專利名稱：具有精確導(dǎo)體的互連結(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(AISC)以及其他高速集成電路(IC)的互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種低介電常數(shù)(即低k)的互連結(jié)構(gòu)，這種互連結(jié)構(gòu)具有更快的線路速度、精確的導(dǎo)體電阻值和更低的制作成本。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具有更低的有效介電常數(shù)和對金屬布線電阻的更完善的控制。
現(xiàn)有技術(shù)的雙大馬士革互連結(jié)構(gòu)有如下四個典型的主要問題1.銅布線厚度(也就是溝道深度)和電阻率難以控制。
2.低k電介質(zhì)的熱膨脹率系數(shù)(CTE)高，這將最終導(dǎo)致互連結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)過程中失效。
3.低k電介質(zhì)不能承受化學(xué)-機械拋光(CMP)過程。
4.制作該結(jié)構(gòu)的成本高。
在制作現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)的過程中，轉(zhuǎn)化為金屬連線導(dǎo)體厚度的溝道的深度(通過金屬填充和CMP)通常難以控制，而且溝道底部表面也凹凸不平。這在對多孔介質(zhì)進行反應(yīng)式離子蝕刻(RIE)時尤為明顯。通常，利用時控反應(yīng)式離子蝕刻(RIE)過程來蝕刻溝道，以便定時控制溝道深度。對特征尺寸(指溝道寬度)的蝕刻速率總在不停地變化，甚至在同一晶片上的不同部位也不一樣，這勢必導(dǎo)致溝道深度的很大差異，進而導(dǎo)致金屬導(dǎo)體電阻的很大差異。溝道底部的凹凸不平會帶來較高的電容、金屬極間的漏電流、串擾、噪音及功率損耗，最終導(dǎo)致器件性能和可靠性都較差。
解決上述問題的通常方法是增加額外的處理步驟，包括用單獨的等離子增強型化學(xué)汽相淀積(PECVD)設(shè)備淀積一層分離的阻蝕層，而這將導(dǎo)致制作所期望的低k電介質(zhì)銅互連結(jié)構(gòu)的成本的增加。
此外，低k電介質(zhì)銅的雙大馬士革型互連結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)測試過程中的失效，要歸結(jié)于穿孔周圍電介質(zhì)的高CTE。再者，通常所采用的多孔的低k電介質(zhì)不能有效地承受CMP。而現(xiàn)有技術(shù)的多孔的低k電介質(zhì)往往在CMP過程中被剝離和去除。再者，制作現(xiàn)有技術(shù)的阻蝕層所需要的基于真空的PECVD淀積設(shè)備的購買和維護都十分昂貴。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，一直都在要求提供這樣一種新的經(jīng)改進的低k電介質(zhì)，使得它在雙大馬士革型互連結(jié)構(gòu)中能克服上述缺點。
本發(fā)明的另一個目標在于，提供這樣一種互連結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，在多層低k電介質(zhì)疊層中的旋壓式(spin-on)電介質(zhì)層之間埋入一層旋壓埋入阻蝕層。
本發(fā)明的還有一個目的在于，提供這樣一種互連結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，多層低k電介質(zhì)層中的埋入阻蝕層可以在多層電介質(zhì)疊層中的底層旋壓低k電介質(zhì)層與頂層旋壓低k電介質(zhì)層間反應(yīng)并形成共價鍵。
本發(fā)明的還有一個目的在于，提供這樣一種互連結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，埋入阻蝕層同樣可以增強多層電介質(zhì)疊層中的底層旋壓低k電介質(zhì)層與頂層旋壓低k電介質(zhì)層之間的粘合力，從而無需額外添加粘合助聚劑。
本發(fā)明的還有一個目的在于，可以精確地控制互連結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)體的電阻，而無需增加額外的處理步驟和花費。
本發(fā)明的還有一個目的在于，提供一種包括多層低k電介質(zhì)層的互連結(jié)構(gòu)，這些電介質(zhì)層是通過旋壓覆蓋法(spin coating)形成的，從而可以少用昂貴的基于真空的淀積設(shè)備。
在本發(fā)明中，利用在多層低k電介質(zhì)層中的埋入阻蝕層可以獲得所有這些和其他的目的及優(yōu)點，通過引入功能有機硅烷，這層阻蝕層能與底層和頂層低k旋壓電介質(zhì)層進行化學(xué)鍵合，這種有機硅烷含有一些能與多層低k電介質(zhì)層中的電介質(zhì)形成共價鍵的功能團。
具體地說，本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)包括一層襯底，其表面形成有帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層，所述帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合；一層在所述帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層上形成的拋光阻擋層(polish stop layer)；和一些在所述帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層中形成的金屬導(dǎo)電區(qū)。
本發(fā)明還提供了一種多層旋壓電介質(zhì)層，這種多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合。
另一方面，本發(fā)明還包括一種制作上述互連結(jié)構(gòu)的方法。具體地說，本發(fā)明的方法包括以下步驟(a)在襯底表面形成多層旋壓電介質(zhì)層，所述多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且，在后續(xù)的固化處理步驟中，所述埋入阻蝕層能與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合；(b)固化處理所述多層旋壓電介質(zhì)層，其中，在所述固化處理過程中，所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層在進行交聯(lián)反應(yīng)的情況下以共價鍵形式鍵合；(c)在所述固化的多層旋壓電介質(zhì)層上形成硬掩膜層(hardmask)，所述硬掩膜層至少包含一層拋光阻擋層；(d)在所述硬掩膜層上形成一個開口，以便露出一部分所述多層旋壓電介質(zhì)層；(e)在所述多層旋壓電介質(zhì)層的所述露出部分中形成一個溝道；(f)在所述溝道中填充至少一種導(dǎo)電金屬；和(g)將所述拋光阻擋層以上的所述導(dǎo)電金屬磨平。
注意，上述方法涉及本發(fā)明的一種實施方式，其中，硬掩膜層是通過淀積處理法而不是旋壓覆蓋法形成的。當通過旋壓覆蓋形成硬掩膜層時，本發(fā)明的方法應(yīng)采取如下步驟(a)在襯底表面形成多層旋壓電介質(zhì)層，所述多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且，在后續(xù)的固化處理步驟中，所述埋入阻蝕層能與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合；(b)在所述多層旋壓電介質(zhì)層上形成硬掩膜層，所述硬掩膜層至少包含一層拋光阻擋層；(c)固化處理所述硬掩膜層和所述多層旋壓電介質(zhì)層，其中，在所述固化處理過程中，所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層在進行交聯(lián)反應(yīng)的情況下以共價鍵形式鍵合；(d)在所述硬掩膜層上形成一個開口，以便露出一部分所述多層旋壓電介質(zhì)層；(e)在所述多層旋壓電介質(zhì)層的所述露出部分中形成一個溝道；(f)在所述溝道中填充至少一種導(dǎo)電金屬；和(g)將所述拋光阻擋層以上的所述導(dǎo)電金屬磨平。
注意，上述方法比起上一個方法來應(yīng)優(yōu)先考慮，畢竟，這種方法可以只用單個旋壓覆蓋設(shè)備來形成多層旋壓電介質(zhì)層中的各層和硬掩膜層。
先看

圖1A，圖中示出了本發(fā)明所采用的結(jié)構(gòu)的最初形態(tài)。具體地說，圖1A中所示的結(jié)構(gòu)包括襯底10，在襯底表面形成有多層旋壓電介質(zhì)層12。本發(fā)明中所用的多層旋壓電介質(zhì)層的有效介電常數(shù)約為3.5或更小，而有效介電常數(shù)最好是在約1.4到約3.0之間。根據(jù)本發(fā)明，多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層14、埋入阻蝕層16和頂層低k電介質(zhì)層18。
本發(fā)明中所采用的多層旋壓電介質(zhì)層包括具有第一成分的頂層和底層旋壓低k(其值約為3.5或更小)電介質(zhì)層，和具有與第一成分不同的第二成分的埋入阻蝕層。注意，多層中的底層旋壓電介質(zhì)層是用作互連結(jié)構(gòu)的穿孔層，而頂層旋壓電介質(zhì)層是用作互連結(jié)構(gòu)的布線層。本發(fā)明中，埋入阻蝕層具有雙重作用一是它起著普通阻蝕層的作用，二是它為頂層和底層旋壓電介質(zhì)層之間提供更強的粘合力。
本發(fā)明的埋入阻蝕層(將在后面詳述)是由一種能在頂層與底層旋壓電介質(zhì)之間形成共價鍵的材料制成的。利用一種功能有機硅烷可以實現(xiàn)共價鍵合，這種有機硅烷包括一些能與旋壓電介質(zhì)層鍵合的功能團。下面將詳述構(gòu)成本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的有機硅烷埋入阻蝕層以及其他成分。
本發(fā)明中所采用的襯底10可以包括互連結(jié)構(gòu)中常用的任何常規(guī)材料。因此，例如，襯底10可以是電介質(zhì)(層間或?qū)觾?nèi))、布線層、粘合助聚劑、半導(dǎo)體晶片或它們的任意組合。當半導(dǎo)體晶片被用作襯底時，晶片上可以包括形成于其上的各種各樣的電路和/或器件。
然后，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)旋壓覆蓋處理步驟，在襯底10的表面上形成多層旋壓電介質(zhì)層12，在旋壓處理后，對每層都進行熱平板烘烤(hot plate bake)處理，烘烤過程被控制在足以除去旋壓電介質(zhì)層上的殘余溶劑并且部分交聯(lián)電介質(zhì)層的情況下進行。
多層電介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的底層和頂層旋壓電介質(zhì)層是由相同的或不同的低k有機或無機電介質(zhì)構(gòu)成的。這里，術(shù)語“低k”用來表示介電常數(shù)介于約1.1到約3.5之間，有效介電常數(shù)最好是在約1.4到約3.0之間。當采用有機低k電介質(zhì)時，有機電介質(zhì)包括組成元素為C、O和H的化合物。舉例來說，本發(fā)明中可以采用的有機低k電介質(zhì)包括(但并不局限于此)芳香族熱硬化性聚合樹脂，如Dow Chemical公司以SiLK商標出售的樹脂、Honeywell公司以Flare商標出售的樹脂和其它供應(yīng)商提供的類似樹脂，以及其他相似的有機電介質(zhì)。注意，本發(fā)明中所采用的有機電介質(zhì)可以是多孔的也可以不是多孔的。當采用多孔的低k有機電介質(zhì)時，多孔的有機電介質(zhì)的孔徑可以不同，但一般采用的是孔徑在約1nm到約50nm而孔穴體積占約5％到約35％的有機電介質(zhì)。同樣，底層電介質(zhì)層(穿孔層)可以是無孔的，而頂層電介質(zhì)層(布線層)可以是多孔的。
當?shù)讓雍晚攲有龎弘娊橘|(zhì)層由無機電介質(zhì)層構(gòu)成時，無機電介質(zhì)層通常包括Si、O和H以及可選擇的C。本發(fā)明中可以采用的一種無機電介質(zhì)的一個例子是倍半硅氧烷氫(silsesquioxane)HOSP(Honeywell公司出售的一種含硅無機電介質(zhì))。本發(fā)明中可以采用的其它類型的無機電介質(zhì)包括(但并不局限于此)甲基倍半硅氧烷(MSQ)、四乙基原硅烷(TEOS)、氫倍半硅氧烷(HSQ)、MSQ-HSQ、有機硅烷和其他任何含硅材料。本發(fā)明慎重采用多孔或無孔的無機電介質(zhì)。盡管無機旋壓電介質(zhì)的孔徑對本發(fā)明而言并不重要，但本發(fā)明中所采用的無機旋壓電介質(zhì)的孔徑一般應(yīng)介于約5到約500之間，而孔穴體積占約5％至約80％，孔徑最好是約10到約200，而孔穴體積最好是占約10％至約50％。
在本發(fā)明的一種實施方式中，最好采用有機電介質(zhì)制作多層結(jié)構(gòu)中的頂層和底層。在該實施方式中，最好采用多孔有機頂層電介質(zhì)。
在本發(fā)明的另一種實施方式中，頂層和底層旋壓電介質(zhì)層都由無機電介質(zhì)(多孔或無孔)構(gòu)成。在本發(fā)明的還有一種實施方式中，頂層低k電介質(zhì)采用有機電介質(zhì)，而底層低k電介質(zhì)采用無機電介質(zhì)?；蛘撸部砂延袡C電介質(zhì)用作底層低k電介質(zhì)，而把無機電介質(zhì)用作頂層低k電介質(zhì)。
本發(fā)明中所采用的多層旋壓電介質(zhì)層還包含夾在底層和頂層低k電介質(zhì)層間的埋入阻蝕層。本發(fā)明中所用的這層埋入阻蝕層是采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)旋壓覆蓋處理過程所制成的。根據(jù)本發(fā)明，埋入阻蝕層是由一種在后續(xù)固化處理步驟中能與底層和頂層低k電介質(zhì)層形成共價鍵的材料所制成的。注意，這層埋入阻蝕層還可以增強底層和頂層低k電介質(zhì)層的粘合力。具體地說，本發(fā)明中所采用的該埋入阻蝕層包括的有機硅烷具有如下結(jié)構(gòu)式 其中，X是能夠發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)或自由基反應(yīng)的可聚合團，它可以是烯烴、亞降冰片烯基、乙烯基或炔基；R1和R2可以相同也可以不同，它們可以是H、烷基、烷氧基、烷基酯、烯基、炔基、芳香基或環(huán)烷基；R3可以是烷基或-C(O)R4基，其中R4是烷基；a和b可以是0、1或2，它們可以相同也可不同，而y取自1-3，這里a+b+y的和應(yīng)等于3。
在本發(fā)明中，可以采用各種各樣的烷氧基硅烷化合物，比如乙烯基三烷氧基硅烷，烯丙基三烷氧基硅烷，乙烯基二苯基烷氧基硅烷，降冰片烯基三烷氧基硅烷和三乙烯基三烷氧基硅烷。一些具體的例子包括乙烯基三乙酰氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，丙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基二苯基乙氧基硅烷，降冰片烯基三乙氧基硅烷和三乙烯基三乙氧基硅烷。在本發(fā)明中可以采用的各種烷氧基硅烷化合物中，最好使用乙烯基三烷氧基硅烷，比如乙烯基三乙酰氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基二苯基乙氧基硅烷。在這些乙烯基三烷氧基硅烷中，尤為推薦使用乙烯基三乙酰氧基硅烷。
如果不希望被任何理論所束縛的話，可以這么認為在隨后的固化處理步驟中，旋壓有機硅烷首先進行水解反應(yīng)，其中R基團從有機硅烷中被移去，然后，XSi(OH)3功能團發(fā)生單聚合反應(yīng)(或縮合反應(yīng))形成SiO1.5X鏈網(wǎng)。X功能團也同樣可以進行自由基或Diels-Alder反應(yīng)，從而與底層和頂層低k電介質(zhì)形成共價鍵。
在底層低k電介質(zhì)層上加上埋入阻蝕層后，通常進行一次熱平板烘烤處理以除去殘余溶劑并部分交聯(lián)阻蝕層，從而使其不溶解，然后在它上面形成頂層旋壓電介質(zhì)層。通常，在本發(fā)明中，埋入阻蝕層是用含固體溶質(zhì)為約1.0％到約10％的溶液制成的。
根據(jù)本發(fā)明，多層旋壓電介疊質(zhì)層中的底層旋壓電介質(zhì)層的厚度為約500到約10000，厚度最好選用約900到約3000。本發(fā)明的多層旋壓電介疊質(zhì)層中的埋入阻蝕層的厚度通常為約25到約1500，厚度最好選用約100到約300。至于頂層旋壓電介質(zhì)層，其厚度通常為約500到約10000，厚度最好選用約1000到約3000。
此時，可以對包含頂層和底層旋壓電介質(zhì)層及有機硅烷埋入阻蝕層的多層旋壓電介質(zhì)層進行固化處理了，或者，如果硬掩膜層也是由旋壓電介質(zhì)制成的話，那么，多層電介質(zhì)層和硬掩膜層可以在同一固化處理步驟中進行固化。最好選用后一種實施方式，因為這可以減少整個過程中的處理步驟。下面介紹的固化處理條件同樣適用于先固化后形成硬掩膜層的實施方式。
在構(gòu)造完圖1A中所示的結(jié)構(gòu)后，在多層旋壓電介質(zhì)層的最表層也就是頂層旋壓介電質(zhì)層18上形成硬掩膜層20。根據(jù)本發(fā)明，硬掩膜層20至少包括拋光阻擋層22和蝕刻圖案層24。圖1B中所示的硬掩膜層可以通過常規(guī)PECVD過程形成，或者最好是硬掩膜層20中的每層都用旋壓覆蓋法形成。最好采用旋壓覆蓋法形成各層，因為這可以減少在整個過程中所用的淀積設(shè)備數(shù)，從而也就降低了總制作成本。另外，盡管圖示中只描繪了硬掩膜層中的兩層，然而硬掩膜層可以包含不止兩層。
制作硬掩膜層所采用的材料可以不同，這取決于它們相對于與其緊鄰的下面一層的蝕刻選擇性。例如，本發(fā)明中所采用的蝕刻圖案層其材料相對于它下面的拋光阻擋層要有較高的蝕刻選擇性(約為10∶1或更高)。另一方面，拋光阻擋層的材料相對于它下面的頂層旋壓電介質(zhì)層也要有較高的蝕刻選擇性，同時其介電常數(shù)又不能明顯增大多層旋壓電介質(zhì)層的有效介電常數(shù)。
相應(yīng)地，蝕刻圖案層可以包括有機或無機電介質(zhì)，而拋光阻擋層可以包括無機或有機電介質(zhì)。每一層的確切屬性首先取決于頂層旋壓低k電介質(zhì)層，然后取決于拋光阻擋層。例如，如果頂層旋壓電介質(zhì)是有機電介質(zhì)，那么阻蝕層通常是無機電介質(zhì)而蝕刻圖案層通常用有機電介質(zhì)層構(gòu)成。硬掩膜層中每層的厚度可以不同，這對本發(fā)明而言并不重要。不過，蝕刻圖案層的厚度一般為約100到約3000，而拋光阻擋層的厚度一般為約100到約1000在制成硬掩膜層后，就可以將硬掩膜層(即拋光阻擋層和蝕刻圖案層)以及它下面的多層旋壓電介質(zhì)層一起進行一次固化處理，該固化處理步驟在本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)條件下進行。如果所有的電介質(zhì)層都是由旋壓電介質(zhì)制成的，則僅需一次固化處理。固化處理步驟可以包括熱平板烘烤或爐烘。在本發(fā)明中，最好選用爐烘固化處理步驟。盡管固化處理的條件可能不同，但熱平板烘烤一般是在約250℃到約500℃的溫度下烘烤約30秒到約500秒，而爐烘一般是在約200℃到約500℃的溫度下烘烤約15分鐘到約3個小時。再強調(diào)一下，如果硬掩膜層不是由旋壓電介質(zhì)制成的話，那么可以先進行固化再進行硬掩膜層淀積。此外，由于最好采用旋壓式硬掩膜層，因此，附圖和后續(xù)描述都是針對這種實施方式的。注意，盡管如此，這些附圖及后續(xù)描述同樣適用于那些不是旋壓覆蓋法制成的硬掩膜層。
經(jīng)固化處理的各層如圖1C所示，它們被標記為經(jīng)固化處理的多層旋壓電介質(zhì)層12′，它包括經(jīng)固化處理的頂層旋壓電介質(zhì)層18′、經(jīng)固化處理的埋入阻蝕層16′和經(jīng)固化處理的底層旋壓電介質(zhì)層14′；和經(jīng)固化處理的硬掩膜層20′，它包括經(jīng)固化處理的拋光阻擋層22′和經(jīng)固化處理的蝕刻圖案層24′。注意，在固化過程中，埋入阻蝕層與底層和頂層旋壓低k電介質(zhì)層之間形成了共價鍵。在固化處理完多層旋壓電介質(zhì)層和可選的硬掩膜層之后，再對圖1C所示的結(jié)構(gòu)進行第一平版印刷術(shù)處理和蝕刻處理，從而在經(jīng)固化處理的蝕刻圖案層24′上形成一個開口26，如圖1D中所示。具體地說，圖1D中所示的結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過程如下首先，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)淀積過程，在經(jīng)固化處理的蝕刻圖案層上形成一層用來對蝕刻圖案層繪制圖案的光刻膠(圖中未示出)。然后，將光刻膠暴露在圖案化的射線下，此后再使用常規(guī)的抗蝕顯影劑在光刻膠上顯影出該圖案。
在顯影出抗蝕圖案后，在硬掩膜層上形成開口26，以便暴露出一部分下面的拋光阻擋層。具體地說，該開口是通過常規(guī)干蝕處理方法獲得的，干蝕處理方法包括(但并不局限于此)反應(yīng)式離子蝕刻法(RIE)、等離子蝕刻法和離子束蝕刻法。在這些不同的干蝕法中，最好采用含有氟基化學(xué)反應(yīng)的RIE。經(jīng)過這一蝕刻步驟之后，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)剝離過程，從該結(jié)構(gòu)體上剝?nèi)ダL有圖案的光刻膠。圖1D示出了通過第一次平版印刷術(shù)處理和蝕刻處理步驟后得到的最終結(jié)構(gòu)。
從結(jié)構(gòu)體上剝?nèi)ス饪棠z之后，將一層新的光刻膠(未示出)覆蓋在圖1D中所示的結(jié)構(gòu)上。接著，再對這層新的光刻膠進行第一平版印刷術(shù)處理和蝕刻處理，從而在該結(jié)構(gòu)體上提供第二個開口28，以暴露出一部分經(jīng)固化處理的多層旋壓電介質(zhì)層12′的表面。第二次蝕刻步驟包括上述干蝕處理過程之一。在這些不同的干蝕法中，最好采用含有氟基化學(xué)反應(yīng)的RIE。在完成了暴露出經(jīng)固化處理的多層旋壓電介質(zhì)層的第二次蝕刻處理之后，利用常規(guī)剝離過程從該結(jié)構(gòu)體上剝?nèi)サ诙庸饪棠z，最終結(jié)構(gòu)如圖1E中所示。
圖1F示出了在硬掩膜層上形成的蝕刻圖案轉(zhuǎn)印到多層旋壓電介質(zhì)層上之后的結(jié)構(gòu)。具體地說，在多層旋壓電介質(zhì)層上形成溝道30的蝕刻圖案轉(zhuǎn)印步驟，是利用包括氧化或還原化學(xué)反應(yīng)的干蝕法來實現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明，溝道30可以是穿孔也可以是連線，或者既是穿孔又是連線。
在蝕刻圖案轉(zhuǎn)印到多層旋壓電介質(zhì)層上以后，將溝道填充上導(dǎo)電金屬34并磨平，從而得到如圖1G中所示的結(jié)構(gòu)。在填充導(dǎo)電金屬之前，可在溝道中形成一層襯墊材料32(這是可選的步驟，但最好采用這一步驟)。本文中，術(shù)語“導(dǎo)電金屬”是指互連結(jié)構(gòu)中常用的鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、銀(Ag)以及其它類似金屬中的一種。這里，也可以采用這些導(dǎo)電金屬的合金，比如AL-Cu合金。在本發(fā)明中，最好選用金屬銅。在溝道中填充金屬時，可采用常規(guī)淀積處理方法，比如化學(xué)汽相淀積法(CVD)、等離子輔助CVD、電鍍法、濺鍍法、化學(xué)溶劑淀積法和其它類似的淀積處理法。
本發(fā)明所使用的可選襯墊材料包括任何能夠阻止導(dǎo)電金屬擴散到電介質(zhì)層的材料。這種襯墊的一些例子包括(但并不局限于此)TiN、TaN、Ti、Ta、W、WN、Cr、Nb和其它類似的材料以及它們的化合物。這層襯墊材料可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)淀積處理方法來形成，這些方法包括CVD、等離子輔助CVD、濺鍍法、電鍍法和化學(xué)溶劑淀積法。
將溝道填充完導(dǎo)電金屬后，再對整個結(jié)構(gòu)進行常規(guī)打磨處理，比如化學(xué)-機械拋光處理(CMP)，以除去拋光阻擋層以上的所有導(dǎo)電金屬。注意，打磨處理步驟還從結(jié)構(gòu)體上除去了硬掩膜層中的蝕刻圖案層而不是拋光阻擋層。拋光阻擋層保留在了結(jié)構(gòu)體的表面。因此，有必要選擇一種其介電常數(shù)相對較低的拋光阻擋層，以便不至于增大互連結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)。
在本發(fā)明的這些處理步驟之后，可以通過反復(fù)執(zhí)行本發(fā)明的這些步驟，在圖1F所示的結(jié)構(gòu)上形成另外的穿孔和布線層。這樣，本發(fā)明的方法就可以用來制出其中含有一層或多層布線和穿孔層的互連結(jié)構(gòu)。
盡管在這里依據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式具體展示和描述了本發(fā)明，然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以理解，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的前提下，可以作出形式上和細節(jié)上的上述變化和其它變化。因此，本發(fā)明并不局限于這里所述和所示的具體形式和細節(jié)，而在于附屬權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種互連結(jié)構(gòu)，包括一層襯底，其表面形成有帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層，所述帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合；一層在所述帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層上形成的拋光阻擋層；和一些在所述帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層中形成的金屬導(dǎo)電區(qū)。
2.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層是由相同的或不同的電介質(zhì)材料構(gòu)成的，所述電介質(zhì)材料是低k有機或無機電介質(zhì)中的一種。
3.權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述低k有機電介質(zhì)包括C、O和H。
4.權(quán)利要求3的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述低k有機電介質(zhì)是一種芳香族熱硬化性聚合材料。
5.權(quán)利要求2的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述無機電介質(zhì)包括Si、O和H以及可選擇的C。
6.權(quán)利要求5的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述無機電介質(zhì)是HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機硅烷或其他任何含硅材料。
7.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)均由有機電介質(zhì)材料構(gòu)成。
8.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)是多孔或無孔的。
9.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述埋入阻蝕層由一種旋壓有機硅烷構(gòu)成。
10.權(quán)利要求9的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述旋壓有機硅烷具有如下結(jié)構(gòu)式 其中，X是能夠發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)或自由基反應(yīng)的可聚合團，它可以是烯烴、亞降冰片烯基、乙烯基或炔基；R1和R2可以相同也可以不同，它們可以是H、烷基、烷氧基、烷基酯、烯基、炔基、芳香基或環(huán)烷基；R3可以是烷基或-C(O)R4基，其中R4是烷基；a和b可以是0、1或2，它們可以相同也可不同，而y取值1-3，這里a+b+y的和應(yīng)等于3。
11.權(quán)利要求10的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述旋壓有機硅烷是乙烯基三烷氧基硅烷，烯丙基三烷氧基硅烷，乙烯基二苯基烷氧基硅烷，降冰片烯基三烷氧基硅烷或三乙烯基三烷氧基硅烷。
12.權(quán)利要求11的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述旋壓有機硅烷是乙烯基三乙酰氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，丙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基二苯基乙氧基硅烷，降冰片烯基三乙氧基硅烷或三乙烯基三乙氧基硅烷。
13.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拋光阻擋層由低k旋壓無機或有機電介質(zhì)構(gòu)成。
14.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底是電介質(zhì)、粘合助聚劑、半導(dǎo)體晶片或它們的任意組合。
15.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬導(dǎo)電區(qū)包括至少一種導(dǎo)電金屬，導(dǎo)電金屬選自Al、W、Cu、Ag以及這些導(dǎo)電金屬的合金。
16.權(quán)利要求15的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬是Cu。
17.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬導(dǎo)電區(qū)還包括襯墊材料。
18.權(quán)利要求17的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯墊材料選自TaN、TiN、Ta、Ti、W、WN、Cr、Nb和這些材料的組合。
19.權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬導(dǎo)電區(qū)可以包括穿孔、連線，或者是穿孔和連線的組合。
20.一種用于制作互連結(jié)構(gòu)的多層旋壓電介質(zhì)層，所述多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合。
21.一種用于制作互連結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟(a)在襯底表面形成多層旋壓電介質(zhì)層，所述多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且，在后續(xù)的固化處理步驟中，所述埋入阻蝕層能與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合；(b)固化處理所述多層旋壓電介質(zhì)層，其中，在所述固化處理過程中，所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層在進行交聯(lián)反應(yīng)的情況下以共價鍵形式鍵合；(c)在所述固化的多層旋壓電介質(zhì)層上形成硬掩膜層，所述硬掩膜層至少包含一層拋光阻擋層；(d)在所述硬掩膜層上形成一個開口，以便露出一部分所述多層旋壓電介質(zhì)層；(e)在所述多層旋壓電介質(zhì)層的所述露出部分中形成一個溝道；(f)在所述溝道中填充至少一種導(dǎo)電金屬；和(g)將所述拋光阻擋層以上的所述導(dǎo)電金屬磨平。
22.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，步驟(a)包括后續(xù)的旋壓覆蓋處理步驟，隨后，以足以除去所述旋壓層上的殘余溶劑并且部分交聯(lián)所述旋壓層的溫度進行熱平板烘烤處理。
23.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層是由相同的或不同的電介質(zhì)材料構(gòu)成的，所述電介質(zhì)材料選自低k有機或無機電介質(zhì)。
24.權(quán)利要求23的方法，其特征在于，所述低k有機電介質(zhì)包括C、O和H。
25.權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述低k有機電介質(zhì)是一種芳香族熱硬化性聚合材料。
26.權(quán)利要求23的方法，其特征在于，所述無機電介質(zhì)包括Si、O和H以及可選擇的C。
27.權(quán)利要求26的方法，其特征在于，所述無機電介質(zhì)是HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機硅烷或其他任何含硅材料。
28.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)均由有機電介質(zhì)材料構(gòu)成。
29.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)是多孔或無孔的。
30.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述埋入阻蝕層由一種旋壓有機硅烷構(gòu)成。
31.權(quán)利要求30的方法，其特征在于，所述旋壓有機硅烷具有如下結(jié)構(gòu)式 其中，X是能夠發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)或自由基反應(yīng)的可聚合團，它可以是烯烴、亞降冰片烯基、乙烯基或炔基；R1和R2可以相同也可以不同，它們可以是H、烷基、烷氧基、烷基酯、烯基、炔基、芳香基或環(huán)烷基；R3可以是烷基或-C(O)R4基，其中R4是烷基；a和b可以是0、1或2，它們可以相同也可不同，而y取值1-3，這里a+b+y的和應(yīng)等于3。
32.權(quán)利要求31的方法，其特征在于，所述旋壓有機硅烷是乙烯基三烷氧基硅烷，烯丙基三烷氧基硅烷，乙烯基二苯基烷氧基硅烷，降冰片烯基三烷氧基硅烷或三乙烯基三烷氧基硅烷。
33.權(quán)利要求32的方法，其特征在于，所述旋壓有機硅烷是乙烯基三乙酰氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，丙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基二苯基乙氧基硅烷，降冰片烯基三乙氧基硅烷或三乙烯基三乙氧基硅烷。
34.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述固化處理步驟是一種熱平板烘烤過程，該過程的操作是在約250℃到約500℃的溫度下烘烤約30秒到約500秒。
35.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述固化處理步驟是一種爐烘過程，該過程的操作是在約200℃到約500℃的溫度下烘烤約15分鐘到約3個小時。
36.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述硬掩膜層是通過等離子增強型化學(xué)汽相淀積過程形成的。
37.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，步驟(d)包括兩次平版印刷術(shù)處理和蝕刻處理步驟。
38.權(quán)利要求37的方法，其特征在于，所述蝕刻處理步驟包括反應(yīng)式離子蝕刻(RIE)處理、離子束蝕刻處理和等離子蝕刻處理。
39.權(quán)利要求38的方法，其特征在于，所述蝕刻處理是含有氟基化學(xué)反應(yīng)的RIE。
40.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，步驟(e)包括具有氧化或還原化學(xué)反應(yīng)的蝕刻步驟。
41.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，在用所述導(dǎo)電金屬填充所述溝道之前，可在溝道表面形成一層襯墊材料。
42.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬是Cu。
43.權(quán)利要求21的方法，其特征在于，步驟(g)包括化學(xué)-機械拋光處理。
44.一種用于制作互連結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟(a)在襯底表面形成多層旋壓電介質(zhì)層，所述多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層，其中，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分，而所述埋入阻蝕層具有與所述第一成分不同的第二成分，并且，在后續(xù)的固化處理步驟中，所述埋入阻蝕層能與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合；(b)在所述多層旋壓電介質(zhì)層上形成硬掩膜層，所述硬掩膜層至少包含一層拋光阻擋層；(c)固化處理所述硬掩膜層和所述多層旋壓電介質(zhì)層，其中，在所述固化處理過程中，所述埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層在進行交聯(lián)反應(yīng)的情況下以共價鍵形式鍵合；(d)在所述硬掩膜層上形成一個開口，以便露出一部分所述多層旋壓電介質(zhì)層；(e)在所述多層旋壓電介質(zhì)層的所述露出部分中形成一個溝道；(f)在所述溝道中填充至少一種導(dǎo)電金屬；和(g)將所述拋光阻擋層以上的所述導(dǎo)電金屬磨平。
45.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，步驟(a)包括后續(xù)的旋壓覆蓋處理步驟，隨后，以足以除去所述旋壓層上的殘余溶劑或部分交聯(lián)旋壓層的溫度進行熱平板烘烤處理。
46.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)層是由相同的或不同的電介質(zhì)材料構(gòu)成的，所述電介質(zhì)材料選自低k有機或無機電介質(zhì)。
47.權(quán)利要求46的方法，其特征在于，所述低k有機電介質(zhì)包括C、O和H。
48.權(quán)利要求47的方法，其特征在于，所述低k有機電介質(zhì)是一種芳香族熱硬化性聚合材料。
49.權(quán)利要求46的方法，其特征在于，所述無機電介質(zhì)包括Si、O和H以及可選擇的C。
50.權(quán)利要求49的方法，其特征在于，所述無機電介質(zhì)是HOSP、MSQ、TEOS、HSQ、MSQ-HSQ共聚物、有機硅烷或其他任何含硅材料。
51.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)均由有機電介質(zhì)材料構(gòu)成。
52.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述底層和頂層低k電介質(zhì)是多孔或無孔的。
53.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述埋入阻蝕層由一種旋壓有機硅烷構(gòu)成。
54.權(quán)利要求53的方法，其特征在于，所述旋壓有機硅烷具有如下結(jié)構(gòu)式 其中，X是能夠發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)或自由基反應(yīng)的可聚合團，它可以是烯烴、亞降冰片烯基、乙烯基或炔基；R1和R2可以相同也可以不同，它們可以是H、烷基、烷氧基、烷基酯、烯基、炔基、芳香基或環(huán)烷基；R3可以是烷基或-C(O)R4基，其中R4是烷基；a和b可以是0、1或2，它們可以相同也可不同，而y取值1-3，這里a+b+y的和應(yīng)等于3。
55.權(quán)利要求54的方法，其特征在于，所述旋壓有機硅烷是乙烯基三烷氧基硅烷，烯丙基三烷氧基硅烷，乙烯基二苯基烷氧基硅烷，降冰片烯基三烷氧基硅烷或三乙烯基三烷氧基硅烷。
56.權(quán)利要求55的方法，其特征在于，所述旋壓有機硅烷是乙烯基三乙酰氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，丙烯基三甲氧基硅烷，乙烯基二苯基乙氧基硅烷，降冰片烯基三乙氧基硅烷或三乙烯基三乙氧基硅烷。
57.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述固化處理步驟是一種熱平板烘烤過程，該過程的操作是在約250℃到約500℃的溫度下烘烤約30秒到約500秒。
58.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述固化處理步驟是一種爐烘過程，該過程的操作是在約200℃到約500℃的溫度下烘烤約15分鐘到約3個小時。
59.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述硬掩膜層是通過旋壓覆蓋處理形成的。
60.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，步驟(d)包括兩次平版印刷術(shù)處理和蝕刻處理步驟。
61.權(quán)利要求60的方法，其特征在于，所述蝕刻處理步驟包括反應(yīng)式離子蝕刻(RIE)處理、離子束蝕刻處理和等離子蝕刻處理。
62.權(quán)利要求61的方法，其特征在于，所述蝕刻處理是含有氟基化學(xué)反應(yīng)的RIE。
63.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，步驟(e)包括具有氧化或還原化學(xué)反應(yīng)的蝕刻步驟。
64.權(quán)利要44的方法，其特征在于，在用所述導(dǎo)電金屬填充所述溝道之前，可在溝道表面形成一層襯墊材料。
65.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬是Cu。
66.權(quán)利要求44的方法，其特征在于，步驟(g)包括化學(xué)-機械拋光處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層的互連結(jié)構(gòu)及用于制作該互連結(jié)構(gòu)的方法。這種互連結(jié)構(gòu)包括在一個襯底表面上形成的帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層。該帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層包括底層低k電介質(zhì)層、埋入阻蝕層和頂層低k電介質(zhì)層,其中,底層和頂層低k電介質(zhì)層具有第一成分,所述埋入阻蝕層具有與第一成分不同的第二成分,且該埋入阻蝕層與所述頂層和底層低k電介質(zhì)層以共價鍵形式鍵合。該互連結(jié)構(gòu)還包括一層在帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層上形成的拋光阻擋層;和一些在帶有蝕刻圖案的多層旋壓電介質(zhì)層中形成的金屬導(dǎo)電區(qū)。共價鍵合用一種有機硅烷實現(xiàn),該有機硅烷包括一些能與頂層和底層電介質(zhì)層鍵合的功能團。
文檔編號H01L21/316GK1373512SQ0210529
公開日2002年10月9日 申請日期2002年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者斯蒂芬·M.·蓋茨, 杰弗里·C.·罕德里克, 薩特亞納拉雅納·V.·尼塔, 山帕施·珀舍沙曼, 克里斯蒂·S.·蒂伯格 申請人:國際商業(yè)機器公司