專利名稱：雙重金屬鑲嵌結構的制造方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種半導體結構的制造方法，特別是關于一種在介電材料中形成雙重金屬鑲嵌結構的制造方法。
半導體芯片的布線(Wiring)技術在集成電路層數(shù)越來越多時，對于金屬處理(Metallization)步驟方式的要求越來越多。傳統(tǒng)的金屬處理方式在蝕刻每一層金屬時，必須在每一層金屬上形成一層定義的光阻層，以形成金屬導線；金屬層也必須連往半導體基底上的組件區(qū)以制作芯片，同樣的，在基底上形成其它金屬層做為電路。垂直的連線通過孔洞(Hole)形成，該些孔洞位于將金屬層分隔開的絕緣層內；在各層形成孔洞時必須用到個別的光阻步驟，當金屬處理的層數(shù)增加時，需要光阻的步驟也會增加，如此會增加制作半導體芯片的復雜性。目前在極大集成電路技術中，如何將單一光阻步驟用在同時對水平溝道及垂直孔洞做金屬處理上，如何在高積集度的芯片上以相關的技術形成層間連線將是一個挑戰(zhàn)。
當技術由超大規(guī)模集成電路(VLSI)提升到極大集成電路(ULSI)，為了使其更容易的產生電子遷移，以提升速度及操作計算機，半導體工業(yè)發(fā)展新的方法與技術以生產緊密堆積的半導體芯片。如熟悉此項技術者所知，在緊密堆積的芯片內，較近的組件距離不只是以組件實際的縮短距離來提供電子訊號較快的傳遞速度，也降低了訊號在媒介傳遞時產生的阻抗；另一方面，緊密的堆積可使極大集成電路(ULSI)用極小的組件與層間連線制作。層間連線的運作必須利用減少金屬導線剖面的條紋數(shù)，使增加的電阻最小以傳遞訊號；重要的是必須盡可能的避免阻抗匹配，以及有利于固態(tài)連線。
在半導體芯片上通常包含一個或多個導線，這些導線由一層絕緣層互相分離，或是更進一步的借著另一絕緣層與接近半導體表面的組件分離；這些導線彼此互相連接，且在適當?shù)牡胤脚c組件相連，導線連接的方式是在絕緣層的孔洞中填入金屬。公知有許多方法可以形成金屬線與層間連線，這些通過絕緣層使金屬線彼此相連的孔洞(Hole)稱為介層洞(Via Hole)，而孔洞通過絕緣層連往位于下方的組件時則稱為接觸窗口(Contact Hole)，這些孔洞通常是在半導體基底上沉積絕緣層后，再進行蝕刻絕緣層而形成的。之后再覆蓋一層金屬在絕緣層上方，以填滿孔洞，然后在通過定義(Pattern)金屬層上的光阻進行蝕刻形成金屬線。第一層金屬層通過接觸窗與下方的組件做電性接觸，使金屬可以通過介電絕緣材料往下延伸到組件上；第二層金屬層以相同的方法形成，且通過介層洞與下方的金屬層進行金屬層間的接觸。另外，這些孔洞也常分別的被填充金屬作為金屬栓塞(Plug)，再進行平坦化使的對應于絕緣層的表面，之后再沉積金屬層以形成介層洞栓塞的接觸，然后蝕刻沉積的金屬層，以形成制程所要求的個別化導線層。
為了在金屬連線接觸或多層導線間介層洞栓塞的接合部份提供堅固的接觸區(qū)域，通常必須增加金屬連線與孔洞的空間，以掩蓋過平版印刷制程本身產生的覆蓋誤差(Overlay Error)或制程偏差。這種設計的基本規(guī)則會使得電路尺寸增加，造成組件設計的密度明顯的降低；因此，發(fā)展微影技術與制程來改善覆蓋誤差或制程容忍力是必須的。為了在考量覆蓋容忍以及微影的花費下，將芯片最小化，自動對準(Self-Aligned)的制程于是發(fā)展起來。
另外，在基底的金屬層間形成接觸也會有一些其它的問題存在，在蝕刻絕緣層形成接觸窗口時，接觸窗口的側壁必須傾斜，以確保在金屬層有好的連續(xù)性；斜面越陡峭，在金屬沉積方面越有可能因接觸窗的角度而造成斷路。然而，運用緩慢傾斜的側壁以確保金屬導線的連續(xù)性會提高芯片的使用面積，且使接觸窗無法如預期般密集；此外，使用接觸窗產生不規(guī)則且不平坦的表面會使制作隨后的層間連線變得困難。
請參照

圖1，圖1是公知一種制作半導體組件方法的示意圖。提供一基底10，其上已定義出組件區(qū)11，形成第一絕緣層12并定義出接觸窗；接著沉積第一金屬層13，通過接觸窗14連接組件區(qū)11。同樣的，第二金屬層16通過在第二絕緣層15上定義形成的介層洞17，連接第一層金屬層13，此結構利用第三絕緣層18做為保護層(Passivate)。雖然圖1所描述的結構并非基準，但為顯示出非常不規(guī)則的表面的一個例子，這種表面不規(guī)則的情形會造成可靠度方面的問題；其中一個問題就是，當兩層間的絕緣層變薄時，第一金屬層與第二金屬層間的S區(qū)域會有短路危險，以及當金屬層變薄時，在O區(qū)域會產生電路斷路的危險。
公知的一種解決上述問題的方法稱為雙重嵌入式(DualDamascence)制程，此制程最簡單的形式是在絕緣層上進行，此絕緣層形成于基底上，且經過平坦化；對絕緣層進行定義，水平方向的溝道與垂直方向的孔洞經由蝕刻絕緣層同時形成。在基底上，若通過第一絕緣層，那金屬導線與孔洞會往下連往組件區(qū)；假若通過上方的絕緣層，那就是連接另一層金屬層。接下來沉積金屬在已設有上述結構的基底上以填滿溝道與孔洞，以此同時形成金屬導線及層間連線孔洞。最后，利用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polish，CMP)使表面平坦，并且準備進行另一個雙重嵌入式的結構，以完整的將導線嵌入進水平的溝道與垂直的孔洞內，此即為制程的雙重性(Duality)。
圖2A與圖2B是公知的雙重金屬鑲嵌方法的一種結構剖面示意圖。請參照圖2A，在具一欲接導線區(qū)域20的基底21上，沉積一二氧化硅層22，(該欲接導線區(qū)域可能為金屬或金屬硅化物)，再進行介層洞的微影制程與蝕刻，形成一介層洞23連往欲接導線的區(qū)域20。請參照圖2B，接著進行反相(Reverse)金屬的微影制程與蝕刻，形成金屬內連線的溝道24，25；待蝕刻完成后，將金屬沉積填充在介層洞23與溝道24，25內，再利用化學機械研磨的制程將表面的多余金屬磨去，即形成如圖2B所示的結構剖面示意圖。
利用此種金屬鑲嵌的方法，溝道與介層洞結構是在同一氧化層內。此方法的缺點在于，進行蝕刻形成溝道與介層洞時，反應性離子蝕刻易造成開口的底部粗糙、不平滑，當蝕刻介層洞暴露出欲接導線區(qū)域時，反應性離子蝕刻中的離子對基底及導電材料造成損害。
有鑒于此，本發(fā)明提供一種雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，使用公知的濕蝕刻或干蝕刻步驟形成包括介層洞與溝道的雙重金屬鑲嵌結構，以降低甚至完全避免反應性離子蝕刻造成的損害。
本發(fā)明提供的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于，其在提供的半導體基底上先形成一層HSQ層，半導體基底上尚有其它組件構造，因為HSQ層本身的性質所形成的層具有平坦的上表面，進行HSQ的固化以后，在HSQ層上覆蓋一層硬罩幕層，利用反相罩幕定義硬罩幕層，保留欲形成介層洞(via)區(qū)域的硬罩幕層，通過保留的硬罩幕層對HSQ層進行電子束的固化步驟，未被硬罩幕層覆蓋的部分會被電子束打到，而進一步的收縮固化，之后將硬罩幕層移除。由于電子束的固化與熱制程的固化步驟會造成HSQ層有不同的蝕刻率，進行濕蝕刻時，以熱制程固化的HSQ層，也就是被硬罩幕覆蓋的HSQ層具有較高的蝕刻率，因此會被快速的蝕刻掉，而形成一個介層洞暴露出部分基底。接著在基底上覆蓋一層光阻層，并在光阻層上定義形成溝道的圖案，對暴露出來的HSQ層進行非等向性的蝕刻步驟，以在介層洞上方部分的HSQ層中形成溝道，之后再將光阻層去除。
上方敘述的方法是先形成介層洞，之后再形成溝道，而本發(fā)明提供的方法也可以先形成溝道，再進行介層洞的蝕刻，與上述步驟差異處在于，以電子束對HSQ層進行固化步驟以后，移除硬罩幕，隨即在HSQ層上形成光阻層，并在光阻層上進行溝道的定義，以非等向性蝕刻去除部分的HSQ層，形成溝道，而后將光阻層去除，再以濕蝕刻的方法去除未被電子束轟擊固化的HSQ材料，進一步于溝道中形成介層洞。
由于本發(fā)明是利用電子束固化的HSQ與熱制程固化的HSQ有很大的蝕刻選擇比的特性，將未被電子束轟擊到的HSQ利用濕蝕刻的方式去除，而形成介層洞暴露出基底，并未利用反應性離子蝕刻，因為無須擔心在形成介層洞時會因為基底暴露在反應性離子蝕刻環(huán)境下而遭到破壞。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，特舉一較佳實施例，并配合所附圖，作詳細說明如下圖面說明圖1是公知一種制作半導體組件方法的示意圖；圖2A與圖2B是公知一種制作雙重金屬鑲嵌結構的流程剖面圖；圖3A至圖3F圖依照本發(fā)明較佳實施例，先形成介層洞后形成溝道的雙重金屬鑲嵌結構的制程剖面圖；以及圖4A至圖4F依照本發(fā)明較佳實施例，先形成溝道后形成介層洞的雙重金屬鑲嵌結構的制程剖面圖。
附圖標記說明10、21、30、40 基底11 組件區(qū)12、15、18 絕緣層13、16 金屬層14 接觸窗17、23、36、48 介層洞20 欲接導線區(qū)域22 二氧化硅層24、25、38、47 溝道32、32b、42、42b HSG層32a、42a 電子束固化的HSQ層34、44 硬罩幕層36、37、37a、45、46 光阻層E1、、、E2電子束39、49 導電材料圖3A至圖3F是依照本發(fā)明較佳實施例，先形成介層洞后形成溝道的雙重金屬鑲嵌結構的制程剖面圖。
首先，請參照圖3A，在具有其它結構的半導體基底30上旋涂覆蓋上一層HSQ層32，厚度約為600-1800nm，因為HSQ本身材質的特性，所以形成的HSQ層32具有平坦的上表面。對涂布HSQ層32進行熱處理的固化步驟，去除其中多余的水分與溶劑，熱處理的溫度約為攝氏300-500度。進行HSQ的固化以后，在HSQ層32上覆蓋一層硬罩幕層34，其上更覆蓋一層光阻層36，利用反相罩幕定義光阻層36，進一步對硬罩幕層34進行蝕刻，保留欲形成介層洞(via)區(qū)域的硬罩幕層34，其中硬罩幕34的材質可以是多晶硅、氧化物、氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦、氧化鋁、碳化硅其中之一，厚度為20-1000nm。
接著，請參照圖3B，去除光阻層36，通過保留的硬罩幕層34對HSQ層32進行電子束的固化步驟E1，未被硬罩幕層34覆蓋的HSQ層32a會被電子束打到，而進一步的收縮固化，而未被電子束打到的HSQ層32b則維持原來的狀態(tài)，其中電子束固化步驟的參數(shù)包括將基底的溫度設置在約為攝氏300-500度，電子的劑量約為1000-10000μC/cm2，與電子束的能量為1-20Kev。
請參照圖3C，以化學機械研磨法(CMP)或電漿反應性離子蝕刻去除硬罩幕34，并對HSQ層32a、32b進行濕蝕刻步驟，所用的蝕刻劑包括稀釋的氫氟酸(HF)或稀釋的BHF。由于電子束的固化與熱制程的固化步驟會造成HSQ層32a、32b有不同的蝕刻率，蝕刻選擇比大于1/20。進行濕蝕刻時，以熱制程固化的HSQ層32b，也就是被硬罩幕覆蓋的HSQ層32b具有較高的蝕刻率，因此會被快速的蝕刻掉，而形成一個介層洞36暴露出部分基底30，電子束的固化也使得利用濕蝕刻形成的介層洞36較容易控制且具有較佳的輪廓。
請參照圖3D，在HSQ層32a上覆蓋一層光阻層37，并在光阻層37上定義形成溝道的圖案，此時光阻材料與抗反射材料37a也會填入在介層洞36中。
接著，請參照圖3E，對暴露出來的HSQ層32a進行非等向性的蝕刻步驟，以去除位在介層洞36上方部分的HSQ層32a中形成溝道38，之后再將光阻層37與填充在介層洞中36的光阻材料37a去除。
請參照圖3F，在光阻層37與光阻材料37a移除后，在溝道與介層洞中填入導電材料，例如鎢、銅、鋁銅合金等金屬或多晶硅，即形成雙重金屬鑲嵌結構。
上方敘述的方法系先形成介層洞，之后再形成溝道，而本發(fā)明提供的方法也可以先形成溝道，再進行介層洞的蝕刻，其制程剖面圖請參照第4A圖至第4F圖。
首先，請參照第4A圖，在具有其它結構的半導體基底40上旋涂覆蓋上一層HSQ層42，厚度約為600-1800nm，因為HSQ本身材質的特性，所以形成的HSQ層42具有平坦的上表面。對涂布HSQ層42進行熱處理的固化步驟，去除其中多余的水分與溶劑，熱處理的溫度約為攝氏300-500度。進行HSQ的固化以后，在HSQ層42上覆蓋一層硬罩幕層44，其上更覆蓋一層光阻層45，利用反相罩幕定義光阻層45，進一步對硬罩幕層44進行蝕刻，保留欲形成介層洞區(qū)域的硬罩幕層44，其中硬罩幕44的材質可以是多晶硅、氧化物、氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦、氧化鋁、碳化硅其中之一，厚度約為20-1000nm。
接著，請參照圖4B，去除光阻層45，通過保留的硬罩幕層44對HSQ層42進行電子束的固化步驟E2，未被硬罩幕層44覆蓋的HSQ層42a會被電子束打到，而進一步的收縮固化，而未被電子束打到的HSQ層42b則維持原來的狀態(tài)，其中電子束固化步驟的參數(shù)包括將基底的溫度設置在約為攝氏300-500度，電子的劑量約為1000-10000μC/cm2，與電子束的能量為1-20Kev。
請參照圖4C，以化學機械研磨法(CMP)或電漿反應性離子蝕刻去除硬罩幕44，并在HSQ層42a上覆蓋一層光阻層46，并在光阻層46上定義形成溝道的圖案，暴露出未經電子束固化的HSQ層42b與部分經電子束固化的HSQ層42a。
請參照圖4D，對暴露出來的HSQ層42a與42b進行非等向性的蝕刻步驟，比如電漿反應性離子蝕刻，以去除部分的HSQ層42a與42b而形成溝道47，之后再將光阻層46去除。
請參照圖4E，在光阻層46移除后，以濕蝕刻的方式將剩余的未經電子束固化的HSQ層42b完全去除，所用的蝕刻劑包括稀釋的氫氟酸(HF)或稀釋的BHF，形成溝道47與介層洞48，在其中填入導電材料49之后，即形成如圖4F所示的雙重金屬鑲嵌結構。
本發(fā)明提供的方法可用于先形成介層洞的雙重金屬鑲嵌結構，也適用于先形成溝道的雙重金屬鑲嵌結構，其中的差異處在于，后者是以電子束對HSQ層進行固化步驟以后，移除硬罩幕，隨即在HSQ層上形成光阻層，并在光阻層上進行溝道的定義，以非等向性蝕刻去除部分的HSQ層，形成溝道，而后將光阻層去除，再以濕蝕刻的方法去除未被電子束轟擊固化的HSQ材料，進一步于溝道中形成介層洞。
由于本發(fā)明是利用電子束固化的HSQ與熱制程固化的HSQ有很大的蝕刻選擇比的特性，將未被電子束轟擊到的HSQ利用濕蝕刻的方式去除，而形成介層洞暴露出基底，并未利用反應性離子蝕刻，因為無須擔心在形成介層洞時會因為基底暴露在反應性離子蝕刻環(huán)境下而遭到破壞。
而且，由于由電子束固化的HSQ與只經熱制程固化的HSQ有很大的蝕刻選擇比，因此進行濕蝕刻時將會提供類似非等向性蝕刻的效果，使得制程容易控制介層洞的形狀輪廓與介層洞的尺寸，而無須擔心濕蝕刻的非等向性蝕刻的特性會造成介層洞形狀不易控制的問題。
此外，介層洞的形成是以濕蝕刻進行，而非公知的電漿反應性離子蝕刻，因此無須擔心暴露在介層洞中的半導體基底會受到反應性離子的破壞，而導致制程的組件效能不佳。
另外，值得注意的是，本發(fā)明上述的實施例中雖然以HSQ層作為介電材料，但是也可以使用旋涂式玻璃(SOG)來作為覆蓋在半導體基底上的介電材料，經過電子束固化處理，SOG也會表現(xiàn)出與HSQ相同的特性。
雖然本發(fā)明已以一較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習此技術者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書范圍所界定為準。
權利要求
1.一種雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其包括下列步驟提供一基底；形成一HSQ層覆蓋基底；對HSQ層進行熱處理，以固化HSQ層；形成并定一硬罩幕層于HSQ層上；透過硬罩幕層進行一電子束固化步驟，進一步固化暴露出來的HSQ層；去除硬罩幕；以濕蝕刻去除未被電子束固化的HSQ層，以形成一介層洞暴露出部分基底；形成并定義一光阻層于HSQ層上，光阻層暴露出部分HSQ層與介層洞；透過光阻層去除部分HSQ層，以在介層洞上方形成一溝道；去除光阻層；以及形成導電材料填入溝道與介層洞中。
2.根據權利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中HSQ層的厚度為600-1800nm。
3.根據權利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中硬罩幕層的材料包括多晶硅、氧化物、氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦、氧化鋁及碳化硅其中之一。
4.根據權利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中硬罩幕層的厚度為20-1000nm。
5.根據權利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中電子束固化步驟的參數(shù)包括基底溫度為攝氏300-500度，劑量為1000-10000μC/cm2，能量為1-20Kev。
6.根據權利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中熱處理的固化步驟進行的溫度為攝氏300-500度。
7.根據權利要求1所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中HSQ層以旋涂式玻璃(SOG)取代。
8.一種雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其包括下列步驟提供一基底；形成一HSQ層覆蓋基底；對HSQ層進行熱處理，以固化HSQ層；形成并定一硬罩幕層于HSQ層上；透過硬罩幕層進行一電子束固化步驟，進一步固化暴露出來的HSQ層；去除硬罩幕；形成并定義一光阻層于HSQ層上，光阻層暴露出未被電子束固化的HSQ層與部分被電子束固化的HSQ層；透過光阻層去除部分未被電子束固化的HSQ層與部分被電子束固化的HSQ層，以形成一溝道；去除光阻層；以濕蝕刻去除剩余的未被電子束固化的HSQ層，以在溝道下方形成一介層洞暴露出部分基底；以及形成導電材料填入溝道與介層洞中。
9.根據權利要求8所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中HSQ層的厚度為600-1800nm。
10.根據權利要求8所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中硬罩幕層的材料包括多晶硅、氧化物、氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦、氧化鋁、碳化硅其中之一。
11.根據權利要求8所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中硬罩幕層的厚度為20-1000nm。
12.根據權利要求8所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中電子束固化步驟的參數(shù)包括基底溫度為攝氏300-500度，劑量為1000-10000μC/cm2，與能量為1-20Kev。
13.根據權利要求8所述的雙重金屬鑲嵌結構的制造方法，其特征在于其中熱處理的固化步驟進行的溫度為攝氏300-500度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙重金屬鑲嵌結構的制造方法。在提供的基底上覆蓋一層HSQ層,將預定形成介層洞區(qū)域的HSQ層以電子束固化處理,并對HSQ層進行微影與蝕刻制程,以形成溝道,其中電子束固化后的HSQ與用熱處理固化的HSQ對濕蝕刻有很大的蝕刻選擇比,因此使用濕蝕刻去除未被電子束固化的HSQ,以形成介層洞,于溝道與介層洞中填入導電材料以后即形成雙重金屬鑲嵌結構,其中可以選擇先形成介層洞或先形成溝道。
文檔編號H01L21/31GK1378265SQ0111021
公開日2002年11月6日 申請日期2001年4月2日 優(yōu)先權日2001年4月2日
發(fā)明者劉豪杰 申請人:華邦電子股份有限公司