CN103268864B - 降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法 - Google Patents

Abstract

一种降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法。在衬底硅片上沉积介质层，随后在介质层上涂布第一光刻胶；通过曝光和显影在第一光刻胶膜中形成通孔结构和冗余金属槽结构，其中第一光刻胶中形成的金属槽结构穿透第一光刻胶；在同一显影机台内，在第一光刻胶上涂布微缩辅助膜SAFIER以固化第一光刻胶中通孔结构和冗余金属槽结构图形，加热使微缩辅助膜SAFIER与第一光刻胶表面反应形成不溶于第二光刻胶的隔离膜，随后去除没有与第一光刻胶表面反应而剩下的微缩辅助膜SAFIER；在形成有隔离膜的第一光刻胶上涂布第二光刻胶,第一光刻胶的抗刻蚀能力大于第二光刻胶的抗刻蚀能力；通过曝光和显影在第二光刻胶膜中形成处于通孔结构内的金属槽结构。

Description

降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，更具体地说，本发明涉及一种降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法。

背景技术

随着半导体芯片的集成度不断提高，晶体管的特征尺寸不断缩小。进入到130纳米技术节点之后，受到铝的高电阻特性的限制，铜互连逐渐替代铝互连成为金属互连得主流。由于铜的干法刻蚀工艺不易实现，铜导线的制作方法不能像铝导线那样通过刻蚀金属层而获得。现在广泛采用的铜导线的制作方法是称作大马士革工艺的镶嵌技术。

大马士革镶嵌结构铜互连可以通过多种工艺方法实现。其中通孔优先双大马士革工艺是实现金属导线和通孔铜填充一次成形的方法之一。图1A-1E展示了通孔优先双大马士革工艺流程。在衬底硅片1上首先沉积低k值介质层2，在低k值介质层2上涂布第一光刻胶3(图1A)，通过第一光刻和第一次刻蚀以在低k值介质层2中形成通孔4结构(图1B)。在低k值介质层2上涂布第二光刻胶5(图1C)。通过第二光刻和第二次刻蚀在通孔4结构上形成金属槽6结构(图1D)。继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨完成导线金属7和通孔金属8填充(图1E)。

在金属层化学机械研磨工艺中，为了达到均匀的研磨效果，要求硅片上的金属图形密度尽可能均匀。而产品设计的金属图形密度常常不能满足化学机械研磨均匀度要求。解决的方法是在版图的空白区域填充冗余金属15（图1F）来使版图图形密度均匀化。冗余金属提高了图形密度的均匀度，但是不可避免地引入了额外的金属间的耦合电容。为了减少额外的耦合电容带给器件的负面影响，在设计冗余金属填充时要尽可能减少冗余金属的填充数量。

电容可以由下列公式计算：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}{d}$

其中，ε₀为真空介电常数；ε_r为介质介电常数；s为相对的金属面积；d为的金属间距离。由上述公式可见，减少金属的相对面积和增加金属间距离可以减小电容。也就是说，减小冗余金属的体积可以减小由于添加冗余金属而引入的额外的金属间的耦合电容。

减小冗余金属的传统方法需要在大马士革工艺阶段引入额外的光掩模或者额外的硬掩模薄膜，两种途径均需要额外的工艺步骤，延长了制作时间，增加了制作成本。

在器件尺寸微缩进入到32纳米技术节点后，单次光刻曝光无法满足制作密集线阵列图形所需的分辨率。双重图形(doublepatterning)成形技术作为解决这个技术难题的主要方法被大量研究并被广泛应用于制作32纳米以下技术节点的密集线阵列图形。图2A–2E图示了双重图形成形技术制作密集线阵列图形的过程。在需要制作密集线阵列图形的衬底硅片1上，沉积衬底膜9和硬掩膜10，然后涂布第一光刻胶3(图2A)，曝光、显影、刻蚀后，在硬掩膜10中形成第一光刻图形11(图2B)，其线条和沟槽的特征尺寸比例为1:3。在此硅片上涂布第二光刻胶5(图2C)，曝光和显影后在第二光刻胶5膜中形成第二光刻图形12(图2D)，其线条和沟槽的特征尺寸比例也是1:3，但其位置与第一光刻图形11交错。继续刻蚀在衬底硅片上形成与第一光刻图形11交错的第二光刻图形12(图2E)。第一光刻图形11与第二光刻图形11的组合组成了目标线条和沟槽特征尺寸比例为1:1的密集线阵列图形。

双重图形成形技术需要两次光刻和刻蚀，即光刻—刻蚀—光刻—刻蚀。其成本远远大于传统的单次曝光成形技术。降低双重图形成形技术的成本成为新技术开发的方向之一。美国专利US20090142926报道了在第一光刻图形11显影之后，在同一显影机台内，在第一光刻胶3上涂布微缩辅助膜(SAFIER,ShrinkAssistFilmforEnhancedResolution)固化第一光刻胶3中第一光刻图形11的方法。采用此方法后的双重图形成形工艺过程为光刻(显影固化)—光刻—刻蚀。省略了原工艺中的第一刻蚀步骤，从而有效地降低了双重图形成形技术的成本。这种方法也称作双重曝光技术。微缩辅助膜(SAFIER,ShrinkAssistFilmforEnhancedResolution)是东京应化工业株式会社(TOK,TokyoOhkaKogyo)为缩小沟槽或孔图形尺寸开发的商用材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其包括：

第一步骤：在衬底硅片上首先沉积介质层，随后在介质层上涂布第一光刻胶；

第二步骤：通过曝光和显影在第一光刻胶膜中形成通孔结构和冗余金属槽结构，其中第一光刻胶中形成的金属槽结构穿透第一光刻胶；

第三步骤：在与第二步骤的显影相同的同一显影机台内，在第一光刻胶上涂布微缩辅助膜SAFIER并加热以固化第一光刻胶中通孔结构和冗余金属槽结构图形，其中加热使微缩辅助膜SAFIER与第一光刻胶表面反应形成不溶于第二光刻胶的隔离膜，随后去除没有与第一光刻胶表面反应而剩下的微缩辅助膜SAFIER；

第四步骤：在形成有隔离膜的第一光刻胶上涂布第二光刻胶,其中第一光刻胶的抗刻蚀能力大于第二光刻胶的抗刻蚀能力；

第五步骤：通过曝光和显影在第二光刻胶膜中形成处于通孔结构上的金属槽结构；

第六步骤：利用曝光和显影后的第二光刻胶进行初步刻蚀，从而在介质层中形成通孔并在第一光刻胶中形成金属槽结构；

第七步骤：利用形成有冗余金属槽结构的第一光刻胶继续刻蚀，从而在介质层中形成通孔、金属槽、和冗余金属槽，随后去除未被刻蚀的第一光刻胶和第二光刻胶，其中冗余金属槽的深度小于金属槽的深度；

第八步骤：执行金属沉积以完成填充通孔、金属槽、和冗余金属槽，随后执行金属化学机械研磨以完成导线金属、通孔金属、和冗余金属的填充，其中导线金属的厚度大于冗余金属的厚度。

优选地，所述降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法还包括：

第九步骤：执行减薄处理从而部分地或完全去除比导线金属薄的冗余金属。

优选地，第一光刻胶是含硅烷基(silyl)、硅烷氧基(siloxyl)和笼形硅氧烷(silsesquioxane)的光刻胶。

优选地，第一光刻胶和第二光刻胶的抗刻蚀能力的差异大于或等于第一光刻胶的抗刻蚀能力的30%。

优选地，在第三步骤中，使第一光刻胶固化的微缩固化材料为东京应化工业株式会社(TOK,TokyoOhkaKogyo)生产的微缩辅助膜(SAFIER,ShrinkAssistFilmforEnhancedResolution)。

优选地，在第三步骤中，第一光刻胶的固化加热温度的范围是第一光刻胶3主体高分子材料（即，第一光刻胶中质量百分比最大的高分子材料）的玻璃化温度+/-30℃。

优选地，在第三步骤中，第一光刻胶的固化加热时间的范围为15秒至300秒。进一步优选的，在第三步骤中，第一光刻胶的固化加热时间的范围为30秒至120秒。

在根据本发明的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法中，减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，可以有效地提高产能和减少制作成本；有效地扩大后续光刻工艺窗口；不需要额外的硬掩模镀膜机台或光掩模，有效地减少或消除由于冗余金属填充引入的金属层内和金属层间的耦合电容，进一步提高器件的性能。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1A至图1F示意性地示出了根据现有技术的通孔优先双大马士革工艺流程的截面图。

图2A至图2E示意性地示出了根据现有技术的双重图形成形技术的各个步骤的截面图。

图3A至图3I示意性地示出了根据本发明优选实施例的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法的各个步骤的截面图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

图3A至图3I示意性地示出了根据本发明优选实施例的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法的各个步骤的截面图。所述通孔优先双大马士革铜互连方法利用双重曝光技术和可成形硬膜光刻胶降低冗余金属耦合电容。

具体地说，如图3A至图3I所示，根据本发明优选实施例的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法包括：

第一步骤：在衬底硅片1上首先沉积介质层2（优选地，介质层2是低k值介质层），随后在低k值介质层2上涂布第一光刻胶3，如图3A所示。

第二步骤：通过曝光和显影在第一光刻胶3膜中形成通孔4结构和冗余金属槽14结构，其中第一光刻胶3中形成的金属槽6结构穿透第一光刻胶3，如图3B所示。

第三步骤：在与第二步骤的显影相同的同一显影机台内，在第一光刻胶3上涂布微缩辅助膜SAFIER（ShrinkAssistFilmforEnhancedResolution）并加热以固化第一光刻胶3中通孔4结构和冗余金属槽14结构图形，其中加热使微缩辅助膜SAFIER与第一光刻胶3表面反应形成不溶于第二光刻胶5的隔离膜13，随后去除没有与第一光刻胶3表面反应而剩下的微缩辅助膜SAFIER。具体地说，没有与第一光刻胶3表面反应而剩下的多余的微缩辅助膜SAFIER可用去离子水或含表面活性剂的去离子水溶液去除，如图3C所示。

第四步骤：在形成有隔离膜13的第一光刻胶3上涂布第二光刻胶5,其中第一光刻胶3的抗刻蚀能力大于第二光刻胶5的抗刻蚀能力，如图3D所示。

第五步骤：通过曝光和显影在第二光刻胶5膜中形成处于通孔4结构上金属槽6结构，如图3E所示。

第六步骤：利用曝光和显影后的第二光刻胶5进行初步刻蚀，从而在低k值介质层2中形成通孔4并在第一光刻胶3中形成金属槽6结构，如图3F所示。

第七步骤：利用形成有冗余金属槽14结构的第一光刻胶3继续刻蚀，从而在低k值介质层2中形成通孔4、金属槽6、和冗余金属槽14，随后去除未被刻蚀的第一光刻胶3和第二光刻胶5，其中冗余金属槽14的深度小于金属槽6的深度，如图3G所示。

第八步骤：执行金属沉积以完成填充通孔4、金属槽6、和冗余金属槽14，随后执行金属化学机械研磨以完成导线金属7、通孔金属8、和冗余金属15的填充，如图3H所示。由于冗余金属槽14的深度小于金属槽6的深度，所以金属填充后，导线金属7的厚度大于冗余金属15的厚度。

优选地，根据需要还可以执行下述第九步骤。

第九步骤：根据需求可以进一步执行减薄处理从而部分地或完全去除比导线金属7薄的冗余金属15，如图3I所示（其中示出了完全去除冗余金属15的情况）。

优选地，第一光刻胶3选用可形成硬膜的光刻胶；进一步优选的，第一光刻胶3是含硅烷基(silyl)、硅烷氧基(siloxyl)和笼形硅氧烷(silsesquioxane)的光刻胶。

优选地，第一光刻胶3和第二光刻胶5的抗刻蚀能力的差异大于或等于第一光刻胶的抗刻蚀能力的30%。

优选地，在具体实施时，在第三步骤中使第一光刻胶3固化的微缩固化材料可以采用东京应化工业株式会社(TOK,TokyoOhkaKogyo)生产的微缩辅助膜(SAFIER,ShrinkAssistFilmforEnhancedResolution)。

优选地，在第三步骤中，第一光刻胶3的固化加热温度的范围为第一光刻胶3主体高分子材料（即，第一光刻胶中质量百分比最大的高分子材料）的玻璃化温度+/-30℃。

优选地，在第三步骤中，第一光刻胶3的固化加热时间的范围为15秒至300秒。进一步优选的，在第三步骤中，第一光刻胶3的固化加热时间的范围为30秒至120秒。

在根据本发明优选实施例的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法中，通孔优先双大马士革金属互联成形过程包括通孔光刻—通孔刻蚀—沟槽光刻—沟槽刻蚀等步骤等步骤。其中将通孔刻蚀和沟槽刻蚀合并成一步刻蚀，替代原工艺中通孔刻蚀和沟槽刻蚀的两步独立工艺，并且加入减小冗余金属耦合电容的方法，不但可以有效地降低通孔优先双大马士革金属互联成形工艺的成本，提高生产产能，而且可以进一步提高器件的性能。

具体地说，根据本发明优选实施例的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法至少有下述技术效果：

1）减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，可以有效地提高产能和减少制作成本。

2）有效地扩大后续光刻工艺窗口。

3）不需要额外的硬掩模镀膜机台或光掩模，有效地减少或消除由于冗余金属填充引入的金属层内和金属层间的耦合电容，进一步提高器件的性能。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于包括：

第一步骤：在衬底硅片上首先沉积介质层，随后在介质层上涂布第一光刻胶；

第二步骤：通过曝光和显影在第一光刻胶膜中形成通孔结构和冗余金属槽结构，其中第一光刻胶中形成的冗余金属槽结构穿透第一光刻胶；

第三步骤：在与第二步骤的显影相同的同一显影机台内，在第一光刻胶上涂布微缩辅助膜SAFIER并加热以固化第一光刻胶中通孔结构和冗余金属槽结构图形，其中加热使微缩辅助膜SAFIER与第一光刻胶表面反应形成不溶于第二光刻胶的隔离膜，随后去除没有与第一光刻胶表面反应而剩下的微缩辅助膜SAFIER；

第四步骤：在形成有隔离膜的第一光刻胶上涂布第二光刻胶,其中第一光刻胶的抗刻蚀能力大于第二光刻胶的抗刻蚀能力；

第五步骤：通过曝光和显影在第二光刻胶膜中形成处于通孔结构上的金属槽结构，同时冗余金属槽结构处于被第二光刻胶填充的状态；利用曝光和显影后的第二光刻胶进行初步刻蚀，从而在介质层中形成通孔并在第一光刻胶中形成金属槽结构，此时所述第二光刻胶保护所述冗余金属槽结构下方的介质层不受损坏；

第六步骤：利用形成有冗余金属槽结构的第一光刻胶继续刻蚀，从而在介质层中形成通孔、金属槽、和冗余金属槽，随后去除未被刻蚀的第一光刻胶和第二光刻胶，其中冗余金属槽的深度小于金属槽的深度；

第七步骤：执行金属沉积以完成填充通孔、金属槽、和冗余金属槽，随后执行金属化学机械研磨以完成导线金属、通孔金属、和冗余金属的填充，其中导线金属的厚度大于冗余金属的厚度。

2.根据权利要求1所述的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于还包括：

第九步骤：执行减薄处理从而部分地或完全去除比导线金属薄的冗余金属。

3.根据权利要求1或2所述的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于，在第三步骤中利用去离子水或含表面活性剂的去离子水溶液去除没有与第一光刻胶表面反应而剩下的微缩辅助膜SAFIER。

4.根据权利要求1或2所述的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于，第一光刻胶是含硅烷基、硅烷氧基和笼形硅氧烷的光刻胶。

5.根据权利要求1或2所述的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于，第一光刻胶和第二光刻胶的抗刻蚀能力的差异大于或等于第一光刻胶的抗刻蚀能力的30％。

6.根据权利要求1或2所述的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于，在第三步骤中，第一光刻胶的固化加热温度的范围是第一光刻胶(3)主体高分子材料的玻璃化温度+/-30℃。

7.根据权利要求1或2所述的降低冗余金属耦合电容的通孔优先双大马士革铜互连方法，其特征在于，在第三步骤中，第一光刻胶的固化加热时间的范围为15秒至300秒。