CN102412196A - 金属铜大马士革互联结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，包括如下步骤：在金属介电层中预先制作第一通孔和第一沟槽，并在金属介电层上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层、牺牲层、硬掩膜层、金属硬掩膜层、第一抗反射涂层、对应于第一沟槽的图形化的第一光刻胶；在后段互联金属工艺整合中形成双大马士革结构；在双大马士革结构中采用非氧化性酸去除蚀刻阻挡层之上的牺牲层；采用旋涂工艺将蚀刻阻挡层上方除金属铜之外的区域重新填满低介电常数材料，形成金属铜大马士革互联结构。本发明提供了一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，以杜绝干法蚀刻和/或灰化工艺等在传统工艺中导致的低介电常数的损伤。

Description

金属铜大马士革互联结构的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，以杜绝干法蚀刻和/或灰化工艺等在传统工艺中导致的低介电常数的损伤。

背景技术

随着半导体集成电路工艺技术的不断进步，当半导体器件缩小至深亚微米的范围时，互联中的电阻(R)和电容(C)易产生寄生效应，导致金属连线传递的时间延迟(RC time delay)。为了克服互联中的寄生效应，越来越多的人在超大规模集成电路后段互联的集成工艺中，采用低阻值材料(铜)或低介电常数(low k dielectric)的隔离物质来减少因寄生电阻与寄生电容引起的RC延迟时间。然而，当金属导线的材料由铝转换成电阻率更低的铜的时候，由于铜很快扩散进氧化硅和硅，且铜的蚀刻较为困难，因此，现有技术通过转变到双大马士革结构，然后填入铜来实现铜互联，以促使低阻值材料如铜或低介电常数材料在集成电路生产工艺中的应用。

现有比较通用的一种双大马士革工艺，以晶片制造后段制程(Back-end ofline，BEOL)中金属硬掩膜(Metal Hard mask，MHM)工艺集成方法所显示的整合流程为例，可以参见图1A至图1I。

这种工艺提供基底层，基底层上形成金属介电层，图1A至图1I均缺省这一步，后续不再赘述。

首先，参见图1A，在金属介电层100中预先电镀铜102，然后在金属介电层100表面上由下至上依次形成蚀刻阻挡层(Etch Stop layer)104、超低介电层(Ultra-low dielectric constant，ULK)106、硬掩膜层(Hard mask，HM)108、金属硬掩膜层110、第一抗反射涂层(BARC)112、图形化的第一光刻胶(PR)114，以便后续工艺沟槽制作。

其次，参见图1B，以图形化的第一光刻胶114为掩膜蚀刻第一抗反射涂层112、金属硬掩膜层110，暴露出硬掩膜层108，然后通过灰化工艺去除第一光刻胶114和第一抗反射涂层112。

接着，参见图1C，在暴露出的硬掩膜层108上以及金属硬掩膜层110上沉积第二抗反射涂层116，在第二抗反射涂层116上沉积图形化的第二光刻胶118，以便后续工艺第一通孔制作。

继而，参见图1D，以第二光刻胶118为掩膜，干法蚀刻出第一通孔120。

于是，参见图1E，采用灰化工艺去除第二光刻胶118和第二抗反射涂层116后，会在ULK的侧壁上形成损伤122。

然后，参见图1F，以金属硬掩膜层110为掩膜，蚀刻硬掩膜层108，在部分ULK中蚀刻出导线用的沟槽124和第二通孔120’后，同样会在ULK的侧壁上再次加深低介电常数材料的损伤122。

接着，参见图1G，采用干法蚀刻去除第二通孔120’内的蚀刻阻挡层104后，在ULK的侧壁上形成了一层越变越厚的薄层122。

此后，参见图1H，采用电镀工艺进行金属铜126填充，以形成ULK、金属介电层之间互联的双大马士革结构。

最后，参见图1I，对顶部多余的金属铜126、金属硬掩膜层110、硬掩膜层108进行化学机械抛光(CMP)工艺以形成金属互联层，造成表层损伤128。

目前双大马士革结构中使用的主流的低介电常数隔离氧化物通常是掺碳氧化硅(carbon doped oxide)，碳原子和空洞的引入主要目的是降低介电常数。在晶片制造后段制程中采用金属硬掩膜工艺集成方法所形成的双大马士革结构可以减少损伤层，但是，如上述技术方案可知，在灰化处理(图1E所示)、沟槽蚀刻(图1F所示)以及蚀刻阻挡层开口(line open)，尤其ULK和金属介电层之间的金属间介电层蚀刻(Inter-Metal Dielectric etch，IMD etch)(图1G所示)时，碳原子在干法蚀刻的气氛下极易被消耗掉，随着干法蚀刻的多次使用，形成一层介电常数越变越高的薄层122，也就是所谓的损伤层，同样的问题也会在灰化处理过程中出现，均会造成掺杂碳原子流失造成介电常数升高；经过CMP(图1I所示)之后，由于掺碳氧化硅中存在着空洞，CMP进行过程中不断有杂质渗入到空洞，从而也会改变介电常数，通常会造成表层的损伤128，因此，在晶片制造后段制程中即使采用了金属硬掩膜的集成工艺运用于双大马士革工艺中，低介电常数材料的损伤也不能完全消除。由此可见，引用这种新材料作为低介电常数隔离氧化物应用于双大马士革结构中时，在形成双大马士革结构的处理过程中存在工艺过程对不同表面将产生不同水平的破坏，尤其是金属间介电层之间的区域，如沟槽侧壁、沟槽之间的表面区域以及沟槽底部。在这些区域中的材料受损的薄层会引起介电常数的增大，导致介电常数的降低。因此，这种新材料的引入增加了工艺整合难度。

为了解决上述问题，需要在后段互联的集成工艺中寻求解决办法消除来自于干法蚀刻和/或灰化工艺等工艺过程中对低介电常数的损伤，但在实际的实施过程中仍然存在相当大的壁垒，亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法，以解决低阻值材料如铜和/或低介电常数材料等在集成电路生产工艺使用时面临的最主要的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，以杜绝干法蚀刻和/或灰化工艺等在传统工艺中导致的低介电常数的损伤。

为解决上述问题，本发明提出的一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，包括如下步骤：

在金属介电层中预先制作的第一通孔和第一沟槽中采用电镀工艺形成电镀铜，并在金属介电层表面上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层、牺牲层、硬掩膜层、金属硬掩膜层、第一抗反射涂层、对应于所述第一沟槽的图形化的第一光刻胶；

以第一光刻胶为掩膜，采用干法蚀刻由上至下依次蚀刻第一抗反射涂层、金属硬掩膜层，蚀刻停留在硬掩膜层，通过灰化工艺去除第一光刻胶和第一抗反射涂层；

在暴露出的硬掩膜层以及金属硬掩膜层之上依次沉积第二抗反射涂层、对应于所述第一通孔的图形化的第二光刻胶；

以第二光刻胶为掩膜采用干法蚀刻到牺牲层中，形成第二通孔；

采用灰化工艺去除第二光刻胶和第二抗反射涂层，暴露出金属硬掩膜层；

以金属硬掩膜层为掩膜，蚀刻硬掩膜层和部分牺牲层，形成第二沟槽，同步蚀刻第二通孔下方的牺牲层，形成第三通孔；

采用干法蚀刻去除第三通孔内的蚀刻阻挡层，暴露出所述第一通孔中的铜后停止蚀刻，形成第四通孔；

采用电镀工艺在第四通孔和第二沟槽中进行金属铜填充以形成金属互联层；

采用化学机械掩膜工艺去除金属硬硬膜层和硬掩膜层；

采用非氧化性酸去除蚀刻阻挡层之上的牺牲层；

采用旋涂工艺(spin on dielectrics)将蚀刻阻挡层上方除金属铜之外的区域重新填满低介电常数材料，形成金属铜大马士革互联结构。

由上述技术方案可见，与传统通用的双大马士革工艺相比，本发明公开的金属铜大马士革互联结构在集成互联后段金属工艺整合中，通过引入二氧化硅或铝或铝化合物作为牺牲层，在牺牲层上先形成互联铜金属线，然后去除铜金属间隙的二氧化硅或铝或铝化合物材料，接着用旋涂的低介电常数材料填充到铜金属间隙中，形成了低介电层、金属介电层之间的互联金属层，从而杜绝了干法蚀刻和/或灰化工艺在传统工艺中导致的低介电常数材料的碳流失以及低介电常数材料表层的损伤。因此，通过本发明形成的金属铜大马士革结构及其金属间无损伤的低介电常数材料的工艺流程，可以在集成电路后段工艺采用金属硬掩膜层的集成工艺的制造方法过程中完全消除低介电常数材料损伤。并且，本发明在制备铜大马士革结构的过程也可以将牺牲层二氧化硅或铝或铝化合物采用普通的低介电常数绝缘材料，例如氟化玻璃(Fluorosilicate glass，FSG)等类氧化物等，与传统的双大马士革工艺相比，在此基础上制备的金属铜大马士革互联结构可以充分利用并且和现有工艺兼容。

附图说明

图1A至图1I为现有技术中一种双大马士革工艺的晶片制造后段制程中金属硬掩膜集成工艺的制作方法；

图2为本发明一种金属铜大马士革互联结构的方法流程；

图3A至图3L为本发明一种金属铜大马士革互联结构的制造方法；

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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参见图2，本发明所提供的一种金属铜大马士革互联结构的制造方法流程为：

S100：在金属介电层中预先制作的第一通孔和第一沟槽中采用电镀工艺形成电镀铜，并在金属介电层表面上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层、牺牲层、硬掩膜层、金属硬掩膜层、第一抗反射涂层、对应于所述第一沟槽的图形化的第一光刻胶；

S101：以第一光刻胶为掩膜，采用干法蚀刻由上至下依次蚀刻第一抗反射涂层、金属硬掩膜层，蚀刻停留在硬掩膜层，通过灰化工艺去除第一光刻胶和第一抗反射涂层；

S102：在暴露出的硬掩膜层以及金属硬掩膜层之上依次沉积第二抗反射涂层、对应于所述第一通孔的图形化的第二光刻胶；

S103：以第二光刻胶为掩膜采用干法蚀刻到牺牲层中，形成第二通孔；

S104：采用灰化工艺去除第二光刻胶和第二抗反射涂层，暴露出金属硬掩膜层；

S105：以金属硬掩膜层为掩膜，蚀刻硬掩膜层和部分牺牲层，形成第二沟槽，同步蚀刻第二通孔下方的牺牲层，形成第三通孔；

S106：采用干法蚀刻去除第二通孔内的蚀刻阻挡层，暴露出所述第一通孔中的铜后停止蚀刻，形成第三通孔；

S107：采用电镀工艺在第四通孔和第二沟槽中进行金属铜填充以形成金属互联层；

S108：采用化学机械掩膜工艺去除金属硬硬膜层和硬掩膜层；

S109：采用非氧化性酸去除蚀刻阻挡层之上的牺牲层；

S110：采用旋涂工艺将蚀刻阻挡层上方除金属铜之外的区域重新填满低介电常数材料，形成金属铜大马士革互联结构。

下面以图2所示的方法流程为例，结合附图3A至3I，对一种消除低介电常数材料损伤的后段工艺集成的制作工艺进行详细描述。

S100：在金属介电层中预先制作的第一通孔和第一沟槽中采用电镀工艺形成电镀铜，并在金属介电层表面上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层、牺牲层、硬掩膜层、金属硬掩膜层、第一抗反射涂层、对应于所述第一沟槽的图形化的第一光刻胶。

参见图3A，在金属介电层300中预先制作第一通孔和第一沟槽3024，所述第一通孔包括第一通孔3021、第一通孔3022、第一通孔3023，所述第一沟槽3024之下分别为第一通孔3022、第一通孔3023，接着在第一通孔以及第一沟槽3024中采用电镀工艺形成第一通孔电镀铜以及第一沟槽电镀铜，所述第一通孔3021中的电镀铜以及第一沟槽电镀铜的表面均和金属介电层300的表面平齐。然后，在金属介电层300、所述第一通孔3021的电镀铜、第一沟槽电镀铜的表面上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层304、牺牲层306、硬掩膜层308、金属硬掩膜层310、第一抗反射涂层312、图形化的第一光刻胶314，所述第一光刻胶314的图形尺寸(CD)以及图形位置和所述第一沟槽3024相对应，以便后续工艺制造用以导线用的第二沟槽(如图3F所示)。

所述牺牲层306可以为二氧化硅材料或铝或铝化物材料，也可以采用普通的低介电常数材料、FSG等类氧化物材料等制备后续工艺需要的双大马士革结构，以便可以充分利用和兼容于现有工艺。

所述铝化物材料可以为铝和铜的化合物。

所述硬掩膜层308和金属硬掩膜层310可以防止蚀刻到下层牺牲层的侧边。

S101：以第一光刻胶为掩膜，采用干法蚀刻由上至下依次蚀刻第一抗反射涂层、金属硬掩膜层，蚀刻停留在硬掩膜层，通过灰化工艺去除第一光刻胶和第一抗反射涂层。

参见图3B，以第一光刻胶314为掩膜，对第一抗反射涂层312、金属硬掩膜层310进行干法蚀刻，暴露出硬掩膜层308后停止蚀刻，然后通过灰化工艺去除第一光刻胶314和第一抗反射涂层312后，将第一光刻胶的图形转移到金属硬掩膜层310上，使金属硬掩膜层310的图形尺寸和图形位置和所述第一沟槽3024也相对应，以便后续工艺制造第二沟槽。

S102：在暴露出的硬掩膜层以及金属硬掩膜层之上依次沉积第二抗反射涂层、对应于所述第一通孔的图形化的第二光刻胶。

参见图3C，在暴露出的硬掩膜层308上以及金属硬掩膜层310上沉积第二抗反射涂层316，在第二抗反射涂层316上沉积图形化的第二光刻胶318，所述第二光刻胶的图形尺寸和图形位置与所述第一通孔3021、第一通孔3022、第一通孔3023相对应，以便后续工艺制造第二通孔(如图3D所示)。

S103：以第二光刻胶为掩膜采用干法蚀刻到牺牲层中，形成第二通孔。

参见图3D，以第二光刻胶318为掩膜，在第一通孔3021上方的区域采用干法蚀刻由上至下依次蚀刻第二抗反射涂层316、金属硬掩膜层310、硬掩膜层308和部分牺牲层306，形成第二通孔3201；在第一通孔3022、第一通孔3023上方的区域同步采用干法蚀刻由上至下依次蚀刻第二抗反射涂层316、硬掩膜层308和部分牺牲层306，形成第二通孔3202、第二通孔3203。所述第二通孔包括第二通孔3201、第二通孔3202、第二通孔3203。

S104：采用灰化工艺去除第二光刻胶和第二抗反射涂层，暴露出金属硬掩膜层。

参见图3E，采用灰化工艺去除第二光刻胶318和第二抗反射涂层316，暴露出金属硬掩膜层310和部分硬掩膜层308。

S105：以金属硬掩膜层为掩膜，蚀刻硬掩膜层和部分牺牲层，形成第二沟槽，同步蚀刻第二通孔下方的牺牲层，形成第三通孔。

参见图3F，以金属硬掩膜层310为掩膜，蚀刻硬掩膜层308和部分牺牲层306，形成导线用的第二沟槽322；同时蚀刻第二通孔下方的牺牲层306，形成第三通孔。所述第三通孔包括第三通孔3201’、第三通孔3202’、第三通孔3203’，且所述第三通孔的图形尺寸和图形位置对应于所述第一通孔。

S106：采用干法蚀刻去除第三通孔内的蚀刻阻挡层，暴露出所述第一通孔中的铜后停止蚀刻，形成第四通孔。

参见图3G，采用干法蚀刻去除所述第三通孔内的蚀刻阻挡层304后，形成了第四通孔，所述第四通孔包括第四通孔3201″、第四通孔3202″、第四通孔3203″。

S107：采用电镀工艺在第四通孔和第二沟槽中进行金属铜填充以形成金属互联层。

参见图3H，采用电镀工艺在所述第四通孔和所述第二沟槽中进行金属铜324填充以形成牺牲层306、金属介电层300之间互联的双大马士革结构。

S108：采用化学机械掩膜工艺去除金属硬硬膜层和硬掩膜层。

参见图3I，对顶部多余的金属铜324、金属硬硬膜层310、硬掩膜层308进行化学机械抛光工艺形成金属互联层，制备用以后续工艺的双大马士革结构。

S109：采用非氧化性酸去除蚀刻阻挡层之上的牺牲层。

参见图3J，在已形成的双大马士革结构中如采用二氧化硅材料作为牺牲层306时，所述非氧化性酸可以采用氢氟酸去除蚀刻阻挡层304上方除金属铜324区域之外的牺牲层306；如采用铝或铝化物材料作为牺牲层306时，所述非氧化性酸可以采用盐酸去除蚀刻阻挡层304上方除金属铜324区域之外的牺牲层306。

采用氢氟酸去除牺牲层306时，所述氢氟酸的浓度为0.1-1％(重量百分比)，去除时间为1-10分钟。

采用盐酸去除牺牲层306时，所述盐酸的浓度为小于10％(重量百分比)，去除时间为5-10分钟。

S110：采用旋涂工艺将蚀刻阻挡层上方除金属铜之外的区域重新填满低介电常数材料，形成金属铜大马士革互联结构。

首先，参见图3K，在进行旋涂工艺前，旋涂工艺的材料可以进行紫外线(UV)光照射做后处理，经过一定条件的后处理工艺，以增加孔隙率和机械强度，可以形成较低介电常数的薄膜层，然后，采用旋涂工艺将蚀刻阻挡层304上方除金属铜324之外的区域重新填满经过后处理过的低介电常数材料，形成低介电层326，用于后段互联的隔离介质。

经过上述步骤后，形成低介电层326、金属介电层300之间互联的金属铜大马士革互联结构以及金属间无损伤的低介电常数材料。

然后，参见图3L，对低介电层326的顶部进行CMP工艺，当金属铜324减薄并完成互联金属层后，停止CMP工艺，通孔CMP工艺可以使金属铜324表面没有多余的低介电层326，从而使表面平整化，并且形成了通孔内镶嵌着金属，且这样可以使通孔内的金属与用于金属导线的沟槽中的材料相同，减少由通孔产生电迁移失效的问题，从而实现了铜替代铝材料的高导电的导线与低介电常数材料之间的金属连线工艺，降低了RC时间延迟，提高了用以后续工艺的金属铜大马士革互联结构的性能。

由上述技术方案可知，与传统通用的双大马士革工艺相比，本发明公开的金属铜大马士革互联结构在集成互联后段金属工艺整合中，通过引入二氧化硅或铝或铝化物材料作为牺牲层，在牺牲层上先形成互联铜金属线，然后去除铜金属间隙的二氧化硅或铝或铝化合物材料，接着用旋涂的低介电常数材料填充到铜金属间隙中，形成了低介电层、金属介电层之间互联的互联金属层，从而杜绝了干法蚀刻和/或灰化工艺在传统工艺中导致的低介电常数材料的碳流失，从而造成低介电常数材料表层的损伤。因此，通过本发明形成的金属铜大马士革结构及其金属间无损伤的低介电常数材料的工艺流程，可以在集成电路后段工艺集成的制造方法过程中消除低介电常数材料损伤。并且，本发明在制备金属铜大马士革互联结构的过程也可以将二氧化硅或铝或铝化合物材料的牺牲层采用普通的低介电常数材料，例如FSG低介电绝缘材料等类氧化物等，与传统的双大马士革工艺相比，在此基础上制备的金属铜大马士革互联结构可以充分利用并且和现有工艺兼容。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，包括如下步骤：

在金属介电层中预先制作的第一通孔和第一沟槽中采用电镀工艺形成电镀铜，并在金属介电层表面上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层、牺牲层、硬掩膜层、金属硬掩膜层、第一抗反射涂层、对应于所述第一沟槽的图形化的第一光刻胶；

以第一光刻胶为掩膜，采用干法蚀刻由上至下依次蚀刻第一抗反射涂层、金属硬掩膜层，蚀刻停留在硬掩膜层，通过灰化工艺去除第一光刻胶和第一抗反射涂层；

在暴露出的硬掩膜层以及金属硬掩膜层之上依次沉积第二抗反射涂层、对应于所述第一通孔的图形化的第二光刻胶；

以第二光刻胶为掩膜采用干法蚀刻到牺牲层中，形成第二通孔；

采用灰化工艺去除第二光刻胶和第二抗反射涂层，暴露出金属硬掩膜层；

以金属硬掩膜层为掩膜，蚀刻硬掩膜层和部分牺牲层，形成第二沟槽，同步蚀刻第二通孔下方的牺牲层，形成第三通孔；

采用干法蚀刻去除第三通孔内的蚀刻阻挡层，暴露出所述第一通孔中的铜后停止蚀刻，形成第四通孔；

采用电镀工艺在第四通孔和第二沟槽中进行金属铜填充以形成金属互联层；

采用化学机械掩膜工艺去除金属硬硬膜层和硬掩膜层；

采用非氧化性酸去除蚀刻阻挡层之上的牺牲层；

采用旋涂工艺将蚀刻阻挡层上方除金属铜之外的区域重新填满低介电常数材料，形成金属铜大马士革互联结构。

2.根据权利要求1所述的金属铜大马士革互联结构的制造方法，其特征在于：所述牺牲层为二氧化硅材料，所述非氧化性酸为氢氟酸。

3.根据权利要求1所述的金属铜大马士革互联结构的制造方法，其特征在于：所述牺牲层为铝或铝化合物材料，所述非氧化性酸为盐酸。

4.根据权利要求1所述的金属铜大马士革互联结构的制造方法，其特征在于：所述牺牲层为类氧化物材料。

5.根据权利要求4所述的金属铜大马士革互联结构的制造方法，其特征在于：所述类氧化物为低介电常数绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的金属铜大马士革互联结构的制造方法，其特征在于：所述旋涂工艺所使用的材料进行紫外线光照射做后处理。

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