專利名稱：雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種制造半導(dǎo)體導(dǎo)電元件的方法，特別是有關(guān)于一種雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路中元件密度的增加，元件的體積越來(lái)越小、線的寬度也越來(lái)越窄，因此對(duì)于良好線路連接的需求也越來(lái)越大。同時(shí)，隨著集成電路制造的快速發(fā)展，后段制造進(jìn)入深次微米元件領(lǐng)域，后段制造(back-end-of-line，BEOL)愈來(lái)愈受到重視，它們整合了愈來(lái)愈多含接觸孔栓塞的鑲嵌內(nèi)連線的雙鑲嵌(dual-damascene)內(nèi)連線技術(shù)，以進(jìn)行先進(jìn)的金屬內(nèi)連線接合作業(yè)。然而，金屬內(nèi)連線所造成的RC延遲嚴(yán)重影響元件操作的速度。改善RC延遲的方法可以采用低介電常數(shù)(low-k dielectricmaterials)的材料作為多層金屬內(nèi)連線之間的絕緣層，借以降低金屬層之間的寄生電容大小，增加金屬內(nèi)連線密度；另一個(gè)可行的方法是選用高導(dǎo)電率的金屬材料。
即使傳統(tǒng)的內(nèi)連線連接已足以應(yīng)用于許多元件上，然而對(duì)極高密度的集成電路而言，細(xì)且長(zhǎng)的導(dǎo)線的每單位長(zhǎng)度的電阻仍會(huì)變得意外的高，使得高導(dǎo)電率的線路連結(jié)元件的表現(xiàn)受到限制。
鋁在短且寬的導(dǎo)電特性上可作為理想的金屬內(nèi)連線，然而在細(xì)且長(zhǎng)的導(dǎo)線的應(yīng)用上其電阻就會(huì)太高。此外，鎢亦常作為金屬內(nèi)連線，但在制造技術(shù)上，將鎢填于小的介電層接觸孔隙中卻很困難。
早期IC制造不愿采用銅作為金屬連接線是因?yàn)殂~的擴(kuò)散系數(shù)很高，其與硅或二氧化硅接觸后會(huì)很快擴(kuò)散到基材，產(chǎn)生深層能階的問(wèn)題。此外銅本身易氧化，在低溫下易與其它材料反應(yīng)，以及銅缺乏有效的干式蝕刻技術(shù)，這些原因限制銅金屬的發(fā)展。但是隨著材料與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種擴(kuò)散障礙層不斷被研究，鑲嵌式金屬化制程以及銅化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)的成功，使這些問(wèn)題得以解決。
基于上述限制，公知鑲嵌式金屬化制造是使用兩道微影及蝕刻制造過(guò)程，以制成含接觸孔栓塞的鑲嵌式金屬內(nèi)連線，步驟較為繁復(fù)，且于兩道微影及蝕刻制造過(guò)程之間會(huì)有光阻殘留的問(wèn)題，致使制造成本增加。
圖1A、圖1B、圖1C、圖1D和圖1E顯示了公知鑲嵌式內(nèi)連線的制作方法如圖1A所示，提供一形成有第一金屬層11的半導(dǎo)體基底10，形成一第一介電層12于上述半導(dǎo)體基底10上，之后形成一蝕刻停止層13于第一介電層12上。
如圖1B所示，形成一第二介電層14于蝕刻停止層13上，然后形成具接觸孔開口圖案的第一光阻層15，并以第一光阻層15為罩幕，依序蝕刻第二介電層14、蝕刻停止層13、以及第一介電層12，以形成接觸孔開口16。
如圖1C所示，接著形成具內(nèi)連線開口圖案的第二光阻層17，并以第二光阻層17為罩幕，蝕刻第二介電層14，形成內(nèi)連線開口18與雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)19。
如圖1D和圖1E所示，形成第二金屬層20于介電層14上并填入已形成的接觸孔開口19及內(nèi)連線開口18。將第二金屬層20平坦化，將多出的金屬層磨平，露出第二介電層14，以形成想要的含接觸孔栓塞的雙鑲嵌內(nèi)連線21。
在上述傳統(tǒng)制程中，由于接觸孔開口及內(nèi)連線開口于不同蝕刻步驟中形成，因此需要額外的蝕刻停止層，此蝕刻停止層乃由高介電系數(shù)的材料所構(gòu)成，形成于介電層之間，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層介電層的寄生電容增加，進(jìn)而使元件在運(yùn)作時(shí)的RC延遲增加。
美國(guó)專利第6498092號(hào)揭示三種形成含接觸孔栓塞的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的方法，分別為先接觸孔開口蝕刻、先內(nèi)連線開口蝕刻、以及接觸孔開口與內(nèi)連線開口同時(shí)蝕刻的方法。然而這三種方法皆需使用蝕刻停止層，無(wú)法完全避免內(nèi)層介電層間寄生電容的增加，而使元件在運(yùn)作時(shí)的RC延遲增加。
美國(guó)專利第6271593號(hào)亦揭示一種由高導(dǎo)電率金屬材料所制造的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的方法，然而其使用了多層介電層增加了制造的復(fù)雜度，致使制造成本增加。再者，其利用高介電系數(shù)的介電層作為蝕刻停止層，亦無(wú)法避免元件在運(yùn)作時(shí)RC延遲的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制造方法，該制造方法可簡(jiǎn)化制造步驟，降低制造成本。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用本發(fā)明的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的制造方法，可避免元件在運(yùn)作時(shí)的RC延遲問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，包括下列步驟提供一形成有介電層的半導(dǎo)體基底，之后形成一具有接觸孔開口圖案的第一光阻層于上述介電層上，然后再形成一犧牲層于第一光阻層上，且填入上述接觸孔開口圖案，形成一具有內(nèi)連線圖案的第二光阻層于犧牲層上，且第二光阻層露出接觸孔開口圖案上方的犧牲層，再以第二光阻層為罩幕蝕刻犧牲層，以將內(nèi)連線開口圖案轉(zhuǎn)移至犧牲層。再以第二光阻層為罩幕，依序蝕刻第一光阻層與介電層，以將內(nèi)連線開口圖案轉(zhuǎn)移至介電層，形成一內(nèi)連線開口，并沿接觸孔開口圖案蝕刻介電層，以于介電層中形成接觸孔開口。最后形成一導(dǎo)電層于已形成內(nèi)連線開口圖案及接觸孔開口圖案的介電層上，以及將導(dǎo)電層平坦化，露出介電層，以形成雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，介電層材料是由包括二氧化硅(SiO2)、硼硅玻璃(borosilicate glass；BSG)、硼磷硅玻璃(borophosphatesilicate glass；BPSG)、氟摻雜玻璃(fluorosilicate glass；FSG)或四乙氧基硅酸鹽(tetraethyl-ortho-silicate；TEOS)其中任一單層或多層材料所制成。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，第一及第二光阻層為含硅光阻(chemically amplified silicon resist)，或深紫外線光阻(DUV photoresist)，亦可為不同的光阻材料。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，犧牲層較佳是由I-線光阻(I-line resist)或其它適合的材料所構(gòu)成，例如非感光性光阻(non-photosensitive resist)。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，通過(guò)蝕刻工藝參數(shù)調(diào)變所述兩個(gè)光阻層蝕刻速率與犧牲層蝕刻速率的比率，調(diào)整內(nèi)連線開口的深度。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，在蝕刻犧牲層及第一光阻層時(shí)，該介電層的蝕刻速率與第一光阻層的蝕刻速率相當(dāng)。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，該犧牲層的蝕刻速率比所述兩個(gè)光阻層的蝕刻速率高，其蝕刻速率比例為5-15∶1。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其進(jìn)一步包括下列步驟形成一導(dǎo)電層于該介電層上，并填入該接觸孔開口及內(nèi)連線開口內(nèi)；以及平坦化該導(dǎo)電層，露出內(nèi)層介電層，以形成鑲嵌式金屬內(nèi)連線及接觸孔栓塞。
所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，該導(dǎo)電層為金、銅、銀、鋁、及鎢其中任一或其合金材料所制成。
本發(fā)明的有益效果在于提供一種雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制造方法，以制成含接觸孔栓塞的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的結(jié)構(gòu)。此外本發(fā)明還提供了一種使用三層光阻的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線制造方法，可簡(jiǎn)化制造步驟，降低制造成本，同時(shí)，本發(fā)明提供一種不需蝕刻停止層的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線制造方法，可避免介電層間的寄生電容增加，進(jìn)而降低使元件在運(yùn)作時(shí)RC的延遲。


圖1A是公知鑲嵌式金屬化制作方法的布置剖面圖；圖1B是公知形成接觸孔開口的布置剖面圖；圖1C是公知形成含接觸孔開口的雙鑲嵌式開口的布置剖面圖；圖1D是公知形成第二金屬層于介電層上并填入接觸孔開口及內(nèi)連線開口的布置剖面圖；圖1E是公知平坦化后的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的布置剖面圖；圖2A是本發(fā)明的較佳實(shí)施例的形成鑲嵌式金屬化制作方法的布置剖面圖；圖2B是本發(fā)明的形成具有接觸孔開口圖案的第一光阻層的布置剖面圖；圖2C是本發(fā)明的形成犧牲層的布置剖面圖；
圖2D是本發(fā)明的形成具有內(nèi)連線開口圖案的第二光阻層的布置剖面圖。
圖2E、圖2F和圖2G是本發(fā)明的蝕刻具有接觸孔開口的內(nèi)連線開口結(jié)構(gòu)的布置剖面圖。
圖2H是本發(fā)明的具有接觸孔開口的內(nèi)連線開口結(jié)構(gòu)的布置剖面圖；圖2I是本發(fā)明平坦化后的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的布置剖面圖。
其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下10～半導(dǎo)體基底；11～第一金屬層；12～介電層；15～第一光阻層；16～接觸孔開口；17～第二光阻層；18～內(nèi)連線開口；19～雙鑲嵌式開口；20～第二金屬層；21～鑲嵌式金屬內(nèi)連線；22～雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線。
101～半導(dǎo)體基底；102～第一金屬層；103～介電層；104～第一光阻層；105～接觸孔開口圖案；106～犧牲層；106’～接觸孔開口圖案之犧牲層；107～內(nèi)連線開口圖案；108～第二光阻層；E1、E2～反應(yīng)性離子蝕刻；109～雙鑲嵌式開口；110～內(nèi)連線開口；111～鑲嵌式金屬內(nèi)連線；112～雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線。
具體實(shí)施例方式
在圖2A中，提供一形成有第一金屬層102的半導(dǎo)體基底101，如一硅基底，其上可形成任何所需的半導(dǎo)體元件，此處為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，僅以一平整的基底101表示。然后在其上形成一介電層103。其中介電層103可由一層或多層的介電材料，如SiO2、硼硅玻璃(borosilicate glass；BSG)、硼磷硅玻璃(borophosphate silicate glass；BPSG)、氟摻雜玻璃(fluorosilicateglass；FSG)或四乙氧基硅酸鹽(tetraethyl-ortho-silicate；TEOS)所制成。換言之，即作為鑲嵌式金屬內(nèi)連線制造中的內(nèi)層介電層(ILD)。
其次，如圖2B、圖2C和圖2D所示，涂布一第一光阻層104(即含硅光阻層1或DUV1)，經(jīng)曝光顯影后形成一具有接觸孔開口圖案105的第一光阻層104于介電層103上。之后，形成一犧牲層106(如I-線光阻層)于第一光阻層104上，且填入上述接觸孔圖案105內(nèi)。此后，再涂布一第二光阻層108(即含硅光阻層2或DUV2)，經(jīng)曝光顯影后形成一具有內(nèi)連線圖案107的第二光阻層108于犧牲層106上，且第二光阻層108露出介層窗圖案下方的犧牲層106。
根據(jù)本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式，第一及第二光阻層為含硅光阻或深紫外線光阻層，第一及第二光阻層的厚度分別為1000～5000，且第一及第二光阻層亦可以是不同光阻材料。另一方面，犧牲層較佳是由I-線光阻材料所構(gòu)成，其厚度為4000～12000，或是由符合犧牲層的蝕刻速率比第一光阻層的蝕刻速率高的材料，例如非感光性光阻(non-photosensitive resist)材料。
如圖2E所示，再以第二光阻層108為罩幕，以非等向性(anisotropic)蝕刻制造方式，如反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)方式或電漿蝕刻方式，較佳者為反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)方式E1，蝕刻犧牲層106，選擇犧牲層106的蝕刻率遠(yuǎn)高于第二光阻層108蝕刻率的蝕刻條件，其速率比例為5-15∶1，以將內(nèi)連線開口圖案107轉(zhuǎn)移至犧牲層106上，因?yàn)闋奚鼘?06蝕刻率遠(yuǎn)高于第二光阻層108的蝕刻率，借由控制過(guò)蝕刻(over etching)的時(shí)間，接觸孔圖案105內(nèi)的犧牲層106’很快被蝕刻而露出介電層103。
如圖2F所示，以第二光阻層108為罩幕，借由反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)制程E2依序蝕刻第一光阻層104以及介電層103，選擇犧牲層106的蝕刻率相當(dāng)于第二光阻層108蝕刻率的蝕刻條件，蝕刻第一光阻層104以及介電層103。因第一光阻層104與第二光阻層108具相當(dāng)?shù)奈g刻速率，當(dāng)?shù)诙庾鑼?08亦被蝕刻而露出犧牲層106時(shí)，即可將內(nèi)連線開口圖案107轉(zhuǎn)移至第一光阻層104，并沿接觸孔開口圖案105蝕刻介電層103。
如圖2G所示，以犧牲層106為罩幕，借由反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)方式蝕刻介電層103，選擇介電層103蝕刻率高于第一光阻層104蝕刻率的蝕刻條件，以將內(nèi)連線開口圖案107轉(zhuǎn)移至介電層103，并持續(xù)沿接觸孔開口圖案105蝕刻介電層103，直至露出底層的第一金屬層102為止，以于介電層103中形成一接觸孔開口109。然后去除犧牲層106與第一光阻層104，以形成雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)。
如圖2I所示，以電鍍法、蒸鍍(evaporation)法、濺鍍(sputtering)法、或有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法，較佳者為電鍍法，沉積一第二導(dǎo)電層，如金、銅、銀、鋁、及鎢其中任一或合金材料，較佳者為銅，于已形成具接觸孔開口109及內(nèi)連線開口110的介電層103上，并填入接觸孔開口109及內(nèi)連線開口110內(nèi)，再將第二導(dǎo)電層施以平坦化制作，直至露出介電層，以形成含接點(diǎn)栓塞112的雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線111。
上述平坦化制作是蝕回制作方式或化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)制作方式。
由上述本發(fā)明的較佳實(shí)施方式可知，一種雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法及其雙鑲嵌式金屬內(nèi)連線的制作方法具有較簡(jiǎn)化的制作步驟，可降低制造成本，且金屬內(nèi)連線的深度可通過(guò)蝕刻制程參數(shù)調(diào)變兩個(gè)光阻層蝕刻速率與犧牲蝕刻速率的比率，或者借由第一光阻層的厚度調(diào)整內(nèi)連線開口的深度，以達(dá)最佳化。
此外本發(fā)明亦提供一種不需蝕刻停止層的雙鑲嵌式內(nèi)連線制造方式，可避免介電層間的寄生電容增加，進(jìn)而降低元件在運(yùn)作時(shí)的RC延遲。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此項(xiàng)技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，包括下列步驟提供一形成有介電層的半導(dǎo)體基底；其特征在于形成一具有接觸孔開口圖案的第一光阻層于該介電層上；形成一犧牲層于該第一光阻層上，且填入上述接觸孔開口圖案中；形成一具有內(nèi)連線開口圖案的第二光阻層于該犧牲層上，且該第二光阻層顯露出該接觸孔開口圖案上方的犧牲層；以該第二光阻層為罩幕蝕刻該犧牲層，以將該內(nèi)連線開口圖案轉(zhuǎn)移至犧牲層；及以該第二光阻層為罩幕，依序蝕刻該第一光阻層與該介電層，以將該內(nèi)連線開口圖案轉(zhuǎn)移至該介電層，形成內(nèi)連線開口，并沿該接觸孔開口圖案蝕刻該介電層，以于該介電層中形成接觸孔開口。
2.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于介電層是由二氧化硅、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氟摻雜玻璃及四乙氧基硅酸鹽其中任一單層或多層材料所制成。
3.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于第一及第二光阻層是含硅光阻或深紫外線光阻。
4.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于第一及第二光阻層是不同的光阻材料。
5.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于犧牲層是由I-線光阻材料或非感光性光阻材料所構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于通過(guò)蝕刻工藝參數(shù)調(diào)變所述兩個(gè)光阻層蝕刻速率與犧牲層蝕刻速率的比率，調(diào)整內(nèi)連線開口的深度。
7.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于在蝕刻犧牲層及第一光阻層時(shí)，該介電層的蝕刻速率與第一光阻層的蝕刻速率相當(dāng)。
8.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該犧牲層的蝕刻速率比所述兩個(gè)光阻層的蝕刻速率高，其蝕刻速率比例為5-15∶1。
9.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于其進(jìn)一步包括下列步驟形成一導(dǎo)電層于該介電層上，并填入該接觸孔開口及內(nèi)連線開口內(nèi)；以及平坦化該導(dǎo)電層，露出內(nèi)層介電層，以形成鑲嵌式金屬內(nèi)連線及接觸孔栓塞。
10.如權(quán)利要求9所述的雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該導(dǎo)電層為金、銅、銀、鋁、及鎢其中任一或其合金材料所制成。
全文摘要
一種雙鑲嵌式開口結(jié)構(gòu)的制作方法。包括下列步驟提供一制有介電層的半導(dǎo)體基底；制一具接觸孔開口圖案的第一光阻層于該介電層上；制一犧牲層于第一光阻層上，且填入上述接觸孔開口圖案；制一具內(nèi)連線開口圖案的第二光阻層于犧牲層上，且第二光阻層露出接觸孔開口圖案上方的犧牲層；以第二光阻層為罩幕蝕刻犧牲層，將內(nèi)連線開口圖案轉(zhuǎn)移至犧牲層；以第二光阻層為罩幕，依序蝕刻第一光阻層與介電層，將內(nèi)連線開口圖案轉(zhuǎn)移至介電層，并沿接觸孔開口圖案蝕刻介電層，以于介電層中形成一接觸孔開口。本發(fā)明具有簡(jiǎn)化的制作步驟，可降低制造成本，并避免介電層間的寄生電容增加，降低元件在運(yùn)作時(shí)的RC延遲。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1591818SQ0315604
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者吳孟韋, 梁恩山, 李鏗堯, 吳素華 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司