TW200416815A - Method for fabricating a dual damascene structure using a single photoresist layer - Google Patents

Description

200416815 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係提供一種改良的光學微影方法，用來於一 介電層中形成一雙鑲嵌（dual damascene)結構，尤指一 種僅需要一次上光阻步驟、兩次曝光步驟、一次顯^步 驟以及一次蚀刻步驟即可以於一介電層中形成一雙镶嵌 結構的光學微影方法。 ~ 先前技術 雙鑲嵌（dual damascene)製程是一種能於一介電層 中同時形成一金屬導線槽以及一接觸窗（v i a )結構的方曰 法。由於銅金屬具有低阻值以及抗電致遷 (electro-migration resistance)的特性，因此，銅金 屬雙鑲嵌内連線技術在多層内連線—layer interconnect)製程中日益重要，而且勢 成 的半導體製程中所採用的導線材料。背成為下世代 請參閱圖一，圖一為一半導體晶片丨0之部分剖面示 意圖顯示一習知之雙鑲嵌結構i卜如圖一所示，一下声 銅導線14鑲嵌於一第一低介電常數 曰 及一上層銅導線24鑲喪於—裳_把人+來二^1 以 的溝渠結構23中。上層銅導低介電常數材料層20中 由一接觸窗Uia)22互相電連姓24以及 '層銅導線U係經 料層1 2以及第二低介電常數/。其中第一低介電常數材 料層20係皆由旋轉塗佈 寬材料，例如HSQ或FlaREt所構

200416815 五、發明說明（2) 成’以降低導線之間的RC延遲（RC del ay)效應。 然而’習知雙鑲嵌製程，例如一接觸窗優先 (via first)又鑲嵌製程，一般而言至少包括兩次上光阻 (PR.coating)步驟、一次底部抗反射層（b〇tt〇in antl—Feflective coating, BARC)塗佈步驟、兩次曝光 (exposure)步驟、兩次顯影（devei〇pment)步驟以及兩次 #刻^etch)步驟才能夠於一介電層中形成一雙鑲嵌結 構。請參閱圖二至圖八，圖二至圖八為習知於一介電層 3 4中开> 成一接觸窗優先雙鑲嵌結構的方法示意圖。首 先’如圖二所示，提供一半導體晶片30，其包含有一基 底3 2以及一介電層3 4形成於基底3 2上。介電層3 4—般為 低介電常數材料所構成，例如HSQ、SiLKT韨FLARETM。 接著’如圖三所示，於介電層3 4上塗佈一約1微米 (// m )厚之正光阻層3 6。正光阻層3 6係利用旋轉塗佈方式 形成’例如 i-line( 3 6 5nm)光阻、KrF( 248nm)光阻、

ArF(193nm)光阻或i57nm光阻。隨後為加強圖案轉移的準 確性’需再進行一次至數次的烘烤步驟，一般稱為去水 烘烤（dehydration bake)以及軟烤（soft bake)。接著對 正光阻層36進行曝光，利用一具有一接觸窗圖案之光罩 3 9以及一具特定波長之曝光光線38，以於正光阻層36中 形成一接觸窗潛在圖案（latent pattern or latent 土11^86)37。曝光光線3 8之波長需配合所使用之正光阻層

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五、發明說明（3) 3 6。正光阻層3 6經過適當能量的光源曝照後，其結構 會重排（rearrange)，並進_步水解成酸性成分。σ 、 接著，如圖四所示，進行一顯影製程，利用一 剤，一般為鹼性浴液，以將正光阻層3 6中之接觸窗湃 圖案3 7洗去。未曝光的正光阻層3 6則不會受到顯影= 影響。隨後為了去除正光阻層36中的溶劑，一般需^推 行一次至數次的烘烤，稱為硬烤（hard bake)。硬烤運 時加強光阻的附著力並且增強光阻對後續蝕刻的抵抗 力。接著，利用顯影過之正光阻層3 6為一蝕刻遮罩，進 行一非等向性乾蝕刻製程，將正光阻層3 6中之接觸窗圖 案37轉移至介電層34中，以於介電層34中形成接觸窗 4卜 接著，如圖五所示，進行一底部抗反射層（BARC)塗 佈步驟，以於接觸窗4 1旋轉塗佈形成一底部抗反射層 42。底部抗反射層42係用來於後續導線槽蝕刻製程中作 為姓刻阻體（e t c h b 1 〇 c k )，同時亦可以降低在進行後續 導線槽圖案化過程中所產生的薄膜干擾效應（thin-fi lm interference effect)。接著塗佈一約1微米厚之正光阻 層4 6。隨後再進行一去水烘烤以及軟烤。如圖六所示， 接著對正光阻層4 6進行曝光，利用一具有一導線槽圖案 之光罩49以及一具特定波長之曝光光線48，以於正光阻 層46中形成一導線槽潛在圖案47。同樣地，曝光光線48

第7頁 200416815 五、發明說明（4) 之波長需配合所使用之正光阻層4 6。 接著，如圖七所示，進行一顯影製程，利用一顯影 劑（d e v e 1 〇 p e r )，將正光阻層4 6中之導線槽潛在圖案4 7洗 去。未曝光的正光阻層4 6則不會受到顯影劑的影響。隨 後進行一硬烤步驟。接著，利用顯影過之正光阻層4 6為 一蝕刻遮罩，進行一非等向性乾蝕刻製程，將正光阻層 4 6中之導線槽圖案4 7轉移至介電層3 4中，以於介電層34 中形成導線槽5 1。最後如圖八所示，利用習知該項技藝 者所熟知之方法，例如氧氣電漿或清洗劑，將正光阻層 46以及底部抗反射層42去除，即完成雙鑲嵌結構52之製 作。雙鑲嵌結構5 2包括有導線槽結構5 1以及接觸窗結構 4卜 如前所述，習知雙鑲嵌製程，以接觸窗優先雙鑲嵌 製程為例，需要兩次上光阻步驟、一次底部抗反射層塗 佈步驟、兩次曝光步驟、兩次顯影步驟以及兩次蝕刻步 驟才能夠完成。因此十分費時、耗費成本，同時也造成 產能以及圖案轉移的精確度下降。此外，習知接觸窗優 先雙鑲嵌製程需使用底部抗反射層，亦容易產生塗佈不 均的問題，而影響到產品良率（y i e 1 d )。 發明内容 因此，本發明之主要目的在於提供一種雙鑲嵌結構

200416815 五、發明說明（5) 的製作方法，以解決上述問題。 本發明之另一目的在於提供一種利用重複曝光形成 雙鑲般結構的方法，僅需要一次上光阻步驟、兩次曝光 步驟、一次顯影步驟以及一次蝕刻步驟即可以於一介電 層中形成一雙鑲嵌結構。 本發明之另一目的在於提供一種不需要底部抗反射 層塗佈步驟，於一單一光阻層中形成一雙鑲嵌結構的方 法0 依據本發明之較佳實施例，本發明方法包含有下列 步驟： 提供一半導體基底；* 於該半導體基底上形成一感光（photo-sensitive)材料 層，其中該感光材料層對於一第一波長光線具有一第— 吸收度，而對於一第二波長光線具有一第二吸收度，且 該第一吸收度不等於該第二吸收度； 利用該第一波長光線對該感光材料層進行一第一曝光， 以於該感光材料層中形成一第一潛在圖案； 利用該第二波長光線對該感光材料層進行一第二曝光， 以於該感光材料層中形成一第二潛在圖案；以及 同時去除該感光材料層中之該第一潛在圖案以及該第二 潛在圖案，以於該感光材料層中形成一雙鑲嵌結構。

200416815 五、發明說明（6) 本發明係利用該感光材料層對於一第一波長光線具 有一第一吸收度，而對於一弟二波長光線具有一第二吸 收度，且該第一吸收度不等於該第二吸收度之特性，因 此僅需要一次上光阻步驟、兩次曝光步驟以及一次顯影 步驟即可以於該感光材料層中形成一雙鑲嵌結構。 實施方式

請參閱圖九至圖十五，以下即藉由圖九至圖十五詳 細說明本發明之技術内容。圖九至圖十五為本發明較佳 實施例之方法示意圖。首先’如圖九所示，半導體晶片 6 0表面包含有一底層62以及一介電層64覆蓋於底層62 上。底層6 2可以為一半導體基底或另一介電層。介電層 6 4可以為業界所常用之低介電常數材料所構成，例如 FLARETM、SiLKTM、亞芳香基醚類聚合物（p〇iy (arylene ether) polymer)、HSQ (hydrogen si 1 sesquioxane)、 MSQ (methyl si 1 sesquioxane)、HOSP (hybrid-organic-si loxane-polymer)、parylene類化合 物、二氧化矽或多孔（porous)二氧化矽等等。介電層64 的介電常數一般介於2· 2至3· 5之間，一般厚度約為數千 埃（angstrom)至數微米之間。 需強調的是，本發明之技術重點在於利用一次上光 阻步驟、兩次曝光步驟、一次顯影步驟以及一次餘刻步

第10頁 200416815 五、發明說明（7) 驟於介電層6 4中形成一雙鑲嵌結構。因此為了方便說明 本發明之特徵，底層6 2中之其它元件，例如下層金屬導 線或其它内連線結構，則不顯示在圖九以及以下圖示 中。習知該項技藝者可以將本發明之方法應用於目前正 使用中的各種不同類型雙鑲嵌製程中，例如接觸窗優先 雙鑲嵌製程、導線槽優先（trench-first)雙鑲喪製程、 埋入银刻停止（buried etch stop)雙鑲嵌製程或埋入蝕 刻遮蔽（buried etch mask)雙鑲喪製程。 接著，如圖十所示，於介電層64表面上旋轉塗佈一 正光阻層6 6。正光阻層6 6之厚度約為〇 · 5至3 · 5微米之 間’較佳在1至2 · 5微米之間，最佳為2微米。在本發明之 較佳實施例中’正光阻層66係由KrF( 248nm)光阻所構 成，然而，其它光阻，例如i-1 ine( 3 65nm)光阻' ArF(193nm)光阻、157nm光阻或其它感光 (photo-sensitive )材料，亦同樣適用於本發明。正光阻 層66對不同波長光線具有不同之吸收度（31)3〇1^311(：6)。 如圖十一所示’ KrF( 248nm)光阻對波長248nm之紫外光 (ultra-violet, UV)具有一第一吸收度A1，而對波長 193nm之深紫外光（deep UV)具有一第二吸收度A2，其中 第二吸收度A 2大於第一吸收度a卜 隨後如圖十一所示，為加強圖案轉移的準確性，在 進行曝光之前’建議先進行一溫度約為9 〇至1 3 之間，

第11頁 200416815 五、發明說明（8) 時間約為1分鐘左右的去水烘烤或軟烤步驟。接著對正光 阻層6 6進行曝光，利用一具有一導線槽圖案之光罩6 9以 及一 1 93nm曝光光線68，以於正光阻層66中形成一導線槽 潛在圖案6 7。導線槽潛在圖案6 7的形成係由於正光阻層 6 6對於1 9 3 run曝光光線6 8的低穿透度（transmittance )所 造成。如前所述，KrF( 248nm)光阻對波長i93nm之深紫外 光具有一較大的吸收度A2，換言之，即KrF( 248nm)光阻 對波長1 93nm之深紫外光具有較小的穿透度（穿透度被定 義為吸收度的倒數）。因此波長1 9 3 n m之深紫外光只能曝 照至一預定感光深度h之正光阻層6 6，亦即1 9 3 nm光子只 能與部份正光阻層6 6表面的正光阻分子作用。在本較佳 實施中，2微米厚之正光阻層66被波長193nm之深紫外光 曝照後之感光深度約為0 · 2微米左右。 如圖十三所示，在完成193n m之曝光步驟之後，隨即 改變曝光光源之波長至248nm，並利用一具有一接觸窗圖 案之光罩7 9以及248n m曝光光線7 8對正光阻層6 6進行第二 次的曝光’以於正光阻層6 6中形成一接觸窗潛在圖案 8 7。見圖Η ，KrF光阻對波長2 48nm之深紫外光具有一 較小的吸收度A1，換言之’即KrF光阻對波長248nm之深 紫外光具有較大的穿透度。因此波長248nm之深紫外光能 曝照全部厚度之正光阻層6 6。第一次曝光（即導線槽圖案 曝光）與第二次曝光（即接觸窗圖案曝光）之間的時間間隔 應越小越好，以避免由於光酸化合物（ph〇t〇 act丨ve

200416815 五、發明說明（9) compounds, PACs)的形成所造成的臨界尺寸（critical d i m e n s i ο η，C D )控制問題。 在本發明之其它實施例中，正光阻層6 6亦可以先進 行接觸窗圖案之曝光步驟’ h後再進行導線槽圖案曝光 步驟。然而，由於光酸化合物可能產生的臨界尺寸控制 問題，故建議以先進行較大面積的曝光步驟較佳。在本 發明之較佳實施例中，即是進行較大面積的導線槽圖案 曝光，隨後再進行較小面積的接觸窗圖案曝光，如此一 來，可以縮小（m i n i m i z e )接觸窗圖案的臨界尺寸變化。 隨後，進行一顯影製程 _ ^ tetramethy 1 ammonium hydroxide或 choline成分之驗性 水溶液，同時將正光阻層6 6中之導線槽潛在圖案6 7以及 接觸窗潛在圖案8 7洗去。未曝光的正光阻層6 6則不會受 到顯影劑的影響。如圖十四所示，經過顯影後的正光= 層66包含有一導線槽結構67,以及一接觸窗結構87，，並 同構成一雙鑲嵌結構9 0。隨後對正光阻層6 6進 π = 約，9〇至13〇τ之間，時間約為i分鐘左右的硬=度 接著，如圖十五所示，利用gg旦/ i V驟。 〜用顯影/烘烤過之正弁阳 一蝕刻遮罩，進行一非等向性乾蝕 蔣1:丄層6為 66中之雙鑲嵌結構90轉移至介 2耘，將正光阻層 中形成雙鑲嵌結構90,。最後制田曰4中’以於介電層64 之方法，例如氧氣電漿或清令 售知該項技藝者所熟知 ^先劑，將殘餘之正光阻層66

第13頁 200416815 五、發明說明（ίο) 去除。 完成雙鑲嵌結構製作之半導體晶片6 0，可繼續進行 後續之金屬化製程。一般的金屬化製程包括有下列步 驟：（1 )於介電層6 4上形成一阻障層；（2 )於阻障層上濺 鍍一金屬層，且金屬層填滿介電層6 4中之雙鑲嵌結構 90’； （3)進行一金屬化學機械研磨製程 (chemical-mechanical-polishing，CMP)，以去除雙鑲 嵌結構9 0 ’以外之金屬層以及阻障層；以及（4 )於該金屬 層上形成一保護層。金屬化製程為習知該項技藝者所熟 知，因此不再詳細描述。 相較於習知方法，本發明雙鑲嵌導線内連線方法僅 需要一次上光阻步驟、兩次曝光步驟、一次顯影步驟以 及一次蝕刻步驟即可以於一介電層中形成一雙鑲嵌結 構。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申 請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利 之涵蓋範圍。

第14頁 200416815 圖式簡單說明 圖示之簡單說明 圖一為習知雙鑲嵌結構示意圖。 圖二至圖八為習知於一介電層中形成一接觸窗優先 雙鑲嵌結構的方法示意圖。 圖九至圖十五為本發明較佳實施例之方法示意圖。 圖十一為本發明較佳實施例中KrF光阻之吸收度對曝 光光線波長之關係示意圖。 圖示之符號說明 10 半 導 體 晶 片 11 雙 鑲 嵌 結 構 12 第 -— 低 介 電 常 數 材 料 層 14 導 電 層 18 氮化矽層 20 第 二 低 介 電 常 數 材 料 層 21 氧 化 層 22 接 觸 窗 23 溝 渠 結 構 24 上 層 銅 導 線 30 半 導 體 晶 片 32 基 底 34 介 電 層 36 正 光 阻 層 37 接 觸 窗 潛 在 圖 案 38 曝 光 光 線 39 光 罩 41 接 觸 窗 結 構 42 底 部 抗 反 射 層 46 正 光 阻 層 47 導 線 槽 潛 在 圖 案 48 曝 光 光 線 49 光 罩 51 導 線 槽 結 構 52 雙 鑲 結 構 60 半 導 體 晶 片

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200416815 圖式簡單說明 62 底層 64 介電層 66 正光阻層 67 導線槽潛在圖案 67’ 導線槽結構 68 1 9 3 n m曝光光線 69 光罩 78 2 4 8 n m曝光光線 79 光罩 87 接觸窗潛在圖案 87’ 接觸窗結構 90> 9 0 ’雙鑲嵌結構

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Claims (1)

1. 200416815 六、申請專利範圍 1· 一種利用重複曝光形成一雙鑲彼（dual damascene)結 構的方法，該方法包含有下列步驟： 提供一半導體基底； 於該半導體基底上形成一感光（photo-sensitive)材 料層，其中該感光材料層對於一第一波長光線具有一第 一吸收度，而對於一第二波長光線具有一第二吸收度， 且該第一吸收度不等於該第二吸收度；

   利用該第一波長光線對該感光材料層進行一第一曝 光，以於該感光材料層中形成一第一潛在圖案（latent pattern); 利用該第二波長光線對該感光材料層進行一第二曝 光’以於該感光材料層中形成一第二潛在圖案；以及 同時去除該感光材料層中之該第一潛在圖案以及該 第二潛在圖案，以於該感光材料層中形成一雙鑲嵌結 構。 2 · 如申請專利範圍第1項之方法，其中該感光材料層係 為一光阻層。

   3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該光阻層係為 i - 1 i n e光阻所構成。 4. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該光阻層係為 KrF光阻所構成。

   第17頁 200416815 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該光阻層係為 ArF光阻所構成。 6. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該光阻層係為 1 5 7 n m光阻所構成。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體基底上 尚包含有一介電層介於該半導體基底以及該感光材料層 之間。 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中去除該感光材料 層中該第一潛在圖案以及該第二潛在圖案的方法係利用 一顯影劑（d e v e 1 〇 p e r )。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一波長小於 該第二波長，且該第一吸收度大於該第二吸收度。 10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一潛在圖 案係為一淺溝圖案，而該第二潛在圖案係為一介質窗 (v i a )圖案。 11. 一種雙鑲嵌内連線製程方法，該製程方法包含有下 列步驟：

   第18頁 200416815 六、申請專利範圍 提供一半導體基底，其上形成有一介電層； 於該介電層上形成一光阻層； 對該光阻層進行一具有一第一吸收度之第一曝光製 程，以於該光阻層中形成一第一潛在圖案； 對該光阻層進行一具有一第二吸收度之第二曝光製 程，以於該光阻層中形成一第二潛在圖案； 同時顯影該光阻層中之該第一潛在圖案以及該第二 潛在圖案，以於該光阻層中形成一雙鑲嵌結構； 進行一乾蝕刻製程，以將該光阻層中之雙鑲嵌結構 轉移至下方之該介電層中；以及 去除該光阻層。 12. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中於該乾蝕刻製 程之後，該製程方法尚包含有下列步驟： 於該介電層上形成一阻障層； 於該阻障層上賤艘一金屬層，且該金屬層填滿該介 電層中之雙鑲嵌結構； 進行一金屬化學機械研磨製程 (chemical-mechanical-polishing, CMP)，以去除該雙 鑲嵌結構以外之該金屬層以及該阻障層；以及 於該金屬層上形成一保護層。 13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第一曝光製 程係利用一第一波長光線，該第二曝光製程係利用一第

   第19頁 200416815 六、申請專利範圍 二波長光線，且該第一波長不等於該第二波長。 14. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該第一吸收度 不等於該第二吸收度。 15. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該第一吸收度 小於該第二吸收度。 16. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該光阻層係為 i - 1 i n e光阻所構成。 17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該光阻層係為 KrF光阻所構成。 18. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該光阻層係為 ArF光阻所構成。 19. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該光阻層係為 1 5 7 n m光阻所構成。 2 0. 如申請專利範圍第1 1項之方法，其中該第一潛在圖 案係為一淺溝圖案，而該第二潛在圖案係為一介質窗 (via)圖案。

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