CN1208949A - 用牺牲可流动氧化物双嵌埋形成多共面金属/绝缘膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种穿过置于衬底上的叠层进行双嵌埋腐蚀的改进方法。该叠层包括下器件层和下器件层上的绝缘层。该方法包括步骤:在绝缘层的上表面上形成沟槽,以便沟槽位于下器件层上,并借助于沟槽底部的绝缘材料与下器件层隔离;在绝缘层的上表面上和沟槽内淀积可流动的氧化物,随后,平面化可流动氧化物至大约为绝缘层上表面的水平;穿通沟槽内的可流动氧化物和沟槽底部的绝缘材料向下腐蚀,直到下器件层,由此形成通道。

Description

用牺牲可流动氧化物双嵌埋形成 多共面金属/绝缘膜的方法
本发明涉及一半导体器件,特别涉及通过利用牺牲可流动氧化物的双嵌埋形成多共平面金属/绝缘膜的改进方法。
半导体制造者必须在保持器件尺寸最小化的同时,不断改进半导体器件的功率和性能。在努力保持小器件尺寸时,多数制造者采用的是减小器件中各元件以使器件尺寸最小化的方法。另外,与已提出的只采用水平集成以减小各元件所占据的器件面积相反,制造者还采用了垂直集成越来越多的元件的方法。垂直集成一般可以在器件中利用几个导电层并例如采用现有技术中已知为通道或通孔互连的内层接触等方法将这些导电层互连实现。
随着各元件尺寸变得更小,互连不同导电层的技术也变得更难。解决互连各导电层问题的最新方法是现有技术中一般已知为嵌埋技术的腐蚀和掩蔽工艺。嵌埋技术是在一绝缘层中形成多个沟槽,然后用金属填充这些沟槽,再将金属抛光到绝缘膜表面,形成所需的金属图形。在一般已知为双嵌埋的工艺中,实际上一般实际上同时填充上述的沟槽和电连接上述金属图形和各导电层的通道互连。按常规双嵌埋技术,通道互连实际上一般与上层金属同时形成。这种技术需要在淀积随后的上层金属构图过程中所用的光刻胶层之前形成穿通绝缘膜的孔(该孔将用金属或其它导电材料填平,以形成通道)。
例如,图1A是带有其上覆盖有绝缘膜108的下导电层116半导体衬底118的剖面图,绝缘膜108带通孔115。按常规双嵌埋技术,在腐蚀了通孔115后进行将要形成的上层金属层的构图。参见图1B,在淀积构图金属层过程所用的光刻胶层102前,通常在绝缘层108上表面上淀积一层抗反射涂层113(现有技术已知为ARC)。ARC可以改善光刻分辨率。由于淀积了ARC,导致了在延伸到导电层116上大约“t”那么高的通孔115中有一层ARC残留物114。形成ARC层113后,通常在ARC层113上淀积光刻胶层102。然后根据掩模图形选择性曝光光刻胶层102。根据所用光刻胶是正性还是负性,在显影期间去掉曝光或未曝光部分,形成区110和112。然而,如图1B所示,ARC层114基本上不受光刻胶剥离操作的影响。
为了形成多个沟槽,要去掉未由光刻胶保护的区110和112中的那部分ARC层113和绝缘层108。通过对晶片进行将有机ARC层113穿透的第一腐蚀工艺,及随后进行第二腐蚀,完成去除,以在绝缘膜108中形成所需沟槽。然而,通孔115中的ARC残留物114与腐蚀的产物反应,在通孔115内形成侧壁。通孔115中的这种侧壁具有ARC作用和氧化腐蚀并导致形成已有技术所称的屏障(图1C中的218)。屏障218一般基本与上述ARC残留物有相同的高度“t”。图1C是利用常规的双嵌埋技术上层金属光刻胶剥离后半导体衬底118的剖面图,衬底118上具有其上覆盖有绝缘层108的下金属116,该图展示了存在有屏障218。
如现有技术已知的,合适的金属回流相当程度上取决于金属将淀积于其上的表面的表面几何形状。屏障218的存在妨碍了金属的回流,进而妨碍了金属顺利地流进通道槽212中。这种对金属流进通道槽212中的妨碍,会导致在通孔115中形成空洞。空洞的存在实际上增大了所形成的通道的电接触电阻。由于流过通道的所有电流必须由通道的没有空洞部分运载,所以空洞还会产生不可接受的可靠性问题。以此方式,通过通道的没有空洞部分的大电流密度会导致通道金属的电迁移。通道金属的电迁移会造成不可接受的长期时间失效(FIT)率。在某些情况下,由于屏障218妨碍了金属充分流到通孔115中或通道槽212中形成与下导电层116的电接触,所以会导致产生电开路,
为了解决此问题,另一现有技术是在形成通孔之前在绝缘层表面上形成沟槽。然而,绝缘层表面没有平面化,不便于通孔的腐蚀。换言之,没有牺牲材料淀积到这些沟槽中以平面化绝缘层表面,不利于通孔的腐蚀。因此,把淀积以形成通孔掩模从而方便通道孔腐蚀的ARC和光刻胶材料淀积到这些槽中,并且一般与绝缘层上的不规则外形一致。不规则的绝缘层表面上的凹下和凸起造成了通孔腐蚀后,难以去除ARC和光刻胶材料。此外,还发现不规则的绝缘层表面上的凹下和凸起导致了光刻胶层难以分辨小表面几何形状。
所以需要消除常规双嵌埋技术产生的屏障及产生适于分辨小表面几何形状的基本平整表面的技术。
概括地说,本发明涉及半导体器件,特别涉及穿过置于衬底上的叠层进行双嵌埋腐蚀的改进方法。根据本发明的一个实施例,该叠层包括下导电层和下导电层上的绝缘层。该方法包括以下操作步骤。首先,在绝缘层的上表面上形成沟槽,以便沟槽位于下导电层上,并借助于沟槽底部的绝缘材料与下导电层隔离。接着,在绝缘层的上表面上和沟槽内淀积可流动的氧化物,随后,平面化可流动氧化物至大概绝缘层上表面的水平。最后,穿通沟槽内的可流动氧化物和沟槽底部的绝缘材料向下腐蚀,直到下导电层,由此形成通道。
在另一实施例中,公开了一种形成用于连接下器件层和上层导电叠层的通孔的方法。在该公开的实施例中,上层导电层构形成位于形成在绝缘层中的沟槽中,并借助沟槽底部的绝缘材料与下器件层隔离。该方法包括以下步骤:在绝缘层上表面上及沟槽内淀积可流动氧化物;平面化可流动氧化物直到至少大概绝缘层上表面的水平;及穿通沟槽内的可流动氧化物及沟槽底部的绝缘材料向下腐蚀直到至少下器件层,由此形成通道。
通过以下结合例示性展示本发明原理的附图对本发明的说明可以更清楚本发明的其它方案和优点。
各附图例示性地展示了本发明,但并非限性的。为便于理解,下面的附图中类似的标号表示类同或类似的元件。
图1A是利用常规双嵌埋技术形成通孔后带有其上覆盖有绝缘层的下导电层的半导体衬底的剖面图;
图1B是显影金属光刻胶后图1A所示带有其上覆盖有绝缘层的下金属的半导体衬底的剖面图;
图1C是金属光刻胶剥离后图1B所示带有其上覆盖有绝缘层的下金属的半导体衬底的剖面图;
图2A是根据本发明一个实施例形成半导体结构400的一个阶段的剖面图;
图2B是在深腐蚀了可流动氧化物以便基本上与绝缘层上表面共平面后,图2A所示本发明一个实施例的半导体结构的剖面图;
图2C是形成通孔后图2B所示本发明一个实施例的半导体结构的剖面图;
图2D是为金属淀积做准备时图2C所示本发明一个实施例的半导体结构的剖面图;
图3是展示根据本发明一个实施例通过利用牺牲可流动氧化物的双嵌埋技术形成多级共平面金属/绝缘膜的流程图。
下面将结合各附图中展示的几个例示性实施例详细说明本发明。在以下说明中,为便于充分理解本发明描述了许多特定细节。然而,所属领域的技术人员清楚,在不采用这些特定细节中的某一些或全部的情况下也可以实施本发明。另外一些情况下,为了对本发明不发生不必要地混淆,不再描述一些公知的工艺步骤。
本发明涉及形成多级共平面金属/绝缘膜的改进方法。根据本发明,通过利用牺牲可流动氧化物的双嵌埋技术实际上同时形成上金属层及到下器件层的电互连。
按本发明的一个实施例,通过利用可流动氧化物的双嵌埋腐蚀形成穿过绝缘层到达下器件层的通道。按所述的实施例,然后在位于下器件层上的绝缘层上表面上形成适于淀积金属的沟槽。然后可流动氧化物覆盖绝缘层的上表面,并将之平面化到大约为绝缘层上部的水平。有益的是,可流动氧化物的平面化形成了基本平整的表面,可以控制小表面几何形状的光刻分辨率及容易去除随后淀积的光刻材料。然后通过穿通沟槽内的可流动氧化物和沟槽底部的绝缘材料腐蚀到下器件层,由此形成通道。
下面结合图2A-3讨论本发明的各实施例。然而,所属领域的技术人员容易理解,这里相对于这些附图所述的细节只是例示性的,本发明可以延伸到这些限定性实施例的范围之外。
图2A是本发明一个实施例的结构400的剖面图。如图所示,该结构包括衬底412,例如硅晶片。也可以利用例如砷化镓、锗、绝缘体上的硅(SOI)等其它半导体衬底或其它半导体材料。该衬底例如可以用预定导电类型的掺杂剂轻掺杂或重掺杂以得到所需电特性。该结构例如可以是用于制造包括nFET或pFET(场效应晶体管)的器件和包括电容和电阻的其它器件的结构。例如这些器件互连构成集成电路(IC)。这种IC包括随机存取存储器件(RAM)、动态随机存取存储器(SRAM)、同步DRAM(SDRAM)和只读存储器(ROM)。形成的其它IC包括专用集成电路(ASIC)或任何逻辑电路。一般情况下,在晶片上并行形成多个IC。处理完成后,将进行划片,将晶片分成分立芯片。然后封装芯片,形成例如最终用于如计算机系统、蜂窝电话、个人数字助手(PDAs)等用户产品及其它产品。然而,为了容易理解仅在形成IC方面说明本发明。另外,所说IC可以处于处理的任何阶段。
例如,衬底包括形成于衬底内/上的部件(未示出)。这些部件对应于形成IC的器件。IC上包含有预先限定的器件层416,其中需要与另外导电层接触的层。一般情况下,器件层与其它器件层或部件借助介质材料隔离,可以将它们平面化得到平整表面413。器件层416例如是下金属层的一部分。或者,器件层是重掺杂的硅、多晶硅层或例如晶体管的源或漏区等任何类型的有源器件的一部分。在一个实施例中,器件层416是DRAM IC的位线。
绝缘层418位于表面413上。绝缘层包括例如氧化硅等介质材料。可以是例如包括磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)的掺杂硅酸盐玻璃等其它材料。还可以包括其它绝缘材料,例如聚酰亚胺等聚合物。绝缘层可以通过例如化学汽相淀(CVD)或其它淀积技术等淀积于衬底上。该实施例中,绝缘层418的厚度可以是约0.9-2.0微米。为提供平整的上表面,一般要平面化绝缘层。
使用常规光刻技术构图绝缘层,形成第一沟槽404。这种技术例如包括分别在晶片表面上淀积覆盖绝缘层的ARC和光刻胶层513和500。利用具有构图的掩模,用如深超紫外线(DUV)或极超紫外线(EUV)等来自曝光光源的辐射选择性曝光抗蚀剂层。也可以用产生不同于DUV和EUV波长辐射的其它曝光光源。根据所用的是正型还是负型抗蚀剂,显影去掉抗蚀剂层的曝光或未曝光的部分,露出对应于沟槽404的那部分绝缘层。在腐蚀室中各向异性腐蚀晶片以形成沟槽。各向异性腐蚀工艺例如包括反应离子腐蚀(RIE)。一般情况下,第一各向异性腐蚀工艺用于穿透有机ARC层。可以用如N2等腐蚀剂腐蚀ARC层。此后第二各向异性腐蚀去掉要求量的绝缘材料,形成沟槽。可以用如C4F8和O2等作为腐蚀源气腐蚀绝缘层。
如图所示,沟槽404是将与下器件层416接触的上金属层。上金属例如是导线。导线借助于随后形成的通孔(以下将讨论的)与器件层416电连接。导电层将与区416接触。这样一来,沟槽410的位置在区416之上。例如为导电线的沟槽410等其它沟槽位于限定的需要与之电接触的其它区之上。沟槽的深度和宽度取决于设计参数,例如薄层电阻和所用材料等。一般情况下,对腐蚀计时以得到所需深度。在某些实施例中,在绝缘层418上淀积第二绝缘层(未示出)。第二绝缘例如包括不同于第一绝缘材料的介质材料,并且可以对其进行选择腐蚀。这便可以将第一绝缘材料用作腐蚀停止层,由此限定沟槽的深度。这样一来,第一绝缘材料层不必很厚,同时第二绝缘层的厚度约等于由沟槽限定的导电线的厚度。形成沟槽404和410后,在绝缘层418的上表面406上淀积称作旋涂玻璃(SOG)的可流动氧化物层400。在所述的实施例中,可流动氧化物是构成SiO2的聚合化合物。可流动的氧化物例如是康宁制造的FOx。也可以使用其它可流动的氧化物和SOG。在一个实施例中,FOx用于填充沟槽。Fox通过旋涂工艺或任何其它常规淀积技术淀积。例如,可以通过常规SOG旋涂机用氢sile squioxane层涂敷衬底由此形成可流动氧化物。一种情况下,可以连续在150℃烘烤约一分钟,约250℃烘烤约一分钟和350℃烘烤约一分钟的同时以约1000-5000RPM旋涂涂敷材料。在某些情况下,因为可流动氧化物是牺牲层,所以可以省却固化步骤。层400的厚度应足以填充沟槽。可流动氧化物例如延伸到绝缘层418的上表面上406接近至少所要求的厚度“h”。一般情况下,h取决于工艺控制参数。例如,在某情况下层400可以约500nm厚。
如图2B所示,然后深腐蚀可流动氧化层400,以便使之与绝缘层418的上表面406基本共平面。在所述实施例中,绝缘层418的上表面406用作腐蚀停止层。以此方式,形成基本平整的表面402,实际上与覆盖沟槽410的基本平整表面408同时覆盖了沟槽404。有益的是,绝缘层418的上表面406及表面402和408基本上表现为适于利用光刻法分辨小表面几何形状的表面。
参见图2C,形成适于互连下器件层和上金属层的穿过绝缘层的通孔的操作步骤如下。首先,在绝缘层418的上表面406和表面402及408上淀积ARC层513(一般是自然有机物)和光刻胶层500。接着,利用公知方法,在准备腐蚀先前存在的沟槽404中可流动氧化物和先前存在的沟槽404底部的绝缘层418中显影光刻胶层500,以形成通孔508。将晶片放置于氧化腐蚀室中,通过用N2腐蚀剂源气的已知为RIE的第一腐蚀工艺穿透显影的光刻胶所暴露区域中的有机ARC层513,由此腐蚀ARC层513。一旦腐蚀了ARC层513,利用C4F8腐蚀剂源气和第一数量的O2腐蚀源气腐蚀穿通先前存在的沟槽404中的可流动氧化物506,然后,用器件层416作腐蚀停止层,利用C4F8腐蚀剂源气和第二数量的O2腐蚀源气腐蚀穿通绝缘层418,由此形成通孔508。在所述实施例中,第一数量的腐蚀源气可以大于第二数量的腐蚀源气。
利用绝缘层518作腐蚀停止层,以相同方式去掉先前存在的沟槽410中的可流动氧化物。在一个实施例中,通过利用例如Ar、C4F8、CO和/或O2的RIE腐蚀衬底,从而去除可流动氧化物。
图2D是形成通孔508后本发明一个实施例的半导体结构400的剖面图。图2D中,沟槽410和404中的可流动氧化物已去掉,就如同ARC层和通孔腐蚀光刻胶掩模一样。
可以利用如化学汽相淀积(CVD)、物理汽相淀积(PVD)、或低压化学汽相淀积(LPCVD)等已知技术淀积金属层。选择用于CVD、PVD和LPCVD的特殊设备和工艺参数是半导体加工领域中的技术人员能力范围内的事。淀积金属(通常以覆盖整个半导体结构表面的方式)填充沟槽410和通道508,由此实际上同时形成上金属层和与下器件层416有关的通道互连。
穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀包括根据第一腐蚀参数和第二腐蚀参数进行的,所说第一和第二参数中至少一个是利用包括C4F8的腐蚀源气。
通过利用牺牲可流动氧化物的双嵌埋技术形成多级共平面的金属/绝缘膜的流程具体见图3,按本发明的一个实施例该流程可以包括以下操作步骤。
在步810,提供带有设置于衬底上的叠层的衬底。该叠层包括下器件层和在所说下器件层上的绝缘层。参见图2A,所示衬底为衬底412,所示下器件层为416。所示绝缘层418位于衬底和下器件层416上。
在步815,在绝缘层上表面形成沟槽。该实施例中,沟槽位于下器件层上,绝缘层于沟槽底部和下器件层之间。参考图2A,所示沟槽为沟槽404。
在步820,在绝缘层上表面上淀积可流动氧化物。该可流动氧化物在图2A中示出为可流动氧化物400。在所述实施例中,可流动氧化物是构成SiO2的聚合化合物。如上所述,可以通过旋涂工艺或所属领域的技术人员所知的任何常规方法进行淀积。
在步825,平面化可流动氧化物层直到如图2B所示的绝缘层上表面的水平。然而,某些情况下,例如可以更进一步平面化到超出先前存在的绝缘层上表面的水平。
图2C展示了如何在步830通过穿通沟槽404内的可流动氧化物和沟槽404底部的绝缘层418向下腐蚀到下器件层416从而形成通道508的情况。
利用进行本发明双嵌埋腐蚀形成通道的所述方法可以实现许多优点。一个优点是,由于在绝缘层上表面上形成沟槽后再形成通孔,所以用所述流动氧化物的双嵌埋技术没有导致形成屏障。以此方式,由于淀积于绝缘层上表面上的ARC材料还没有形成,所以不会陷于通孔中。由于没有形成屏障,所以金属可以顺利地流进通孔中,方便了随后的金属淀积。以此方式,由于不存在屏障,所以流进通孔和沟槽中的金属基本上是均匀的,没有空洞。由于减少或基本消除了因存在金属空洞造成的局部电迁移,所以金属淀积的均匀性可以改善长期可靠性。
本发明的另一优点是,可以在淀积ARC层前平面化可流动氧化物。由于适于分辨小面几何形状的光刻工艺的能力与其上淀积了ARC的表面的平整度有关,所以有益的是尽可能有平整的表面。如上所述,可流动氧化物可以形成平整的表面,便于在不改变最佳可用光学或电子束光刻设备的情况下的小几何分辨率,而常规双嵌埋技术则相反。
通过所撰写的说明书可以清楚本发明的许多特点和优点,所以权利要求书将覆盖所有这些特点和优点。另外,由于所属领域的技术人员可以做出各种改形和改变,所以不希望本发明限于所述和所示的精确结构和操作步骤。因此,所有合适的改形和等同物皆隐含于本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种穿过置于衬底上的叠层进行双嵌埋腐蚀的方法,所说叠层包括下器件层和位于下器件层上的绝缘层,所说方法包括以下步骤:
在所说绝缘层的上表面上形成沟槽,所说沟槽位于所说下器件层上,并借助所说沟槽底部的绝缘材料与所说下器件层隔离;
在所说绝缘层的所说上表面上和所说沟槽内淀积可流动的氧化物;
平面化所说可流动氧化物至大约所说绝缘层的所说上表面的水平;及
穿通所说沟槽内的所说可流动氧化物和所说沟槽底部的绝缘材料向下腐蚀,直到所说下器件层,由此形成通道。
2.如权利要求1的方法,还包括:在所说可流动氧化物上淀积抗反射层,以便于穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料进行所说腐蚀。
3.如权利要求2的方法,还包括:在穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀前,进行所说抗反射层的穿通腐蚀。
4.如权利要求3的方法,其中所说穿通腐蚀采用包括N2的腐蚀剂源气。
5.如权利要求3的方法,其中穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀包括:
根据第一腐蚀参数腐蚀穿通所说沟槽内的所说可流动氧化物;及
根据第二腐蚀参数腐蚀穿通所说沟槽底部的所说绝缘材料。
6.如权利要求5的方法,其中所说第一和第二参数中至少一个是利用包括C4F8的腐蚀源气。
7.如权利要求6的方法,其中所说第一参数包括大于所说第二参数中的O2腐蚀剂源气的量的O2腐蚀剂源气的量。
8.如权利要求1的方法,其中所说衬底是硅晶片。
9.如权利要求1的方法,其中所说可流动氧化物是旋涂玻璃(SOG)。
10.如权利要求1的方法,其中通过反应离子腐蚀进行所说平面化。
11.如权利要求1的方法,其中所说衬底用于集成电路的制造。
12.如权利要求1的方法,其中所说衬底用于动态随机存取存储器的制造。
13.一种形成用于连接下器件层和上导电叠层的通孔的方法,所说上导电层构形成位于形成在绝缘层中的沟槽中,并借助所说沟槽底部的绝缘材料与所说下器件层隔离,所说方法包括以下步骤:
在所说绝缘层上表面上及所说沟槽内淀积可流动氧化物;
平面化所说可流动氧化物直到至少大约为所说绝缘层的所说上表面的水平;及穿通所说沟槽内的所说可流动氧化物及所说沟槽底部的所说绝缘材料向下腐蚀直到至少为所说下器件层,由此形成所说通道。
14.如权利要求13的方法,其中穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀包括:
根据第一腐蚀参数腐蚀基本穿通所说沟槽内的所说可流动氧化物;及根据第二腐蚀参数腐蚀穿通所说沟槽底部的所说绝缘材料。
15.如权利要求14的方法,还包括在所说可流动氧化物上淀积抗反射层,以便于穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀。
16.如权利要求15的方法,还包括:在穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀前,在所说抗反射层上形成光刻胶掩模。
17.如权利要求16的方法,还包括:在穿通所说可流动氧化物和所说绝缘材料的所说腐蚀前,利用所说光刻胶掩模进行所说抗反射层的穿通腐蚀。
18.如权利要求17的方法,其中所说穿通腐蚀采用包括N2的腐蚀剂源气。
19.如权利要求14的方法,其中所说第一和第二参数中至少一个是利用包括C4F8的腐蚀源气。
20.如权利要求14的方法,还包括在所说通道内和所说沟槽内淀积导电材料,以形成所说上导电层,并电连接所说上导电层和所说下器件层。
21.如权利要求14的方法,其中所说衬底用于动态随机存取存储器的制造。
22.一种基本上减少在通道内形成屏障的方法,所说通道构形成连接下器件层和上导电叠层,所说上导电层构形成位于形成于绝缘层中的沟槽内,并借助于所说沟槽底部的绝缘材料与所说下器件层隔离,所说方法包括:
在所说沟槽内淀积足够量的可流动氧化物以完全覆盖所说沟槽和所说绝缘层的上表面上;
平面化所说可流动氧化物到至少大约为所说绝缘层的所说上表面的水平,以形成基本平整的表面;及
穿过所说沟槽内的所说可流动氧化物及所说沟槽底部的所说绝缘材料向下腐蚀到至少为所说下器件层,以形成所说通道。
23.如权利要求22的方法,其中所说衬底用于动态随机存取存储器的制造。
24.如权利要求22的方法,其中所说器件层是导电层。
25.如权利要求22的方法,其中所说器件层是掺杂的硅层。
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