一種光刻膠填充式金屬互連結構及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光刻膠填充式金屬互連結構及其制造方法，所述光刻膠填充式金屬互連結構利用光刻膠屬于低介電常數(shù)介質且k值小于2.2而達到超低介電常數(shù)的級別的特點，可以降低制造成本和器件k值；本發(fā)明提供的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，采用普通氧化層代替現(xiàn)有技術中的常規(guī)超低介電常數(shù)介質來形成第二金屬互連層，既大大降低了對通孔刻蝕、濕法刻蝕以及通孔金屬填充和化學研磨等工藝的要求，又避免了由于低介電常數(shù)介質工藝帶來的問題，提高金屬互連結構的電氣性能和可靠性。
【專利說明】一種光刻膠填充式金屬互連結構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種光刻膠填充式金屬互連結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]由于金屬材料和絕緣材料對傳播延時都會產(chǎn)生影響，銅(Cu)導線比鋁(Al)導線的電阻更低，F(xiàn)SG (氟摻雜的氧化硅玻璃)比SiO2的k值低，進入90nm工藝后銅互連與low_k(低介電常數(shù))工藝同時應用，使得傳播延時變得越來越短了。
[0003]芯片中使用low-k電介質作為ILD (層間介質)，可以減少寄生電容容量，降低信號串擾，這樣就允許互連線之間的距離更近，為提高芯片集成度掃清了障礙；同時，減小電介質k值可以縮短信號傳播延時，這樣就為提高芯片速度留下了一定空間。
[0004]low-k并非十全十美。電介質作為芯片必備的一種材料，除了低k值外，電介質材料至少應具備以絕緣性能好、便于制造等特性。特別是進入45nm工藝后，超低介電常數(shù)(ultra low-k,ULK)電介質的開發(fā)和應用是芯片廠商面臨的難題。由于low_k材料的抗熱性、化學性、機械延展性以及材料穩(wěn)定性等問題都還沒有得到完全解決，給芯片的制造和質量控制帶來很多困難。采用low-k材料后，傳統(tǒng)的制造工藝由于low-k材料的松軟結構和易滲透性，使得ETCH (蝕刻)、CMP (化學機械研磨)和清潔工序變得更為艱難，并導致成品率下降和生廣成本的提聞。
[0005]圖1所示為現(xiàn)有技術中一種采用多孔硅等常規(guī)的ULK材料的半導體后段銅互連結構的制造方法流程圖。
[0006]圖2A至2D所示為圖1所示的半導體后段銅互連結構的制造方法過程中的剖視結構圖。
[0007]請參考圖1和2A，在步驟SlOl中，提供第一銅互連層襯底10，在所述第一銅互連層襯底上依次形成隔離層101、第二 ULK (超低介電常數(shù))介質層102、硬掩膜層103以及圖案化的光刻膠層104 ;所述第一銅互連層包括具有第一通孔的第一 ULK層100以及填充于所述第一通孔中的第一互連銅Ml。
[0008]請參考圖1和2B，在步驟S102中，以硬掩膜層103為掩膜，對所述第二 ULK介質層102和隔離層101進行一體化雙大馬士革刻蝕，將圖案化的光刻膠層的圖案轉移到所述第二 ULK介質層102和隔離層101，形成通孔105和接觸孔106。
[0009]請參考圖1和2C，在步驟S103中，先在通孔105和接觸孔106中形成銅擴散阻擋層(未圖示);然后繼續(xù)在通孔105和接觸孔106中進行銅填充；接著通過CMP (化學機械平坦化)去除硬掩膜層103，形成頂部平坦化的第二銅互連層，所述第二銅互連層包括第二 ULK介質層102、隔離層101和第二互連銅M2。對形成的第二銅互連層進行掃描電鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)CMP后第二互連銅M2邊沿出現(xiàn)過腐蝕現(xiàn)象。
[0010]請參考圖1和2D，在步驟S104中，在第二銅互連層上形成第二隔離層107。
[0011]上述半導體后段銅互連結構的制造方法，存在以下缺陷:[0012]1、請參考圖2B，由于采用了常規(guī)的ULK材料，在步驟S102中，進行一體化雙大馬士革刻蝕時，容易對第二 ULK介質層102造成損傷,形成凹曲形貌(bowing prof ile) 102a,進而會使得通孔105上部⑶過大而造成剩余第二 ULK介質層102作為第二互連銅M2之間的隔離層太薄等問題；
[0013]2、由于采用ULK材料，第二 ULK介質層102的干法刻蝕后到濕法清洗的等待時間(Q time)大大縮短，因而對一體化雙大馬士革刻蝕的等離子體蝕刻和濕法蝕刻帶來巨大挑戰(zhàn)；
[0014]3、請參考圖2C，由于凹曲形貌102a的存在，使得在步驟S103的銅填充工藝中，容易形成銅填充空穴108 ；
[0015]4、由于采用ULK材料，因而在步驟S103中的銅填充和CMP后，很容易出現(xiàn)low_k介質工藝中是常見的銅邊沿過腐蝕現(xiàn)象，這種銅邊沿過腐蝕現(xiàn)象將會導致電性和可靠性的問題，給CMP也帶來挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)得到符合規(guī)格的性能，整個半導體業(yè)界不斷地投入大量資金和精力去研發(fā)出更為先進的設備來提高工藝能力，直接導致生產(chǎn)成本大幅提聞。
[0016]因而需要一種新的金屬互連結構及其制造方法，以避免上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種光刻膠填充式金屬互連結構及其制造方法，利用光刻膠替代超低介電常數(shù)材料作為銅互連層之間的隔離層，降低工藝的要求和成本的同時又避免了超低介電常數(shù)介質工藝帶來的問題，提高金屬互連結構的電氣性能和可靠性。
[0018]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種光刻膠填充式金屬互連結構，包括:第一金屬互連層及其上方的第二金屬互連層，所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層、貫穿第一光刻膠層上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬；所述第二金屬互連層包括位于第一金屬互連層上表面的隔離層，位于所述隔離層上表面的第二光刻膠層、從第二光刻膠層上表面貫穿至隔離層下表面的第二通孔以及填充于所述第二通孔中的第二互連金屬，所述第二通孔中的第二互連金屬下表面與第一通孔中的第一互連金屬上表面直接接觸。
[0019]進一步的，所述隔離層為氮摻雜的碳層。
[0020]進一步的，所述第二光刻膠上方還形成有微縮輔助膜，所述微縮輔助膜的上表面與第二互連金屬的上表面持平。
[0021]進一步的，所述第一金屬互連層包括貼附于第一通孔內(nèi)表面上的第一金屬阻擋層，所述第二金屬互連層還包括貼附于第二通孔內(nèi)表面上的第二金屬阻擋層。
[0022]本發(fā)明還提供一種光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，包括以下步驟:
[0023]提供形成有第一金屬互連層的襯底，在所述第一金屬互連層上依次形成隔離層、普通氧化層、硬掩膜層以及圖案化的光刻膠層；所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層、貫穿第一光刻膠層上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬；
[0024]以硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述普通氧化層和隔離層，將圖案化的光刻膠層的圖案轉移到所述普通氧化層和隔離層上，形成第二通孔；
[0025]在所述第二通孔中填充第二互連金屬，并化學機械平坦化去除所述硬掩膜層；[0026]濕法刻蝕去除所述普通氧化層，形成空隙；
[0027]在所述空隙中填充第二光刻膠層，形成第二金屬互連層。
[0028]進一步的，所述方法還包括:在所述空隙中填充第二光刻膠層之后，使用微縮輔助膜繼續(xù)填平所述空隙并固化，所述第二金屬互連層包括所述微縮輔助膜。
[0029]進一步的，所述方法還包括:形成第二金屬互連層之后，在所述第二金屬互連層上表面形成第二隔離層。
[0030]進一步的，所述第二隔離層和所述第一金屬互連層上表面的隔離層均為氮摻雜的碳層。
[0031]進一步的，所述濕法刻蝕去除所述普通氧化層，形成空隙的步驟中采用的化學藥劑為H2O與質量分數(shù)49%HF的體積比為8:1?12:1的混合液。
[0032]進一步的，在所述空隙中填充所述第二光刻膠層時采用的旋涂設備主轉速為1500轉/分鐘?2000轉/分鐘，所述第二光刻膠層為KrF底部抗反射光刻膠。
[0033]進一步的，在所述空隙中填充第二光刻膠層，形成第二金屬互連層的步驟中還包括:采用等離子體刻蝕工藝去除多余的光刻膠。
[0034]進一步的，所述等離子體刻蝕工藝所用刻蝕的氣體為H2流量為180sccm?220sccm, Ar流量為80sccm?120sccm，工藝壓力為50mT?IOOmT,高頻能量HF為800W?1200W，低頻能量LF為400W?600W。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的光刻膠填充式金屬互連結構，利用光刻膠屬于低介電常數(shù)介質且k值小于2.2而達到超低介電常數(shù)的級別的特點，可以降低制造成本和器件k值；本發(fā)明提供的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，采用普通氧化層代替現(xiàn)有技術中的常規(guī)超低介電常數(shù)介質來形成第二金屬互連層，既大大降低了對通孔刻蝕、濕法刻蝕以及通孔金屬填充和化學研磨等工藝的要求，又避免了由于低介電常數(shù)介質工藝帶來的問題，提高金屬互連結構的電氣性能和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1所示為現(xiàn)有技術中一種采用多孔硅等常規(guī)的ULK材料的半導體后段銅互連結構的制造方法流程圖；
[0036]圖2A至2D所示為圖1所示的半導體后段銅互連結構的制造方法過程中的剖視結構圖；
[0037]圖3所示為本發(fā)明的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法流程圖；
[0038]圖4A至4F所示為圖3所示的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法過程中的剖視結構圖。
[0039]具體實施方
[0040]本發(fā)明的核心思想在于提出一種光刻膠填充式金屬互連工藝的新方法，新方法先利用普通氧化層(USG, Un-doped Silicon Glass)代替low_k介質,來完成整個一體化雙大馬士革刻蝕/濕法清潔/銅填充/化學研磨的流程，然后用高選擇比的濕法蝕刻去除普通氧化層而保留下面的隔離層，接著在去除普通氧化層后的空隙里填充光刻膠來充當low-k介質。
[0041]為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明，然而，本發(fā)明可以用不同的形式實現(xiàn)，不應只是局限在所述的實施例。[0042]圖3所示為本發(fā)明的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法流程圖；
[0043]圖4A至4F所示為圖3所示的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法過程中的剖視結構圖。
[0044]請參考圖3，本發(fā)明提出一種光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，包括以下步驟:
[0045]S301，提供形成有第一金屬互連層的襯底，在所述第一金屬互連層上依次形成隔離層、普通氧化層、硬掩膜層以及圖案化的光刻膠層；所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層、貫穿第一光刻膠層上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬；
[0046]S302，以硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述普通氧化層和隔離層，將圖案化的光刻膠層的圖案轉移到所述普通氧化層和隔離層上，形成第二通孔；
[0047]S303，在所述第二通孔中填充第二互連金屬，并化學機械平坦化去除所述硬掩膜層；
[0048]S304，濕法刻蝕去除所述普通氧化層，形成空隙；
[0049]S305，在所述空隙中填充第二光刻膠層，形成第二金屬互連層。
[0050]請參考圖3和4A，在步驟S301中，提供的形成有第一金屬互連層的襯底40，在所述第一金屬互連層上依次形成隔離層401、普通氧化層402、硬掩膜層403以及圖案化的光刻膠層404 ;所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層400、貫穿第一光刻膠層400上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬M1，該金屬可以為銅，隔離層401可以是 NDC (Nitrogen Doped Carbon,氮慘雜的碳層)。
[0051]請參考圖3和4B，在步驟S302中，以硬掩膜層403為掩膜，刻蝕所述普通氧化層402和隔離層401，將圖案化的光刻膠層404的圖案轉移到所述普通氧化層402和隔離層401上，形成第二通孔405和接觸孔406。
[0052]請參考圖3和4C，在步驟S303中，先采用氮化鈦等材料在第二通孔405和接觸孔406中形成銅擴散阻擋層(未圖示)；然后繼續(xù)在第二通孔405和接觸孔406中進行第二互連金屬M2填充；接著通過CMP(化學機械平坦化)去除硬掩膜層403。本實施例中，第二互連金屬M2為銅。
[0053]請參考圖3和4D，在步驟S304中，用高選擇比的濕法蝕刻去除普通氧化層而保留下面的隔離層401，形成空隙407。本實施例中，所述濕法刻蝕去除所述普通氧化層，形成空隙的步驟中采用的化學藥劑是H2O與質量分數(shù)49%HF的體積比為10:1的混合液。在本發(fā)明其他實施例中，采用的化學藥劑也可以是H2O與質量分數(shù)49%HF的體積比為8:1?12:1的混合液。
[0054]請參考圖3、圖4E和4F，在步驟S305中，在去除普通氧化層后的空隙里填充第二光刻膠層408來充當low-k介質，在所述空隙中填充所述第二光刻膠層408時采用的旋涂設備主轉速為1500?2000轉/分鐘，采用的光刻膠為KrF B光刻膠(bottomant1-reflective coating, KrF底部抗反射涂膠);多出的光刻膠用含H2、Ar的低蝕刻率高均勻度的等離子體蝕刻法去除，本實施例中，所述等離子體刻蝕工藝所用刻蝕的氣體為H2:Ar=200sscm:100sscm，工藝壓力為5OmT?IOOmT,高頻能量HF:低頻能量LF為IO O O W: 5 O O W。在本發(fā)明的其他實施例中，去除多出的光刻膠的等離子體蝕刻工藝參數(shù)也可以是:等離子體刻蝕工藝所用刻蝕的氣體為H2流量為180SCCm?220SCCm，Ar流量為80sccm?120sccm，工藝壓力為50mT?lOOmT，高頻能量HF為800W?1200W，低頻能量LF為 400W ?600W。
[0055]這種低蝕刻率高均勻度的等離子體蝕刻方便于用時間來控制蝕刻終點以保證在完全除去第二互連金屬M2表面多余光刻膠的同時，把過蝕刻引起的第二光刻膠層408表面與第二互連金屬M2表面的高度差降到最小，如圖4E，同時可以硬化第二光刻膠層408表面。由于第二光刻膠層408表面與第二互連金屬M2表面勢必會存在一定的高度差,所以本實施例中，如圖4F所示，還在第二光刻膠層408表面與第二互連金屬M2表面涂布微縮輔助膜409填平空隙，使得第二光刻膠層408表面與第二互連金屬M2表面持平，并使加熱固化使化學微縮材料SAFIER材料與第二光刻膠層408表面反應形成高分子交聯(lián)的保護膜。多余的微縮輔助膜SAFIER材料可用去離子水或含表面活性劑的去離子水溶液去除，即完成第二金屬互連層結構的制作。經(jīng)過化學微縮固化處理后的第二光刻膠層408可以經(jīng)受住后續(xù)的NDC等隔離層的沉積溫度(400攝氏度)。最后在微縮輔助膜409和第二互連金屬M2再沉積NDC等第二隔離層410，進行后續(xù)金屬互連層的制造。光刻膠屬于低介電常數(shù)介質，k值一般都小于2.2，達到超低介電常數(shù)的級別，制作成本低廉，同時可以降低k值。顯然，所述第二金屬互連層包括隔離層401、第二光刻膠層408和第二互連金屬M2。其中，微縮輔助膜409是一種通常用于縮小溝槽或孔圖形尺寸的化學微縮材料，例如是(RELACS)是美國專利US7745077B2和美國專利US7923200B2中公開的為縮小溝槽或孔圖形尺寸開發(fā)的材料，也可以是日本某家公司為縮小溝槽或孔圖形尺寸開發(fā)的SAFIER(Shrink Assist Film forEnhanced Resolution)材料。請參考圖4E和4F,本發(fā)明提出一種光刻膠填充式金屬互連結構，包括:第一金屬互連層及其上方的第二金屬互連層，所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層400、貫穿第一光刻膠層400上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬Ml ;所述第二金屬互連層包括位于第一金屬互連層上表面的隔離層401，位于所述隔離層401上表面的第二光刻膠層408、從第二光刻膠層408上表面貫穿至隔離層401下表面的第二通孔以及填充于所述第二通孔中的第二互連金屬M2，所述第二通孔中的第二互連金屬M2下表面與第一通孔中的第一互連金屬Ml上表面直接接觸。本發(fā)明的光刻膠填充式金屬互連結構還包括位于所述第二光刻膠層408上方的微縮輔助膜409，所述微縮輔助膜409的上表面與第二互連金屬M2的上表面持平。本發(fā)明的光刻膠填充式金屬互連結構中，所述第一金屬互連層包括貼附于第一通孔內(nèi)表面上的第一金屬阻擋層(未圖示)，所述第二金屬互連層還包括貼附于第二通孔內(nèi)表面上的第二金屬阻擋層(未圖示)。
[0056]綜上所述，本發(fā)明提供的光刻膠填充式金屬互連結構，利用光刻膠屬于低介電常數(shù)介質且k值小于2.2而達到超低介電常數(shù)的級別的特點，可以降低制造成本和器件k值；本發(fā)明提供的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，采用普通氧化層代替現(xiàn)有技術中的常規(guī)超低介電常數(shù)介質來形成第二金屬互連層，既大大降低了對通孔刻蝕、濕法刻蝕以及通孔金屬填充和化學研磨等工藝的要求，又避免了由于低介電常數(shù)介質工藝帶來的問題，提高金屬互連結構的電氣性能和可靠性。
[0057]顯然，本領域的技術人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權利要求】
1.一種光刻膠填充式金屬互連結構，其特征在于，包括:第一金屬互連層及其上方的第二金屬互連層，所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層、貫穿第一光刻膠層上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬；所述第二金屬互連層包括位于第一金屬互連層上表面的隔離層，位于所述隔離層上表面的第二光刻膠層、從第二光刻膠層上表面貫穿至隔離層下表面的第二通孔以及填充于所述第二通孔中的第二互連金屬，所述第二通孔中的第二互連金屬下表面與第一通孔中的第一互連金屬上表面直接接觸。
2.如權利要求1所述的光刻膠填充式金屬互連結構，其特征在于，所述隔離層為氮摻雜的碳層。
3.如權利要求1所述的光刻膠填充式金屬互連結構，其特征在于，所述第二光刻膠上方還形成有微縮輔助膜，所述微縮輔助膜的上表面與第二互連金屬的上表面持平。
4.如權利要求1所述的光刻膠填充式金屬互連結構，其特征在于，所述第一金屬互連層包括貼附于第一通孔內(nèi)表面上的第一金屬阻擋層，所述第二金屬互連層還包括貼附于第二通孔內(nèi)表面上的第二金屬阻擋層。
5.一種光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，包括: 提供形成有第一金屬互連層的襯底，在所述第一金屬互連層上依次形成隔離層、普通氧化層、硬掩膜層以及圖案化的光刻膠層；所述第一金屬互連層包括第一光刻膠層、貫穿第一光刻膠層上下表面的第一通孔以及填充于第一通孔中的第一互連金屬； 以硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述普通氧化層和隔離層，將圖案化的光刻膠層的圖案轉移到所述普通氧化層和隔離層上，形成第二通孔； 在所述第二通孔中填充第二互連金屬，并化學機械平坦化去除所述硬掩膜層； 濕法刻蝕去除所述普通氧化層，形成空隙；` 在所述空隙中填充第二光刻膠層，形成第二金屬互連層。
6.如權利要求5所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，所述方法還包括:在所述空隙中填充第二光刻膠層之后，使用微縮輔助膜繼續(xù)填平所述空隙并固化，所述第二金屬互連層包括所述微縮輔助膜。
7.如權利要求5或6所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，所述方法還包括:形成第二金屬互連層之后，在所述第二金屬互連層上表面形成第二隔離層。
8.如權利要求5所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，所述第二隔離層和所述第一金屬互連層上表面的隔離層均為氮摻雜的碳層。
9.如權利要求5所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，所述濕法刻蝕去除所述普通氧化層，形成空隙的步驟中采用的化學藥劑為H2O與質量分數(shù)49%HF的體積比為8:1~12:1混合液。
10.如權利要求5所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，在所述空隙中填充所述第二光刻膠層時采用的旋涂設備主轉速為1500轉/分鐘~2000轉/分鐘，所述第二光刻膠層為KrF底部抗反射光刻膠。
11.如權利要求5所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，在所述空隙中填充第二光刻膠層，形成第二金屬互連層的步驟中還包括:采用等離子體刻蝕工藝去除多余的光刻月父。
12.如權利要求11所述的光刻膠填充式金屬互連結構的制造方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕工藝所用刻蝕的氣體為H2流量為180sccm~220sccm, Ar流量為80sccm~120sccm,工藝壓力為50mT~IOOmT,高頻能量HF為800W~1200W，低頻能量LF為400W~600W。
【文檔編號】H01L21/768GK103515353SQ201310491613
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】黃君, 毛智彪, 張瑜 申請人:上海華力微電子有限公司