[发明专利]用于超低电容互连的有空气隙的半导体装置的制造

说明书

本申请是1997年1月21日申请的题为“用于电互连的空气隙”的US临时申请No.60/035 848的继续。

发明领域

本文所描述的发明一般地涉及半导体装置的制造，更具体地涉及用空气隙降低半导体装置中导体间电容耦合的半导体装置。

发明背景

由于集成电路技术的发展，任何给定集成电路平面上金属线间的间距已变得越来越小，目前已延伸至亚微米范围。通过降低集成电路中导电元件间的间距，发生电容耦合增加。此电容耦合增加导致串话干扰较大、电容损耗较高和阻容时间常数增加。

为降低电容耦合，许多努力集中在开发低介电常数(低-K)物质以取代置于给定层上和层间金属线间的传统介电物质。许多常规电绝缘体的介电常数在3.5至4.2的范围内。例如，二氧化硅的介电常数为4.2，聚酰亚胺的介电常数典型地为2.9至3.5。一些改进的聚合物介电常数在2.5至3.0的范围内。在1.8至2.0范围内的物质也是已知的，但这种物质伴随着严重的加工、成本、和原料问题。

可能的最低(或理想的)介电常数是1.0，它是真空介电常数。空气几乎最好，介电常数为1.001。由于公认空气的介电常数低，所以试图制造金属导线间有空气隙的半导体装置，以降低导电元件间的紧密耦合。已开发的形成空气隙技术有不同程度的复杂性。

US4 987 101描述了一种在一层材料上两线之间或在叠置的相邻材料层上线间提供电绝缘间隙的方法和结构。形成有多个从基件向上延伸的支承件的基件。在基件之上和支承件周围放置可去除的物料。然后在所述支承件和可去除物料上放置绝缘材料的盖件。在基件或盖件至少之一中形成通孔与可去除物料相通。通过该通孔除去可去除物料从而在盖件和基件间和支承件间形成空间。此步骤期间，在可去除物料让出的空间中可能产生部分真空(其中可分散一些惰性气体)。然后填满通孔在盖件和基件间形成密封的空间，有非常低的介电常数。

US5 324 683描述了几种在半导体装置中形成空气隙或空气区域的技术。通过选择性地除去牺牲性保护间隔或选择性地除去牺牲性保护层形成空气区域。通过选择生长法或非保形的沉积技术密封、封闭或隔离空气区域。该空气区域可在任何压力、气体浓度或工艺条件下形成。

上述专利中所公开的技术依靠孔或其它通道除去牺牲性保护材料。在US5 461 003中，通过多孔介电层除去牺牲性保护材料。根据该专利，在基片上形成金属导线，然后将可处理的固体层放在金属导线和基片之上。然后刻蚀可处理的固体层再露出金属导线的上部。然后将多孔介电层放置在金属导线和可处理层之上。然后除去可处理层，据说优选使装置暴露于高温(＞100℃)氧气或氧气等离子体中蒸发或烧掉所述可处理层。氧气移动通过多孔介电层达到可处理层并与之反应，从而使可处理层转化成气体通过多孔介电层离开。除去可处理层时，留下空气隙而提供低介电常数。最后，在多孔介电层之上放置非多孔介电层以密封多孔介电层防止湿气，提供改进的结构支承和导热率，钝化多孔介电层。此方法导致空气隙不延伸至相邻金属导线或金属线的整个高度。’003专利公开了补救该方法并增加利润的改进方法。此改进方法涉及进一步的工艺步骤，其中在金属导线上面形成氧化物层使可处理的介电层可延伸至高于金属导线。

还注意到装置暴露于必须扩散通过多孔层的氧气等离子体不仅效率低，而且使装置的其它元件长时间暴露于有潜在破坏性的氧气等离子体中。特别可证明铜线暴露于氧气等离子体中是有害的。铜因电阻比铝低而成为半导体生产中的日益重要的金属。

发明概述

本发明提供一种在固体结构特别是半导体结构内形成空气隙的方法，以降低电元件如金属线间的电容耦合。该方法克服了与试图降低半导体结构如集成电路和组件中的电容耦合的上述现有技术相伴的一种或多种缺陷。

根据本发明的一方面，在半导体结构中形成空气隙的方法包括以下步骤：(i)用降冰片烯型聚合物作为牺牲性保护材料占据半导体结构中封闭的内体积；(ii)使所述牺牲性保护材料分解(优选在热处理时自分解)成一或多种气态分解产物；和(iii)通过与所述内体积邻接的至少一个固体层除去所述一或多种气态分解产物至少之一。牺牲性保护材料的分解在预先由降冰片烯型聚合物占据的封闭的内体积处形成空气隙。

在优选实施方案中，所述固体层是介电层，所述一或多种气态分解产物至少之一可在不损害半导体结构的条件下扩散通过。而且，所述降冰片烯型聚合物优选为本文所述类型，它包括以下通式的重复单元：