TW399314B - Improved dual damascene structure - Google Patents

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Dirk Tobben
Martin Gutsche
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__p A 7 B7 五、發芯 ；q£L^lL· W 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 刻（RIE),各向異性地蝕刻基板。移除未受光阻層保護之 拋棄式層的部分.留下對應於與導電區22接觸之通路位 冒的柱。雖然是用正光阻說明，但是也可以使用負光阻。 通常，導電層的柱之距離會根據已知導體之載流需求 而改變（如下之說明.導電材料會取代各螺柱1 2 ),使得 可以解決可靠度間題，如電子遷移。但是，在期望低電 流時.半導體的尺寸及間隔將限制，成為某特定半導體 元件及/或半導體製程之待定最小寬度。在各柱12之間 的寬度範圍通常約從0 . 1 5 w m到i . Ο /ζ πι ,約從0 . I 5 w m到 0.35« m較佳，約從0.15« m到0.35w ra則更佳。 至少一柱1 2樣態化之後，在半導體基板2 0之表面上和 柱12之上表而上形成IMD層5(參見第3圖）。用在此處所說 明之方法中的I M D材料可以包含本項技術人士所知的任 何滴當的介電材料。在一實施例中，IMD材料包含Α418 SOG. HSG-R7 S0G,有機摻雜的CVD氣化物，反相的CVD 氣化物，含矽材料，而未摻雜的矽酸玻璃，有機金屬， 如B C Β或類似之材料。 該IMD層5通常偽形成在半導體基板20的表面上和柱 12的整値上表而上，當作其後的平坦化層。在形成IMD 層之後，其後的平坦化層可直接透過成形製程完成，如 旋塗膜之方法，或藉由應用平坦化技術，如化學機械研 磨（CMP)予以完成。IMD之厚度要夠.才能足以容納柱及 在其下之導線。例如，IMD之厚度要比螺栓之高度大h , 其中h約等於導線之髙度。當然h取決於設計參數，通 8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（210X297公浼） 扣衣------1T---；---^ . - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ7 B7 五、發明説明（〖） mu 術—箫1 本發明傜關於一種半導體之製造，尤其是形成一種雙 紋路結構。 相-關』LJ5—背一 一般而言，半導體元件包含許多形成積體電路之電路 ,稽體雷路可以用在電腦和電子設備，且可能内含數以 百萬計可以製造在單矽晶半導體元件，即晶Η上之電晶 體和其他電路構件，，為了要使元件有功能，複雜的訊號 路徑網路通常會定路徑連接到分佈在元件表面上之電路 構件Λ當積體電路的複雜度增加時，這些橫越過元件之 訊號的有效路徑會變得更困難。因此，需要稱為雙紋路 結構之多層次或多層組態，因其能夠增加元件的密度， 所以，圮許緊密組裝的半導體元件之堆叠交互連接水準 (stacked interconnected levels) 〇 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 當製诰具有雙紋路結構之積體電路時，例如，半導體 元件之絶緣或介電質材料，如氣化矽，通常會製作數千 値開口，以産生導線開口和通路開口。然後，再用導電 金屬層，如鋁，填谋該導線和通路開口.積體電路的主 動和/或被動構件交互連接。該雙紋路結構也可用於形 成多厣基板之絶緣層（如聚醯亞胺）内的多層次金鼷（如 銅）導線，其中該基板可安裝至半導體元件上。 製造雙紋路結構之方法，已廣為人知.例如，參見美 國專利第 5,422,309; 5,529,953; 5,602,423;和 5,614,765 -3 - 本紙悵尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公兑） Λ7 B7 五、發明説明（> ) 號。一般而言，製造一標準雙纹路結構可以先用抗反射 塗層（ARC)及光阻劑層塗覆之絶線層。之後，透過具有 通路開口影像圖樣之第一光罩，將光阻曝光，再各向異 性地蝕刻該画案以穿透絶緣層，露出其下之導電層。在 蝕刻該通路開口之後，移除其餘的ARC和光阻。然後再 沈穑新的ARC和光阻層。透過具有導線開口影像圖樣之 第二光罩，將該光阻曝光。該第二影像圖樣通常對齊該 第一光罩圖樣以包圍具有導線開口之通路開口。要形成 導線開口之光阻部分被除去，曝露出該通路開口和絶緣 層，、之後，蝕刻該曝露出的絶緣層至一所要的深度，其 等於導線高度。當蝕刻完成時，將通路開口和導線開口 都用一導電金屬層填滿。 ARC和光阻層的第二次沈積使通路充填ARC,導致在後 繼之形成導線開口之蝕刻期間，在該通路孔洞中形成聚 合物。由於基本的規則（groundru丨es>變得愈來愈小， 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請义閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此種聚合物之形成在通路和導線開口之介面上導致Si02 柵橱（fence)。棚稱之出現使金屬流入通路受到干擾而 在内部造成空隙，在某些情形下，此種空隙會造成通路 電阳增加，且在某些狀況下通路失敗。 由上述之討論，有需要提供未在通路-導線上形成柵 欄之雙紋路結構。 明-總1 一種嶄新的雙紋路結構製造方法.包含之步驟有：在 半導體基板上形成一抛棄式材料層；形成一内金鼷介電 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公筇） ΑΊ Β7 五、發明説明（4 ) 層在該半導體基板上；蝕刻在該中間金鼷介電層中的導 線開口，且移除該抛棄式材料層。 於一很有用的實施例中，其方法包含之步驟有： a) 至少在部分的半導體基板上形成一抛棄式材料層； b) 使該抛棄式材料層樣態化，成為至少一傾柱（stud); c) 至少在部分的半導體基板上形成一中間金靨介電層； d) 在該内金靨介電層中至少蝕刻一導線開口； e) 自該内金驅介電層移除至少一柱；及 f )在該内金屬介電層中用導電材料至少取代一樣。 圖式 雙紋路結構之製造方法的優選實施例參考圖式說明於 後，其中： 第1圖為在半導體基板上所形成之抛棄式材料層的横 截而圖； 第2圖為在半導體基板上，將該抛棄式材料層製成螺栓 圖案之樺截面圖； 第3圈為形成在該半導體基板表面上，且覆蓋該柱之 上表而之該内金驅介電層之橫截面圖； 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第4 _為蝕刻後之導線開口的横截面圖； 第5圖為移除柱後之導線開口的横截面画；及 第6圖為填滿導電金屬層之導線開口和通路開口的横截 而圖^ 優i實例JgJl· 本發明俗關於積體電路（I C s )之製造。此種I C s包含記 -5 - 本纸认尺戍迻：i】中内《家撑準（CNS ) Μ規格（2丨) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 Λ7 B7 五、發明説明（4 ) 億體電路類，如隨機存取記億體（RAMs).動態RAMs(DRAMs) ，同步DRAMs(SDRAMs),靜態、RAMs(SRAMs)及唯讀記億 體（ROMs)。還有其他的ICs,包含邏輯元件，如可程式 邏輯陣列（PLAs),待用ICs(ASICs)或任何電路元件。本 發明提供一種基本上在導線和通路開口之介面，沒有不 良的定義邊緣。通常，在半導體基板，如矽晶圓上，會 同時製诰許多平行的ICs。所以在製程結束後，為了分 隔1C ,要將晶圖切割成許多個別的晶Η。然後再將晶片 組裝成最後客戶所用的産品，如計算機系統，行動電話 .個人數位式援肋系統（PDAs)及其他産品。 在一奮_例中，本發明包含與介電材料有關之拋棄式 材料的使用，其中有形成該雙紋路結構。内部形成有該 雙紋路結構之層在此處稱為中間金屬介電層（IMD)。不 良的定義邊緣可以藉由選擇比IMD有較高濕或乾蝕刻速率 之拋棄式材料而避免。 參考第1圖，其顯示部分的半導體基板20。例如，該 基板為矽晶圓。也可以使用其他的基板，如砷化鎵，絶 綠體上之矽（SOI),鍺或其他的半導體材料。基板20包含 形成在其上之ICs(未顯示 該ICs可以處在任何的製程 階段。在基板上還包含位在其下之導電區22，如金屬化 層，、可選擇地，導電區為高摻雜之多晶矽層或主動元件 的仟何部分，如電晶體的源極或汲掻區。在一實施例中 ，導電區表示DRAM晶片之位元線，例如，該導電區可以 ϋ由介電材料予以絶緣。通常.要將上表面30平坦化， -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4J1見格（210> 297公炱） ---------Λ------訂 (請洗閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 五、發明説明 ( f ) 1 1 才 能 提 供 一 平 坦 的 上 表 面 〇 I C 'S可以包含額3 +的元件， 1 1 I 電 氣 回 路 和 其 他 交 互 連 接 的 同 级 元 件 〇 1 1 如 圖 所 示 9 抛 棄 式 材 料 層 1 5偽 形 成 在 半 導 體 基 板 2C 之 1 先 1 表 面 3 0上 〇 可 用 作 抛 棄 式 材 料 層 1 5之 適 當 材 料 包 含 已 知 閱 讀 1 背 1 技 術 技 m 中 的 任 何 傳 統 材 料 〇 在 實 施 例 中 > 形 成 層 15 1¾ 之 1 所 採 用 之 材 料 包 含 可 流 動 氣 化 物 » C V D氣化物， BSG SiN 意 1 事 1 5 不 含 矽 之 材 料 ， 如 對 苯 二 甲 撐 9 聚 醯 亞 胺 (如烕光聚 項 1 填 1 m 亞 胺 )和P B0 > 及 類 似 之 材 料 0 用 在 此 處 說 明 之 方 法 中 寫 ·. 本 | 的 拋 棄 式 材 料 > 其 濕 和 / 或 乾 蝕 刻 速 率 基 本 上 高 於 形 成 頁 1 | 在 半 導 體 基 板 2 0 上 之 I Μ D層， 此說明於後。 - 1 | 為 了 要 達 到 適 當 的 均 勻 厚 度 » 通 常 將 抛 棄 式 材 料 層 1 1 1 5大 致 上 先 平 坦 化 » 如 果 需 要 可 以 採 用 個 別 的 平 坦 化 1 訂 1 1 步 驟 ， 如 C Μ P〇 通常， 形成在半導體基板2 0上之抛棄式 材 料 層 1 5的 厚 度 * 大 概 至 少 要 等 於 或 大 於 依 本 發 明 方 法 1 1 所 形 成 之 通 路 開 P 之 期 望 高 度 〇 抛 棄 式 材 料 層 1 5之 厚 度 1 I 範 圍 約 從 1 , 00 0 X到 10 ,0 00 〇 A， 約從1 ,〇 0 0 A到8 ,〇 0 0 X較佳 1 1 ♦ 約 3， 0 0 0 X到 6 , 0 0 6 0 A 更 佳 〇 1 當 然 > 厚 度 之 變 化 取 決 於 設 計 參 數 〇 - 1 I 參 考 第 2 圖 9 抛 棄 式 層 被 樣 態 化 » 至 少 形 成 一 柱 12 ,於 1 1 該 處 將 形 成 通 路 孔 洞 或 開 P 〇 在 基 板 之 實 例 部 分 9 偽 形 1 1 成 3 m 柱 〇 但 是 » 本 項 技 術 人 士 將 會 瞭 解 在 1C S之製迪 1 中 * 可 以 形 成 許 多 的 柱 » 以 接 觸 在 其 下 之 導 電 區 〇 例 如 1 f 拋 棄 式 層 的 樣 態 化 包 含 沈 積 ARC和光阻層， 及用曝光 1 I 源 使 待 形 成 柱 之 區 域 外 的 光 阻 曝 光 〇 然 後 將 該 光 阻 層 顳 1 影 * 再 移 除 曝 光 的 部 分 〇 7 之 後 由 例 如 9 反 m 離 子 拽 1 1 1 1 本纸張尺度適用中國國家標皁（C'NS 1 ; :!() )
__p A 7 B7 五、發芯 ；q£L^lL· W 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 刻（RIE),各向異性地蝕刻基板。移除未受光阻層保護之 拋棄式層的部分.留下對應於與導電區22接觸之通路位 冒的柱。雖然是用正光阻說明，但是也可以使用負光阻。 通常，導電層的柱之距離會根據已知導體之載流需求 而改變（如下之說明.導電材料會取代各螺柱1 2 ),使得 可以解決可靠度間題，如電子遷移。但是，在期望低電 流時.半導體的尺寸及間隔將限制，成為某特定半導體 元件及/或半導體製程之待定最小寬度。在各柱12之間 的寬度範圍通常約從0 . 1 5 w m到i . Ο /ζ πι ,約從0 . I 5 w m到 0.35« m較佳，約從0.15« m到0.35w ra則更佳。 至少一柱1 2樣態化之後，在半導體基板2 0之表面上和 柱12之上表而上形成IMD層5(參見第3圖）。用在此處所說 明之方法中的I M D材料可以包含本項技術人士所知的任 何滴當的介電材料。在一實施例中，IMD材料包含Α418 SOG. HSG-R7 S0G,有機摻雜的CVD氣化物，反相的CVD 氣化物，含矽材料，而未摻雜的矽酸玻璃，有機金屬， 如B C Β或類似之材料。 該IMD層5通常偽形成在半導體基板20的表面上和柱 12的整値上表而上，當作其後的平坦化層。在形成IMD 層之後，其後的平坦化層可直接透過成形製程完成，如 旋塗膜之方法，或藉由應用平坦化技術，如化學機械研 磨（CMP)予以完成。IMD之厚度要夠.才能足以容納柱及 在其下之導線。例如，IMD之厚度要比螺栓之高度大h , 其中h約等於導線之髙度。當然h取決於設計參數，通 8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（210X297公浼） 扣衣------1T---；---^ . - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 137 五、發明説明（7 ) 常，中間金屬介電層5之厚度範圍傺約從2000 λ到20000又 ,以約從30()()1到200〇i較佳，而約從4000Α到900(^更佳。 用以形成中間金颶介電層5之技術傜在本項技術人 士能理解的範圍内。 可選擇地，該IMD層稍小於或約等於該柱之厚度。在 平坦化之後，在其上形成第二I MD層。此第二ΙΟ層之厚 度通常約第於導線之高度。第二IHD層為一種可以選擇 性蝕刻到第一 ΙΜΙ)層之材料。藉由雙IMD層之提供，該第 一 IMD層作為藉蝕刻而形成在其下之導線畤的蝕刻停止 層〇 經濟部中央標隼局員工消费合作社印聚 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁 '1Τ 參考第4圖，ΙΜΙ)層樣態化，以産生導線開口 9導線開 口之樣態化俗使用傳統的徹影製程和蝕刻技術完成。例 如，此種技術包含沈積ARC和光阻層，及其後用曝光源 如深紫外線（DUV)或極深紫外線（EUV)之射光，選擇性曝 光該光阻層。也可以使用其他波長之射光，之後顯影， 移除光阻層之曝光區，以曝露對應線開口 9之IMD表面 。再用RIE産生開口 9, RIE在適當時機終fh,以蝕刻的 夠深，才能到達柱之頂部，或是當使用雙IMD層時，用 蝕刻停It層技術终止。 其次，從導線開口 9之中，藉由濕或乾蝕刻製程，選 擇性移除各個柱12，以産生通路開口 11,(如第5圖所示） 。根據本發明，可以選擇性蝕刻該柱到該I M D層。該柱和 IMD之間的蝕刻選擇性要夠，才能不用實際上，移除該IMD 層而可以移除柱。在一實施例中，該柱和IMD之間的蝕刻 本紙张Κ度適用中國國家標準（CNS ) ( 210Χ297公#·) 經滴部中央標準局員工消费合作社印54 A7 137 五、發明説明（及） 遴擇性約差8·· 1,約差12: 1更佳，而約g20: 1則更佳。 用以産生通路開口 11之參數（如蝕刻劑之種類，蝕刻劑 之濃度，時間，溫度等）俗在本技術人士所知之範圍中。 蝕刻劑之選擇取決於數値因子，其中包含柱之組成。適 合的蝕刻劑包含BHF, CDE和氣。表1表列可以使用以移 除柱之蝕刻劑的材料和種類。 表 1 抛秦式材料 IMD 蝕刻物 -------------------訂 (請先間讀背而之注意事項再填寫本頁) 可流動的氣化物（F 0 X ) A4 18 SOG BH F F〇 X HSG-R7 S0G BHF F〇 X 有機摻雜的 CVD 氧化物 BHF F〇 X C V D氣化物 BH F CVD氣化物 A4 18 S0G BHF C V D氧化物 HSG-R7 S0G BHF BSG A418 S0G BHF BSG HSG-R7 S0G BHF BSG 有機摻雜的 CVD 氣化物 BHF BS G 反相的CVD氧化物 BHF S i N CVD氣化物 CDE 有機材料， 不含矽的材料（對 CVD氣化物 氣 苯二甲撐， 聚酵亞胺， P B0 ) 有機材料， 不含矽的材 料（對苯含S i的有機 氣 二甲撐，正 威光聚挺亞 胺，ΡΒ0)金鼷（BCB) -10- 本紙張乂度沩^ W ( ('NS ) Λ4 規枋（2 1 Ο X 297,:.> 兮） 經濟部中央標準局員工消費合作社印聚 Λ7 B7五、發明説明（9 ) 在形成通路開口 11之後，將導電材料25沈積在其中， 曰.请滿通路開口 11和導線開口 9。如第6圖所示。導電 材料25可藉由任何已知的或傳統的程序形成，如利用選 擇性的化學氣相沈積法（C V D )。此處可以使用任何的傳 統導雷材料，形成導電材料2 5之適用材料包含但不僅限 於Ti, TiN, TiW, W,Al,Cu. Pd或類似之材料。而較佳之 材料為W和A U 雖然本發明已參者上述具有某種程度特殊性之實施例 説明.但是變化例和變更例有可能在那些技術技藝中， 因此，本發明表示其為不離本發明精神和範圍之恃別説 明，、 參考符號説明 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 15......拋棄式材料層 20......半導體基板 2 2......導電區 5.......IMD 層 12......柱 9.......線開口 11......通路開口 -11- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（210X 297公处）

Claims (1)

  1. g71 〇8〇59 399314 as
    C8 ' D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 六、申請專利範圍 1 1 1 .一 種 製 造 雙 紋 路 結 構 之 方 法 • 包 含 * 1 1 a)在 至 少 包 含 一 導 電 區 之 半 導 體 基 板 上 形 成 一 層 抛 1 I 棄 式 (s a c r i f i c i a 1 )材料層 • » 請 1 1 b)使 抛 棄 式 材 料 層 之 樣 態 化 以 在 該 導 電 區 上 能 至 少 先 閱 1 I 讀 1 1 提 供 一 柱 (S t U d) 背 ιέ 1 1 之 1 c )在 環 繞 至 少 柱 之 半 導 醱 基 板 上 形 成 介 電 層 及 注 I 意 I d) 在 中 間 金 屬 介 電 層 中 » 形 成 導 線 開 □ i 至 少 一 柱 事 項 1 I 再 1 Λ 之 一 部 分 會 曝 露 在 開 Π 之 中 〇 法 其 中 寫 本 衮 2 •如 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 方 » 該 抛 棄 式 材 料 層 頁 之 蝕 刻 速 率 大 於 該 中 間 金 靥 介 電 層 〇 ! 3 .如 申 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 方 法 其 中 該 抛 棄 式 材 料 層 1 I 之 材 料 傷 選 擇 白 由 可 流 動 的 氧 化 物 * CVD氧化物， BSG 1 1 訂 1 9 s i N聚對苯二甲撐（ pa r y 1 e n e ), 聚醅亞胺和ΡΒ0所 組 成 之 組 群 〇 1 I 4 •如 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 方 法 9 其 中 該 中 間 金 颺 介 電 1 1 層 之 材 料 僳 選 擇 白 由 有 機 摻 雜 的 c V D氣化物， C VD 氧 化 1 | 物 和 含 矽 有 機 材 料 所 組 成 之 組 群 〇 | 5 .如 申 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 方 法 9 進 一 步 包 含 ； 在 形 成 1 1 導 線 開 η 前 之 中 間 金 颳 介 電 層 的 平 坦 化 步 驟 〇 1 | 6 如 申 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 方 法 9 還 包 含 之 步 驟 為 ! 1 e ) 白 該 中 間 金 屬 介 電 層 移 除 該 至 少 一 柱 9 以 形 成 通 1 I 道 及 1 1 f)沈 積 一 導 電 材 料 在 該 通 道 内 〇 1 1 7 .如 申 請 專 利 範 圍 第 6 項 之 方 法 t 其 中 該 導 電 材 料 % 選 1 1 -1 2- 1 1 1 1 本紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ·4現格（-、：〇y 公釐） A8 393314 ll D8 六、申請專利範圍 擇自由W和A丨組成之組群。 8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該移除步驟包含 蝕刻該至少一柱。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中蝕刻步驟中所用 之鈾刻劑俗遘自BHF和氣所組成之組群。 10. —種製造雙紋路結構之方法，包含： a) 在至少一部分的半導體基板上形成一拋棄式材料 層.該拋棄式材料層係要製作成至少一個柱之樣態； b) 在至少一部分的該半導體基板上形成一中間金屬 介電層，環繞並覆蓋至少一柱，該中間金屬介電層具 有一平坦的表面； c )蝕刻該中間金屬介電層，至少要形成一痼導線開 口 ；及 d >自該中間金屬介電層移除該至少一柱而形成通路。 11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該抛棄式材料層 之蝕刻速率高於該中間金屬介電層。 經滴部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該拋棄式材料 厣之材料俗選擇自由可流動的氣化物，CVD氣化物， BSG, SiN,對苯二甲撑，聚醯亞胺和ΡΒ0所組成之組 群。 13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該中間金颶介 電層之材料偽選擇自由有機摻雜的CVD氣化物，CVD氣 化物和含矽有機材料所組成之組群。 14. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該移除步驟包 -1 3 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（2丨0X 297公釐） 399314 A8 Βδ C8 D8 六、申請專利範圍 含該至少一柱之蝕刻。 15. 如申謫專利範圍第14項之方法，其中在蝕刻步驟所 使用之蝕刻劑僳選擇自由B H F和氣所组成之組群。 16. 如申請專利範圍第10項之方法，還包含用導電材料 埔充在該中間金腸介電層中之通輅的步驟。 17. 如申謫專利範圍第16項之方法，其中該導電材料係 選擇自由W和Α1所組成之組群。 18. —種形成雙紋路結構所用之結構，包含： -基板； -形成在該基板上，具有第一蝕刻速率之抛棄式材 料柱； -具有第二蝕刻速率且環繞該柱之中間金颶介電層 ，該第一蝕刻速率大於第二蝕刻速率；及 -導線開口，形成在該中間金颶介電層中，且曝露 一部分之柱。 19. 如申請專利範圍第18項之結構，其中該基板包含一 導體，且該柱位在一部分之導體上。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 -14- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4規格（210Χ 297公釐）
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