CN102569037B - 一种提高金属绝缘层金属电容层多次光刻重复性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高金属绝缘层金属(MIM)电容层多次光刻重复性的方法，包括：在金属互连布线层基底上制作一金属-绝缘层-金属结构的电容层淀积一层介质抗反射层，对所述介质抗反射层进行第一次光刻工艺，曝光不合格；去除所述光刻胶及第一底部抗反射层,所述第一介质抗反射层受损，形成变质介质抗反射层；刻蚀去除变质第一介质抗反射层；在所述金属-绝缘层-金属结构的电容层表面重新沉积一层与所述第一介质抗反射层性质形同的第二介质抗反射层，进行第二次光刻。可以实现快速、有效、可靠地方法提高MIM电容层曝光返工参数稳定性和可重复性。

Description

一种提高金属绝缘层金属电容层多次光刻重复性的方法

技术领域

本发明涉及一种金属-绝缘层-金属电容结构的光刻过程，尤其涉及一种提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法。

背景技术

随着半导体性能要求的不断提高，集成电路芯片的尺寸也越来越小，光刻过程成为芯片制造中最核心的工序。通常一个完整的45纳米工艺芯片，视性能要求的不同大约需要40到60次光刻工序。随着器件尺寸的缩小，光刻的图形也不断缩小，光阻的厚度越来越小和光刻完成后的尺寸也越来越小。随着芯片生产工艺从微米级到目前最先进的15纳米工艺，光刻所使用的波长也随着芯片工艺的进步不断缩小，从汞的I系线，G系线到紫外区域的193nm紫外线，极紫外线EUV、乃至电子束。光刻成为一项精密加工技术。

MIM电容是集成电路芯片中非常重要的器件之一，它主要用于电荷存储，电压泵控制电压，电感电容振荡器，射频控制等。所以，MIM电容层是重要的后段器件结构，对电容的大小要求越来越精确，所以对光刻的要求较高。随着线宽的不断缩小，工艺窗口及所容许的误差也越来越小，而且缺陷也越来越多。初次光刻过程完成后，如果参数不符合规格或缺陷过高，可以进行返工重新进行第二次光刻过程，甚至可能发生多次返工，最终才能达到所需要的要求。据初步统计，MIM电容层光刻工艺的返工率高于10％，特别是处于工艺开发期以及尚未稳定的工艺，光刻返工率要更高。

MIM电容层进行光刻时一般是多层薄膜堆叠的结构，如图1-图4所示，通常从下往上分别是下层金属布线层11作为基底，MIM平板电容最为常见的是三层堆叠的三明治结构，包括下层金属极板层12，绝缘介质层13和上层金属极板层14。上层金属极板层12和下层金属极板层14是电容器的正负两极。MIM电容层最表层薄膜一般是介质抗反射层15，因为金属反射系数和吸收系数与普通介质薄膜差异很大，为了消除不良的光学效应，并提高光阻与下层的结合力，同时也能对下层金属极板层12和上层金属极板层14有一定的隔离和保护作用。在第一次光刻工艺中，在介质抗反射层15表面覆盖一层底部抗反射层16，并在其上涂覆光刻胶17进行光刻，但是由于尺寸、对准度、均与性、缺陷等因素，经常会发生该第一次曝光不合格，需要返工，重新曝光。如果发生光刻返工或同层需要多次曝光，由于最表层的介质抗反射层15在去除光阻过程中发生性质改变(如反射率，折射率，厚度，均匀性，粗糙度，吸光率等等)，形成了变质的介质抗反射层18，从而再次光刻时，所有的相关光刻参数都需要人工调节。而且由于返工次数的不同或相同返工次数但表层改变程度不一样，所需要调节的参数的调节量也不一样。此外，由于去胶过程对表面的化学状态和均匀性的改变，第二光刻过程极易发生光阻胶层17的翘起，尺寸不均，截面形态改变等不良现象。传统的调节参数是采用根据经验计算给出一定的调整值。但由于实际生产每次工艺都有一定得差异，而且随着同层薄膜光刻次数的增加，受损程度越大，需要的调整值也越大，而且变动范围也越大。因此，该人工调节光刻参数的过程难度大，不稳定，极容易失败而需要再次返工，进一步加大成功实现光刻的难度。而且，随着返工次数的增加，其光刻返工所需要调节参数改变范围也越大，难度也越大，更容易发生失效。

因此，如何找到一种方法可以实现快速、有效、可靠地方法提高MIM电容层曝光返工参数稳定性和可重复性，以实现高效率，高速度的自动化生产成为一个半导体业界亟待解决的重要技术难题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种提高金属-绝缘层-金属结构多次光刻时工艺参数稳定性和重复性的方法。减少在重新光刻时需要重新寻找和设定新参数，从而造成次品的风险，同时也可以减少缺陷的产生，提高工艺稳定性和良率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，包括：

步骤S1:在金属互连布线层基底上制作一金属-绝缘层-金属结构的电容层；

步骤S2：在所述金属-绝缘层-金属结构的电容层表面沉积形成一层第一介质抗反射

层；

步骤S3：淀积第一层底部抗反射层，所述第一底部抗反射层覆盖在所述第一介质抗

反射层上；

步骤S4：在所述第一底部抗反射层旋涂一层光刻胶并进行曝光；

步骤S5：去除所述光刻胶及第一底部抗反射层,所述第一介质抗反射层受损，形成变

质介质抗反射层；其中，还包括以下步骤：

步骤S6：刻蚀去除变质第一介质抗反射层；

步骤S7：在所述金属-绝缘层-金属结构的电容层表面重新沉积一层第二介质抗反射层。

步骤S8：在所述第二介质抗反射层覆盖一层所述第二底部抗反射层，并在所述第二底部抗反射层上旋涂光刻胶，进行第二次光刻。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，在制作金属-绝缘层-金属结构的电容层步骤中，在所述基底的竖直方向上堆叠形成三层结构的金属-绝缘层-金属电容层，其由下往上依次是：下层金属极板层、绝缘介质层以及上层金属极板层。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，所述上层金属极板层和所述下层金属极板层可以有金属或金属氧化物制成。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，所述绝缘介质层可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝及其他高介电常数材料之一。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，所述介质层薄膜为一层介质抗电层薄膜，可以由氧化硅，氮氧化硅，氮化硅材料中的一种制成或碳掺杂氮化硅材料制成。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，所述介质层薄膜的沉积生长方式为下列方式中的一种：

-化学气相沉积；

-炉管生长；

-原子层沉积；

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，所述基底为铜互连金属布线层。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，所述基底为铝互连金属布线层。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，采用高选择比湿化学刻蚀方法去除受损的所述表层介质层薄膜。

上述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其中，在步骤S7中，采用与制备和沉积所述第一介质抗反射层相同的材料和沉积方法在所述金属-绝缘层-金属层表面覆盖一层所述第二介质抗反射层。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过选择性去除表层性质改变的薄膜，重新生长具有初始性质的薄膜，而实现曝光过程与原有初次曝光参数保持不变。可以有效解决MIM电容层光刻返工时，需要人工调节参数，既导致速度慢没有效率，又容易产生参数不准，再次光刻失效的难题。

本发明的方法可以快速稳定可靠地自动实现返工的光刻参数设定，降低缺陷，提高生产速度，有利于大规模工业生产。

同时，传统返工过程中经过一定次数曝光的表层薄膜，光刻性能表现已经偏离极大，很难实现可控的光刻工艺。而本发明的可以高稳定性和重复性的实现返工，因此可以增加最大返工次数，可以增大研发过程中晶片材料的循环使用次数，提高利用率，降低成本。

附图说明

图1-图4本发明背景技术中传统的金属-绝缘层-金属的最表层进行光刻返工工艺的结构流程图。

图5-图12是本发明的一种提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法的结构流程图。

具体实施方式

下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。

如图5-图12所示，本发明的一种提高金属-绝缘层-金属(以下简称为“MIM”)电容层多次光刻重复性的方法,包括以下步骤：

步骤S1:如图5所示，在金属互连布线层基底21上制作一MIM结构的电容层，在基底21的竖直方向上堆叠形成三层结构的MIM电容层，其由下往上依次是：下层金属极板层22、绝缘介质层23以及上层金属极板层24。

其中，金属互连布线层基底21可以为铜互连金属布线层，铝互连金属布线及钽，钛，氮化钛等金属互连层等。并且可以采用常见的铜，铝，钽，钛/氮化钛作为上层金属极板层24和下层金属极板层22的制成材料。绝缘介质层23的材料可以选用氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，氧化铝及其他高介电常数材料。

步骤S2：如图6所示，在上层金属极板层24的表面沉积形成一层第一介质抗反射层25。

其中，第一接质抗反射层25选用氧化硅，氮氧化硅，氮化硅，碳掺杂氮化硅等材料，采用化学气相沉积，炉管生长，原子层沉积等生长方式进行沉积。

步骤S3：淀积第一层底部抗反射层26，第一底部抗反射层26覆盖在第一介质抗反射层25上，如图7所示。

步骤S4：如图8所示，在第一底部抗反射层26上旋涂一层光刻胶27并进行曝光，进行第一次光刻工艺。

实施中，初次光刻过程完成后，如果参数不符合规格或缺陷过高，可以进行返工重新进行第二次光刻过程，甚至可能发生多次返工，最终才能达到所需要的要求。

步骤S5：去除光刻胶27及第一底部抗反射层26,在此过程中，如图9所示，需要对晶圆进行灰化、酸洗以及干燥等方式去除第一介质反射层25表面的第一底部抗反射层26以及其上的光刻胶27，很容易损坏第一介质抗反射层25，使其物理或光学性质发生变质，形成变质介质抗反射层28。

步骤S6：刻蚀去除变质第一介质抗反射层28。

如图10所示，对于需要进行返工光刻的晶圆，由于初次曝光后去胶过程中受损而物理、光学性质改变的第一介质抗反射层25，即变质介质抗反射层28，进行选择性去除。实施中，刻蚀采用等离子体干法刻蚀，通过调节反应气体，功率，压力，终点监测等实现高选择比去除变质介质抗反射层28；也可以根据下层金属极板层22与介质抗反射层28在化学液中的不同刻蚀比来用湿化学法选择性去处受损表层，例如当次表层的下层金属极板层22为金属钽，而介质抗反射层28为氧化硅时，则可以用氢氟酸水溶液来选择性去除变质介质抗反射层28。

步骤S7：在MIM结构的电容层表面重新沉积一层第二介质抗反射层29，覆盖在上层金属极板层24表面。

如图11所示，在此步骤中，优选地，使用与第一介质抗反射层25为了使得新生长的第二介质抗反射层29相同的材料和生长方式进行沉积，使得第二介质抗反射层29具有与初始光刻时的第一介质抗反射层25同样的性质，从而回复到初次曝光时的原有状态。因此，第二次或更多次的返工光刻工艺可以采用初次曝光相同工艺参数，如焦距，能量，曝光剂量，对准等等，不需要人工调整光刻参数，提高了工艺的可靠性和重复性。

步骤S8：如图12所示，在第二介质抗反射层29覆盖一层第二底部抗反射层3，并在第二底部抗反射层3上旋涂光刻胶4，进行第二次光刻。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，包括：

步骤S1:在金属互连布线层基底上制作一金属-绝缘层-金属结构的电容层；

步骤S2：在所述金属-绝缘层-金属结构的电容层表面沉积形成一层第一介质抗反射层；

步骤S3：淀积第一层底部抗反射层，所述第一底部抗反射层覆盖在所述第一介质抗反射层上；

步骤S4：在所述第一底部抗反射层旋涂一层光刻胶并进行曝光；

步骤S5：去除所述光刻胶及第一底部抗反射层,所述第一介质抗反射层受损，形成变质介质抗反射层；其特征在于，还包括以下步骤：

步骤S6：刻蚀去除变质第一介质抗反射层；

步骤S7：在所述金属-绝缘层-金属结构的电容层表面重新沉积一层第二介质抗反射层；

步骤S8：在所述第二介质抗反射层覆盖一层第二底部抗反射层，并在所述第二底部抗反射层上旋涂光刻胶，进行第二次光刻。

2.根据权利要求1所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，在制作金属-绝缘层-金属结构的电容层步骤中，在所述基底的竖直方向上堆叠形成三层结构的金属-绝缘层-金属电容层，其由下往上依次是：下层金属极板层、绝缘介质层以及上层金属极板层。

3.根据权利要求2所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，所述上层金属极板层和所述下层金属极板层由金属或金属氧化物制成。

4.根据权利要求2所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，所述绝缘介质层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝及其他高介电常数材料之一。

5.根据权利要求1所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，介质层薄膜为一层介质抗电层薄膜，由氧化硅，氮氧化硅，氮化硅材料中的一种制成或碳掺杂氮化硅材料制成。

6.根据权利要求1或5所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，介质层薄膜的沉积生长方式为下列方式中的一种：

-化学气相沉积；

-炉管生长；

-原子层沉积。

7.根据权利要求1所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，所述基底为铜互连金属布线层。

8.根据权利要求1所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，所述基底为铝互连金属布线层。

9.根据权利要求1所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，采用高选择比湿化学刻蚀方法去除受损的表层介质层薄膜。

10.根据权利要求1所述的提高金属-绝缘层-金属电容层多次光刻重复性的方法，其特征在于，在步骤S7中，采用与制备和沉积所述第一介质抗反射层相同的材料和沉积方法在所述金属-绝缘层-金属层表面覆盖一层所述第二介质抗反射层。