CN102394227B

CN102394227B - 可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法

Info

Publication number: CN102394227B
Application number: CN 201110388783
Authority: CN
Inventors: 张亮; 姬峰; 胡友存; 李磊; 陈玉文
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: CN102394227A

Abstract

本发明公开了一种可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法，包括提供半导体基底；依序在其上形成刻蚀阻挡层、介电层、介电保护层和金属硬掩膜层；通过光刻和刻蚀，依次在介电保护层中形成第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形，并形成与所述第一深度的沟槽图形相连通且贯穿介电层保护层和部分介电层的通孔图形，采用刻蚀工艺，对所述第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形和通孔图形同步往下一体化刻蚀直至通孔图形底部的介电层被完全去除，形成第一深度沟槽、第二深度沟槽和通孔；在第一深度沟槽、第二深度沟槽和通孔内溅射沉积金属扩散阻挡层和金属籽晶层，采用电镀工艺进行互连金属填充；去除介电层上冗余的材料，形成铜互连。

Description

可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法。

背景技术

在半导体集成电路工业中，高性能的集成电路芯片需要高性能的后段电学互连。金属铜由于它的低电阻率特性，在集成电路芯片中得到了越来越广泛的应用。但是，随着集成电路技术的进步，芯片复杂程度的增加，后段互连的复杂度和长度越来越大，这意味着芯片内的后段互连线的电阻成为性能的瓶颈之一。如何有效地降低电阻，成为集成电路中的一个重要研究课题。

从电阻计算公式，我们可以得到一些启发：

R = \frac{ρl}{s} = \frac{ρ * L}{W * H}

公式中，R代表电阻，ρ代表材料的电阻率，L代表导线长度，W代表互连线宽度，H代表互连线的厚度。随着芯片尺寸的缩小，密度的提高和芯片复杂度的提高，互连线的宽度不断减小，互连线的总长度L也无可避免的增大，因此，从上述公式可知可以减小电阻的因素只剩下电阻率和厚度了。而从铝互连改进到铜互连，就是通过降低互连线的电阻率从而实现总体互连层的电阻的降低，但是，对于同种材料而言，其电阻率基本是一定的。因此，可以用于降低铜互连线的电阻的唯一因素就只有提高互连线的厚度H了。

但是，由于金属填充工艺和刻蚀工艺的限制，嵌入式的铜互连结构要成功实现，其基本工艺条件要求高宽比不能过大，即对于某一宽度的铜互连线，其厚度不能太厚。因为厚度太厚，意味着沟槽结构深度很大，将不利于刻蚀工艺控制蚀刻的形貌和尺寸，而金属填充工艺也比较难完成完全填充，这样反而会增大方块电阻，降低互连的可靠性，带来非常不利的影响。因此不可能无限制的增大互连线的整体厚度来降低方块电阻。

发明内容

本发明的目的是提供一种可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法，以实现选择性的增加部分金属线的厚度，降低方块电阻，从而提高芯片的速度和降低损耗，最终实现提高芯片性能的目的。

为解决上述问题，本发明提供一种可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法，包括如下步骤：

提供包括一前层铜互连层的半导体基底；

依序在所述半导体基底上形成刻蚀阻挡层、介电层、介电保护层和金属硬掩膜层；

通过光刻和刻蚀，依次在介电保护层中形成第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形，并形成与所述第一深度的沟槽图形相连通且贯穿介电保护层和部分介电层的通孔图形，其中所述半导体基底的前层铜互连层中，与所述第二深度的沟槽图形相对应的位置不存在通孔，且所述第二深度的沟槽图形的深度大于第一深度的沟槽图形的深度，并小于第一深度的沟槽图形和通孔图形的总深度；

采用刻蚀工艺，对所述第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形和通孔图形同步往下刻蚀直至通孔图形底部的介电层被完全去除，形成第一深度沟槽、第二深度沟槽和通孔；

去除通孔底部的刻蚀阻挡层，使得通孔与所述半导体基底内的前层铜互连层连接；

在第一深度沟槽、第二深度沟槽和通孔内溅射沉积金属扩散阻挡层和铜籽晶层，采用电镀工艺进行铜填充；

采用化学机械研磨去除介电层上多余的金属铜、金属硬掩膜层和介电保护层，形成铜互连。

作为优选，所述第二深度沟槽的深度大于第一深度沟槽的深度且小于第一深度沟槽和通孔的总深度。

作为优选，所述通过光刻和刻蚀，依次在介电保护层中形成第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形，并形成与所述第一深度的沟槽图形相连通且贯穿介电保护层和部分介电层的通孔图形的步骤包括：

在金属硬掩膜层上沉积底部抗反射涂层，在底部抗反射涂层上涂覆光刻胶，通过第一次光刻形成对应第一深度的沟槽图形的第一光刻胶层；以所述第一光刻胶层为掩膜，刻蚀底部抗反射涂层和金属硬掩膜层形成第一刻蚀窗口；刻蚀第一刻蚀窗口内的介电保护层，在介电保护层内形成第一深度的沟槽图形，去除所述第一光刻胶层；

在上述结构表面涂覆光刻胶，通过第二次光刻形成对应第二深度的沟槽图形的第二光刻胶层；以所述第二光刻胶层为掩膜，刻蚀底部抗反射涂层和金属硬掩膜层形成第二刻蚀窗口；刻蚀第二刻蚀窗口内的介电保护层，在介电保护层内形成第二深度的沟槽图形，去除所述第二光刻胶层；

在上述结构表面涂覆光刻胶，通过第三次光刻在光刻胶内打开第三刻蚀窗口，形成对应通孔图形的第三光刻胶层，所述第三刻蚀窗口与第一刻蚀窗口的位置相对应，且第三刻蚀窗口大小小于第一刻蚀窗口；刻蚀第三刻蚀窗口内的介电保护层和介电层，形成贯穿介电保护层和部分介电层的通孔图形，去除所述第三光刻胶层。

作为优选，所述刻蚀所采用的工艺为干法刻蚀。

作为优选，所述介电层采用化学气相淀积或旋转涂覆工艺形成，所述介电层采用低介电常数材料，介电常数为2～4.2。

作为优选，所述金属硬掩膜层的材料为TiN或TaN。

与现有技术相比，本发明的一种可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法采用双大马士革工艺通过光刻和刻蚀增加铜互连线中特定区域的沟槽深度，使得填充在该沟槽中的铜互连线厚度增加，选择性地降低该沟槽区域的铜互连线的方块电阻，在不增大工艺难度的情况下最大程度的降低铜互连结构的方块电阻，从而可以降低芯片的信号延迟，提高芯片的整体性能。

附图说明

图1是本发明的制造方法流程图；

图2a-图2l是本发明一实施例制造方法流程中各个工艺步骤的剖面图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

下面将结合剖面示意图对本发明的一种铜互连结构的制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

图2a-图2l示出了本发明的一实施例，如图1所示，所述可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法如下：

在步骤101中，如图2a所示，提供一半导体基底200，所述半导体基底200可以是形成有器件层和/或金属互连层的硅片，于本实施例中，半导体基底200中形成有前层互连层，该前层互连层中具有沟槽210。为方便图示，图2a-图2l中均省略了沟槽以下的部分。在所述半导体基底200上采用化学气相淀积形成刻蚀阻挡层201，所述刻蚀阻挡层201的材料为掺氮碳化硅；在刻蚀阻挡层201上淀积介电层202，所述介电层202采用化学气相淀积或旋转涂覆形成，所述介电层202采用低介电常数材料，介电常数为2～4.2；在介电层202上化学气相淀积SiO2介电保护层203，采用物理气相沉积或化学气相沉积在所述介电保护层203上形成金属硬掩膜层204，所述金属硬掩膜层204的材料为TiN或TaN，其厚度在数纳米到几百纳米之间。

在步骤102中，依次在介电保护层中形成第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形，并形成与所述第一深度的沟槽图形相连通且贯穿介电保护层和部分介电层的通孔图形，具体包括如下步骤：

如图2b所示，在金属硬掩膜层204上沉积底部抗反射涂层205，在底部抗反射涂层205上涂覆光刻胶，通过第一次光刻形成对应第一深度的沟槽图形的第一光刻胶层206；再如图2c所示，以所述第一光刻胶206层为掩膜，刻蚀底部抗反射涂层205和金属硬掩膜层204形成第一刻蚀窗口207；如图2d所示，刻蚀第一刻蚀窗口207内的介电保护层203，在介电保护层203内形成第一深度的沟槽图形，去除所述第一光刻胶层206；在本实施例中，优选采用双大马士革工艺刻蚀第一深度的沟槽图形；所述刻蚀底部抗反射涂层205和金属硬掩膜层204的方法优选采用干法刻蚀。

如图2e所示，在上述结构表面涂覆光刻胶，通过第二次光刻形成对应第二深度的沟槽图形的第二光刻胶层206a；再如图2f所示，以所述第二光刻胶层206a为掩膜，刻蚀底部抗反射涂层205和金属硬掩膜层204，形成第二刻蚀窗口207a；如图2g所示，刻蚀第二刻蚀窗口207a内的介电保护层，在介电保护层203内形成第二深度的沟槽图形，其中所述半导体基底200的前层铜互连层中，与所述第二深度的沟槽图形相对应的位置不存在通孔，且该沟槽图形下方结构的寄生电容的变化对器件的影响可忽略不计或在可接受的范围内；去除所述第二光刻胶层206a；在本实施例中，刻蚀介电保护层的方法优选采用干法刻蚀。

如图2h所示，在上述结构表面涂覆光刻胶，通过第三次光刻在光刻胶内打开第三刻蚀窗口207b，形成对应通孔图形的第三光刻胶层206b，所述第三刻蚀窗口207b与第一刻蚀窗口207的位置相对应，且第三刻蚀窗口207b大小小于第一刻蚀窗口207；再如图2i所示，刻蚀第三刻蚀窗口内的介电保护层203和介电层202，形成贯穿介电保护层203和部分介电层202的通孔图形，去除所述第三光刻胶层206b，则得到如图2j所示的结构，其中，具有第一深度的沟槽图形与通孔图形相连通，所述第二深度的沟槽图形的深度h大于第一深度的沟槽图形的深度h1，并小于第一深度的沟槽图形和通孔图形的总深度h2。在本实施例中，优选采用双大马士革工艺刻蚀通孔图形。

其中，所述第一深度的沟槽图形的深度h1和通孔图形的深度h3均为正常深度，第二深度的沟槽图形的深度h比正常深度有所加深。

在步骤103中，如图2k所示，采用一体化刻蚀工艺，对所述第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形和通孔图形同步往下刻蚀，直至通孔图形底部的介电层202被完全去除，形成第一深度沟槽、第二深度沟槽和通孔，并去除通孔底部的刻蚀阻挡层201，使得通孔与前层铜互连层中的沟槽210相连接，其中所述半导体基底200的前层铜互连层中，与所述第二深度沟槽区域相对应的位置不存在通孔，从而不会影响通孔电阻，同时该区域与下方结构的寄生电容的变化对器件的影响能够忽略不计或在可接受的范围内，此外，所述第二深度沟槽的深度H大于第一深度沟槽的深度H1且小于第一深度沟槽和通孔的总深度H2。

在步骤104中，在第一深度沟槽、第二深度沟槽和通孔内溅射沉积金属阻挡层和铜籽晶层，采用电镀工艺进行铜填充；在本实施例中，也可采用原子层沉积（ALD）生长金属阻挡层和铜籽晶层。

在步骤105中，如图2l所示，采用化学机械研磨去除介电层202上冗余的金属铜、金属硬掩膜层、底部抗反射涂层和介电保护层，形成铜互连208。

本发明的可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法可以对铜互连线沟槽的深度进行选择性加厚，在不增大工艺的难度和缩小工艺窗口的情况下使符合条件的特定区域的铜互连线方块电阻降低，从而实现选择性降低芯片互连方块电阻的目的，从而降低芯片的信号延迟，降低损耗，提高芯片整体性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求的等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种可降低方块电阻的铜互连结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供包括一前层铜互连层的半导体基底；

通过光刻和刻蚀在金属硬掩膜层上形成第一刻蚀窗口，刻蚀第一刻蚀窗口内的介电保护层形成第一深度的沟槽图形；

通过光刻和刻蚀在刻蚀金属硬掩膜层上形成第二刻蚀窗口，刻蚀第二刻蚀窗口内的介电保护层形成第二深度的沟槽图形；

通过光刻在形成有所述第一深度的沟槽图形和第二深度的沟槽图形的半导体基底的表面形成第三刻蚀窗口，刻蚀第三刻蚀窗口内的介电保护层和介电层，形成与所述第一深度的沟槽图形相连通且贯穿介电保护层和部分介电层的通孔图形，其中所述半导体基底的前层铜互连层中，与所述第二深度的沟槽图形相对应的位置不存在通孔，且所述第二深度的沟槽图形的深度大于第一深度的沟槽图形的深度，并小于第一深度的沟槽图形和通孔图形的总深度；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二深度沟槽的深度大于第一深度沟槽的深度且小于第一深度沟槽和通孔的总深度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过光刻和刻蚀，依次在介电保护层中形成第一深度的沟槽图形、第二深度的沟槽图形，并形成与所述第一深度的沟槽图形相连通且贯穿介电保护层和部分介电层的通孔图形的步骤包括：

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述刻蚀所采用的工艺为干法刻蚀。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电层采用化学气相淀积或旋转涂覆工艺形成，所述介电层采用低介电常数材料，介电常数为2～4.2。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属硬掩膜层的材料为TiN或TaN。