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本发明提供了一种形成刚性互连结构的方法及其装置，包括以下步骤：提供下金属布线层，该下金属布线层具有位于下低k介质中的第一金属布线；在下金属布线层上淀积上低k介质；蚀刻上低k介质的至少一部分，以提供到达第一金属布线的至少一个过孔；在上低k介质的至少一个过孔中形成刚性介质侧壁隔离层；以及在上低k介质的至少一部分中形成第二金属布线。刚性介质侧壁隔离层可以包括SiCH、SiC、SiNH、SiN或SiO2。可选地，互连结构的过孔区可以使用机械刚性介质来加强，机械刚性介质包括SiO2、SiCOH或掺杂硅酸盐玻璃。

1.  一种形成互连结构的方法，该方法包括如下步骤：
提供下金属布线层，该下金属布线层具有位于下低k介质中的第一金属布线；
在所述下金属布线层上淀积上低k介质；
蚀刻所述上低k介质的至少一部分，以提供到达所述第一金属布线的至少一个过孔；
在所述上低k介质的所述至少一个过孔中形成刚性介质侧壁隔离层；以及
在所述上低k介质的所述至少一部分中形成第二金属布线。

2.  根据权利要求1的方法，其中所述上低k介质和所述下低k介质包括介电常数为约1.0到约3.5的材料。

3.  根据权利要求1的方法，其中所述上低k介质和所述下低k介质包括低k聚合物或低k掺碳氧化物。

4.  根据权利要求1的方法，其中所述刚性介质侧壁隔离层包括SiCH、SiC、SiNH、SiN或SiO₂。

5.  根据权利要求4的方法，其中所述形成刚性介质侧壁隔离层的步骤还包括：
在所述上低k介质上和所述至少一个过孔中淀积保形刚性介质衬里；以及
蚀刻所述保形刚性介质衬里的水平表面，以形成位于所述至少一个过孔的垂直侧壁上的所述刚性介质隔离层。

6.  根据权利要求5的方法，其中所述淀积保形刚性介质衬里的步骤还包括物理气相淀积(PVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)、或低压化学气相淀积(LPCVD)。

7.  根据权利要求6的方法，其中所述保形刚性介质衬里的厚度为约10nm到约100nm。

8.  根据权利要求7的方法，其中所述蚀刻所述保形刚性介质衬里的水平表面的步骤还包括各向异性蚀刻工艺。

9.  根据权利要求8的方法，其中所述下金属布线层还包括淀积在所述下低k介质上的刚性绝缘层，所述刚性绝缘层的材料选自：SiC、SiO₂、Si₃N₄。

10.  一种形成互连结构的方法，该方法包括如下步骤：
提供下金属布线层，该下金属布线层具有位于下低k介质中的第一金属布线；
在所述下金属布线层上淀积机械刚性介质；
形成穿过所述机械刚性介质到达部分所述第一金属布线的至少一个过孔；以及
形成具有位于上低k介质中的第二金属布线的上金属布线层，所述第二金属布线通过所述过孔与所述第一金属布线电连接，其中所述过孔包括热膨胀系数与所述机械刚性介质基本上匹配的金属。

11.  根据权利要求10的方法，其中所述机械刚性介质的热膨胀系数为约0.1ppm/oC到约5.0ppm/oC。

12.  根据权利要求10的方法，其中所述机械刚性介质包括SiO₂、SiCOH或掺杂硅酸盐玻璃。

13.  根据权利要求10的方法，其中所述机械刚性介质的厚度为约100nm到约1000nm。

14.  根据权利要求10的方法，其中所述上低k介质和所述下低k介质包括介电常数小于约3.5的材料。

15.  根据权利要求14的方法，其中所述上低k介质和所述下低k介质包括低k聚合物或低k掺碳氧化物。

16.  根据权利要求15的方法，其中所述低k聚合物是包括约95％的碳的b分段聚合物。

17.  根据权利要求15的方法，其中所述低k掺碳氧化物是SiCOH。

18.  根据权利要求10的方法，其中所述第二金属布线、所述第一金属布线、或所述第二金属布线和所述第一金属布线的结合包括铜、铝、银、金及其合金。

19.  一种互连结构，包括：
下金属布线级，包括位于下低k介质中的第一金属布线；
上金属布线级，位于所述下金属布线级之上，所述上金属布线级包括位于上低k介质中的第二金属布线；以及
多个过孔，穿过部分所述上低k介质，电连接所述下金属布线级和所述上金属布线级，其中所述多个过孔包括一组刚性介质侧壁隔离层。

20.  根据权利要求19的互连结构，其中所述一组刚性介质侧壁隔离层包括SiCH、SiC、SiNH、SiN或SiO₂。

21.  根据权利要求20的互连结构，其中所述一组刚性介质侧壁隔离层的每层的厚度为约10nm到约100nm。

22.  一种互连结构，包括：
下金属布线级，包括位于下低k介质中的第一金属布线；
机械刚性介质，位于所述下金属布线级之上，所述机械刚性介质包括多个金属过孔；以及
上金属布线级，位于所述机械刚性介质之上，所述上金属布线级包括位于上低k介质中的第二金属布线，其中所述多个金属过孔电连接所述下金属布线级和所述上金属布线级。

23.  根据权利要求22的互连结构，其中所述机械刚性介质包括SiO₂、SiCOH或掺杂硅酸盐玻璃。

24.  根据权利要求22的互连结构，其中所述多个金属过孔的热膨胀系数与所述机械刚性介质相匹配。

牺牲无机聚合物金属间介质镶嵌布线和过孔衬里
技术领域
本发明通常涉及半导体器件的制造，尤其涉及通过低介电常数(k)的介质材料形成互连过孔的方法。
背景技术
在微电子器件的制造中，集成电路利用多级布线结构用于互连器件内的区域并用于互连集成电路中的一个或多个器件。通常，形成互连结构始于形成下级布线，接着淀积级间介质层，然后形成第二级布线，其中通过一个或多个金属填充的过孔连接第一和第二布线级。
通常，互连结构采用一个或多个金属层。每个金属层通常由铝合金或钨构成。通常使用级间和级内介质(ILDs)，例如二氧化硅(SiO₂)，来使有源元件和不同互连信号路径之间相互电隔离。通过在ILD层中形成的过孔来形成不同互连级之间的电连接。通常，用例如钨的金属来填充过孔。
近来，用低介电常数(“低k”)的材料代替SiO₂作为在互连结构中的级内和/或级间介质，引起了广泛关注。低k介质的例子包括可以包括或不包括聚合物的聚合物基低k介质材料、或低介电常数的掺碳氧化物。低k、b分段(b-staged)聚合物的例子是具有95％的碳成分的SiLKTM(TheDow Chemical Company的商标)。低介电常数的掺碳氧化物的例子是SiCOH。希望采用低k材料作为IC互连中绝缘体，因为低k材料减小了互连电容量。因此，这些低k材料增加了信号传输速度，同时降低了互连中的串扰噪声和功率耗散。
使用低k材料的主要问题是它们缺乏机械硬度并当受到热和机械应力时容易破裂。通常，在过孔处理中，蚀刻级间介质层以提供开口，随后在开口中形成金属互连以提供金属层之间的连通。尽管低k材料具有降低互连电容量的能力，但是通过低机械强度的低k层间介质形成过孔互连带来很多不利。例如，如果介质被弯曲或受到机械应力，互连金属会在过孔中损坏。此外，金属互连和低k级间和/或级内介质之间热膨胀系数的不同进一步产生引起过孔损坏和芯片故障的应力。
试图克服上述不利又带来了其它困难。例如，参见图1，试图使用厚的难熔金属衬里22来加强低k介质级间介质35和互连过孔24。过孔互连24通常由低阻互连金属例如铜形成。这种高电阻率难熔金属衬里22的电阻比用于过孔互连24和布线25、26中的低阻铜地电阻高很多。因此，在过孔开口24中引入难熔金属不利地增加了互连结构10的电阻。
此外，很难使用化学气相淀积来淀积例如Ta的难熔金属。因此，通常使用溅射淀积来淀积难熔金属衬里22。溅射淀积不能充分地沿低k ILD介质35的过孔24的侧壁淀积金属。为了沿过孔24的侧壁淀积所需厚度的金属，必须在侧表面上溅射淀积很厚的难熔金属层22。通过增加难熔金属衬里22的厚度，将更多的高阻难熔金属引入过孔开口。另外，在过孔开口24中引入高阻难熔金属降低了过孔互连24的低阻成分的直径，进一步增加了它的电阻。
鉴于以上，需要具有薄机械刚性介质层的低电阻率过孔互连。
发明内容
本发明的一个目的是提供形成包括机械刚性低k级间和/或级内介质层的低电阻率互连结构的方法。本发明的另一个目的是提供包括热机械性能得到改善的低k介质材料的刚性互连结构。这里使用的术语“低k”表示介电常数优选小于约3.5的介质材料。这里使用的术语“低电阻率”表示2.0μΩ-cm或更小的电阻率。
本发明有利地提供了通过低k介质层提供刚性过孔互连的方法，其中通过位于过孔开口侧壁上的一组薄的刚性绝缘侧壁隔离层提供结构的硬度。概括地说，本发明的方法包括：提供下金属布线层，该下金属布线层具有位于下低k介质中的第一金属布线；在下金属布线层上淀积上低k介质；蚀刻上低k介质的至少一部分，以提供到达第一金属布线的至少一个过孔；在上低k级内介质的至少一个过孔中形成刚性介质侧壁隔离层；以及在上低k介质的至少一部分中形成第二金属布线。
更具体地说，可以通过使用保形淀积工艺在过孔内和上低k介质上首先淀积保形刚性介质衬里，来形成刚性介质侧壁隔离层。然后，使用各向异性蚀刻工艺蚀刻保形刚性介质衬里的水平表面，其中位于过孔侧壁上的刚性介质衬里的剩余部分形成刚性介质隔离层。用包括但不限于如下的任何刚性绝缘材料形成刚性介质隔离层：SiCH、SiC、SiNH、SiN或SiO₂。刚性介质侧壁隔离层的厚度通常在从约10nm到约100nm的范围内。术语“刚性”旨在表示弹性模量大于10GPa，优选大于50GPa。
概括地说，上述方法形成的互连结构包括：下金属布线级，包括位于下低k介质中的第一金属布线；位于下金属布线级之上的上金属布线级，包括位于上低k介质中的第二金属布线；以及多个过孔，穿过部分上低k介质，电连接下金属布线级和上金属布线级，其中多个过孔包括一组刚性介质侧壁隔离层。
更具体地说，上述互连结构的刚性介质侧壁隔离层的厚度通常在约10nm到约100nm的范围内，并可以包括SiCH、SiC、SiCOH、SiNH、SiN或SiO₂。
本发明的另一方面提供了形成具有硬度增加的低k介质层和改善的热机械强度的互连结构的方法。可以通过热膨胀系数(CTE)与过孔金属基本上匹配的刚性介质层提供增加的硬度和热机械强度。概括地说，本发明的方法包括：提供下金属布线层，该下金属布线层具有位于下低k介质中的第一金属布线；在下金属布线层上淀积机械刚性介质；形成穿过机械刚性介质到达部分第一金属布线的至少一个过孔；以及形成具有位于上低k介质中的第二金属布线的上金属布线层，第二金属布线通过过孔与第一金属布线电连接，其中过孔包括热膨胀系数与机械刚性介质基本上匹配的金属。
更具体地说，机械刚性介质包括SiO₂、SiCOH或掺F玻璃，且厚度通常在约100nm到约1000nm的范围内，优选为300nm。机械刚性介质的热膨胀系数在约0.1ppm/oC到约5.0ppm/oC的范围内。机械刚性介质的热膨胀系数基本上与过孔金属的热膨胀系数匹配。通过减小过孔金属和机械刚性介质之间热膨胀系数的差别，减小了在过孔和机械刚性介质的界面处的热机械应力。
概括地说，上述方法形成的互连结构包括：下金属布线级，包括位于下低k介质中的第一金属布线；位于下金属布线级之上的机械刚性介质，包括多个金属过孔，其中多个金属过孔的热膨胀系数与机械刚性介质基本匹配；以及位于机械刚性介质之上的上金属布线级，包括位于上低k介质中的第二金属布线，其中多个金属过孔电连接下金属布线级和上金属布线级。
具体地说，机械刚性介质可以包括SiO₂、SiCOH或掺杂硅酸盐玻璃。
附图说明
图1示出了(通过截面图)现有技术的具有厚的不均匀TaN衬里的过孔互连；
图2示出了(通过截面图)本发明的互连结构的一个实施例，该互连结构包括在位于低k介质层中的过孔中的刚性绝缘侧壁隔离层；
图3-12示出了(通过截面图)制造图2所示的互连结构的处理步骤；
图13示出了(通过截面图)本发明的另一实施例，其中包括机械刚性介质，该介质加强了包括低k介质层的互连结构的过孔区；
图14-23示出了(通过截面图)制造图13所示的互连结构的处理步骤。
具体实施方式
现在将参考附图详细说明本发明的互连结构及其制造方法。注意附图中类似和相应的部分用类似的标号表示。尽管附图中示出了两个布线层，本发明并不限于只具有两个布线层的低阻互连结构。相反，本发明同样可以使用具有多个布线级的互连结构，一个在另一个之上，其中衬里材料增加了低k介质的硬度。
本发明通过刚性低k级间和级内介质层提供了低阻过孔互连。在本发明的一个实施例中，通过在低k介质中的过孔开口的侧壁上加一层薄的机械刚性衬里，增加了互连结构中的低k介质层的硬度。在现有技术的方法中，溅射淀积例如TaN的高阻难熔金属以在器件处理期间保护低k介质层过孔侧壁，并加强在其中形成过孔互连的低k介质区。溅射淀积存在问题，部分由于在过孔侧壁上淀积的难熔金属的低溅射率和不均匀性。
在一个实施例中，本发明通过如下步骤增强低k介质互连区：通过等离子体增强化学气相淀积在低k介质层6的过孔24的侧壁上淀积优选包括SiC的刚性介质衬里11，并随后将刚性介质衬里11处理成刚性介质侧壁隔离层12，在该刚性介质侧壁隔离层12上形成过孔互连24，如图2所示。刚性介质侧壁隔离层12增加了低k介质层的过孔互连24区的硬度，同时保持了低互连电容量。此外，通过化学气相淀积方法均匀地淀积刚性介质侧壁隔离层12，因此克服了现有技术利用溅射淀积方法非均匀地淀积高阻金属支撑结构的不利。
参见图2，互连结构10可以包括通过上低k介质层6与第二金属布线25分开的第一金属布线26，其中通过在上低k介质层6中的至少一个过孔互连24形成第一金属布线26和第二金属布线25之间的电接触。通过刚性介质侧壁隔离层12来增强过孔互连24的侧壁，该刚性介质侧壁隔离层12的厚度在约10nm到约100nm的范围内，优选为30nm。介质侧壁隔离层12可以包括碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、或二氧化硅(SiO₂)。也可以利用金属衬里29来增加过孔互连24中的金属和第一金属布线26之间的附着性。金属衬里29也可以用作扩散阻挡层。通过将刚性介质侧壁隔离层12用作薄的低k介质层的机械支撑，则不再需要厚的金属支撑衬里。因此，厚度小于50nm、优选小于10nm的金属衬里足以满足需要。现在参考图3-12详细说明制造图2所示的互连结构10的方法。
参见图3，初始结构5包括下布线级31、下蚀刻停止层34、上低k介质层6、上刚性介质层36、上蚀刻停止层7和介质覆盖层37，该下布线级31包括第一金属布线26、下低k介质32和下刚性绝缘层33。
下低k介质32可以包括利用适合的淀积工艺形成的常规的介质材料，该淀积工艺包括但不限于：CVD、PECVD、PVD、高密度等离子体CVD或旋涂玻璃(spin on glass)工艺。优选，下低k介质32包括厚度在约10nm到约1000nm的范围内、优选为300nm的低k介质。下低k介质32的介电常数可以小于约3.5，优选在约1.0到约3.0的范围内。
低k介质可以包括如低介电常数聚合物介质的有机介质，或可以包括低介电常数的掺碳氧化物。低介电常数聚合物介质的例子为SiLKTM(TheDow Chemical Company的商标)。具体地说，SiLKTM是一种包括b分段聚合物、具有约95％的碳成分的聚合物基低k介质材料。低介电常数的掺碳氧化物的例子是SiCOH。
可以结合刚性介质层33来加强下面的低k介质层32。刚性介质层33可以使用常规的淀积技术来淀积并可以包括氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)和二氧化硅(SiO₂)，最优选为碳化硅(SiC)。刚性介质层33的厚度可以在约5nm到约100nm的范围内，优选为30nm。
可以通过常规的化学气相淀积工艺在第一金属布线26、刚性介质层33和下低k介质32上淀积下蚀刻停止层34。下蚀刻停止层34可以包括Si的氮化物、氧氮化物或碳化物的材料，即氮化硅(Si_xN_y)、氧氮化硅(SiO_xN_y)或碳化硅(SiC_xO_yN_z)，其厚度在约10nm到约100nm的范围内，优选为50nm。
可以使用如下常规工艺在下蚀刻停止层34上淀积上低k介质层6：化学气相淀积(CVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、物理气相淀积(PVD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)或旋涂工艺。在一个实施例中，上低k介质层6的厚度在约10nm到约1000nm的范围内，优选为300nm。上低k介质层6和下低k介质32可以包括或不包括相同的材料。上低k介质层6优选包括上述的SiLKTM。此外，上低k介质层6的介电常数可以小于约3.5，优选在约1.0到约3.0的范围内。
仍然参见图3，上刚性介质层36可以位于上低k介质层6上。上刚性介质层36包括机械刚性介质材料，所述材料包括但不限于：碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)和二氧化硅(SiO₂)。上刚性介质层36的厚度在约10nm到约100nm的范围内，优选为30nm。上刚性介质层36和下刚性介质层33可以包括或不包括相同的材料。上刚性介质层36优选包括厚度为约30nm的SiC。
在淀积上刚性介质层36之后，可以通过常规的化学气相淀积工艺淀积上蚀刻停止层7。上蚀刻停止层7可以包括氮化物或氧氮化物材料，即氮化硅(Si₃N₄)或氧氮化硅(SiO_xN_y)，其厚度在约10nm到约100nm的范围内，优选为50nm。上蚀刻停止层7更优选包括氮化硅(Si₃N₄)。
然后在上蚀刻停止层7上淀积介质覆盖层37。可以使用常规的淀积方法即化学气相淀积、或可选地使用热生长工艺即热氧化或氮化，来形成介质覆盖层37。介质覆盖层37可以是氧化物、氮化物或氧氮化物材料，优选为二氧化硅(SiO₂)。介质覆盖层37的厚度可以在约10nm到约200nm的范围内，优选为50nm。
仍然参见图3，然后使用常规的光刻和蚀刻工艺构图并蚀刻初始结构30。首先，将抗反射涂层(ARC)9旋转施加到初始结构30的上表面上并进行烘烤。可选地，可以不要抗反射涂层(ARC)9。然后通过在将要被蚀刻的表面上施加光致抗蚀剂层，来形成被构图以蚀刻介质覆盖层37的抗蚀剂8；将光致抗蚀剂层暴露于辐射图形；然后利用常规的抗蚀剂显影装置将图形显影到光致抗蚀剂上。一旦形成光致抗蚀剂图形，就保护了被光致抗蚀剂覆盖的部分，同时使用除去未保护区域的选择性蚀刻工艺除去暴露的区域。
参见图4，在光致抗蚀剂构图和显影之后，使用定向蚀刻工艺即反应离子蚀刻，蚀刻抗反射涂层9和介质覆盖层37的暴露部分，其中对上蚀刻停止层7具有选择性。然后使用常规的化学剥离除去抗蚀剂8。
参见图5，在淀积可选的第二抗反射涂层14之后，在介质覆盖层37的剩余部分上淀积另一光致抗蚀剂层。然后使用常规的光刻和显影工艺从光致抗蚀剂层形成过孔图形抗蚀剂39。在随后的蚀刻工艺步骤中保护过孔图形抗蚀剂下面的部分，同时蚀刻暴露部分以将过孔图形转移到下面的层。
参见图6，然后使用定向蚀刻工艺如反应离子蚀刻，蚀刻可选的第二抗反射涂层14、上蚀刻停止层7和上刚性介质层36的暴露部分，其中对过孔图形抗蚀剂39和低k介质层6具有选择性。优选，蚀刻化学剂有选择地除去上蚀刻停止层7的Si₃N₄和低k介质层6的SiC，而基本上不蚀刻由聚合物材料或掺碳氧化物构成的上低k介质层6。然后使用化学剥离工艺剥去过孔图形抗蚀剂39。
参见图7，在有选择地除去上低k介质层6的暴露部分的定向蚀刻工艺期间，通过将介质覆盖层37和上蚀刻停止层7的剩余部分用作硬掩膜，可以使过孔图形部分地延伸穿过低k介质层6。通过端点检测可以确定低k介质蚀刻工艺的持续时间。优选，蚀刻化学剂有选择地除去低k介质层6的聚合物材料或掺碳氧化物，基本上不蚀刻介质覆盖层37的剩余部分的SiO₂，并基本上不蚀刻Si₃N₄上蚀刻停止层34的暴露部分。在一个优选实施例中，在低k介质蚀刻工艺之后，低k介质材料6的部分保留在下蚀刻停止层34上，如图7所示。
参见图8，在下一个工艺步骤中，通过定向蚀刻工艺即反应离子蚀刻，除去蚀刻停止层7和上刚性介质层36的暴露部分，其中对低k介质层6和覆盖介质层37的剩余部分具有选择性，其中覆盖介质层37的剩余部分用作硬掩膜。优选，蚀刻化学剂除去Si₃N₄上蚀刻停止层7的暴露部分，并蚀刻SiC上刚性介质层36的暴露部分，其中对SiO₂覆盖介质层37的剩余部分和上低k介质层6的聚合物材料或掺碳氧化物具有选择性。
现在参见图9，在定向蚀刻期间暴露出第一金属布线26的上表面，该定向蚀刻使上低k介质层6凹进并从第一金属布线26的上表面除去下蚀刻停止层34。首先，利用包括第一蚀刻化学剂的定向蚀刻有选择地除去上低k介质材料6并暴露下面的下蚀刻停止层34。然后，包括第二蚀刻化学剂的另一定向蚀刻有选择地除去下蚀刻停止层34的暴露部分，基本上不蚀刻第一金属布线26、介质覆盖层37的剩余部分以及上低k介质材料6的暴露部分。可选地，可以在单个蚀刻工艺期间暴露第一金属布线26的上表面，该蚀刻工艺使上低k介质层6凹进，并除去下面的下蚀刻停止层34，而基本上不蚀刻介质覆盖层37的剩余部分。
参见图10，然后使用等离子体增强化学气相淀积，淀积保形刚性介质衬里11。可选地，可以使用包括但不限于如下的化学气相淀积工艺来淀积刚性介质衬里11：物理气相淀积(PVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)、THCVD(待定义)、以及低压化学气相淀积(LPCVD)。保形刚性绝缘衬里11的厚度为在10nm到约100nm的范围内，优选为约30nm。可以在图9所示结构的垂直和水平表面上都均匀地淀积保形刚性介质衬里11。刚性介质衬里11可以是SiC、SiO₂、Si₃N₄及其组合。
现在参见图11，然后定向蚀刻工艺除去保形刚性介质衬里11的水平表面，其中位于结构的垂直表面上的保形刚性介质衬里11的剩余部分形成位于低k介质层6的过孔24的侧壁上的刚性介质侧壁隔离层12。应该注意，从第一金属布线26的水平表面除去保形刚性绝缘层11，以暴露第一金属布线26的上表面。刚性绝缘侧壁隔离层12增强了在机械上脆弱的低k介质层6的过孔24区域24。还应该注意，刚性介质侧壁隔离层12保护上低k介质层6在常规的BEOL处理期间不被损坏或腐蚀。
在一个可替换实施例中，可以在过孔24内和下蚀刻停止层34的水平表面上淀积保形刚性绝缘衬里11。在该实施例中，在从第一金属布线26的上表面蚀刻下蚀刻停止层34之前，形成保形刚性绝缘衬里11。在淀积保形刚性绝缘层11之后，然后进行选择蚀刻工艺以除去形成刚性绝缘侧壁隔离层12的保形刚性绝缘层11的水平表面，并除去下蚀刻停止层34，以暴露第一金属布线26的上表面。
参见图12，在形成刚性绝缘侧壁隔离层12之后，在图11所示的结构的水平和垂直表面，包括第一金属布线26的暴露上表面和刚性绝缘侧壁隔离层12上淀积金属衬里13。金属衬里13可以包括Ta、TaN、W或WN。金属衬里13的厚度在约2nm到约50nm的范围内，优选为10nm。可以通过溅射淀积来淀积具有上述厚度的金属衬里13。
在该实施例中，通过刚性绝缘侧壁隔离层12为互连结构10提供硬度。因此，不必由金属衬里13为结构提供硬度，并因此不需要淀积厚的金属衬里13。金属衬里13可以增加第一金属布线层与随后淀积的金属的附着性。金属衬里13还可以用作在下金属布线26与随后淀积的材料之间的扩散阻挡层。
在形成金属衬里13之后，通过淀积金属形成第二金属布线25和金属过孔16。金属可以是铜、铝、银、金及其合金，优选为铜。可以通过溅射淀积或电镀淀积金属。优选，通过两个步骤淀积铜，首先通过溅射淀积形成铜种子层(未示出)，然后在铜种子层上电镀铜。在淀积金属之后，然后使用化学机械抛光技术或类似的平面化方法平面化并抛光淀积的金属。将结构平面化到上刚性层36，因此除去覆盖介质层37和上蚀刻停止层7的剩余部分。
在本发明的另一实施例中，机械刚性介质层35位于下金属布线级31和上金属布线级45之间，其中通过延伸穿过机械刚性介质层35的互连过孔提供第一和第二金属布线级之间的电连通，如图13所示。
参见图13，包围过孔24的机械刚性介质层35可以是机械强度高于低k介质层23、32的介质材料。此外，在机械刚性介质层35中使用的介质的热膨胀系数可以与在过孔24中使用的金属的热膨胀系数相匹配。优选，机械刚性介质层35可以包括氧化物如SiO₂、掺杂硅酸盐玻璃如氟化硅酸盐玻璃、或掺碳氧化物如SiCOH，其中热膨胀系数与互连金属即铜的热膨胀系数相匹配。
虽然机械刚性介质层35可以为互连结构提供比如图2-12所示的第一实施例更大的硬度，但是机械刚性介质层35具有比包括低k聚合物或低k掺碳氧化物的介质层更大的介电常数。因此，相比于如图2-12所示的实施例，机械刚性介质层35可以增加器件的互连电容量。现在参考图14-23详细说明形成图13所示互连结构10的方法。
参见图14，初始结构30包括下布线级31、下蚀刻停止层34、机械刚性介质层35、上低k介质23、上刚性绝缘层36和介质覆盖层37，该下布线级31包括第一金属布线26、下低k介质32和下刚性绝缘层33。
可以使用适合的工艺，例如CVD、PECVD、PVD、高密度等离子体CVD或旋涂玻璃工艺形成下低k介质32。下低k介质32包括厚度在约10nm到约1000nm的范围内、优选为300nm的低k介质。优选，下低k介质32的介电常数小于约3.5，优选在1.0到3.0的范围内。
低k介质可以包括如低介电常数的聚合物介质的有机介质，或可以包括低介电常数的掺碳氧化物。低介电常数聚合物介质的例子为SiLKTM(The Dow Chemical Company的商标)。具体地说，SiLKTM是一种包括b分段聚合物、具有约95％的碳成分的聚合物基低k介质材料。低介电常数的掺碳氧化物的例子是SiCOH。
可以结合刚性介质层33来加强下面的低k介质层32。刚性介质层33可以使用常规的淀积技术来淀积并可以包括氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)和二氧化硅(SiO₂)，最优选为碳化硅(SiC)。刚性介质层的厚度可以在约10nm到约100nm的范围内，优选为30nm。
通过常规的方法在下低k介质32中形成第一金属布线26，该方法包括但不限于：施加光致抗蚀剂，光刻构图；图形显影；选择性地蚀刻下刚性介质层33和下低k介质32；图形剥离；金属溅射淀积；以及平面化。第一金属布线26可以包括常规的布线金属，包括但不限于：铝(A1)、铜(Cu)、钨(W)、金(Au)、银(Ag)及其合金。第一金属布线26优选包括铜。
可以通过常规的化学气相淀积工艺在第一金属布线26、刚性介质层33和下低k介质32上淀积下蚀刻停止层34。下蚀刻停止层34可以包括氮化物、氧氮化物材料，即氮化硅(Si₃N₄)或氧氮化硅(SiO_xN_y)，其厚度在约10nm到约100nm的范围内，优选为50nm。下蚀刻停止层34优选包括Si₃N₄。
可以通过常规的化学气相淀积工艺在下蚀刻停止层34上施加机械刚性介质35，其中机械刚性介质35的厚度在约100nm到约1000nm的范围内，优选为300nm。优选，机械刚性介质层35包括氧化物如SiO₂、掺杂硅酸盐玻璃如氟化硅酸盐玻璃、或掺碳氧化物如SiCOH。可选地，机械刚性介质35可以是包括氮化物、氧氮化物或其它低k介质的其它介质材料。机械刚性介质35的热膨胀系数也可以与互连金属的热膨胀系数相匹配。机械刚性介质35的热膨胀系数可以在约0.1ppm/oC到约5ppm/oC的范围内，优选为1ppm/oC。机械刚性介质35的介电常数可以在约2.5到约4.2的范围内，优选为3.2。
可以使用如下常规工艺在机械刚性介质35上淀积上低k介质层23：CVD、PECVD、PVD、高密度等离子体CVD或旋涂工艺。在一个实施例中，上低k介质层23包括厚度在约10nm到约1000nm的范围内、优选为300nm的低k介质。上低k介质层23和下低k介质32可以包括或不包括相同的材料。上低k介质层23优选包括上述的SiLKTM。此外，上低k介质层23的介电常数小于约3.5，优选为在约1.0到约3.0的范围内。
仍然参见图14，上刚性介质层36可以位于上低k介质层23上。上刚性介质层36包括机械刚性绝缘层，所述绝缘层包括但不限于：碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)或二氧化硅(SiO₂)。上刚性介质层36的厚度在约10nm到约100nm的范围内，优选为30nm。上刚性介质层36和下刚性介质层33可以包括或不包括相同的材料。上刚性介质层36优选包括厚度为约30nm的碳化硅(SiC)。
然后在上刚性介质层36上淀积介质覆盖层37。可以使用常规的淀积方法即化学气相淀积、或可选地使用热生长工艺即热氧化或氮化，来形成介质覆盖层37。介质覆盖层37可以是氧化物、氮化物或氧氮化物材料，优选为二氧化硅(SiO₂)。介质覆盖层37的厚度可以在约10nm到约200nm的范围内，优选为50nm。
仍然参见图14，然后使用常规的光刻和蚀刻工艺构图并蚀刻初始结构30。首先，在初始结构30的上表面上形成抗反射涂层(ARC)38。可选地，可以不要抗反射涂层(ARC)38。然后通过在将要被蚀刻的表面上施加光致抗蚀剂，来形成过孔图形抗蚀剂39；将光致抗蚀剂暴露于辐射图形中；然后利用常规的抗蚀剂显影装置显影图形。一旦形成光致抗蚀剂图形，就保护了被光致抗蚀剂覆盖的部分，而使用除去未保护区域的选择蚀刻工艺除去暴露的区域。
参见图15，在抗蚀剂构图和显影之后，使用定向蚀刻工艺即反应离子蚀刻，蚀刻下面的介质覆盖层37、上刚性介质层36和上低k介质层23的暴露部分，其中对机械刚性介质35具有选择性。该蚀刻工艺包括本领域技术人员公知的氟化蚀刻化学剂。然后使用常规的化学剥离除去过孔图形抗蚀剂39。
参见图16，在下一个工艺步骤中，使用包括但不限于如下的化学气相淀积工艺淀积保形刚性衬里27：物理气相淀积(PVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)。保形刚性衬里27可以是包括但不限于如下的任何刚性绝缘材料：碳化硅、氮化硅、二氧化硅。保形刚性衬里27的厚度可以在约10nm到约100nm的范围内，优选为30nm。最优选，保形刚性衬里27是厚度大约在30nm量级的碳化硅。
参见图17，然后选择性地定向蚀刻即反应离子蚀刻除去保形刚性衬里27的水平表面，其中沿介质覆盖层37、上刚性介质层36和上低k介质层23的侧壁保留保形刚性衬里27；形成牺牲刚性侧壁隔离层28。定向蚀刻工艺对机械刚性介质35具有选择性。可以进行端点检测以确保机械刚性介质35的完整性在保形衬里27蚀刻期间不被损坏。可选地，可以定时蚀刻工艺。
参见图18，然后从光致抗蚀剂层形成金属布线图形抗蚀剂40，然后使用常规的光刻和显影工艺构图金属布线图形抗蚀剂40，如上所述。在一个实施例中，金属布线图形抗蚀剂40暴露的下面部分宽于过孔图形抗蚀剂39暴露的初始结构5的部分。
参见图19，然后将金属布线图形抗蚀剂40用作蚀刻掩膜进行另一定向蚀刻工艺即反应离子蚀刻，除去介质覆盖层37、保形刚性衬里27的水平表面和上刚性介质36的暴露部分，其中对上低k介质23具有选择性。优选，通过蚀刻化学剂除去未受到上覆金属布线图形抗蚀剂40保护的结构的暴露部分，所述蚀刻化学剂有选择地除去介质覆盖层37的SiO₂、上刚性介质层36的SiC、和保形刚性衬里27的SiC；而不蚀刻优选为SiLKTM的上低k介质23的聚合物材料。通过定向蚀刻使牺牲刚性侧壁隔离层28的垂直高度凹进。蚀刻化学剂可以包括氟化物。为了确保机械刚性介质35不被过蚀刻，可以定时选择性的蚀刻工艺或利用端点检测来监测蚀刻工艺。
参见图20，利用相同的金属布线图形抗蚀剂40，对机械刚性介质35具有选择性的定向蚀刻即反应离子蚀刻形成了止于蚀刻停止层34的过孔24。注意，在该蚀刻步骤期间，由过孔图形抗蚀剂39最初形成的图形延伸通过机械刚性介质35。在一个实施例中，定向蚀刻选择性地从未受到上覆金属布线图形抗蚀剂40保护的机械刚性介质35除去氧化物材料即SiO₂。优选，蚀刻化学剂可以对Si₃N₄蚀刻停止层34具有选择性。在氧化物蚀刻之后可以进行其它蚀刻以除去牺牲刚性侧壁隔离层28。
参见图21，然后使用定向蚀刻进行上低k介质23的蚀刻，该定向蚀刻具有对机械刚性介质35和蚀刻停止层33具有选择性的蚀刻化学剂。优选，蚀刻化学剂除去低k介质23的聚合物即SiLKTM，而基本上不蚀刻机械刚性介质35的SiO₂和蚀刻停止层33的Si₃N₄。在低k介质蚀刻期间剥去金属布线图形抗蚀剂40。
参见图22，然后使用定向蚀刻除去下蚀刻停止层33的暴露部分，可以定时该蚀刻以确保下面的第一金属布线26的完整性在蚀刻停止层33的蚀刻期间不被损坏。优选，蚀刻停止层的蚀刻包括对介质覆盖37的材料如SiO₂和第一金属布线26具有选择性的蚀刻化学剂。可以采用端点检测方法来确保下面的金属布线26不被蚀刻。在蚀刻停止层33的蚀刻结束时暴露出第一金属布线26的上表面。
现在参见图23，然后在图22所示结构的上表面，包括下金属布线26的暴露的上表面上淀积金属衬里13。金属衬里13可以是Ta、TaN、W、TiN或WN的薄层，其厚度在约2nm到约50nm的范围内，优选为约5nm。可以使用本领域公知的常规淀积工艺淀积金属衬里13，所述淀积工艺包括但不限于溅射淀积、原子层淀积和化学气相淀积。在该实施例中，通过机械刚性介质35为互连结构10提供硬度。因此，无需通过金属衬里13为结构提供硬度，并因此不需要淀积厚金属衬里13。金属衬里13可以增加随后淀积的金属与下面的第一金属布线26的附着性和/或可以用作阻挡层。
在下一个工艺步骤中，在金属衬里13上淀积高导电性金属。高导电性金属可以包括铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)及其合金。可以通过包括但不限于如下的本领域公知的常规金属淀积工艺来淀积高导电性金属：电镀、化学气相淀积或溅射淀积。优选，通过两步工艺淀积铜：首先通过溅射淀积形成铜种子层(未示出)，然后在铜种子层上电镀铜。在淀积金属之后，然后使用化学机械抛光技术或类似的平面化方法平面化并抛光淀积的金属。所得的结构为第二金属布线25，如图23所示。
虽然通过优选的实施例特别示出并说明了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围下，可以进行形式和细节上的前述和其它修改。因此本发明并不局限于说明和示出的确定形式和细节，而是落入所附权利要求书的范围内。