專利名稱：包含多層旋涂多孔介電質(zhì)的低k互連結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速微處理器、專用集成電路(ASICs)以及其它高速集成電路(ICs)的互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供低介電常數(shù)(即低k)的互連結(jié)構(gòu)，其具有強(qiáng)化的電路速度、精確的傳導(dǎo)電阻值以及降低的制造成本。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，具有較低的有效介電常數(shù)、改進(jìn)了對金屬線電阻的控制，以及降低了制造成本。
背景技術(shù)：
已知許多具有約3.5或更小介電常數(shù)的低k介電質(zhì)，加雙鑲嵌型銅(Cu)互連結(jié)構(gòu)，舉例來說，請參見2000年6月5～7日，電機(jī)與電子工程師學(xué)會(IEEE)電子裝置學(xué)會，國際互連技術(shù)研討會，R.D.高伯特(Goldblatt)等，“帶低K介電質(zhì)的高性能0.13微米(μm)銅BEOL技術(shù)”，第261～263頁。在現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)的制造期間，(在金屬填充與化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)之后)成為金屬導(dǎo)體的溝槽深度，通常是不能充分地控制的，而此溝槽形成稱為微溝槽的形狀。圖1顯示含有微溝槽的先前互連結(jié)構(gòu)的圖形表示。具體地說，圖1包括基板10、低k介電質(zhì)12以及包含擴(kuò)散阻擋填料16的金屬填充導(dǎo)體區(qū)域14。注意圖右手邊的金屬填充導(dǎo)體區(qū)域包含微溝槽18。
使用定時反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)過程來蝕刻溝槽，并以時間控制溝槽深度。通常，蝕刻速率與溝槽輪廓的形狀，皆隨著穿越晶片的溝槽寬度(特征尺寸)變化，導(dǎo)致溝槽深度大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致金屬導(dǎo)體電阻的大的變化。這些蝕刻速率與特征形狀的變化，可能隨著時間(天天)改變。
因?yàn)楫?dāng)擴(kuò)散阻擋填料沉積于溝槽的粗糙表面上時，其具有弱的(薄的)位置，溝槽底部的粗糙形狀也產(chǎn)生可靠性的問題。對以上微溝槽問題的一般解決方法，包含使用額外的處理步驟，其提高了制造所需的低k介電質(zhì)加銅(Cu)互連結(jié)構(gòu)的整體生產(chǎn)成本。
而且，具有銅(Cu)與低k材料的互連結(jié)構(gòu)的制造，通常必須使用旋涂涂布工具與更昂貴的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工具?；旌瞎ぞ呓M的使用，增加了設(shè)備的購置與維修成本，以及制造的原始時間。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的問題，有必要提供一新的、改進(jìn)的制造低k介電質(zhì)加金屬互連結(jié)構(gòu)的方法，而此方法避免形成微溝槽。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低k介電質(zhì)加雙鑲嵌型的金屬互連結(jié)構(gòu)，其中可以獲得金屬導(dǎo)體電阻的精確與均一的控制。
本發(fā)明的另一目的在于以不增加工藝成本情況下，提供金屬導(dǎo)體的形狀的精確控制，以改善可靠性。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種互連結(jié)構(gòu)，其中金屬導(dǎo)體具有一實(shí)質(zhì)上平坦的底部，亦即沒有微溝槽存在。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種低k介電質(zhì)加金屬互連結(jié)構(gòu)(具有金屬導(dǎo)體電阻的精確與均一的控制)，其系基于多層自旋涂布介電質(zhì)層；因此避免了昂貴的真空式沉積工具的使用。
本發(fā)明的另一目的在于使用具有約3.5或更小的k的多孔介電質(zhì)。
本發(fā)明藉由提供一種互連結(jié)構(gòu)來達(dá)成這些與其它的目的，此一互連結(jié)構(gòu)至少包含一多層的介電質(zhì)與多層旋涂介電質(zhì)內(nèi)部的多個圖案化的金屬導(dǎo)體，其中多層的介電質(zhì)以單一的自旋應(yīng)用工具逐次地施加，然后在單一的步驟中固化。導(dǎo)體電阻上的控制是使用具有第二原子組成的掩埋的蝕刻終止層來獲得，其中終止層位于線與具有第一原子組成的多孔低k介電質(zhì)的通路介電質(zhì)層之間。本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)亦包含一硬質(zhì)掩模，其可輔助形成雙鑲嵌型的互連結(jié)構(gòu)。從具有特定原子組成與其它可測值的多孔低k有機(jī)或無機(jī)材料的特定組中，選擇第一與第二組成，以獲得至少10至1，或更高的蝕刻選擇性。
具體地說，本發(fā)明的雙鑲嵌型互連結(jié)構(gòu)包括一基板，其具有形成于其上的圖案化的多層介電質(zhì)，該圖案化的多層介電質(zhì)包含藉由掩埋的蝕刻終止層彼此分離的第一與第二多孔低k介電質(zhì)，該第一與第二多孔低k介電質(zhì)具有第一組成；一拋光終止層，其形成于該第二多孔低k介電質(zhì)上面的該圖案化的多層介電質(zhì)上；及一金屬導(dǎo)體，其形成于該圖案化的多層介電質(zhì)內(nèi)。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，第一與第二多孔低k介電質(zhì)是有機(jī)介電質(zhì)，而掩埋的蝕刻終止層則是無機(jī)的低k介電質(zhì)材料。在本發(fā)明的此一具體實(shí)施例中，無機(jī)的掩埋蝕刻終止層可以是多孔或非多孔的，其中優(yōu)選的是無機(jī)掩埋蝕刻終止層。
在本發(fā)明的另一具體實(shí)施例中，第一與第二多孔低k介電質(zhì)是低k無機(jī)介電質(zhì)，或無機(jī)/有機(jī)混合的介電質(zhì)，如甲基倍半硅氧烷(MSQ)，而該掩埋的蝕刻終止層則是有機(jī)低k介電質(zhì)。在本發(fā)明的此一具體實(shí)施例中，有機(jī)的掩埋蝕刻終止層可以是多孔或非多孔的，其中優(yōu)選的是非多孔的材料。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供下列超越現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(i)金屬導(dǎo)體厚度與電阻的精確與均一的控制。
(ii)改善的可靠性，因?yàn)闇喜郯鶆蚝穸榷鵁o弱點(diǎn)的擴(kuò)散阻擋填料。
(iii)在不增加生產(chǎn)成本，并減少真空式沉積工具的使用的情況下，獲得高度控制的金屬導(dǎo)體電阻。
本發(fā)明的另一方面涉及一種制造上述低k介電質(zhì)加金屬導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)的方法，其包括步驟(a)在基板表面上，形成多層旋涂介電質(zhì)，該多層介電質(zhì)包含藉由掩埋的蝕刻終止層彼此分離的第一與第二多孔低k介電質(zhì)，該第一與第二多孔低k介電質(zhì)具有第一組成，而該掩埋的蝕刻層則具有不同于該第一組成的第二組成；(b)在該多層旋涂介電質(zhì)上形成一硬質(zhì)掩模，該硬質(zhì)掩模至少包含一拋光終止層，與位于該拋光終止層頂部的圖案化層；(c)在該硬質(zhì)掩模中形成一開口，以便暴露該多層旋涂介電質(zhì)的表面；(d)使用該硬質(zhì)掩模作為蝕刻掩模，在該暴露出來的多層旋涂介電質(zhì)的表面中，形成一溝槽級與通路級；(e)用至少一導(dǎo)體金屬填充該溝槽級與通路級；以及(f)將形成于該多層旋涂介電質(zhì)的該拋光終止層上的該導(dǎo)體金屬填充物平面化。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，多層旋涂介電質(zhì)在進(jìn)行步驟(b)之前固化。在另一具體實(shí)施例中，其中硬質(zhì)掩模亦包含旋涂介電質(zhì)，而固化則發(fā)生于步驟(b)之后。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)的圖形表示，此一互連結(jié)構(gòu)包含微溝槽，其具有形成于其中的粗糙的底部表面。
圖2-8是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，經(jīng)由本發(fā)明各種不同的處理步驟的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供由多層旋涂介電質(zhì)所組成的低k互連結(jié)構(gòu)，以及制造此一互連結(jié)構(gòu)的方法，現(xiàn)在將參考本發(fā)明的附圖，詳細(xì)地敘述本發(fā)明。請注意在附圖中，相似與/或相應(yīng)的組件用相似的參考數(shù)字來指示。
首先參考圖2，其說明使用于本發(fā)明中，用來制造本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)。具體地說，圖2中所說明的結(jié)構(gòu)包括基板50，其具有形成于其上的多層旋涂介電質(zhì)52。如圖所示，本發(fā)明的多層旋涂介電質(zhì)包含第一低k介電質(zhì)54、掩埋的蝕刻終止層56，以及第二低k介電質(zhì)58。應(yīng)注意的是，使用于本發(fā)明中的多層旋涂介電質(zhì)，具有從約1.1至約3.5的有效介電常數(shù)，而其中優(yōu)選的是從約1.4至3.0的有效介電常數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，第一與第二低k介電質(zhì)是多孔的有機(jī)或無機(jī)(包含無機(jī)/有機(jī)的混合)介電質(zhì)。應(yīng)注意的是第二低k介電質(zhì)是其中將形成金屬線的區(qū)域，然而第一低k介電質(zhì)則是其中形成金屬通路的區(qū)域。
如圖2所示，掩埋的蝕刻終止層位于第一與第二多孔低k介電質(zhì)之間。此外，本發(fā)明所使用的第一與第二多孔低k介電質(zhì)具有彼此相似的第一組成，而掩埋的蝕刻層則具有不同于該第一組成的第二組成。應(yīng)注意的是本文中使用的“低k”一詞，指示具有約3.5或更小的介電常數(shù)的介電質(zhì)材料，而其中以從約1.4至3.0的介電常數(shù)最佳。下文中，將詳細(xì)敘述組成多層旋涂介電質(zhì)的每一層的成分。
本發(fā)明所使用的基板可以包含一般出現(xiàn)在互連結(jié)構(gòu)中的傳統(tǒng)材料。所以，舉例來說，基板50可以是介電質(zhì)(層間或?qū)觾?nèi))、布線層、粘結(jié)增進(jìn)劑、半導(dǎo)體晶片，或其任何組合。當(dāng)使用半導(dǎo)體晶片作為基板時，晶片可以包含形成于其上的各種電路與/或器件。
多層旋涂介電質(zhì)的每一層，是利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的傳統(tǒng)旋涂涂布處理步驟形成的，而下列旋涂處理的每一層，則是放到加熱板烘烤過程中，其中此一過程是使用足以除去旋涂介電質(zhì)上任何殘余溶劑的條件進(jìn)行的；然后在施加后續(xù)層期間，處理不能溶解的膜。加熱板烘烤通常在約攝氏90度至約攝氏500度的溫度中，實(shí)施約10至600秒。加熱板烘烤以約攝氏250度至約攝氏400度的溫度實(shí)施約60至300秒較佳。
在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，第一與第二低k介電質(zhì)是包括碳(C)、氧(O)與氫(H)的有機(jī)介電質(zhì)。舉例來說，本發(fā)明中使用的有機(jī)低k介電質(zhì)的實(shí)例包含，但不受限于此，芳香族熱固性聚合物樹脂，舉例來說由道化學(xué)(Dow Chemical)公司以SiLK商標(biāo)銷售的樹脂，荷尼威爾(Honeywell)以Flare商標(biāo)銷售的樹脂，以及由其它供貨商銷售的類似樹脂，以及其它類似的有機(jī)介電質(zhì)。應(yīng)注意的是，使用于本發(fā)明的此一具體實(shí)施例中的有機(jī)介電質(zhì)是多孔的。本發(fā)明中所使用的有機(jī)介電質(zhì)的小孔尺寸，在約5至35％的孔隙體積百分比中，大約是1至約50納米。
當(dāng)?shù)谝慌c第二低k介電質(zhì)包括有機(jī)介電質(zhì)時，掩埋的蝕刻終止層是由旋涂的無機(jī)介電質(zhì)層或無機(jī)/有機(jī)的混合(即含硅介電質(zhì))組成的。在本發(fā)明中，無機(jī)介電質(zhì)掩埋蝕刻終止層通常包括硅(Si)、氧(O)與氫(H)(碳(C)可以視情況存在)，并且具有約1.1至約5.5的介電常數(shù)，而其中以約2.0至3.2的介電常數(shù)較佳?？梢杂米餮诼竦奈g刻終止層的無機(jī)介電質(zhì)實(shí)例，包含，但不受限于此倍半硅氧烷(HOSP)(由哈尼威爾(Honeywell)銷售的含硅無機(jī)介電質(zhì))、原硅酸四乙酯(TEOS)、甲基倍半硅氧烷(MSQ)、氫倍半硅氧烷(HSQ)、MSQ-HSQ共聚物，有機(jī)硅烷與任何其它含硅的材料。在本發(fā)明的此一具體實(shí)施例中，多孔與非多孔的無機(jī)介電質(zhì)可以用作掩埋的蝕刻終止層，而其中優(yōu)選的是多孔的無機(jī)介電質(zhì)。雖然無機(jī)的掩埋蝕刻終止層的孔隙尺寸對本發(fā)明不是緊要的，通常無機(jī)的掩埋蝕刻終止層在約5至80％的孔隙體積百分比中，具有約5至500埃的孔隙尺寸。無機(jī)的掩埋蝕刻終止層，以在約10至50％的孔隙體積百分比中，具有約10至200埃的孔隙尺寸更佳。
在本發(fā)明的另一具體實(shí)施例中，多層旋涂介電質(zhì)的第一與第二多孔低k層，是多孔的低k無機(jī)介電質(zhì)，而掩埋的蝕刻終止層，則可以是多孔或不是多孔的有機(jī)介電質(zhì)材料。應(yīng)注意的以上本發(fā)明的第一具體實(shí)施例中，關(guān)于此類有機(jī)與無機(jī)介電質(zhì)的敘述，在此一具體實(shí)施例中也可以成立。因此，此處不需要進(jìn)一步的敘述。
不論在本發(fā)明中使用哪一具體實(shí)施例，多層的第一多孔低k介電質(zhì)層具有約500至約10,000埃的厚度，而其中以約900至約3000埃的厚度更佳。在掩埋的蝕刻終止層范圍中，該層通常具有約25至1500埃的厚度，而其中以約100至300埃的厚度更佳。另一方面，多層的第二多孔低k介電質(zhì)層則具有約500至約10,000埃的厚度，其中以約1000至約3000埃的厚度更佳。
現(xiàn)在可以固化多層旋涂介電質(zhì)了，或者是，如果硬質(zhì)掩模是用旋涂介電質(zhì)制成的，則多層旋涂介電質(zhì)與硬質(zhì)掩?？梢栽趩我还袒襟E中固化。后者是較佳的，既然其減少了整個程序中，處理工具與步驟的數(shù)目。下文中所提到的固化條件，亦應(yīng)用于固化發(fā)生于硬質(zhì)掩模形成之前的具體實(shí)施例中。
形成圖2所示的結(jié)構(gòu)之后，硬質(zhì)掩模60形成于多層旋涂介電質(zhì)的最上表面，即第二低k介電質(zhì)58的頂端。根據(jù)本發(fā)明，硬質(zhì)掩模60至少包含拋光層62與圖案化層64。圖3中所示的硬質(zhì)掩模，可以藉由傳統(tǒng)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)過程來形成，或者以自旋涂布來形成每一層硬質(zhì)掩模60則更佳。既然旋涂涂布減少了整個過程中使用的沉積工具的數(shù)目，因而降低了整體的制造成本，由其形成的層是較佳的。此外，雖然附圖中描繪硬質(zhì)掩模中存在有兩層，硬質(zhì)掩?？梢园^兩層。
用來形成硬質(zhì)掩模的材料可以變化，并且是依據(jù)其對直接鋪設(shè)于其下面的層的蝕刻選擇性。舉例來說，本發(fā)明中所使用的圖案化層，是具有對下面的拋光終止層高蝕刻選擇性(約10∶1，或更高)的材料。由于圖案化層在本發(fā)明的步驟(f)中被除去，此層的介電常數(shù)可以是高的。另一方面，拋光終止層則是具有對下面的多層旋涂介電質(zhì)高蝕刻選擇性的的材料，而且其應(yīng)該具有不明顯地增加多層旋涂介電質(zhì)的有效介電常數(shù)的介電常數(shù)。
據(jù)此，圖案化層可以包含有機(jī)或無機(jī)的介電質(zhì)，然而拋光終止層則包括無機(jī)或有機(jī)介電質(zhì)。每一層的實(shí)際性質(zhì)，首先將取決于多層旋涂介電質(zhì)的第二低k介電質(zhì)，然后取決于拋光終止層。在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，拋光終止層62與掩埋的蝕刻終止層56是由相同的材料組成的。
每一層硬質(zhì)掩模的厚度可以變化，而且對本發(fā)明也不是緊要的?？墒?，圖案化層通常具有約100至約3000埃的厚度，而拋光終止層則是具有約100至約1000埃的厚度。
緊接于形成硬質(zhì)掩模之后，拋光終止層與圖案化層，以及下面的多層旋涂介電質(zhì)，經(jīng)歷單一的固化步驟，而此一步驟是使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的傳統(tǒng)條件來實(shí)施的。固化步驟可以包含加熱板烘烤步驟，或電爐加熱。在本發(fā)明中，以使用包含電爐烘烤的固化步驟較佳。雖然固化的條件可以變化，加熱板烘烤通常是在約攝氏250度至約攝氏500度的溫度，實(shí)施約30至約500秒的時間，而電爐烘烤步驟則是在約攝氏200度至約攝氏500度，實(shí)施約15分鐘至約3.0小時的時間。再次強(qiáng)調(diào)的是如果硬質(zhì)掩模不是由旋涂介電質(zhì)所組成，則固化可以在硬質(zhì)掩模沉積之前發(fā)生。此外，由于旋涂的硬質(zhì)掩模是較佳的，附圖與下列敘述是特別針對此一具體實(shí)施例的。然而，應(yīng)注意的是，附圖與下列敘述對于不是旋涂涂布的硬質(zhì)掩模也是有效的。
固化層顯示于圖4中，并標(biāo)示為52’(固化的多層旋涂介電質(zhì))、62’(固化的拋光終止層)與64’(固化的圖案化層)。緊接于介電質(zhì)多層與任選的硬質(zhì)掩模的固化之后，圖3所示的結(jié)構(gòu)，便經(jīng)歷第一光刻與蝕刻過程，而于固化的圖案化層64’中形成開口66；請參見圖5。具體地說，依據(jù)下列來形成圖5中所示的結(jié)構(gòu)首先，使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的傳統(tǒng)沉積過程，于固化的圖案化層上，形成將用來圖案化圖案化層的光刻膠(圖式中未顯示)。接著，將光刻膠暴露于放射的圖案，其后使用傳統(tǒng)抗蝕顯影劑，于光刻膠中將圖案顯影。
在將抗蝕劑圖案顯影的后，開口66便形成于硬質(zhì)掩模中，以便將下面的拋光終止層的一部份暴露出來。具體地說，開口是使用傳統(tǒng)干法蝕刻過程來形成的，此一干法蝕刻過程包含，但不受限于此反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)、等離子體蝕刻與離子束蝕刻。這些不同的干法蝕刻過程中，以使用包含氟基的化學(xué)的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)較佳。在此一蝕刻步驟之后，便利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的傳統(tǒng)剝離過程，將圖案化的光刻膠從結(jié)構(gòu)中剝離。從第一光刻與蝕刻步驟獲得的結(jié)構(gòu)，顯示于圖5。
從結(jié)構(gòu)剝離光刻膠之后，便對圖5中所示的結(jié)構(gòu)施加新的光刻膠(未顯示)。接著，新的光刻膠經(jīng)歷光刻與蝕刻，以便于結(jié)構(gòu)中提供第二開口68，其中此一開口將固化的多層旋涂介電質(zhì)52’的表面暴露出來。第二蝕刻步驟包含前述干法蝕刻過程之一。在這些不同的干法蝕刻過程中，以使用包含氟基的化學(xué)的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)較佳。緊接于將固化的多層旋涂介電質(zhì)暴露出來的第二蝕刻之后，便使用傳統(tǒng)剝離過程，將第二光刻膠從結(jié)構(gòu)上剝離，而提供如圖6所示的結(jié)構(gòu)。
圖7顯示在硬質(zhì)掩模中形成圖案之后的結(jié)構(gòu)，被轉(zhuǎn)移到多層旋涂介電質(zhì)。具體地說，在多層旋涂介電質(zhì)中形成溝槽70的圖案轉(zhuǎn)移，是使用包含氧或還原化學(xué)的干法蝕刻過程來實(shí)施。根據(jù)本發(fā)明，溝槽70可以是通路或線，或兩者。
緊接于圖案轉(zhuǎn)移到多層旋涂介電質(zhì)之后，便以導(dǎo)體金屬74填充與平面化溝槽，以便提供圖8所示的結(jié)構(gòu)。一種選擇性但是較佳的填充材料72，可以在填充導(dǎo)體金屬之前，于溝槽中形成。本文中所使用“導(dǎo)體金屬”一詞指示一種金屬，其選自鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、銀(Ag)與其它類似的金屬，這些金屬通常使用于互連結(jié)構(gòu)中。在此，也可以使用這些導(dǎo)體金屬的合金，如銅鋁(Al-Cu)。使用于本發(fā)明中的較佳的金屬是銅。利用傳統(tǒng)沉積過程，如化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、電鍍、濺射、化學(xué)溶液沉積與其它類似的沉積過程，于溝槽中形成金屬。
本發(fā)明中所使用的選擇性的填充材料，包含任何防止導(dǎo)體金屬擴(kuò)散到介電質(zhì)層中的材料。一些此等填料的實(shí)例，包含，但不受限于此氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、鉻(Cr)、鈮(Nb)與其它包含其組合的類似的材料。填充材料可以利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的傳統(tǒng)沉積過程于溝槽中形成，此一沉積過程包含化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、濺射、電鍍、化學(xué)溶液沉積。
以導(dǎo)體金屬填充溝槽之后，此一結(jié)構(gòu)便經(jīng)歷傳統(tǒng)平坦化過程，如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，此一平坦化過程除去拋光終止層上面的任何導(dǎo)體金屬。請注意，此一平坦化步驟也從結(jié)構(gòu)中除去硬質(zhì)掩模的圖案化層，但是沒有除去拋光終止層。結(jié)果是拋光終止層保留在結(jié)構(gòu)的表面上。因?yàn)榇艘痪壒剩x擇具有稍微低的介電常數(shù)的拋光終止層是必要的，以便不增加互連結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)。
緊接于本發(fā)明的處理步驟之后，可以藉由重復(fù)本發(fā)明的處理步驟，在圖8所示的結(jié)構(gòu)上面形成額外的通路或布線層。因此，可以使用本發(fā)明的方法來制備其中包含一個或更多個線或通路層的互連結(jié)構(gòu)。
提供下列實(shí)例以說明本發(fā)明的方法，以及顯示其一些優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)例在此一實(shí)例中，準(zhǔn)備并使用SiLK/HOSP/SiLK/HOSP介電質(zhì)疊層來形成一互連結(jié)構(gòu)。具體地說，在此一實(shí)例中，使用裸的8英寸Si晶片作為基板。通過在丙二醇單甲醚醋酸酯(PGMEA)中，對晶片施加2.5重量百分比的有機(jī)硅烷粘結(jié)增進(jìn)劑溶液，以粘結(jié)增進(jìn)劑來處理此一晶片，緊接著以約每分鐘3000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)30秒。晶片接著被放到加熱板上，并于約攝氏100度烘烤約90秒。此一烘烤將粘結(jié)增進(jìn)劑的反應(yīng)，提升到晶片的表面。冷卻至室溫之后，以丙二醇單甲醚醋酸酯(PGMEA)清洗具有粘結(jié)增進(jìn)劑的晶片，以除去多余的粘結(jié)增進(jìn)劑。此一晶片以約30毫升(ml)的丙二醇單甲醚醋酸酯(PGMEA)洗滌，然后以約每分鐘3000旋轉(zhuǎn)約30秒。
緊接著此一清洗之后，晶片在攝氏100度的加熱板上烘烤約1分鐘，以使溶劑干燥。冷卻至室溫之后，便施加第一層低k介電質(zhì)(SiLK)。SiLK溶液是放在晶片上，而此一晶片以約每分鐘3000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)約30秒。在自旋之后，晶片被放到攝氏100度的加熱板上一分鐘，以部分干燥溶劑。其接著被傳送到攝氏400度的加熱板，并烘烤約2分鐘。此一時間與溫度足以使所得的SiLK膜不能溶解。
在冷卻之后，晶片被送回旋涂器。施加HOSP溶液到晶片上，并以每分鐘3000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)約30秒，其中HOSP溶液已被稀釋，以于約每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，獲得約50納米的膜厚度。在自旋之后，此一晶片被放到攝氏100度的加熱板上約1分鐘，以部分干燥溶劑。接著，其被移至攝氏400度的加熱板上2分鐘，以部分交聯(lián)薄膜。此一時間與溫度足以使膜不能溶解。
接著允許晶片冷卻，并送回旋涂器。對第一層施加第二層SiLK。SiLK被施加到晶片上，而此一晶片以約每分鐘3000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)約30秒。此一晶片被放到攝氏100度的加熱板上一分鐘，緊接著放到攝氏400度的加熱板上約2分鐘。
冷卻至室溫之后，晶片被送回旋涂器。接著施加兩層硬質(zhì)掩模如下。施加一層HOSP。對晶片施加HOSP溶液，接著晶片以每分鐘3000轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)約30秒，其中HOSP溶液已被稀釋，以于約每分鐘3000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，獲得約500埃的膜厚度。此一晶片接著以約攝氏100度的加熱板烘烤約1分鐘，以及約攝氏400度烘烤約2分鐘。
包含上述各層的固化的晶片，被放進(jìn)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)反應(yīng)器中，并且于約攝氏350度沉積一層500埃的氮化硅，以及于約攝氏350度沉積一層1200埃的二氧化硅(SiO2)。
接著實(shí)施本發(fā)明中所敘述的光刻與蝕刻過程。然后使用工業(yè)中已知的標(biāo)準(zhǔn)過程方法(以填料，然后銅(Cu)，填充蝕刻溝槽與通路開口，而銅以化學(xué)機(jī)械拋光過程(CMP)平面化)，完成雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。
在最后的化學(xué)機(jī)械拋光過程(CMP)期間，氮化硅層遺留在結(jié)構(gòu)中，而沉積在上面的二氧化硅(SiO2)層則被除去了。
雖然已經(jīng)明確地展示，并以與其有關(guān)的較佳具體實(shí)施例敘述本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，可以作前述與其它的形式與細(xì)節(jié)上改變，而不脫離本發(fā)明的精神與范圍。因此，希望本發(fā)明不受限于所敘述與所說明的確切形式與細(xì)節(jié)，而是屬于延伸申請專利范圍的范圍。
權(quán)利要求
1.一種互連結(jié)構(gòu)，包括一基板，其具有形成于其上的圖案化的多層介電質(zhì)，該圖案化的多層介電質(zhì)包含通過掩埋的蝕刻終止層彼此分離的第一與第二多孔低k介電質(zhì)，該第一與第二多孔低k介電質(zhì)具有第一組成，而該掩埋的蝕刻層則具有不同于第一組成的第二組成；一拋光終止層，其形成于該圖案化的多層旋涂介電質(zhì)上的該第二多孔低k介電質(zhì)上面；以及一金屬導(dǎo)體，其形成于該圖案化的多層介電質(zhì)內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k介電質(zhì)是有機(jī)介電質(zhì)，而掩埋的蝕刻終止層是無機(jī)的低k介電質(zhì)材料或無機(jī)/有機(jī)混合的材料。
3.如權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k有機(jī)介電質(zhì)，在約5至約35％的孔隙體積百分比中，具有約1至約50納米的孔隙尺寸。
4.如權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其中該無機(jī)低k介電質(zhì)掩埋蝕刻終止層是多孔的。
5.如權(quán)利要求4的互連結(jié)構(gòu)，其中該無機(jī)多孔低k介電質(zhì)蝕刻終止層，在約5至約80％的孔隙體積百分比中，具有約5至約500埃的孔隙尺寸。
6.如權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k有機(jī)介電質(zhì)包括碳(C)、氧(O)與氫(H)。
7.如權(quán)利要求6的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k有機(jī)介電質(zhì)是芳香族熱固性聚合物樹脂。
8.如權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其中該無機(jī)的掩埋蝕刻終止層包括硅(Si)、氧(O)與氫(H)，并任選地包括碳(C)。
9.如權(quán)利要求8的互連結(jié)構(gòu)，其中該無機(jī)的掩埋蝕刻終止層包括HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機(jī)硅烷，或任何其它含硅的材料。
10.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k介電質(zhì)是低k無機(jī)介電質(zhì)，而該掩埋的蝕刻終止層是有機(jī)的低k介電質(zhì)。
11.如權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k無機(jī)介電質(zhì)，在約5至約80％的孔隙體積百分比中，具有約5至約500埃的孔隙尺寸。
12.如權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中該有機(jī)低k介電質(zhì)的掩埋蝕刻終止層是多孔的。
13.如權(quán)利要求12的互連結(jié)構(gòu)，其中該有機(jī)多孔低k介電質(zhì)的蝕刻終止層，在約5至約35％的孔隙體積百分比中，具有約1至約50納米的孔隙尺寸。
14.如權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其中該有機(jī)介電質(zhì)的蝕刻終止層包括碳(C)、氧(O)與氫(H)。
15.如權(quán)利要求14的互連結(jié)構(gòu)，其中該有機(jī)介電質(zhì)的蝕刻終止層是芳香族熱固性聚合物樹脂。
16.如權(quán)利要求1 的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k無機(jī)層包括硅(Si)、氧(O)與氫(H)，并且任選地包括碳(C)。
17.如權(quán)利要求16的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k無機(jī)層包括HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機(jī)硅烷，或任何其它含硅的材料。
18.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該第一與第二多孔低k介電質(zhì)具有約1.1至約3.5的介電常數(shù)。
19.如權(quán)利要求18的互連結(jié)構(gòu)，其中該介電常數(shù)為從約1.4至約3.0。
20.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該多層旋涂介電質(zhì)具有約3.5或更少的有效介電常數(shù)。
21.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該基板是一介電質(zhì)、布線層、粘結(jié)增進(jìn)劑，及其組合的半導(dǎo)體晶片。
22.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該基板是一半導(dǎo)體晶片，其具有一粘結(jié)增進(jìn)劑層形成于其上。
23.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該拋光終止層是由與掩埋的蝕刻終止層相同的材料所組成的。
24.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該拋光終止層是一旋涂低k無機(jī)或有機(jī)介電質(zhì)。
25.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該金屬導(dǎo)體由鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、銀(Ag)，或其合金所組成。
26.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該金屬導(dǎo)體由銅(Cu)所組成。
27.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括一填充材料，其于該金屬導(dǎo)體的沉積之前，形成于該圖案化的多層旋涂介電質(zhì)的內(nèi)部。
28.如權(quán)利要求27的互連結(jié)構(gòu)，其中該填充材料由氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、鉻(Cr)、鈮(Nb)，或其組合所組成。
29.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中該導(dǎo)體金屬系一導(dǎo)體通路、導(dǎo)體線，或?qū)w通路與線。
30.一種制造低k介電質(zhì)加金屬導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟(a)在基板表面上，形成多層旋涂介電質(zhì)，該多層旋涂介電質(zhì)包含通過掩埋的蝕刻終止層彼此分離的第一與第二多孔低k介電質(zhì)，該第一與第二多孔低k介電質(zhì)具有第一組成，而該掩埋的蝕刻層則具有不同于該第一組成的第二組成；(b)在該多層旋涂介電質(zhì)上形成一硬質(zhì)掩模，該硬質(zhì)掩模至少包含一拋光終止層，與位于該拋光終止層頂部的圖案化層；(c)在該硬質(zhì)掩模中形成一開口，以便暴露該多層旋涂介電質(zhì)的表面；(d)使用該硬質(zhì)掩模作為蝕刻掩模，在該暴露出來的多層旋涂介電質(zhì)表面中，形成一溝槽；(e)用至少一導(dǎo)體材料填充該溝槽；以及(f)將形成于該多層旋涂介電質(zhì)的該拋光終止層上的該導(dǎo)體金屬填充物平面化。
31.如權(quán)利要求30的方法，其中該多層旋涂介電質(zhì)是通過自旋涂布，逐次施加該多層的每一層來形成的，其中在每一旋涂涂布步驟之后，進(jìn)行加熱板烘烤處理步驟，以使旋涂層上殘余的溶劑干燥，而使旋涂層不能溶解。
32.如權(quán)利要求30的方法，其中該多層旋涂介電質(zhì)是在進(jìn)行步驟(a)之后固化的。
33.如權(quán)利要求32的方法，其中該固化是一加熱板烘烤固化步驟，其于約攝氏250度至約攝氏500度的溫度，處理約30至約500秒。
34.如權(quán)利要求32的方法，其中該固化是一電爐固化步驟，其于從約攝氏200度至約攝氏500度的溫度，處理約15分鐘至約3.0小時。
35.如權(quán)利要求30的方法，其中該硬質(zhì)掩模是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)來形成的。
36.如權(quán)利要求30的方法，其中該硬質(zhì)掩模是通過旋涂涂布來形成的。
37.如權(quán)利要求30的方法，其中該硬質(zhì)掩模包括旋涂介電質(zhì)，而固化則發(fā)生于步驟(b)之后。
38.如權(quán)利要求30的方法，其中步驟(d)包含兩個光刻與蝕刻步驟。
39.如權(quán)利要求38的方法，其中該蝕刻步驟包含一干法蝕刻過程，其選自反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)、離子束蝕刻，或等離子體蝕刻。
40.如權(quán)利要求38的方法，其中該蝕刻步驟包括其中使用氟基化學(xué)的反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)。
41.如權(quán)利要求30的方法，其中步驟(d)包含氧，或還原氣體式蝕刻過程。
42.如權(quán)利要求30的方法，其中該溝槽是線、通路，或其組合。
43.如權(quán)利要求30的方法，其中該溝槽填充包含一沉積過程，此一過程選自化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、電鍍、濺射或化學(xué)溶液沉積。
44.如權(quán)利要求30的方法，其中在進(jìn)行步驟(e)之前，于該溝槽中形成填充材料。
45.如權(quán)利要求30的方法，其中步驟(f)包含化學(xué)機(jī)械拋光。
46.如權(quán)利要求30的方法，其中該第一與第二多孔低k介電質(zhì)是有機(jī)介電質(zhì)，而掩埋的蝕刻終止層則是無機(jī)的低k介電質(zhì)材料，或是無機(jī)/有機(jī)混合的材料。
47.如權(quán)利要求46的方法，其中該第一與第二多孔低k有機(jī)介電質(zhì)，在約5至約35％的孔隙體積百分比中，具有約1至約50納米的孔隙尺寸。
48.如權(quán)利要求46的方法，其中該無機(jī)低k介電質(zhì)的掩埋蝕刻終止層是多孔的。
49.如權(quán)利要求48的方法，其中該無機(jī)多孔低k介電質(zhì)蝕刻終止層，在約5至約80％的孔隙體積百分比中，具有約5至約500埃的孔隙尺寸。
50.如權(quán)利要求46的方法，其中該第一與第二多孔低k有機(jī)介電質(zhì)包括碳(C)、氧(O)與氫(H)。
51.如權(quán)利要求50的方法，其中該第一與第二多孔低k有機(jī)介電質(zhì)是芳香族熱固性聚合物樹脂。
52.如權(quán)利要求46的方法，其中該無機(jī)的掩埋蝕刻終止層包括硅(Si)、氧(O)與氫(H)，以及任選地包括碳(C)。
53.如權(quán)利要求52的方法，其中該無機(jī)的掩埋蝕刻終止層包括HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機(jī)硅烷，或任何其它含硅的材料。
54.如權(quán)利要求30的方法，其中該第一與第二多孔低k介電質(zhì)是低k無機(jī)介電質(zhì)，而該掩埋的蝕刻終止層則是有機(jī)的低k介電質(zhì)。
55.如權(quán)利要求54的方法，其中該第一與第二多孔低k無機(jī)介電質(zhì)，在約5至約80％的孔隙體積百分比中，具有約5至約500埃的孔隙尺寸。
56.如權(quán)利要求54的方法，其中該有機(jī)低k介電質(zhì)的掩埋蝕刻終止層是多孔的。
57.如權(quán)利要求56的方法，其中該有機(jī)多孔低k介電質(zhì)的蝕刻終止層，在約5至約35％的孔隙體積百分比中，具有約1至約50納米的孔隙尺寸。
58.如權(quán)利要求56的方法，其中該有機(jī)介電質(zhì)的蝕刻終止層包括碳(C)、氧(O)與氫(H)。
59.如權(quán)利要求58的方法，其中該有機(jī)介電質(zhì)的蝕刻終止層是芳香族熱固性聚合物樹脂。
60.如權(quán)利要求56的方法，其中該第一與第二多孔低k無機(jī)層包括硅(Si)、氧(O)與氫(H)，并選擇性地包括碳(C)。
61.如權(quán)利要求60的方法，其中該第一與第二多孔低k無機(jī)層包括HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機(jī)硅烷，或任何其它含硅的材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不具微溝槽的低k介電質(zhì)金屬半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)與形成該結(jié)構(gòu)的方法。具體來說，上述結(jié)構(gòu)是通過提供一互連結(jié)構(gòu)來獲得的，此一互連結(jié)構(gòu)包括至少一種在單一自旋應(yīng)用工具中持續(xù)施加，然后在單一步驟中固化的多層介電質(zhì)材料，以及多層旋涂介電質(zhì)內(nèi)的多個圖案化的金屬導(dǎo)體。導(dǎo)體電阻的控制是通過使用掩埋的蝕刻終止層來獲得的，此一掩埋的蝕刻終止層具有位于線與多孔低k介電質(zhì)的通路介電質(zhì)層間的第二原子組成，而其中多孔低k介電質(zhì)具有第一原子組成。本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)還包含一種輔助形成雙鑲嵌型的互連結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)掩模。從具有特定原子組成與其它測得值的多孔低k有機(jī)或無機(jī)材料的特定組中，選擇第一與第二組成，以獲得至少10至1，或更高的蝕刻選擇性。
文檔編號H01L23/532GK1505834SQ01822603
公開日2004年6月16日 申請日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者S·M·蓋茨, J·C·赫德里克, S·V·尼塔, S·普魯肖特哈曼, C·S·蒂貝格, S M 蓋茨, 尼塔, 承ぬ毓 , 蒂貝格, 赫德里克 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司