[发明专利]具有空气间隙的双镶嵌大马士革结构器件的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制作方法，尤其涉及一种具有双镶嵌大马士革结构的半导体器件的制作方法。

背景技术

铜互连是目前超大规模集成电路中的主流互连技术，而电镀铜是铜互连中的关键工艺之一。铜互连工艺最早在1997年9月由IBM提出来的，被称为是镶嵌工艺(也称大马士革)。并应用于制备微处理器、高性能存储器及数字信号处理器等等。它采用对介电材料的腐蚀来代替对金属的腐蚀来确定连线的线宽和间距。镶嵌工艺分为单镶嵌工艺和双镶嵌工艺，区别就是在于穿通孔和本层的工艺连线是否是同时制备的。

随着半导体器件的集成度越来越高，限制半导体器件的速度的主要因素已不再是晶体管延迟，而是与导电材料(例如金属)互连相关联的电阻-电容(RC)延迟。认识到这一点之后，为了减小导电材料互连的电容从而减小RC延迟，业界技术人员已进行了大量工作用于研发新的材料和制造工艺。例如，将作为导电材料互连层中的电介质材料，选择采用具有低介电常数的电介质材料。在所有材料中，介电常数最低的当属空气，空气的介电常数为1，其他介质材料层的介电常数均大于1，因此，技术人员开始关注在层间介质层中形成空气间隙(Air Gap)，空气间隙的形成能够进一步减小层间介质层的整体介电常数，以降低导电材料之间的电容，提高半导体器件的性能。

在现有制作大马士革结构的制作方法中，形成具有空气间隙的半导体器件的一种方法是在当前层间介质层中，通过光刻和刻蚀法，在金属互连线之间的中形成尺寸较小的间隙，然后利用化学气相沉积(CVD)法，在当前层间介质层上覆盖形成后一层间介质层，而不填充该间隙，从而在当前介质层中形成空气间隙；虽然该方法达到了降低集成电路RC延迟的目的，但是由于制造工艺本身的限制，对于关键尺寸(CD)较小的半导体器件来说，该方法在形成具有多个的金属互连层的半导体器件时，由于金属互连线之间的间隔(Space)较小并且现有光刻工艺的精确度限制，后一层金属层的通孔插塞(Plug)难以与当前层的金属互连线对准，而是与位于金属互连线之间的空气间隙相连通，使后一层通孔插塞内填充的金属铜落进空气间隙中，导致半导体器件的短路问题。因此，对于小尺寸半导体器件来说，如何增大金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口，成为业内需要解决的问题。

现有技术中另一种方法形成通过形成一种能够在特定工艺中去除的牺牲层，在完成当前金属互连层和后一金属互连层后，在特定工艺，例如加热工艺中去除牺牲层，以形成空气间隙；然而该方法同样具有问题，该方法形成的牺牲层是整体覆盖于层间介质层之上的，因此在后续全部去除之后，往往形成大面积空气间隙，形成的空气间隙的尺寸不易调整，大大降低了器件的机械抗压能力，甚至因此器件中金属互连层的塌陷，严重降低半导体器件的性能。

因此，在大马士革工艺中如何调节空气间隙的尺寸，以降低介质层整体介电常数和保持机械抗压能力之间的平衡，成为另一需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种尺寸可调的半填充结构的具有空气间隙的双镶嵌大马士革结构的制作方法。

为解决上述问题，本发明提供一种具有空气间隙的双镶嵌大马士革结构的制作方法，包括以下步骤：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有第一层间介质层和至少一个牺牲结构，所述牺牲结构的材质为能够热分解的聚合物；

在所述牺牲结构两侧及第一层间介质层上依次形成支撑层和牺牲层；

刻蚀所述牺牲结构和第一层间介质层，以在所述牺牲结构及第一层间介质层中形成通孔；

进行热分解，去除剩余的牺牲结构，形成凹槽；

在所述通孔和凹槽中形成金属通孔插塞和金属连线层；

刻蚀所述牺牲层，形成间隙；

形成第二层间介质层，在所述间隙中形成空气间隙。

进一步的，所述热分解过程的温度高于所述牺牲结构的分解温度。

进一步的，所述支撑层的材质为碳氧化硅、二氧化硅、多孔硅中的一种或其任意组合。

进一步的，所述第一层间介质层的材质为低介电常数物质、碳氧化硅、氧化硅或氮氧化硅中的一种或其组合。

进一步的，所述牺牲层的材质为低介电常数物质、氧化硅或氮氧化硅中的一种或其任意组合。

进一步的，所述罩层的材质为低介电常数物质、多孔硅、氧化硅或氮氧化硅中的一种或其任意组合。

进一步的，所述凹槽的截面宽度小于或等于牺牲结构的截面宽度。

本发明还提供一种具有空气间隙的双镶嵌大马士革结构的制作方法，包括以下步骤：