、バリア金属およびインタコネクトの堆積が続く断面図である。
【図８】図８は、さらなるインタコネクト層を形成するための層の堆積が続く断面図である。
【図９】図９は、さらなるトレンチおよびビアの形成が続く断面図である。
【図１０】図１０は、バリア金属およびインタコネクトの堆積が続く断面図である。
【図１１】図１１は、パシベーションが続く３つのインタコネクトレベルを示す断面図である。
【図１２】図１２は、全ての犠牲層が分解して、インタコネクト間にエアギャップの形成が続く断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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