專利名稱：在雙重鑲嵌方法中的低介電常數(shù)的阻蝕刻層的制作方法
發(fā)明的背景形成兩層面的布線結(jié)構(gòu)的一種常規(guī)方法是首先在襯底上形成一個兩層面互連結(jié)構(gòu)。襯底的表面可以是硅器件結(jié)構(gòu)的表面或襯底的表面可以是絕緣層。氧化物層典型地通過化學(xué)蒸汽淀積法沉積在襯底上。第一層面互連結(jié)構(gòu)是通過常規(guī)照相平版印刷方法來確定的，該方法形成了貫穿氧化物層的開孔，在該氧化物層中將形成第一層面互連結(jié)構(gòu)。一般，這些開孔在形成互連結(jié)構(gòu)的襯底中暴露出導(dǎo)體的多個部分。開孔內(nèi)填充了金屬互連體而形成互連體和形成金屬栓塞。然后，在氧化物層的表面上和在金屬栓塞上沉積了金屬如鋁的層，達到適合于第二層面的布線線路的一種厚度。該金屬層然后形成第二層面布線線路圖案。在常規(guī)的照相平版印刷方法中通過以下各步驟構(gòu)建了第二層面布線線路在金屬層上提供光刻膠層，通過掩模讓光刻膠曝光，和除去已曝光的光刻膠層的各個部分，形成了光刻膠蝕刻掩模。通過光刻膠掩模中的開孔而曝露的金屬層的各個部分然后通過蝕刻法除去，光刻膠掩模通過灰化(asing)除去。在形成兩層面的互連結(jié)構(gòu)之后，有必要在第二層面的布線線路之間提供金屬間電介質(zhì)(IMD)層并覆蓋該第二層面布線線路以適應(yīng)集成電路設(shè)備的進一步加工。在過去，金屬間電介質(zhì)層可由通過等離子體增強的化學(xué)蒸汽淀積法或其它方法沉積的氧化物的一個或多個層組成。
由單或雙重鑲嵌(dual damascene)方法用Cu互連體和低介電常數(shù)(k)金屬間電介質(zhì)生產(chǎn)的現(xiàn)有技術(shù)集成電路使用僅僅一種類型的低-k電介質(zhì)，為無機、有機的，或這兩種類型的雜合體。對于金屬層面和通路層面IMD兩者都使用同樣類型的低k電介質(zhì)的這一常規(guī)方法具有有限的工藝集成度和實施方法多樣性。結(jié)果，需要附加的加工步驟和因此增加了成本。對于金屬層面和通路層面IMD兩者都使用同樣類型的低k電介質(zhì)的這一常規(guī)方法也需要在金屬層面和通路層面的金屬間電介質(zhì)即IMD之間的阻蝕刻體(etchstop)，通常為氮化硅。氮化硅(它具有7的高介電常數(shù))的使用嚴(yán)重降低了集成電路的速度性能。希望在一切可能的時候減少為形成該設(shè)備所需要的加工步驟的數(shù)目，因為減少加工步驟的數(shù)目縮短了生產(chǎn)該設(shè)備所需要的時間和因為省去加工步驟改進了生產(chǎn)率和因此降低了成本。
本發(fā)明將兩種不同的低k電介質(zhì)用于集成電路的銅基雙重鑲嵌后段的金屬間電介質(zhì)。有機和無機低k電介質(zhì)的使用提供了幾個方面的優(yōu)點，這歸因于這兩種類型的電介質(zhì)的明顯不同的等離子體蝕刻特性。一個電介質(zhì)用作在蝕刻另一個電介質(zhì)時的阻蝕刻體。不需要附加的氧化物或氮化物阻蝕刻層。由于使用低k電介質(zhì)所引起的較低寄生電容，獲得高的性能。
本發(fā)明利用以下優(yōu)點無機和有機電介質(zhì)在它們的等離子體蝕刻特性上顯著不同。在等離子體蝕刻一個介質(zhì)時另一個可用作阻蝕刻體。很明顯，在有同樣類型的電介質(zhì)均用于通路-層面和金屬-層面IMD的常規(guī)方法中，需要沉積附加的薄膜以便在常規(guī)的結(jié)構(gòu)中構(gòu)造出阻蝕刻體。在基于氧的等離子體中，有機電介質(zhì)蝕刻速度比無機電介質(zhì)快得多。相反地，在碳氟化物型等離子體中，無機電介質(zhì)蝕刻速度比有機電介質(zhì)快得多。
本發(fā)明還提供生產(chǎn)微電子設(shè)備的方法，它包含(a)在襯底上形成第一電介質(zhì)層；(b)在第一電介質(zhì)層上形成第二電介質(zhì)層；(c)在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層；(d)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的層并以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的光刻膠的部分；(e)按順序依次除去附加的第一電介質(zhì)層、第二電介質(zhì)層和第一電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了穿過第一電介質(zhì)層的至少一個通路；然后除去光刻膠層的剩余部分；(f)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層并以成圖像(imagewise)方式除去與附加的第一電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的附加的光刻膠的部分；(g)除去附加的第一電介質(zhì)層在附加的光刻膠層的已除去部分之下的部分，因此形成通過附加第一電介質(zhì)層的至少一個溝槽；(h)任選除去第二電介質(zhì)層在附加光刻膠層的已除去部分之下的部分；(i)除去附加光刻膠層的剩余部分；(j)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上施加隔離金屬襯里；(k)用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬來填充溝槽和通路。
本發(fā)明進一步提供生產(chǎn)微電子設(shè)備的方法，它包含(a)在襯底上形成第一電介質(zhì)層；(b)在第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的層，并以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的光刻膠的部分；(c)除去第一電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了穿過第一個電介質(zhì)層的至少一個通路；和然后除去光刻膠層的剩余部分；(d)在第一電介質(zhì)層上和在至少一個通路中形成第二電介質(zhì)層；(e)在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層；(f)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層，并以成圖像方式除去與附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的附加光刻膠的部分；(g)按順序依次除去附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在附加的光刻膠層的已除去部分之下的部分，因此形成了通過附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽；(h)除去附加的光刻膠層的剩余部分；(i)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上施加隔離金屬襯里；(j)用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬來填充溝槽和通路。
本發(fā)明再進一步提供生產(chǎn)微電子設(shè)備的方法，它包含(a)在襯底上形成第一電介質(zhì)層；(b)在第一電介質(zhì)層上形成第二電介質(zhì)層；(c)在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層；(d)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的層，并以成圖像方式除去與附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的光刻膠的部分；(e)按順序依次除去附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了通過附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽；然后除去光刻膠層的剩余部分；(f)在第一電介質(zhì)層和附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層，并以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的附加光刻膠的部分；(g)除去第一電介質(zhì)層在附加的光刻膠層的已除去部分之下的部分，因此形成了穿過第一電介質(zhì)層的至少一個通路；任選除去附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在附加的光刻膠層的已除去部分之下的部分；(h)除去附加的光刻膠層的剩余部分；(i)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上施加隔離金屬襯里；(j)用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬來填充溝槽和通路。
圖2A顯示了在無機低-k電介質(zhì)沉積、有機低-k電介質(zhì)沉積、附加的無機低-k電介質(zhì)沉積、光刻膠旋涂和烘烤、以及通路掩模曝光和光刻膠顯影之后而得到的第一種微電子設(shè)備形成方法。
圖2B顯示了在較高層面無機低-k電介質(zhì)蝕刻、有機低-k電介質(zhì)蝕刻和低層面無機低-k電介質(zhì)蝕刻之后的方法結(jié)果。
圖2C顯示了在光刻膠除去、光刻膠旋涂和烘烤、掩模曝光和光刻膠顯影之后的方法結(jié)果。
圖2D顯示了在無機低-k電介質(zhì)蝕刻后的結(jié)果。
圖3A顯示了在無機低-k電介質(zhì)沉積、光刻膠旋涂和烘焙，通路掩模曝光和光刻膠顯影和無機低-k電介質(zhì)蝕刻之后而得到的第二種微電子設(shè)備形成方法。
圖3B顯示了在光刻膠除去、有機低-k電介質(zhì)沉積、無機低-k電介質(zhì)沉積、光刻膠旋涂和烘烤、金屬溝槽掩模曝光和光刻膠顯影之后的結(jié)果。
圖3C顯示了在無機低-k電介質(zhì)蝕刻之后的結(jié)果。
圖3D顯示了在有機低-k電介質(zhì)蝕刻和光刻膠除去之后的結(jié)果。
圖4A顯示了在無機低-k電介質(zhì)沉積；有機低-k電介質(zhì)沉積；附加的無機低-k電介質(zhì)沉積、光刻膠旋涂和烘烤、以及溝槽掩模曝光和光刻膠顯影之后而得到的第三種微電子設(shè)備形成方法。
圖4B顯示了在無機低-k電介質(zhì)蝕刻之后的結(jié)果。
圖4C顯示了在有機低-k電介質(zhì)蝕刻和光刻膠除去、光刻膠旋涂和烘烤、和通路掩模曝光和光刻膠顯影之后的結(jié)果。
圖4D顯示了在無機低-k電介質(zhì)蝕刻；有機低-k電介質(zhì)蝕刻和無機低-k電介質(zhì)蝕刻之后的結(jié)果。
圖4E顯示了在光刻膠除去之后的結(jié)果。
優(yōu)選實施方案的詳細說明由本發(fā)明的第一方法實施方案生產(chǎn)的集成電路層次結(jié)構(gòu)示于

圖1中。這一結(jié)構(gòu)使用兩種不同類型的低-k電介質(zhì)薄膜用于IMD，一種電介質(zhì)是有機的而另一種電介質(zhì)是無機的。在圖1中所示，層次結(jié)構(gòu)是根據(jù)本發(fā)明制造的多層面互連體(multi-level interconnection)的集成電路的后段部分。無機低-k電介質(zhì)用于通路-層面和金屬-層面IMD以及有機低-k電介質(zhì)用在通路-層面和金屬-層面IMD之間。
用于制造所示通路-層面和金屬-層面IMD的方法步驟能夠再次為更高層面的通路-層面和金屬-層面IMD重復(fù)進行。交替的有機和無機電介質(zhì)層在蝕刻速率方面有顯著差異。本發(fā)明利用了在有機和無機電介質(zhì)之間的等離子體蝕刻速率上的顯著差異。當(dāng)對于通路-層面和金屬-層面IMD均使用同樣的電介質(zhì)時這是不可能的。在基于氧的等離子體中，有機電介質(zhì)蝕刻速度比無機電介質(zhì)快得多。相反地，在碳氟化物型等離子體中，無機電介質(zhì)蝕刻速度比有機電介質(zhì)快得多。在圖1中示出的層次結(jié)構(gòu)具有幾個明顯的特征不需要附加的薄膜將兩個相鄰的IMD分離開。在氧化硅用于IMD的常規(guī)方法中，氮化硅一般被用作隔離層。氮化硅具有值為7的極高介電常數(shù)的大缺點。當(dāng)通路未對準(zhǔn)在下面的金屬線時，隔離層還在開口的無邊界(borderless)通路中用作阻蝕刻體。隔離層的存在能夠防止深和窄的溝槽的產(chǎn)生，它們是生產(chǎn)率和可靠性所最為關(guān)心的。然而，隔離層在本發(fā)明中是不必要的，出于同樣的理由使用兩種不同的電介質(zhì)，并且它們在等離子體蝕刻特性上有顯著差異。
圖1層次結(jié)構(gòu)顯示了微電子設(shè)備，它包含襯底和位于襯底上的第一電介質(zhì)材料層。第二電介質(zhì)材料的層位于第一電介質(zhì)層上。第一電介質(zhì)材料和第二電介質(zhì)材料具有本質(zhì)上不同的耐蝕刻性能。第一電介質(zhì)材料的附加層位于第二電介質(zhì)材料上。至少一個通路貫穿第一電介質(zhì)材料層和第二電介質(zhì)材料層，和至少一個溝槽穿過第一電介質(zhì)材料的附加層而延伸至該通路。隔離金屬的襯里位于溝槽的內(nèi)壁和底面上以及位于通路的內(nèi)壁和底面上；然后，使填充金屬充填溝槽和通路與隔離金屬的襯里接觸。
本發(fā)明的第一方法實施方案可由圖2A至2E來例證。這些圖顯示了在第一通路層面和互連層面的形成之后的工藝流程，然而，對于高層面的通路和互連體能夠再次重復(fù)進行同樣的操作步驟。圖2A顯示了在步驟1(它是第一無機低-k電介質(zhì)的沉積)、步驟2(它是第二有機低-k電介質(zhì)在第一電介質(zhì)層上的沉積)、步驟3(它是位于第二電介質(zhì)材料上的第一電介質(zhì)材料的附加層的沉積)之后的臨時結(jié)構(gòu)。然后在步驟4中在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠層并烘烤之，然后以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的光刻膠的部分。
襯底可在它的表面上具有金屬線的圖案。典型的襯底包括適合加工成集成電路或其它微電子設(shè)備的那些。對于本發(fā)明而言合適的襯底非排他地包括半導(dǎo)體材料如砷化鎵(GaAs)，鍺，硅，硅鍺，鈮酸鋰和含有硅的組合物如晶體硅，多晶硅，無定形硅，外延硅，以及二氧化硅(SiO2)和它們的混合物。這些線典型地通過眾所周知的平版印刷技術(shù)來形成。適合于該線的材料包括鋁，鋁合金，銅，銅合金，鈦，鉭，和鎢。這些線形成了集成電路的導(dǎo)電體。它們典型以優(yōu)選約20微米或更少至，更優(yōu)選約1微米或更少至，和最優(yōu)選約0.05至約1微米的距離彼此嚴(yán)格地分開。
有機和無機電介質(zhì)組合物可包含在現(xiàn)有技術(shù)中已知用于形成微電子設(shè)備的任何各種各樣電介質(zhì)形成材料。電介質(zhì)層非排他地包括含硅的旋涂玻璃(spin-on glass)，即含硅的聚合物如烷氧基硅烷聚合物，倍半硅氧烷(silsesquioxane)聚合物，硅氧烷聚合物；聚(亞芳基醚)，氟化聚(亞芳基醚)，其它聚合物電介質(zhì)材料，納米多孔硅石(nanoporous silica)或它們的混合物。本發(fā)明的唯一標(biāo)準(zhǔn)是與無機電介質(zhì)相鄰地形成有機電介質(zhì)。有用的有機電介質(zhì)歸結(jié)為含碳的那些和無機電介質(zhì)歸結(jié)為不含碳的那些。
用于本發(fā)明的一種有用的聚合物電介質(zhì)材料包括從具有下式的烷氧基硅烷單體形成的納米多孔硅石烷氧基硅烷聚合物 其中R基團中的至少2個獨立地是C1-C4烷氧基，和剩余的部分，如果有的話，獨立地選自氫，烷基，苯基，鹵素，和取代苯基。各R優(yōu)選是甲氧基，乙氧基或丙氧基。這些可從AlliedSignal(聯(lián)合迅號公司)作為NanoglassTM商購。最優(yōu)選的烷氧基硅烷單體是四乙氧基硅烷(TEOS)。也有用的是具有式[(HSiO1.5)xOy]n的氫硅氧烷，具有式(HSiO1.5)n的氫倍半硅氧烷，和具有式[(HSiO1.5)xOy(RSiO1.5)z]n，[(HSiO1.5)x(RSiO1.5)y]n和[(HSiO1.5)xOy(RSiO1.5)z]n的氫有機基硅氧烷。在這些聚合物通式的每一個中，x是大約6到約20，y是1到約3，z是大約6到約20，n是在1到約4,000范圍內(nèi)，和各R獨立地是H，C1-C8烷基或C6-C12芳基。重均分子量可以是在約1,000到約220,000范圍內(nèi)。在優(yōu)選的實施方案中，n是在約100到約800的范圍內(nèi)，得到了約5,000到約45,000的分子量。更優(yōu)選地，n是在約250-約650范圍內(nèi)，得到約14,000到約36,000的分子量。在本發(fā)明上下文中有用的聚合物非排他地包括氫硅氧烷，氫倍半硅氧烷，氫甲基硅氧烷，氫乙基硅氧烷，氫丙基硅氧烷，氫丁基硅氧烷，氫叔丁基硅氧烷，氫苯基硅氧烷，氫甲基倍半硅氧烷，氫乙基倍半硅氧烷，氫丙基倍半硅氧烷，氫丁基倍半硅氧烷，氫叔丁基倍半硅氧烷和氫苯基倍半硅氧烷和它們的混合物。有用的有機聚合物包括聚酰亞胺，氟化和非氟化聚合物，尤其以商品名FLARETM從聯(lián)合迅號公司商購的氟化和非氟化聚(芳基醚)，和它們的共聚物混合物。氫有機硅氧烷，聚(亞芳基醚)，氟化聚(亞芳基醚)和它們的混合物是優(yōu)選的。適當(dāng)?shù)木?亞芳基醚)或氟化聚(亞芳基醚)在現(xiàn)有技術(shù)中可從US專利5,155,175；5,114,780和5,115,082中已知。優(yōu)選的聚(亞芳基醚)和氟化聚(亞芳基醚)公開于US專利申請序列號08/990,157(1997年12月12日申請)中，它被引入本文供參考。適合用于本發(fā)明中的優(yōu)選硅氧烷材料是以商品名AccuglassT-11，T-12和T-14從AlliedSignal Inc.商購。也有用的是以商品名PurespinTM和AccuspinT 18、T23和T24從AlliedSignal Inc.商購的甲基化硅氧烷聚合物。
優(yōu)選的含硅的電介質(zhì)樹脂包括具有選自[(HSiO1.5)xOy]n，(HSiO1.5)n，[(HSiO1.5)xOy(RSiO1.5)z]n，[(HSiO1.5)x(RSiO1.5)y]n和[(HSiO1.5)xOy(RSiO1.5)z]n的式的聚合物，其中x＝約6到約20，y＝1到約3，z＝約6到約20，n＝1到約4,000，和各R獨立地是H，C1-C8烷基或C6-C12芳基，它們公開于US專利申請序列號08/955,802(1997年10月22日申請)和該文獻引入本文供參考。也優(yōu)選的是某些低有機質(zhì)含量的含硅聚合物，如具有式I的那些[H-SiO1.5]n[R-SiO1.5]m，[H0.4-1.0SiO1.5-1.8]n[R0.4-1.0-SiO1.5-1.8]m，[H0-1.0-SiO1.5-2.0]n[R-SiO1.5]m，[H-SiO1.5]x[R-SiO1.5]y[SiO2]z，其中n和m的總和，或x、y和z的總和是約8-約5000，以及選擇m和y以使得含碳取代基以低于約40mol％的量存在。具有式I的聚合物是屬于低有機質(zhì)含量的類型，其中含碳取代基是以低于約40mol％的量存在。這些聚合物更完全地描述在US專利申請序號09/044,831(1998年3月20日申請，被引入本文供參考)中。也優(yōu)選的是某些高有機質(zhì)含量的含硅聚合物，如具有式II的那些[HSiO1.5]n[RSiO1.5]m，[H0.4-1.0SiO1.5-1.8]n[R0.4-1.0SiO1.5-1.8]m，[H0-1.0SiO1.5-2.0]n[RSiO1.5]m，其中n和m的總和是約8-約5000和選擇m以使得含碳取代基以約40mol％或更高的量存在；和[HSiO1.5]x[RSiO1.5]y[SiO2]z；其中x、y和z的總和是約8-約5000和選擇y以使得含碳取代基以約40mol％或更高的量存在；和其中R選自取代和未取代的直鏈和支化的烷基，環(huán)烷基，取代和未被取代的芳基，和它們的混合物。含碳取代基的特定mol％是起始物質(zhì)的量的比率的函數(shù)。具有式II的聚合物是屬于高有機質(zhì)含量的類型，其中含碳取代基是以約40mol％或更高的量存在。這些聚合物更完全地描述在US專利申請序號09/044,798(1998年3月20日申請，被引入本文供參考)中。
該聚合物能夠以純或凈狀態(tài)(不與任何溶劑混合)存在于電介質(zhì)組合物中，或它存在于混有溶劑的溶液中。當(dāng)存在溶劑時，聚合物優(yōu)選以約1％到約50wt％的聚合物，更優(yōu)選約3％到約20％的量存在。溶劑組分優(yōu)選以電介質(zhì)組合物的約50％-約99wt％，更優(yōu)選約80％-約97％的量存在。適當(dāng)?shù)娜軇┓桥潘匕ǚ琴|(zhì)子溶劑，如環(huán)酮類，包括環(huán)戊酮，環(huán)己酮，環(huán)己酮和環(huán)辛酮；環(huán)酰胺類如N-烷基吡咯烷酮，其中烷基具有1-約4個碳原子，和N-環(huán)己基-吡咯烷酮，和它們的混合物。
一旦形成，電介質(zhì)組合物被沉積到合適的襯底上而在該襯底上形成聚合物層。沉積可利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的常規(guī)旋涂、浸涂、輥涂、噴涂、化學(xué)氣相淀積方法或彎月面涂敷法(meniscus coatingmethod)來進行。旋涂是最優(yōu)選的。在襯底上聚合物層的厚度是根據(jù)沉積程序和參數(shù)設(shè)定來變化，但典型地，厚度可以是約500埃至約50,000埃，和優(yōu)選約2000埃到約12000埃。施涂于襯底上的電介質(zhì)組合物的量可以是從約1ml變化至約10ml，和優(yōu)選從約2ml變化至約8ml。在優(yōu)選的實施方案中，液體電介質(zhì)組合物根據(jù)已知的旋涂技術(shù)被旋涂到襯底的上表面上。優(yōu)選地，通過在襯底中心將液體電介質(zhì)組合物施加到襯底上，然后讓襯底在轉(zhuǎn)輪上以約500至約6000rpm，優(yōu)選約1500到約4000rpm的速度旋轉(zhuǎn)約5到約60秒，優(yōu)選約10到約30秒以便將溶液均勻地鋪展在襯底表面上，從而施涂了聚合物層。聚合物層優(yōu)選具有約1g/cm3到約3g/cm3的密度。
電介質(zhì)層任選被加熱以去除剩余溶劑或提高它的分子量。加熱可通過常規(guī)的方法來進行，如在空氣或惰性氣氛中在電熱板上加熱，或在空氣中或在惰性氣氛中在爐或烘箱中加熱，或在真空爐或真空烘箱中加熱。加熱優(yōu)選在約80℃到約500℃，和更優(yōu)選在約150℃到約425℃的溫度下進行。這一加熱優(yōu)選進行約1分鐘到約360分鐘，和更優(yōu)選約2到約60分鐘。聚合物層也可任選地暴露于光化性光，如紫外線，以提高它的分子量。曝射的量可以是約100mJ/cm2到大約300mJ/cm2。電介質(zhì)層可任選通過整體暴露于電子束輻射來固化。電子束曝照可通過設(shè)定電子束加速來控制。電子束輻射可在帶有為放置其中的襯底提供電子束輻射的裝置的任何室中進行。優(yōu)選的是，電子束曝照步驟是用來自大面積電子束源的寬而大的電子輻射束來進行。優(yōu)選地，使用提供大面積電子源的電子束室。合適的電子束室可從ElectronVision(AlliedSignal Inc.的一個分部)以商品名“ElectronCureTM”商購。此類設(shè)備的操作和工作特性的原理描述在US專利5,003,178中，它的公開內(nèi)容被引入供參考。電子束曝照的溫度優(yōu)選是約20℃至約450℃，更優(yōu)選約50℃至約400℃和最優(yōu)選約200℃至約400℃。電子束能量優(yōu)選是約.5Kev至約30Kev，更優(yōu)選約3至約10Kev。電子的劑量優(yōu)選是約1至約50,000μC/cm2和更優(yōu)選約50-約20,000μC/cm2。在電子束工具中的氣體環(huán)境能夠是下述氣體中的任何一種氮氣，氧氣，氫氣，氬氣，氫氣和氮氣的混合物，氨氣，氙氣或這些氣體的任何混合物。電子束電流優(yōu)選是約1-約40mA，和更優(yōu)選約5-約20mA。優(yōu)選地，電子束曝照步驟是利用來自均勻大面積電子束源的寬而大的電子束輻射束來進行的，后者覆蓋了約4英寸至約256平方英寸的面積。
通過使用光刻膠組合物的眾所周知的光刻技術(shù)在電介質(zhì)層中形成通路，即以圖像方式形成圖案和除去光刻膠的各個部分和隨后順序進行無機電介質(zhì)蝕刻、有機電介質(zhì)蝕刻和無機電介質(zhì)蝕刻，從而形成了穿過這些層的空腔。它們可通過現(xiàn)有技術(shù)中熟知的方式來形成，如通過涂敷光刻膠，以成圖像方式暴露于光化輻射(如通過合適的掩模)，將光刻膠顯影和蝕刻掉無機電介質(zhì)的各個部分以形成空腔。光刻膠組合物可以是正性或負(fù)性并一般能夠在市場上可買到的。合適的正性光刻膠是現(xiàn)有技術(shù)中已知的并包含鄰醌二疊氮化物輻射敏化劑。鄰醌二疊氮化物敏化劑包括鄰醌-4-或-5-磺?；?二疊氮化物，公開于US專利2,797,213；3,106,465；3,148,983；3,130,047；3,201,329；3,785,825；和3,802,885。當(dāng)使用鄰醌二疊氮化物時，優(yōu)選的粘合樹脂包括水不溶性，含水堿溶性或可溶脹的粘合樹脂，它優(yōu)選是線型酚醛清漆。合適的正性光介電樹脂能夠例如以商品名AZ-P4620從Clariant Corporation of Somerville，New Jersey商購。光刻膠然后以成圖像方式通過掩模暴露于光化輻射如光譜的可見區(qū)、紫外區(qū)或紅外區(qū)的光，或通過電子束、離子或中子束或X射線輻射掃描。光化輻射可以呈現(xiàn)非相干光或相干光形式，例如，來自激光的光線。光刻膠然后通過使用合適的溶劑如堿水溶液以成圖像方式顯影。任選地，光刻膠被加熱以固化它的圖像部分，之后顯影除去非圖像部分并確定出通路掩模。然后通過現(xiàn)有技術(shù)中熟知的蝕刻技術(shù)來形成通路。接著，通過等離子體蝕刻法從無機電介質(zhì)表面上完全除去光刻膠。能夠進行該類蝕刻的等離子體發(fā)生器描述在US專利5,174,856和5,200,031中。
接著，如圖2B中所示，在第六至第八步驟中，按順序依次除去在光刻膠的已除去部分之下的附加的第一電介質(zhì)層、第二電介質(zhì)層和第一電介質(zhì)層的部分，從而形成了穿過該第一電介質(zhì)層的至少一個通路。光刻膠層的剩余部分在步驟9中除去，然而，因為光刻膠是有機的，這可與第二有機層的除去同時進行。有機低-k電介質(zhì)利用不除去無機低-k電介質(zhì)的蝕刻化學(xué)方法來蝕刻，反之亦然。
接著，光刻膠施涂步驟10是金屬溝槽構(gòu)圖所需要的。將另外的光刻膠施涂于附加的無機電介質(zhì)層的頂面上并用光刻膠填充在有機電介質(zhì)層和無機電介質(zhì)層中的通路。圖2C顯示了在施涂光刻膠材料層和烘烤之后的結(jié)構(gòu)。在步驟11中，以成圖像方式使光刻膠通過金屬溝槽掩模曝光，以成圖像方式從附加無機電介質(zhì)層的頂面上除去光刻膠一部分；以及穿過附加的無機電介質(zhì)層的厚度除去一部分和留下一部分光刻膠。結(jié)果參見圖2C。
步驟12需要除去位于從附加無機電介質(zhì)層的頂面上除去的光刻膠的多個部分之下的無機電介質(zhì)層的部分，從而在附加無機電介質(zhì)層中形成溝槽。由于在無機和有機電介質(zhì)之間的化學(xué)差異，低-k有機電介質(zhì)的等離子體蝕刻速率能夠調(diào)節(jié)到顯著低于無機電介質(zhì)的等離子體蝕刻速率。結(jié)果，一旦在有機電介質(zhì)的頂面上的附加無機電介質(zhì)被清除，阻蝕刻。在這一方法中不需要阻蝕刻體。結(jié)果參見圖2D。
下一步驟13從附加無機電介質(zhì)層的頂面上和從通路中除去光刻膠的剩余部分，結(jié)果示于圖2E中。之后，在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上內(nèi)襯隔離金屬襯里，并用填充金屬來填充溝槽和通路以與隔離金屬的襯里接觸，獲得了圖1所示的層次結(jié)構(gòu)。合適的填充金屬包括典型用于形成微電子設(shè)備的鋁，鋁合金，銅，銅合金，鉭，鎢，鈦或其它金屬或它們的混合物。該金屬可通過諸如蒸汽沉積，噴鍍，蒸發(fā)等之類的技術(shù)來施涂。銅是最優(yōu)選的。金屬層的厚度優(yōu)選是約3,000到15,000埃。通過在通路和溝槽的內(nèi)壁和底面上首先形成隔離金屬種子層來施涂金屬。然后施涂剩余部分的金屬。這里使用的術(shù)語“金屬”包括金屬的汞齊。隔離金屬用于防止導(dǎo)電性金屬擴散到電介質(zhì)層中。隔離金屬例如是Ti或氮化物如TaN或TiN。銅互連體加工用于在銅互連體的頂面上形成自對準(zhǔn)(self-aligned)的金屬隔離體。對于在頂面上的金屬隔離體，常用的氮化硅隔離體是不需要的。要理解，這些步驟可以重復(fù)進行以在襯底上彼此重疊地提供一系列的合適的層和導(dǎo)電路徑，得到圖1的層次結(jié)構(gòu)。圖1中所示的結(jié)構(gòu)具有幾個明顯的特征。當(dāng)需要隔離層時，能夠以在本發(fā)明中采用的方法來使用低-k電介質(zhì)膜，本發(fā)明使用兩種不同的低-k電介質(zhì)膜用于IMD。在常規(guī)方法中，CVD氧化物或氮化硅一般被用作隔離層。這些現(xiàn)有技術(shù)的無機電介質(zhì)的主要缺點是氧化硅和氮化硅分別有4和7的高介電常數(shù)。對于隔離層的功能，迄今為止提供高介電常數(shù)材料如氮化硅作為開口的金屬溝槽中的阻蝕刻體。在圖1的結(jié)構(gòu)中，沒有必要具有該阻蝕刻體，因為用于通路-層面IMD的有機低-k電介質(zhì)蝕刻得比無機低-k電介質(zhì)緩慢得多，因此它本身是阻蝕刻體。
本發(fā)明的第二方法實施方案是由圖3A至3D的方法步驟表示。再一次，工藝流程函蓋從第一通路層面到互連體層面，然而，對于更高層面的通路和互連體可以再一次重復(fù)同樣的加工步驟?？墒褂门c以上所述的第一方法實施方案相同的襯底、有機電介質(zhì)和無機電介質(zhì)材料。如圖3A中所示，可以用襯底開始，它可包含在襯底上的金屬線的圖案，與上述實施方案一樣。在步驟1中，在襯底上形成第一無機電介質(zhì)層，和在步驟2中，在第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠層。在步驟3中經(jīng)由通路掩模將光刻膠以成圖像方式曝光，然后除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的光刻膠的一部分。在步驟4中，類似地除去第一電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了貫穿第一電介質(zhì)層的至少一個通路。在步驟5中，然后除去光刻膠層的剩余部分；如圖3B中所示，在步驟6中，然后在第一電介質(zhì)層上和在至少一個通路中形成了第二電介質(zhì)層。在步驟7中，在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層。在步驟8中，在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層。步驟9以成圖像方式除去與附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的附加的光刻膠的部分。在順序除去附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在附加的光刻膠層的已除去的部分之下的部分，因此形成了通過附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)的至少一個溝槽之后，步驟10和11的結(jié)果示于圖3C和3D中。在此時還除去附加的光刻膠層的剩余部分。按以上所述，在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上內(nèi)襯隔離金屬襯里，并用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬來填充溝槽和通路，生產(chǎn)圖1所示的結(jié)構(gòu)。對于附加的通路和金屬互連體層面可重復(fù)該方法。
本發(fā)明的第三方法實施方案是由圖4A至4E的方法步驟表示。工藝流程顯示了第一通路層面和互連體層面的形成，然而，對于更高層面的通路和互連體能夠再次重復(fù)進行同樣的加工步驟。
圖4A顯示了在步驟1(它是第一無機低-k電介質(zhì)的沉積)、步驟2(它是第二有機低-k電介質(zhì)在第一電介質(zhì)層上的沉積)、步驟3(它是位于第二電介質(zhì)材料上的第一電介質(zhì)材料的附加層的沉積)之后的臨時結(jié)構(gòu)。然后在步驟4中在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠層并烘烤，并且在步驟5中以成圖像方式除去與附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的光刻膠的部分。圖4B顯示了在除去附加的第一電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的多個部分的步驟6之后的結(jié)果。步驟7蝕刻了在光刻膠的已除去部分之下的第二電介質(zhì)層，因此形成了通過附加第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽；然后除去光刻膠層的剩余部分。步驟8在第一電介質(zhì)層和附加第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層，步驟9以成圖像方式經(jīng)由通路掩模將光刻膠的附加層曝光并除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的附加光刻膠的部分。結(jié)果參見圖4C。步驟10除去第一電介質(zhì)層在附加光刻膠層的被除去部分之下的部分，因此形成了貫穿第一電介質(zhì)層的至少一個通路。步驟11和12是任選的，并可根據(jù)需要用于除去第二有機電介質(zhì)層和第一無機電介質(zhì)層的另外的部分。結(jié)果參見圖4D。圖4E顯示了在除去附加的光刻膠層的剩余部分的步驟13之后的結(jié)果。在用金屬填充在通路層面有機電介質(zhì)層和薄的無機電介質(zhì)層中的通路和在有機電介質(zhì)阻蝕刻層和金屬層面無機電介質(zhì)層中的溝槽之后，獲得了圖1的結(jié)構(gòu)。
盡管本發(fā)明已參考優(yōu)選的實施方案進行了具體的敘述和描述，但是現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員能夠容易地認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下能夠作各種變化和修改。希望權(quán)利要求被解釋為覆蓋所公開的實施方案，以上所討論的替代方案和它們的全部等同物。
權(quán)利要求
1.微電子設(shè)備，它包含(a)襯底；(b)位于襯底上的第一電介質(zhì)材料的層；(c)位于第一電介質(zhì)層上的第二電介質(zhì)材料的層；其中第一電介質(zhì)材料和第二電介質(zhì)材料具有本質(zhì)上不同的耐蝕刻性質(zhì)；(d)位于第二電介質(zhì)材料上的第一電介質(zhì)材料的附加層；(e)貫穿第一電介質(zhì)材料層和第二電介質(zhì)材料層的至少一個通路，和通過第一電介質(zhì)材料的附加層延伸至至少一個通路的至少一個溝槽；(f)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上的隔離金屬的襯里；(g)與隔離金屬的襯里接觸的填充溝槽和通路的填充金屬。
2.權(quán)利要求1的微電子設(shè)備，它包含在第一電介質(zhì)材料的附加層和填充金屬上的第一電介質(zhì)材料的另外的層；在該另外的無機層上的第二電介質(zhì)材料的另外的層；在第二電介質(zhì)材料的該另外的層上的第一電介質(zhì)材料的另一層；貫穿第一電介質(zhì)材料的該另外的層和第二電介質(zhì)材料的該另外的層的至少一個附加通路，和通過第一電介質(zhì)材料的該另一層延伸至至少一個該附加通路的至少一個附加溝槽；在該附加溝槽的內(nèi)壁和底面上和在該附加通路的內(nèi)壁和底面上的隔離金屬的襯里；與隔離金屬的襯里接觸的填充該附加溝槽和該附加通路的填充金屬。
3.權(quán)利要求1的微電子設(shè)備，其中第一電介質(zhì)材料是無機的和第二電介質(zhì)材料是有機的。
4.權(quán)利要求1的微電子設(shè)備，其中填充金屬選自鋁、鋁合金、銅、銅合金、鉭、鎢、鈦和它們的混合物。
5.權(quán)利要求1的微電子設(shè)備，其中電介質(zhì)層包含選自以下的材料含硅的聚合物、烷氧基硅烷聚合物、倍半硅氧烷聚合物、硅氧烷聚合物、聚(亞芳基醚)、氟化聚(亞芳基醚)、納米多孔硅石和它們的結(jié)合物。
6.權(quán)利要求1的微電子設(shè)備，其中襯底包含砷化鎵、鍺、硅、硅鍺、鈮酸鋰、含有硅的組合物或它們的結(jié)合物。
7.權(quán)利要求1的微電子設(shè)備，其中隔離金屬包含選自鈦、一氮化鈦、鉭和一氮化鉭的材料。
8.生產(chǎn)微電子設(shè)備的方法，它包含(a)在襯底上形成第一電介質(zhì)層；(b)在第一電介質(zhì)層上形成第二電介質(zhì)層；(c)在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層；(d)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的層，并以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的光刻膠的部分；(e)按順序依次除去附加的第一電介質(zhì)層、第二電介質(zhì)層和第一電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了穿過第一電介質(zhì)層的至少一個通路；然后除去光刻膠層的剩余部分；(f)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層，并以成圖像方式除去與附加第一電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的附加的光刻膠的部分；(g)除去附加的第一電介質(zhì)層在附加光刻膠層的已除去部分之下的部分，因此形成通過附加的第一電介質(zhì)層的至少一個溝槽；(h)任選除去第二電介質(zhì)層在附加光刻膠層的已除去部分之下的部分；(i)除去附加光刻膠層的剩余部分；(j)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上施加隔離金屬襯里；(k)用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬填充溝槽和通路。
9.權(quán)利要求8的方法，進一步包含在附加的第一電介質(zhì)層和填充金屬上重復(fù)步驟(a)至(k)至少一次。
10.權(quán)利要求8的方法，其中第一電介質(zhì)材料是無機的和第二電介質(zhì)材料是有機的。
11.權(quán)利要求8的方法，其中填充金屬選自鋁、鋁合金、銅、銅合金、鉭、鎢、鈦和它們的混合物。
12.權(quán)利要求8的方法，其中電介質(zhì)層包含選自以下的材料含硅的聚合物、烷氧基硅烷聚合物、倍半硅氧烷聚合物、硅氧烷聚合物、聚(亞芳基醚)、氟化聚(亞芳基醚)、納米多孔硅石和它們的結(jié)合物。
13.權(quán)利要求8的方法，其中襯底包含砷化鎵、鍺、硅、硅鍺、鈮酸鋰、含有硅的組合物或它們的結(jié)合物。
14.權(quán)利要求8的方法，其中隔離金屬包含選自鈦、一氮化鈦、鉭和一氮化鉭的材料。
15.生產(chǎn)微電子設(shè)備的方法，它包含(a)在襯底上形成第一電介質(zhì)層；(b)在第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的層，并以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的光刻膠的部分；(c)除去第一電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了穿過第一電介質(zhì)層的至少一個通路；和然后除去光刻膠層的剩余部分；(d)在第一電介質(zhì)層上和在至少一個通路中形成第二電介質(zhì)層；(e)在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層；(f)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層，并以成圖像方式除去與附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的附加光刻膠的部分；(g)按順序依次除去附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在附加光刻膠層的已除去部分之下的部分，因此形成了通過附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽；(h)除去附加光刻膠層的剩余部分；(i)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上施加隔離金屬的襯里；(j)用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬填充溝槽和通路。
16.權(quán)利要求15的方法，進一步包含在附加的第一電介質(zhì)層和填充金屬上重復(fù)步驟(a)至(j)至少一次。
17.權(quán)利要求15的方法，其中第一電介質(zhì)材料是無機的和第二電介質(zhì)材料是有機的。
18.權(quán)利要求15的方法，其中填充金屬選自鋁、鋁合金、銅、銅合金、鉭、鎢、鈦和它們的混合物。
19.權(quán)利要求15的方法，其中電介質(zhì)層包含選自以下的材料含硅的聚合物、烷氧基硅烷聚合物、倍半硅氧烷聚合物、硅氧烷聚合物、聚(亞芳基醚)、氟化聚(亞芳基醚)、納米微多硅石和它們的結(jié)合物。
20.權(quán)利要求15的方法，其中襯底包含砷化鎵、鍺、硅、硅鍺、鈮酸鋰、含有硅的組合物或它們的結(jié)合物。
21.權(quán)利要求15的方法，其中隔離金屬包含選自鈦、一氮化鈦、鉭和一氮化鉭的材料。
22.生產(chǎn)微電子設(shè)備的方法，它包含(a)在襯底上形成第一電介質(zhì)層；(b)在第一電介質(zhì)層上形成第二電介質(zhì)層；(c)在第二電介質(zhì)層上形成附加的第一電介質(zhì)層；(d)在附加的第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的層，并以成圖像方式除去與附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽對應(yīng)的光刻膠的部分；(e)按順序依次除去附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在光刻膠的已除去部分之下的部分，因此形成了通過附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的至少一個溝槽；然后除去光刻膠層的剩余部分；(f)在第一電介質(zhì)層和附加第一電介質(zhì)層上沉積光刻膠的附加層并以成圖像方式除去與第一電介質(zhì)層的至少一個通路對應(yīng)的附加光刻膠的部分；(g)除去第一電介質(zhì)層在附加光刻膠層的已除去部分之下的部分，因此形成了穿過第一電介質(zhì)層的至少一個通路；任選除去附加的第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層在附加光刻膠層的已除去部分之下的部分；(h)除去附加光刻膠層的剩余部分；(i)在溝槽的內(nèi)壁和底面上和在通路的內(nèi)壁和底面上內(nèi)施加隔離金屬襯里；(j)用與隔離金屬的襯里接觸的填充金屬填充溝槽和通路。
23.權(quán)利要求22的方法，進一步包含在附加的第一電介質(zhì)層和填充金屬上重復(fù)步驟(a)至(j)至少一次。
24.權(quán)利要求22的方法，其中第一電介質(zhì)材料是無機的和第二電介質(zhì)材料是有機的。
25.權(quán)利要求22的方法，其中填充金屬選自鋁、鋁合金、銅、銅合金、鉭、鎢、鈦和它們的混合物。
26.權(quán)利要求22的方法，其中電介質(zhì)層包含選自以下的材料含硅的聚合物、烷氧基硅烷聚合物、倍半硅氧烷聚合物、硅氧烷聚合物、聚(亞芳基醚)、氟化聚(亞芳基醚)、納米多孔硅石和它們的結(jié)合物。
27.權(quán)利要求22的方法，其中襯底包含砷化鎵、鍺、硅、硅鍺、鈮酸鋰、含有硅的組合物或它們的結(jié)合物。
28.權(quán)利要求22的方法，其中隔離金屬包含選自鈦、一氮化鈦、鉭和一氮化鉭的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供微電子設(shè)備如集成電路設(shè)備。它們具有使用不同的低介電常數(shù)金屬間電介質(zhì)的通路、互連體敷金屬和布線線路。有機和無機低k電介質(zhì)的共同使用提供了幾個方面的優(yōu)點,歸因于兩種類型的電介質(zhì)的顯著不同的等離子體蝕刻特性。一種電介質(zhì)用作在蝕刻另一種電介質(zhì)時的阻蝕刻體,以使得不需要附加的阻蝕刻層。形成微電子設(shè)備,它具有襯底和位于襯底上的第一電介質(zhì)材料的層。第二電介質(zhì)材料的層處在第一電介質(zhì)層上,和第一電介質(zhì)材料的附加層處在第二電介質(zhì)材料上。至少一個通路貫穿第一電介質(zhì)材料層和第二電介質(zhì)材料層,和至少一個溝槽穿過第一電介質(zhì)材料的附加層而延伸到該通路。
文檔編號H01L21/302GK1387680SQ00815311
公開日2002年12月25日 申請日期2000年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月8日
發(fā)明者H·鐘, J·林 申請人:聯(lián)合訊號公司