CN102881649B - 一种大马士革结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大马士革结构的制作方法，包括在衬底上依次淀积介质阻挡层氮化膜和介质层；在介质层上涂布第一光刻胶，经光刻，形成通孔刻蚀图形；经刻蚀和去胶，在介质层上形成通孔；在通孔中淀积氮化膜；在介质层上涂布第二光刻胶，经光刻，形成沟槽刻蚀图形；经刻蚀和去胶，形成沟槽；刻蚀通孔氮化膜、暴露的中间停止层氮化膜和介质阻挡层氮化膜；金属填充通孔和沟槽。因此，通过本发明的方法，简化了制备工艺，使刻蚀工艺更加稳定和易于控制，提高了生产效率。

Description

一种大马士革结构的制作方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，涉及一种大马士革结构的制作方法。

背景技术

随着集成电路工艺的不断发展和进步，半导体制程关键尺寸的不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距离持续下降。增加的互连线电阻R和寄生电容C使互联线的时间常数RC大幅度提高。于是互联线的时间常数RC在集成电路延迟总所占的比例越来越大，成为限制互连速度的主要原因。在0.13um制程以上，半导体通常采用铝作为后道连线的金属材料。而进入到90nm及其以下制程时，随着互连线层数和长度的迅速增加以及互连宽度的减小，Al连线的电阻增加，导致互连时间延迟，信号衰减及串扰增加，同时电迁移和应力效应加剧，严重影响了电路的可靠性。而金属铜具有更小的电阻率和电迁移率，因此，铜成为深亚微米时代的后道金属的首选金属材料。

传统的集成电路的金属连线是以金属层的刻蚀方式来制作金属导线的，然后进行介电层的填充、介电层的化学机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。但是由于铜的干法刻蚀较为困难，刻蚀的残留物无法抽吸，所以必须采用新的镶嵌技术大马士革工艺完成铜线互连。大马士革工艺是首先在介电层上刻蚀金属导线槽，然后填充金属，再对金属进行机械抛光，重复上述工序，进而进行多层金属叠加。大马士革结构一般有两种，单大马士革结构和双大马士革结构。单大马士革结构比较简单，仅仅是介电层刻蚀和金属填充。双大马士革结构则是将通孔以及金属导线结合在一起，如此只需要一步金属填充。

目前常用的大马士革结构的制作方法如图1所示，图1是常用的大马士革结构的制作方法的工艺流程图，其包括步骤如下：

步骤S1：在衬底上依次淀积介质阻挡层氮化膜和介质层，介质层的结构从下往上依次为通孔介质膜、中间停止层氮化膜、沟槽介质膜；

步骤S2：在沟槽介质膜上涂布第一光刻胶，经曝光、光刻，在第一光刻胶上形成通孔刻蚀图形；

步骤S3：经刻蚀和去胶，利用通孔刻蚀图形图案化介质层，在介质层上形成通孔；

步骤S4：在通孔中涂布BAC抗蚀层；

步骤S5：在沟槽介质膜上涂布第二光刻胶，经曝光、显影和光刻，在第二光刻胶上形成沟槽刻蚀图形；

步骤S6：采用等离子干刻蚀法刻蚀通孔中的BAC抗蚀层；

步骤S7：经刻蚀和去胶，用沟槽刻蚀图形刻蚀沟槽介质膜，在沟槽介质膜上形成沟槽；

步骤S8：采用等离子干刻蚀法刻蚀暴露在沟槽底部的中间停止层氮化膜和通孔底部的介质阻挡层氮化膜；

步骤S9：在通孔和沟槽内填充金属，并采用化学机械平坦化法将介质层表面的多余的金属去除。

在上述常用的大马士革结构的制作方法的工艺步骤中，为了确保沟槽刻蚀的深度的准确性，往往会在通孔介质膜和沟槽介质膜中间加一层薄的中间停止层氮化膜，作为沟槽刻蚀的停止层；由于沟槽加通孔深度较大，为了减小阶梯高度差，确保光刻的对准性，往往会在光刻胶涂布之前，先涂布一层抗蚀层BAC层，减小阶梯高度差，使得光刻图形更加精确。从上述方法可以看出，由于使用BAC减小阶梯高度差来满足光刻的对准的要求，必须在用沟槽刻蚀图形图案化沟槽介质膜之前把通孔内的BAC刻蚀掉，以便打开沟槽刻蚀窗口，一方面刻蚀需要调整好通孔介质膜和沟槽介质膜两者与BAC抗蚀层之间的选择比，防止通孔中的BAC全被刻蚀掉的同时损伤到下层互联层；另一方面如果光刻异常需要返工时，需要把整个光刻胶以及BAC去除再重新涂布，既使得工艺变得复杂繁琐，而且通孔里的BAC是否清除干净成为影响光刻返工的问题。

因此，急需找到一种材料替代BAC作为抗蚀层材料，简化刻蚀工艺，避免光刻返工困难的问题。

发明内容

本发明的主要目的为，针对上述问题，提出了一种大马士革结构的制作方法，使用氮化膜替代BAC来减小阶梯高度差，解决光刻返工困难的复杂问题，降低工艺成本，提高工艺控制度，从而提高生产效率。

为达到上述目的，本发明提供一种大马士革结构的制作方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤S1：在衬底上依次淀积介质阻挡层氮化膜和介质层，所述的介质层的结构从下往上依次为通孔介质膜、中间停止层氮化膜、沟槽介质膜；

步骤S2：在所述的介质层表面上涂布第一光刻胶，经曝光和显影，在所述的第一光刻胶上形成通孔刻蚀图形；

步骤S3：经刻蚀和去胶，利用所述的通孔刻蚀图形刻蚀所述的介质层，在所述的介质层上形成通孔；

步骤S4：在所述的通孔中淀积氮化膜，形成通孔氮化膜；

步骤S5：在所述的介质层表面上涂布第二光刻胶，经曝光和显影，在所述的第二光刻胶上形成沟槽刻蚀图形；

步骤S6：经刻蚀和去胶，用所述的沟槽刻蚀图形刻蚀所述的沟槽介质膜，在所述的沟槽介质膜上形成沟槽；

步骤S7：去除所述的通孔氮化膜，以及暴露在所述的沟槽底部的中间停止层氮化膜和所述的通孔底部的所述介质阻挡层氮化膜；

步骤S8：在所述通孔和所述沟槽内填充金属。

优选地，所述步骤S4中，所述通孔氮化膜封闭所述通孔顶部。

优选地，所述的通孔氮化膜的芯部带有孔隙。

优选地，所述通孔氮化膜的芯部孔隙的顶部到沟槽介质膜的顶部的深度不小于3000埃。

优选地，所述的中间停止层氮化膜的厚度为100-500埃。

优选地，在步骤S4中，还包括在淀积所述通孔氮化膜时，有多余的氮化膜覆盖在所述通孔外部的介质层表面，采用湿化学磷酸法去除所述介质层表面的多余氮化膜。

优选地，所述的通孔介质膜和所述的沟槽介质膜是氧化膜。

优选地，所述的通孔介质膜和所述的沟槽介质膜是低介电材料。

优选地，步骤S7中所采用的去除方法为湿化学磷酸去除法。

优选地，步骤S8中还包括采用化学机械平坦化法将所述介质层表面多余的金属去除。

本发明提出一种大马士革结构的制作方法，利用氮化膜代替BAC减小阶梯高度差，一方面确保了光刻的准确度，解决了光刻返工困难复杂的问题，同时由于氮化膜与氧化膜的选择比相差较大，使得等离子干法刻蚀工艺简单易控制；另一方面覆盖通孔外部介质层表面的和通孔中的氮化膜可用磷酸去除，并且可以用磷酸同时去除暴露在通孔内的中间停止层氮化膜和介质阻挡层氮化膜，这一工艺成本较等离子体干法刻蚀低，工艺相对稳定易于控制，能够有效提高生产效率。

附图说明

图1常用的用于大马士革结构的制作方法流程图

图2本发明的一种大马士革结构的制作方法的一个较佳实施例的流程示意图

图3-图12根据本发明的用于一种大马士革结构的制作方法的一个较佳实施例的主要工艺步骤的剖面示意图

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图2-12对本发明的一种大马士革结构的制作方法进行详细说明。

图2是本发明的一种大马士革结构的制作方法的一个较佳实施例的流程示意图。在本实施例中，一种大马士革结构的制作方法包括步骤S01～S10，步骤S01～S10分别通过附图3～12以说明本发明图2所述的制作方法具体步骤时所形成的剖面结构。

请参阅图2，如图所示，在本发明的该实施例中，一种大马士革结构的制作方法包括如下步骤：

步骤S1：请参阅图3，采用化学气相沉积的方法在衬底1上依次淀积介质阻挡层氮化膜2和介质层J1，介质层J1的结构从下往上依次为通孔介质膜3、中间停止层氮化膜4、沟槽介质膜5；

需要说明的是，衬底1可以是金属衬底，也可以是具有一层金属层的衬底；介质阻挡层氮化膜2的作用在于作为后续刻蚀步骤的刻蚀停止层。然后在介质阻挡层氮化膜2上面以化学气相沉积的方法依次沉积通孔介质膜3、中间停止层氮化膜4、沟槽介质膜5。通孔介质膜3和沟槽介质膜5可以是氧化膜，也可以是低介电材料；低介电材料可以是但不限于氟硅玻璃，或者是掺碳玻璃。中间停止层氮化膜4作为刻蚀沟槽介质膜5时的刻蚀停止层。中间停止层氮化膜的厚度为100-500埃。

还需要说明的是，通孔介质膜3和沟槽介质膜5两者与中间停止层氮化膜4的选择比相差较大。

步骤S2：请参阅图4，在介质层J1上涂布第一光刻胶6，经曝光、显影和光刻，在第一光刻胶6上形成通孔刻蚀图形。

需要说明的是，第一光刻胶6涂布在介质层J1的沟槽介质膜5上面，然后进行曝光、显影和刻蚀，在第一光刻胶6上形成通孔刻蚀图形。

步骤S3：请参阅图5，利用步骤S2中的通孔刻蚀图形刻蚀介质层J1，所采用刻蚀方法可以是但不限于等离子体干法，包括刻蚀通孔介质膜3、中间停止层氮化膜 4和沟槽介质膜5 ，刻蚀后将第一光刻胶6去除，在介质层 J1上形成通孔。

步骤S4：请参阅图6，可以但不限于采用化学气相沉积法在介质层J1的通孔中淀积氮化膜7，直至所述的氮化膜7填满通孔和覆盖通孔外部介质层J1表面。

值得一提的是，在介质层J1的通孔中的氮化膜7 带有孔隙，该孔隙的顶部到沟槽介质膜5顶部的距离不小于3000埃，避免后续刻蚀工艺将通孔内的氮化膜7刻蚀掉，导致后续工艺中涂布的第二光刻胶8进入氮化膜7的孔隙中，影响刻蚀工艺的顺利进行；而覆盖在通孔外部介质层J1表面的氮化膜7是一层表面平整的膜。

步骤S5：请参阅图7，刻蚀去除覆盖通孔外部介质层表面的氮化膜7。所采用的方法可以采用但不限于等离子体干法刻蚀，或采用湿化学法磷酸刻蚀。由于传统的等离子体干法刻蚀造价较高，特别的选用低成本的湿化学法磷酸刻蚀。

值得注意的是，在实际的刻蚀过程中，在介质层J1的通孔中的氮化膜7的顶部会有少量被刻蚀掉，只是被刻蚀掉的量很少，不影响后续的沟槽刻蚀工艺，因此可以忽略不计；同时通过控制刻蚀工艺参数，尽量避免对氮化膜7的刻蚀过度，而影响到后续的填充过程。该工艺参数可以根据实际使用的设备的情况来进行调节。

步骤S6：请参阅图8，在介质层J1的沟槽介质膜5上涂布第二光刻胶8，经曝光、显影和光刻，在第二光刻胶8上形成沟槽刻蚀图形。

步骤S7：请参阅图9，用沟槽刻蚀图形刻蚀沟槽介质膜5，所采用的方式是可以但不限于等离子体干法刻蚀，或湿法刻蚀，去除第二光刻胶8后，在沟槽介质膜5中形成沟槽。

步骤S8：请参阅图10，刻蚀通孔氮化膜7、暴露在沟槽底部的中间停止层氮化膜4和通孔底部的介质阻挡层氮化膜2。采用的刻蚀方法可以是但不限于湿化学法磷酸刻蚀，或等离子体干法刻蚀。优选地采用等离子体干法刻蚀。

值得一提的是，由于通孔中的氮化膜7、暴露在沟槽底部的中间停止层氮化膜4和通孔底部的介质阻挡层氮化膜2的材料相同，因此本实施例中采用湿化学法磷酸刻蚀可以同时将上述三者去除，减少了工艺步骤。

步骤S9：请参阅图11，采用电镀或溅射方式填充通孔介质膜3的通孔和沟槽介质膜5的沟槽，直至沟槽的外部的介质层J1表面被金属8覆盖，金属8材料选择为铜。

需要说明的是，在本实施例中，填充的金属8可以但不限于金属铜。采用的方法可以但不限于是电镀也可以是溅射。金属8填充是从通孔底部开始的，直至金属8填充满通孔介质膜3的通孔和沟槽介质膜5的沟槽。填充完整度要求填充金属8覆盖住沟槽的开口，并且在沟槽介质膜5表面有一层金属。特别注意的是，这里的沟槽介质膜5即是介质层J1表面。

步骤S10：请参阅图12，采用化学机械平坦化法将沟槽的外部的介质层J1表面的金属8去除，形成大马士革结构。

需要说明的是，将步骤S9中的介质层J1 表面的金属8去除，直至沟槽内的金属8顶部与介质层J1 表面在一水平面上。特别注意的是，这里的介质层J1表面即是沟槽介质膜5的表面。

综上所述，通过本发明的一种大马士革结构的制作方法，通过用氮化膜来替代BAC来降低梯度高度差，由于氮化膜和介质膜的选择比较大，使得在用等离子体干法刻蚀介质层时的工艺简单容易控制；另外，氮化膜可以采用湿化学法磷酸去除，且可以同时去除通孔氮化膜、暴露在通孔内的中间停止层氮化膜和介质阻挡层氮化膜，简化了工艺，比传统等离子体干法刻蚀的工艺成本低，工艺稳定，从而提高了生产效率。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大马士革结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在衬底上依次淀积介质阻挡层氮化膜和介质层，所述的介质层的结构从下往上依次为通孔介质膜、中间停止层氮化膜、沟槽介质膜；

步骤S2：在所述的介质层表面上涂布第一光刻胶，经曝光和显影，在所述的第一光刻胶上形成通孔刻蚀图形；

步骤S3：经刻蚀和去胶，利用所述的通孔刻蚀图形刻蚀所述的介质层，在所述的介质层上形成通孔；

步骤S4：在所述的通孔中淀积氮化膜，形成通孔氮化膜，其中，在淀积所述通孔氮化膜时，有多余的氮化膜覆盖在所述通孔外部的介质层表面，去除所述介质层表面的多余氮化膜，使得通孔氮化膜只位于所述通孔中；

步骤S5：在所述的介质层表面上涂布第二光刻胶，经曝光和显影，在所述的第二光刻胶上形成沟槽刻蚀图形，沟槽刻蚀图形底部暴露出通孔氮化膜顶部和部分介质层表面；

步骤S6：经刻蚀和去胶，用所述的沟槽刻蚀图形刻蚀所述的沟槽介质膜，采用对所述沟槽介质膜的刻蚀速率大于对通孔氮化膜、中间停止层氮化膜的刻蚀速率，在所述的沟槽介质膜中形成沟槽，并停止于中间停止层氮化膜，同时所述通孔氮化膜保留在形成的所述沟槽中；

步骤S7：采用对通孔氮化膜、中间停止层氮化膜和介质阻挡层氮化膜相同的刻蚀速率，去除所述的通孔氮化膜，以及暴露在所述的沟槽底部的中间停止层氮化膜和所述的通孔底部的所述介质阻挡层氮化膜；

步骤S8：在所述通孔和所述沟槽内填充金属。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述通孔氮化膜封闭所述通孔顶部。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的通孔氮化膜的芯部带有孔隙。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述通孔氮化膜的芯部孔隙的顶部到沟槽介质膜的顶部的深度不小于3000埃。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的中间停止层氮化膜的厚度为100-500埃。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于,在步骤S4中，采用湿化学磷酸法去除所述介质层表面的多余氮化膜。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的通孔介质膜和所述的沟槽介质膜是氧化膜。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的通孔介质膜和所述的沟槽介质膜是低介电材料。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S7中所采用的去除方法为湿化学磷酸去除法。

10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S8中还包括采用化学机械平坦化法将所述介质层表面多余的金属去除。