CN1437244A - 改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，适用于一半导体基底，上述基底表面具有金属线路，包括：依序沉积一金属密封层、一层间金属介电层、一保护牺牲层及一硬质罩幕层于上述金属导线上；定义去除上述硬质罩慕层及上述保护牺牲层，形成第一开口于上述层间金属介电层上；定义去除上述层间金属介电层，形成第二开口于上述层间金属介电层内部且未露出上述金属导线路，其中上述第二开口系位于上述第一开口内且对准上述金属导线路；去除上述硬质罩幕层及部分上述层间金属介电层，同时形成导线沟槽及接触通孔，使上述接触通孔底部露出于金属线路，且上述层间金属介电层构成阶梯型(或T型)剖面轮廓；去除上述保护牺牲层，露出上述层间金属介电层表面；形成一金属阻碍层于上述层间金属介电层、上述导线沟槽及上述接触通孔上；以及填充金属于上述导线沟槽及上述接触通孔内，且与上述金属线路接合。

Description

改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法

技术领域

本发明是关于一种改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，特别是有关于一种可溶有机溶剂的保护牺牲层，于干蚀刻定义导线沟槽时，保护牺牲层间金属介电层表面的方法。

背景技术

嵌入(damascene)一词，衍生自古代的Damascus(大马士革)工匠的嵌刻技术，故亦称为大马士革技术。传统的积体电路的多层金属连线(multilevelInterconnection)是以金属层干蚀刻方式来制作金属导线，然后进行介电层的填充(dielectric gap fill)。而嵌入技术则是先在介电层上蚀刻金属导线用的电路图案膜，然后再填充金属于电路图案凹槽中。嵌入技术最主要的特点是不需要进行金属层的蚀刻。当金属导线的材料由铝转换成电阻率更低的铜的时候，由于铜的干蚀刻较为困难，因此嵌入技术对铜制程来说便极为重要。

习知嵌入结构常见两种：单嵌入结构以及双嵌入结构(dual damascene)。单嵌入结构如前所述，仅是把单层金属导线的制作方式由传统的(金属层蚀刻+介电层填充)方式改为嵌入方式(介电层蚀刻+金属填充)，较为单纯。而双嵌入结构则是将通孔(via)及金属导线沟槽(trench)结合一起都用嵌入的方式来做。如此只需一道金属填充的步骤，可简化制程步骤，不过习知双嵌入制程条件控制也较为复杂与困难。

参阅图1A所示，习知双嵌入制程首先在具有金属线路(metal wiring)11的基底10表面，依序沉积金属密封层12、层间金属介电层13及硬质罩慕层15于金属线路11上。之后，使用微影及乾式蚀刻制程，对硬质罩慕层(hardmask)15进行干式蚀刻定义，形成第一开口16于在层间金属介电层13上，其中第一开口16宽度定义为预定形成金属导线沟槽宽度。

请参阅图1B，其次，使用微影及蚀刻制程，对层间金属介电层13进行干蚀刻定义，形成第二开口18于层间金属介电层13内，且对准金属线路11。其中，第二开口18位于第一开口16内，第二开口18深度及宽度分别定义为预定形成金属导线沟槽深度及金属接触通孔(contact via)宽度，且第二开口18的蚀刻深度是以干蚀刻时间控制。

请参阅图1C，以硬质罩幕层15为干蚀刻罩慕，对层间金属介电层13及金属密封层12进行干蚀刻定义，同时形成金属导线沟槽17及金属接触通孔19，且使金属接触通孔19底部露出于金属线路11。

其中，在干蚀刻过程中反应性离子电浆会完全去除硬质罩幕层15，且会轻微地侵蚀到质罩幕层15下面的介电常数介电层13，造成层间金属介电层13表面凹凸不平。因此，导致随后沉积金属阻碍层(例如钽/氮化钽，Ta/TaN)20于层间金属介电层13表面及凹槽时，形成不连续的金属阻碍层14，而造成后续的金属(例如铜)电化学沉积制程中，以不连续的金属阻碍层20为电镀电极，使金属无法填充于层间金属介电层13凹槽内(如图1D所示)。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的就是提供一种改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，形成连续的金属阻碍层完全覆盖于层间金属介电层凹槽内。

本发明的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，适用于一半导体基底，上述基底表面具有金属导线路，包括：依序沉积一金属密封层一层间金属介电层、一保护牺牲层及一硬质罩幕层于上述金属导线路上；定义去除上述硬质罩幕层及上述保护牺牲层形成第一开口于上述层间金属介电层上；定义去除上述层间金属介电层，形成第二开口于上述层间金属介电层内部且未露出上述金属导线路，其中上述第二开口系位于上述第一开口内且对准上述金属导线路；去除上述硬质罩幕层及部分上述层间金属介电层，同时形成导线沟槽及接触通孔，使上述接触通孔底部露出于金属线路，且上述层间金属介电层构成阶梯型(或T型)剖面轮廓；去除上述保护牺牲层，露出上述层间金属介电层表面；形成一金属阻碍层于上述层间金属介电层、上述导线沟槽及上述接触通孔上；以及填充金属于上述导线沟槽及上述接触通孔内，且与上述金属线路接合。

其中，在蚀刻去除上述硬质罩幕层而同时形成上述导线沟槽及上述接触通孔时，会轻微侵蚀上述硬质罩幕层的下层，因上述保护牺牲层位于上述硬质罩幕层下面，故能防止上述层间金属介电层表面受到侵蚀，而使上述层间金属介电层表面不会凹凸不平，有利于后续沉积一连续的金属阻碍层，以覆盖于上述层间金属介电层凹槽内。

本发明的保护牺牲层材质可为有机抗反射物(ARC，半导体微影制程常用材料)、有机低介电常数材料(例如SILK、FLARE、聚亚酰胺等)或可溶于有机溶剂(例如环己烷、丙酮、异丙烷)的高分子物或寡聚合物(oligomer)。

因此，依据本发明的改善金属双嵌入式制程中层间金属介电层表面平坦度度的方法及本发明的保护牺牲层材质形成，具有以下优点：

防止层间金属电层表面凹凸不平，而有利于后续沉积连续的金属阻碍层于层间金属介电层表面；本发明的保护牺牲层可使用有机溶剂溶解去除而不损害层间金属介电层表面，且制程成本低；本发明的保护牺牲层可增进层间金属介电层及硬质罩幕层粘着强度。

附图说明

图1A-1D所示为习知金属双嵌入制程方法；

图2-7所示为本发明的实施例的金属双嵌入制程方法。

图号说明

10-基底；             11-金属导线路；    12-金属密封层：

13-层间金属介电层；   14-保护牺牲层；    15-硬质罩慕层；

16-第一开口；         17-导线沟槽；      18-第二开口；

19-接触通孔；         20-金属阻碍层；    21-金属导线；

22-接触金属

具体实施例

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

请参阅图2，首先提供一基底10，其为一半导体材质，在基底10表面包含金属导线路(metal wiring)11。之后，依序沉积一金属密封层12、一层间金属介电层13、一保护牺牲层14及一硬质罩幕层15于金属导线路11上。

其中，层间金属介电层13可为厚度约为6,000埃的有机低介电常数材料(例如SiLK、FLARE、聚亚酰胺等)；保护牺牲层14可为有机抗反射物(ARC，半导体微影制程常用材料)、有机低介电常数材料(例如SiLK、聚亚酰胺等)或可溶于有机溶剂(例如环己烷、丙酮、异丙烷)的高分子物或寡聚合物(oligomer)；硬质罩幕层15可为碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)或旋涂式玻璃(SOG)；金属密封层可为厚度约为300埃的氮化硅(SiN)。

请参阅图3，使用微影及干式蚀刻制程，对硬质罩幕层15及保护牺牲层14进行干蚀刻定义，形成第一开口16，第一开口16在层间金属介电层13上，其中第一开口16宽度定义预定形成金属导线沟槽宽度。

请参阅图4，其次，使用微影及蚀刻制程，对层间金属介电层13进行干式蚀刻定义，形成第二开口18于层间金属介电层13内，第二开口深度约为2,500埃，且对准金属线路11。其中第二开口18深度及宽度分别定义预定形成金属导线沟槽深度及金属接触通孔(contact via)宽度，且第二开口18的蚀刻深度是以蚀刻时间来控制。

请参阅图5，以硬质罩幕层15为蚀刻罩幕，对层间金属介电层13、金属密封层12进行干蚀刻，同时形成深度约为2,500埃的金属导线沟槽17及深度约为3,500埃的金属接触通孔(kontact via)19，且使金属接触通孔19底部露出金属导线路11。其中，在干蚀刻过程中，反应性离子电浆会完全去除硬质罩幕层15，且会轻微侵蚀保护牺牲层14表面，因保护牺牲层14仍留在层间金属介电层13上，故层间金属介电层13表面不会凹凸不平，而有利于后续沉积连续的金属阻碍层于层间金属介电层13表面。

请参图6，以有机溶剂(例如环己烷、丙酮、异丙烷或)去除保护牺牲层14，露出层间金属介电层13表面。然后沉积一金属阻碍层20(例如钽/氮化钽，TaTaN)覆盖于层间金属介电层13、金属导线沟槽17及金属接触通孔19表面。

请参阅图7，使用电化学沉积方式，以金属阻碍层20为电镀电极，将金属(例如铜)完全填充于金属导线沟槽17及金属接触通孔19内，形成金属导线21与接触金属22，连接于金属线路11上。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，适用于一半导体基底，上述基底表面具有金属导线路，包括：

依序沉积一金属密封层、一层间金属介电层、一保护牺牲层及一硬质罩慕层于上述金属导线路上；

定义去除上述硬质罩幕层及上述保护牺牲层，形成第一开口于上述层间金属介电层上；

定义去除上述层间金属介电层，形成第二开口于上述层间金属介电层内部且未露出上述金属导线路，其中上述第二开口是位于上述第一开口内，对准上述金属导线路；

去除上述硬质罩幕层及部分上述层间金属介电层，同时形成导线沟槽及接触通孔，使上述接触通孔底部露出金属导线路，且上述层间金属介电层构成阶梯型(或T型)剖面轮廓；

去除上述保护牺牲层，露出上述层间金属介电层表面；

形成一金属阻碍层于上述层间金属介电层、上述导线沟槽及上述接触通孔上；以及

填充金属于上述导线沟槽及上述接触通孔内，且与上述金属导线路接合。

2.如权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于上述层间金属介电层为介电常数小于或等于3的有机材料。

3.如权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于上述保护层可为有机抗反射物、有机低介电常数材料或可溶于有机溶剂的高分子物或寡聚合物。

4.如申权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于上述硬质罩幕层可为碳化硅、氮化硅或旋涂式玻璃中的一种。

5.如权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于上述金属密封层可为氮化硅。

6.如权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于金属阻碍层为钽/氮化钽。

7.如权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于上述第一开口宽度定义上述导线沟槽宽度。

8.如权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于上述第二开口深度及宽度分别定义上述导线沟槽深度及上述接触通孔宽度。

9.权利要求1所述的改善双嵌入式层间金属介电层表面平坦度的方法，其特征在于使用有机溶剂去除上述保护牺牲层，有机溶剂为环己烷、丙酮、或异丙烷。

Images