專利名稱：低k介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其形 成方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有半導(dǎo)體領(lǐng)域中，半導(dǎo)體電路已經(jīng)發(fā)展為具有多層互連的集成電路 (integrated circuit, IC)。在多層互連的IC中，互連層上的導(dǎo)電材料需要通過介質(zhì)層與 另一個互連層上的導(dǎo)電材料進行電氣絕緣。但在單層或多層互連的IC中，帶有介質(zhì)層分離的導(dǎo)電材料之間都會形成電容，這 種互連形成的電容不是設(shè)計過程中所需要的。由于IC的速度反比于IC的互連電阻(R)與 互連的電容(C)的乘積。所述RC的乘積，即RC常數(shù)必須盡可能小，以便促進適當(dāng)?shù)男盘杺?輸和開關(guān)速度，并盡可能降低信號串?dāng)_。隨著對IC更高集成度和元件小型化的日益增長的 要求，對系統(tǒng)速度的一個主要限制因素是IC中的RC常數(shù)限制。因此，減小IC互連的電阻 和電容對IC的性能提高有重要作用。一種減小互連層之間電容的方法是增加互連層之間的距離，但互連層之間的間隔 增加會產(chǎn)生不利的影響，例如面積會增加以及相應(yīng)的制造成本會增加。同時，增加互連線之 間的間隔會增加物理大小，并因此增加集成電路的成本。另一種減小互連層之間電容的方法是使用具有低K介質(zhì)層。希望使用低K材料作 為互連層之間實現(xiàn)電氣絕緣層。例如，有機聚合物，無定形氯化碳，超小型泡沫塑料，包含有 機聚合物的硅基絕緣體，摻雜了碳的硅氧化物和摻雜了氯的硅氧化物。其中，K表示介電系數(shù)。高和低是相對于二氧化硅的介電系數(shù)而言的。所述二氧 化硅的介電系數(shù)通常為3.9。為了獲得所述低K介質(zhì)層，可以使用自身具有低介電系數(shù)的材料。或者可以在材 料中加入孔隙度降低介電系數(shù)。但是，通過增加孔隙度，可能會降低材料的機械支撐性能。申請?zhí)枮?00480034184. 8的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N低K介質(zhì)層及其形成方法。 所述低K介質(zhì)層為氫倍半硅氧烷(HSQ)形成的多孔二氧化硅，所述HSQ是一種可以用甩涂 技術(shù)沉積的可流動的氧化物。在完成甩涂工藝以后，對材料進行烘焙，然后清除溶劑，留下 多孔的二氧化硅。所述多孔二氧化硅的介電系數(shù)為2. 0 3. 8。但是，所述專利申請?zhí)峁┑慕橘|(zhì)層形成方法中，所述沉積工藝程序復(fù)雜，沉工藝 成本較高，導(dǎo)致所述低K介質(zhì)層的成本昂貴；并且所述介質(zhì)層的介電系數(shù)仍然高達2. 0 3. 8，并不十分理想。因此，需要一種制造工序簡單，成本低廉，能達到更低介電系數(shù)，同時提供足夠強 機械支撐性能的介質(zhì)層，以降低RC常數(shù)，減少信號串?dāng)_，提高系統(tǒng)速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，用以降低介質(zhì)層的介電常數(shù)，提供足夠的機械支撐，并且制造成本低廉。同時本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其形成方法，用以降低半導(dǎo)體器件的RC 常數(shù)，減少信號干擾，提高系統(tǒng)速度。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，所述低K介質(zhì)層為二氧化硅氣凝膠?？蛇x的，所述二氧化硅氣凝膠的形成方法為溶膠-凝膠法。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，所述方法包括提供基底，所述基底上形成有第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層，其中，所述第一介質(zhì)層和 刻蝕阻擋層中形成有開口，所述開口內(nèi)填充有金屬，作為插塞；在所述刻蝕阻擋層和插塞上形成犧牲氧化層；在所述犧牲氧化層中形成開口，在所述開口內(nèi)填充金屬，形成互連結(jié)構(gòu)，其中，所 述互連結(jié)構(gòu)電連接至所述插塞；選擇性地去除所述犧牲氧化層，所述互連結(jié)構(gòu)之間形成有空隙；在所述互連結(jié)構(gòu)之間的空隙中形成二氧化硅氣凝膠，作為低K介質(zhì)層?？蛇x的，所述二氧化硅氣凝膠的形成方法為溶膠-凝膠法?？蛇x的，所述溶膠-凝膠法包括以烷氧基硅基烷為硅源，與乙醇、水混合進行混合水解反應(yīng)，生成的產(chǎn)物為二氧化 硅濕凝膠；將所述二氧化硅濕凝膠進行干燥處理，形成二氧化硅氣凝膠?？蛇x的，所述烷氧基硅基烷為TEOS或TMOS。可選的，所述烷氧基硅基烷水乙醇的混合體積比例為1 (3 15) (0.2 0. 6)?？蛇x的，所述混合水解反應(yīng)時間為1 3小時；混合反應(yīng)溶劑PH值控制在1. 5 4. 5 ；水解溫度為50°C 60°C。可選的，所述干燥處理為室溫常壓處理或超臨界干燥。可選的，所述干燥處理為超臨界干燥，所述超臨界干燥中使用的溶劑為乙醇、丙 酮、甲醇、正丙醇、苯、丁醇、戊醇、辛烷中的一種或多種。本發(fā)明還提供一種由所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法中的任一項所形成的半導(dǎo) 體器件結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案具有以下優(yōu)點本技術(shù)方案的低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)采用二 氧化硅氣凝膠作為低K介質(zhì)層，介電常數(shù)可達1. 0，表面密度較高，能夠提供足夠的機械支 撐，且制造成本低廉。本技術(shù)方案的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其形成方法采用二氧化硅氣凝膠作為低K介質(zhì) 層，降低半導(dǎo)體器件的RC常數(shù)，減少信號干擾，提高系統(tǒng)速度；并通過有選擇性去除犧牲氧 化層，增強介質(zhì)層的機械支撐。


圖1是本發(fā)明的一個實施例的形成低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)流程示意圖；圖2是本發(fā)明的一個實施例的形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的流程示意圖3至圖11是本發(fā)明的一個實施例的形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)采用二氧化硅氣凝膠作為低K介質(zhì)層，介電常數(shù)可達 1. 0，表面密度較高，能夠提供足夠的機械支撐，且制造成本低廉。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其形成方法中還采用二氧化硅氣凝膠作為低K介質(zhì) 層，用以降低半導(dǎo)體器件的RC常數(shù)，減少信號干擾，提高系統(tǒng)速度；并通過有選擇性去除犧 牲氧化層，增強介質(zhì)層的機械支撐。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。圖1是本發(fā)明的一個實施例的形成低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)流程示意圖，采用溶膠凝膠法 形成，具體包括執(zhí)行步驟S101，以烷氧基硅基烷為硅源，與乙醇、水混合進行混合水解反應(yīng)，形成二氧化硅濕凝膠；執(zhí)行步驟S102，將所述二氧化硅濕凝膠進行干燥處理，形成二氧化硅氣凝膠?；谏鲜龇椒?，形成了本發(fā)明的低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，所述低K介質(zhì)層為二氧化硅氣凝 膠。圖2是本發(fā)明的一個實施例的形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的流程示意圖，包括執(zhí)行步驟S201，提供基底，所述基底上形成有第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層，其中，所 述第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層中形成有開口，所述開口內(nèi)填充有金屬，作為插塞；執(zhí)行步驟S202，在所述刻蝕阻擋層和插塞上形成犧牲氧化層；執(zhí)行步驟S203，在所述犧牲氧化層中形成開口，在所述開口內(nèi)填充金屬，形成互連 結(jié)構(gòu)，其中，所述互連結(jié)構(gòu)電連接至所述插塞；執(zhí)行步驟S204，選擇性地去除所述犧牲氧化層，所述互連結(jié)構(gòu)之間形成有空隙；執(zhí)行步驟S205，在所述互連結(jié)構(gòu)之間的空隙中形成二氧化硅氣凝膠，作為低K介質(zhì)層。圖3至圖11是本發(fā)明的一個實施例的形成半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，提供基底101，所述基底101可以為硅晶圓，絕緣體上的硅，外延晶圓寸。所述基底101上形成有器件層，所述器件層上形成有第一介質(zhì)層102、以及位于所 述第一介質(zhì)層102上的刻蝕阻擋層103。所述器件層可以是MOS管或其他類似元件的構(gòu)成的層。其中，所述第一介質(zhì)層102可以為FSG、USG、BPSG、TEOS等材料。所述刻蝕阻擋層 103可以為SiON、SiN等材料，所述刻蝕阻擋層103的厚度為200-500埃。如圖3所示，所述第一介質(zhì)層102和刻蝕阻擋層103中形成有開口，所述開口內(nèi)填 充有金屬，作為插塞201。所述金屬可為鎢、銅、摻雜多晶硅、鈦等材料。如圖4所示，在所述刻蝕阻擋層103和插塞201上形成第一犧牲氧化層104。所述 第一犧牲氧化層104為傳統(tǒng)介電質(zhì)層，如PE-TEOS氧化層、BPSG氧化層。所述第一犧牲氧 化層104的形成方法為化學(xué)氣相沉積法。如圖5所示，在第一犧牲氧化層104中形成開口，在所述開口內(nèi)填充金屬，形成第一互連結(jié)構(gòu)。所述第一互連結(jié)構(gòu)包括金屬層301和插塞202。所述第一互連結(jié)構(gòu)電連接至所述插塞201結(jié)構(gòu)，所述第一互連結(jié)構(gòu)可以為大馬士 革(damascus)結(jié)構(gòu)。如圖6所示，去除所述第一犧牲氧化層104，保留第一互連結(jié)構(gòu)，在所述第一互連 結(jié)構(gòu)之間形成有空隙。為了增強機械支撐性能，可以使用掩膜有選擇性去除一部分所述第 一犧牲氧化層104，保留剩余第一犧牲氧化層104作為機械支撐(圖中未標示)。所述選擇 性去除第一犧牲氧化層104可以為靠近第一互連結(jié)構(gòu)的空間多去除犧牲氧化層104，位于 第一互連結(jié)構(gòu)較遠的空間少去除犧牲氧化層104，以平衡機械支撐。其中，所述去除第一犧牲氧化層104的方法為濕法刻蝕工藝。采用HF、NH4F等酸 性溶劑刻蝕掉所述第一犧牲氧化層104，所述酸性溶劑不會刻蝕掉金屬。如圖7所示，在所述第一互連結(jié)構(gòu)之間的空隙中形成二氧化硅氣凝膠，作為低K介 質(zhì)層401。所述二氧化硅氣凝膠的形成方法為溶膠-凝膠法。所述形成方法如下在所述第一互連結(jié)構(gòu)之間的空隙中，用氣相沉積方法，沉積硅源烷氧基硅基烷，所 述烷氧基硅基烷可以為TEOS或TM0S。然后將烷氧基硅基烷與乙醇、水按體積比例1 (3 15) (0. 2 0. 6)進行混合。混合后的溶劑會進行混合水解反應(yīng)。所述混合水解反應(yīng)時間控制在為1 3小時； 混合反應(yīng)溶劑PH值控制在1. 5 4. 5 ；水解溫度控制為50°C 60°C。經(jīng)過所述混合水解 反應(yīng)后的產(chǎn)物為二氧化硅濕凝膠。所述混合水解反應(yīng)的化學(xué)式如下Si (OC2H5) 4+H20 — Si (OH) 4+C2H50H將所述二氧化硅濕凝膠Si (OH) 4進行干燥處理。所述干燥處理為室溫常壓處理或 超臨界干燥。本實施例選取超臨界干燥，所述超臨界干燥中使用的溶劑為乙醇、丙酮、甲醇、 正丙醇、苯、丁醇、戊醇、辛烷中的一種或多種。所述干燥的過程可表示如下Si(OH)4 — Si&+H20 個所述干燥后的產(chǎn)物SW2為二氧化硅氣凝膠。所述二氧化硅氣凝膠為一種多孔的氣凝膠，其介電系數(shù)為1. 1左右，理想狀態(tài)下 可以接近1. 0。所述低K介質(zhì)層的表面密度為0. 003 0. 35g/cm3，一般為0. lg/cm3。所述 表面密度已經(jīng)能夠為半導(dǎo)體器件提供足夠的機械支撐。至此，已形成第一層低K介質(zhì)層401。而在常規(guī)后段工藝中，互連結(jié)構(gòu)通常具有多 層，所以需要形成更多的低K介質(zhì)層。下面以形成兩層互連結(jié)構(gòu)為例加以說明。繼續(xù)參考圖3-7，形成第一互連結(jié)構(gòu)，具體形成方法請參考前文相關(guān)敘述。如圖8所示，在所述第一低K介質(zhì)層401上形成第二犧牲氧化層105。在所述犧牲 氧化層105中形成開口，在所述開口內(nèi)填充金屬，形成第二互連結(jié)構(gòu)，所述第二互連結(jié)構(gòu)包 括金屬層302和插塞203。所述第二互連結(jié)構(gòu)電連接至所述第一互連結(jié)構(gòu)。在實際工藝中，第一低K介質(zhì)層401和第二犧牲氧化層105之間還形成有其他材 料層，比如黏附層、阻擋層等，為了簡化，在此未涉及這些結(jié)構(gòu)，因此未加以說明。如圖9所示，去除所述第二犧牲氧化層105，第二互連結(jié)構(gòu)之間形成有空隙。具體 方法參考第一犧牲氧化層104的去除方法。
如圖10所示，在所述第二互連結(jié)構(gòu)的空隙中填充二氧化硅氣凝膠形成第二低K介 質(zhì)層402。形成第二層低K介質(zhì)層的方法請參考形成第一低K介質(zhì)層401的方法。如圖11所示，在第二低K介質(zhì)層402上覆蓋鈍化層106。所述鈍化層106用于保 護和密封所述半導(dǎo)體器件。所述二氧化硅氣凝膠對應(yīng)的鈍化層106為聚酰胺(polymide)。所述聚酰胺鈍化層 601的形成方法為旋轉(zhuǎn)涂敷方式，涂敷后在400°C的高溫下烘烤30分鐘。按照所述技術(shù)方案，可根據(jù)實際情況形成多個互連結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層，以形成完整半 導(dǎo)體器件。本實施例的互連結(jié)構(gòu)共兩層?；谏鲜霭雽?dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，形成了本發(fā)明的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，具體包 括基底，所述基底上形成有第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層，其中，所述第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋 層中形成有開口，所述開口內(nèi)填充有金屬，作為插塞；位于所述刻蝕阻擋層和插塞上的部 分犧牲氧化層和部分二氧化硅氣凝膠；位于部分犧牲氧化層和部分二氧化硅氣凝膠中的開 口，所述開口內(nèi)填充有金屬，形成互連結(jié)構(gòu)，其中，所述互連結(jié)構(gòu)電連接至所述插塞。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā) 明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明 的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案 的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，所述低K介質(zhì)層為二氧化硅氣凝膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述二氧化硅氣凝膠的形成方法 為溶膠-凝膠法。
3.一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，所述方法包括提供基底，所述基底上形成有第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層，其中，所述第一介質(zhì)層和刻蝕 阻擋層中形成有開口，所述開口內(nèi)填充有金屬，作為插塞；在所述刻蝕阻擋層和插塞上形成 犧牲氧化層；在所述犧牲氧化層中形成開口，在所述開口內(nèi)填充金屬，形成互連結(jié)構(gòu)，其中，所述互 連結(jié)構(gòu)電連接至所述插塞；選擇性地去除所述犧牲氧化層，所述互連結(jié)構(gòu)之間形成有空隙；在所述互連結(jié)構(gòu)之間的空隙中形成二氧化硅氣凝膠，作為低K介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述二氧化硅氣凝 膠的形成方法為溶膠-凝膠法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述溶膠-凝膠法包 括以烷氧基硅基烷為硅源，與乙醇、水混合進行混合水解反應(yīng)，生成二氧化硅濕凝膠；將 所述二氧化硅濕凝膠進行干燥處理，形成二氧化硅氣凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述烷氧基硅基烷 為 TEOS 或 TMOS。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述烷氧基硅基 烷水乙醇的混合體積比例為1 (3 15) (0. 2 0. 6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述混合水解反應(yīng) 時間為1 3小時；混合反應(yīng)溶劑PH值為1. 5 4. 5 ；水解溫度為50°C 60°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述干燥處理為室 溫常壓處理或超臨界干燥。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述干燥處理為超 臨界干燥，所述超臨界干燥中使用的溶劑為乙醇、丙酮、甲醇、正丙醇、苯、丁醇、戊醇、辛烷 中的一種或多種。
11.一種如權(quán)利要求3至10中任一項所形成的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低K介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，所述低K介質(zhì)層為二氧化硅氣凝膠。本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其形成方法，所述方法包括提供基底，所述基底上形成有第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層，其中，所述第一介質(zhì)層和刻蝕阻擋層中形成有開口，所述開口內(nèi)填充有金屬，作為插塞；在所述刻蝕阻擋層和插塞上形成犧牲氧化層；在所述犧牲氧化層中形成開口，在所述開口內(nèi)填充金屬，形成互連結(jié)構(gòu)，其中，所述互連結(jié)構(gòu)電連接至所述插塞；選擇性地去除所述犧牲氧化層，所述互連結(jié)構(gòu)之間形成有空隙；在所述互連結(jié)構(gòu)之間的空隙中形成二氧化硅氣凝膠，作為低K介質(zhì)層。所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)為由所述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的形成方法中的任一項所形成的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/768GK102044525SQ20091019745
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者李若加, 陳國慶 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司