使用低－K介电材料形成双大马士革互连的方法

摘要

一种使用低－k介电有机聚合物作为绝缘层形成双大马士革互连的方法。仅仅利用一个硬掩模层，使用蚀刻速率不同于自对准衬片的硬掩模层和蚀刻－停止层防止灰化损伤绝缘层。而且，可以形成小于光刻工艺的分辨极限的通孔。由此，工艺被简化且不发生光致抗蚀剂尾部现象。

说明书

发明领域

本发明涉及形成多级互连的方法，更具体的是涉及使用低k介电材料(low-k dialectric materiall)形成双大马士革互连(damascene interconnection)的方法。

发明背景

当晶体管越来越高度集成时，逻辑器件也趋向于高速和高集成度。随着晶体管的高集成度，互连尺寸逐渐减小。这种最小化导致互连延迟和妨碍器件在高速下工作。

由于铜(Cu)的低电阻率和高电迁移(EM)电阻特性，铜最近已成为优于铝合金(Al-合金)的互连材料应选品。但是，由于铜难以蚀刻(etch)且在氧化处理过程中易于氧化，因此使用大马士革工艺来形成铜互连。根据大马士革工艺，在绝缘层中形成互连凹槽和通孔，在该凹槽中将形成上互连以及通孔连接上互连到下互连或基底。用铜填满互连凹槽和通孔之后，进行化学机械抛光(CMP)以平整化上述结构。以此方式，大马士革工艺是一种填充工艺。

低k介电可以使互连之间的所产生的寄生电容降低、提高器件运行速度以及抑制交互干扰现象。鉴于这些优点，低k介电正在以多种方式发展。通常，低k介电被分为二氧化硅(SiO₂)族有机聚合物和碳(C)族有机聚合物。

现在参考图1描述使用单个硬掩模层的普通大马士革工艺。

参考图1，在下导电层100上依次层叠下蚀刻-停止层(etch-stop)105、下绝缘层(insulating layer)110、上蚀刻-停止层115、上绝缘层120以及硬掩模层(hard mask layer)125。按顺序蚀刻硬掩模层125、上绝缘层120、上蚀刻-停止层115以及下绝缘层110以形成暴露下蚀刻-停止层105的通孔135。在图中，参考标记“D₁”指通孔(via hole)的宽度。

然后，形成具有开口的光致抗蚀剂图形140，开口具有互连凹槽的宽度。在图中，参考标记“D₂”表示互连的宽度。尽管在图中未示出，但是使用光致抗蚀剂图形140形成了互连凹槽以形成大马士革图形。

在下绝缘层和上绝缘层110和120由低k介电形成的情况下，也就是由有机聚合物形成的情况下，它们易于被灰化工艺中用于光致抗蚀剂图形140的氧等离子体损伤。此外，当采用再加工工艺时，其中因为初始光刻工艺不正确，所以除去光致抗蚀剂图形(photoresist pattern)以便再进行光刻工艺时，已经暴露于通孔侧壁的绝缘层110和120会被严重地损伤。

由此，在利用由有机聚合物形成绝缘层的目前的双大马士革工艺中，使用双硬掩模层以形成互连凹槽图形。

图2A至图2J示出了在由有机聚合物制成的绝缘层中使用双硬掩模层形成双大马士革图形的常规步骤。

参考图2A，在下导电层200上顺序地层叠下蚀刻-停止层205、下绝缘层210、上蚀刻-停止层215、上绝缘层220、下硬掩模层225以及上硬掩模层230。

参考图2B，在上硬掩模层230上形成具有开口的光致抗蚀剂图形235，开口具有互连凹槽宽度D₂。使用光致抗蚀剂图形235作为蚀刻掩模，将上硬掩模层230图案化以形成暴露下硬掩模层225表面的互连凹槽开口233。

参考图2C，通过灰化工艺除去光致抗蚀剂图形235。在上硬掩模层230处设置互连凹槽开口233。

参考图2D，在暴露的下硬掩模层225上形成具有开口的光致抗蚀剂图形240，开口具有通孔宽度。在用于形成光致抗蚀剂图形240的光刻工艺中可能产生未对准(misalignment)，以及光刻工艺之后可能产生光致抗蚀剂尾部(photoresist tail)241。光致抗蚀剂尾部241由于缺少景深(depth of focus，DOF)余量而产生，这是由图案化的上硬掩模层230的步差(step difference)所引起。光致抗蚀剂尾部241导致图形错误，该图形能够阻止形成稳定的大马士革结构。在最坏情况下，不可能形成图形。

参考图2E，使用光致抗蚀剂图形240作为蚀刻掩膜，下硬掩模层225被图案化以暴露上绝缘层220的表面。

参考图2F，使用下硬掩模层225作为蚀刻掩膜，选择地蚀刻上绝缘层220以形成暴露上蚀刻-停止层215表面的孔开口243。注意由有机聚合物形成的上绝缘层220是与光致抗蚀剂图形240一样的碳族。由于它们的蚀刻速率(etchrate)彼此相似，因此蚀刻上绝缘层220的同时也除去了光致抗蚀剂图形240。

参考图2G，使用图案化的上硬掩模层230作为蚀刻掩膜，蚀刻下硬掩模225和暴露的上蚀刻-停止层215以暴露邻近孔开口243上部的上绝缘层220的上侧和孔开口243下部的下绝缘层210。

参考图2H，将暴露的上绝缘层220和暴露的下绝缘层210图案化以在上绝缘层中形成互连凹槽245以及在下绝缘层中形成通孔250。如图所示，互连凹槽245比通孔250宽。

参考图2I，除去通孔250下部的下蚀刻-停止层205以暴露下导电层200的表面。同时，也可以除去上硬掩模层230和互连凹槽245下部暴露的蚀刻-停止层215。

参考图2J，用导电材料填充互连凹槽245和通孔250之后，进行CMP以形成互连260。在填充互连凹槽245和通孔250之前，如图所示，可以形成可选的阻挡金属层255。

使用上述双硬掩模层的大马士革工艺比较复杂。而且，如上所述，该大马士革工艺通常导致未对准或形成光致抗蚀剂尾部。

发明概述

本发明涉及仅使用一个硬掩模层形成双大马士革互连的方法，由此简化制造过程，同时防止由有机聚合物形成的绝缘层受到灰化损伤。

本发明还涉及形成双大马士革互连的方法，该方法能够形成通孔，通孔的宽度比光刻设备的分辩率小。

本发明还涉及形成双大马士革互连而不产生通常由台阶差引起的光致抗蚀剂尾部的方法。

以此方式，本发明包括形成双大马士革互连的方法。在形成下导电层的半导体衬底上依次形成下绝缘层、上蚀刻-停止层、上绝缘层以及硬掩模层。将硬掩模层和上绝缘层图案化，以在上绝缘层中形成互连凹槽，互连凹槽暴露部分上蚀刻-停止层。在互连凹槽的侧壁上形成衬片(spacer)。形成具有开口的光致抗蚀剂图形，开口处暴露互连凹槽和部分上蚀刻-停止层。先后蚀刻上蚀刻-停止层和下绝缘层以在下绝缘层中形成孔，该孔暴露部分下导电层。除去图案化后的硬掩模层和衬片。然后形成互连以填充互连凹槽和孔。

在一个实施方案中，下绝缘层和上绝缘层包括低k介电有机聚合物。下绝缘层和上绝缘层包括选自掺氟氧化物、掺碳氧化物和氧化硅的材料。硬掩模层包括蚀刻率与衬片一致，但是不同于上蚀刻-停止层的蚀刻率的材料，例如，硬掩模层和衬片包括氮化硅，上蚀刻-停止层包括氧化硅。

在另一实施方案中，在下导电层上形成下蚀刻-停止层，其中在除去图案化的硬掩模层和衬片的同时，除去下蚀刻-停止层。下蚀刻-停止层可以包括具有与硬掩模层一致的蚀刻率的材料。

在另一实施方案中，形成互连凹槽包括：在硬掩模层上形成光致抗蚀剂图案，光致抗蚀剂图形暴露部分硬掩模层；使用光致抗蚀剂图形作为蚀刻掩膜，蚀刻暴露的硬掩模层以形成暴露部分上绝缘层的硬掩模层图案；以及使用硬掩模层图案作为蚀刻掩膜，蚀刻暴露的上绝缘层以暴露部分上蚀刻-停止层，其中在蚀刻暴露的上绝缘层的同时除去光致抗蚀剂图案。

在另一实施方案中，形成孔包括：选择地蚀刻被开口暴露的上蚀刻-停止层以暴露部分下绝缘层；以及使用图案化的硬掩模层、衬片以及上蚀刻-停止层作为蚀刻掩膜，选择地蚀刻暴露的下绝缘层以暴露部分下导电层，其中在蚀刻暴露的下绝缘层的同时除去光致抗蚀剂图案。

可以形成开口以在互连凹槽方向具有第一宽度，在与互连凹槽交叉方向具有第二宽度，第一宽度大于第二宽度。开口可以选择性地暴露多个互连凹槽。

互连可以由选自铝(Al)、铝合金(Al-合金)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钨(W)以及钼(Mo)的导电材料形成。在形成互连之前可以形成阻挡金属层，其中阻挡金属层是选自Ta、TaN、TiN、WN、TaC、WC、TiSiN以及TaSiN中的一种。

下导电层可以包括形成在半导体衬底上的下互连，而孔包括通孔。或者，下导电层形成在半导体衬底上，而孔是接触孔。

附图简述

根据本发明的优选实施方案的更详细的描述，将会更明白本发明的上述及其他目的、性能以及优点。这些方案如附图所示，其中在不同的图中同样的参考标记指同样的部分。附图不需要按比例，重点图示本发明的原理。

图1是使用单硬掩模层的常规双大马士革工艺的剖视图。

图2A至图2J是使用双硬掩模层的常规双大马士革工艺的剖视图。

图3A至3H是说明根据本发明的形成双大马士革互连的步骤的剖视图。

图4A至4E是说明本发明的形成双大马士革互连的步骤的俯视图。

优选实施例的详细说明

图3A至3H示出了本发明的形成双大马士革互连的步骤的剖视图。图4A至4E示出了本发明的形成双大马士革互连的步骤的俯视图。

参考图3A，在包括下导电层的半导体衬底上依次层叠下蚀刻-停止层305、下绝缘层310、上蚀刻-停止层315、上绝缘层320以及硬掩模层325。这里下导电层可以对应于，例如，多级互连结构的下互连或可以形成在半导体衬底上。

上绝缘层和下绝缘层320和310具有足够的厚度以随后提供用于互连凹槽和通孔(在下文中，接触孔也称为通孔)的基座。上绝缘层和下绝缘层320和310可以由有机聚合物，或，选择性地由其他化合物例如掺氟氧化物、掺碳氧化物和氧化硅形成。有机聚合物可以包括低-k介电有机聚合物，例如聚烯丙基醚系树脂、环形氟化物树脂、聚硅氧烷共聚物、聚烯丙基醚系氟化物树脂、聚五氟苯乙烯(polypentafluorostylene)、聚四氟苯乙烯(polytetrafluorostylene)系树脂、聚酰亚胺氟化物树脂、聚萘氟化物树脂以及polycide树脂。其形成方法可以选自等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、高密度等离子体化学气相沉积(HDCVD)、大气压力化学气相沉积(APCVD)以及旋涂中的一种。

硬掩模层325和下蚀刻-停止层305可以由例如氮化硅形成。

上蚀刻-停止层315由蚀刻率不同于硬掩模层325和下蚀刻-停止层305的材料形成。例如，如果硬掩模层325和下蚀刻-停止层305是由氮化硅形成，那么上蚀刻-停止层315可以由氧化硅形成。

参考图3B，在硬掩模层325上形成开口具有互连凹槽宽度的光致抗蚀剂图形330。使用光致抗蚀剂图形330作为蚀刻掩模，将硬掩模层325图案化以形成暴露上绝缘层320表面的互连凹槽开口323。在该图中示出了三个互连凹槽开口323。

参考图3C，使用图案化的硬掩模层325作为蚀刻掩膜，向下蚀刻上绝缘层320直到上蚀刻-停止层315的表面以形成互连凹槽335。注意，在上绝缘层320由低-k介电有机聚合物形成的情况下，它是与光致抗蚀剂图形330相同的碳族。由此，上绝缘层320的蚀刻速率类似于光致抗蚀剂图形330的蚀刻速率。因此，在蚀刻上绝缘层320的同时，能够蚀刻光致抗蚀剂图形330。

参考图4A，使用硬掩模层325作为蚀刻掩膜，形成互连凹槽335以暴露上蚀刻-停止层315。

参考图3D，在包括互连凹槽335的最终结构的整个表面上形成衬片绝缘层。在其上进行全蚀刻以在互连凹槽335的侧壁上形成自对准的衬片340。衬片绝缘层是例如由蚀刻速率或蚀刻选择性与硬掩模层325和下蚀刻-停止层305相同，但是不同于上蚀刻-停止层315的材料形成。例如：衬片绝缘层可以由氮化硅形成。因此，在用于形成自对准的衬片340的全蚀刻步骤期间上蚀刻-停止层315没有被蚀刻。

由于通孔宽度由在互连凹槽335的侧壁上形成的衬片340的下宽度决定，因此通过调节衬片340的形成厚度可以调节通孔的宽度。也就是说，自对准的衬片340用来限制通孔的尺寸为小于光刻工艺可得到的分辩率的尺寸。而且，本发明的工艺不受常规方法的限制，例如，如上解释的，在光刻工艺过程中发生未对准或由台阶差引起的形成光致抗蚀剂尾部。

参考图4B，在互连凹槽335的侧壁上形成自对准的衬片340。

参考图3E，在衬底的整个表面上涂敷光致抗蚀剂之后，进行常规光刻工艺以形成具有开口347的光致抗蚀剂图形345，通过该开口暴露互连凹槽335。在由于用于形成光致抗蚀剂图形345的光刻工艺过程中形成一个坏的图案(或多个坏的图形)需要再加工的情况下，绝缘层310和320没有损伤，尽管由有机聚合物制成的绝缘层310和320的蚀刻速率类似于光致抗蚀剂图案345。这是因为绝缘层310和320被衬片340、硬掩模层325和上蚀刻-停止层315覆盖，因此阻止在再加工中使用的灰化气体。由于在光刻工艺中光致抗蚀剂图形345形成在平整的硬掩模层325上，而没有台阶差，因此不会产生常规的光致抗蚀剂尾部。

参考图4C，具有暴露互连凹槽335的开口347的光致抗蚀剂图形345形成在包括衬片340的半导体衬底上。

在常规技术中，由具有最终通孔宽度的光致抗蚀剂图案形成开口347(参见图2D)。相反，在本发明中，根据光致抗蚀剂图形形成开口347，该开口347比通孔宽以克服光刻工艺的极限尺寸(limit size)。亦即，在与互连凹槽335垂直方向(X-方向)，可以由预形成的衬片340形成小于光刻工艺的分辨极限的通孔。在互连凹槽方向(Y-方向)，因为在X-方向可以形成宽的开口347，可以保证光刻工艺的余量。为了在一个互连凹槽中形成一个通孔，可以打开开口347(参见图4C的中间开口)。最终在多个相邻的互连凹槽中分别形成多个通孔，可以形成跨越多个相应互连凹槽的一个开口(参见图4C的上开口和下开口347)。就是说，在常规方法中，当在具有通孔宽度的一个光致抗蚀剂图案开口处形成一个通孔时，通过一个光致抗蚀剂图案开口能够形成多个通孔，在本发明中光致抗蚀剂图形开口比最终通孔宽。通过在光致抗蚀剂图形中的一个开口处形成多个通孔，光刻工艺的余量变得更宽。再参考图3E，该图是沿图4C的线I-I′的剖视图，该图示出了在光致抗蚀剂图形中形成的一个开口347跨越三个相邻的互连凹槽的情况。即，通过光致抗蚀剂图形中的一个开口可以形成跨越三个互连凹槽的三个通孔。

参考图3F，使用光致抗蚀剂图形345、衬片340以及硬掩模层325作为蚀刻掩膜，选择地蚀刻通过开口347暴露的上蚀刻-停止层315以暴露下绝缘层310。如前所述，由于衬片340和硬掩模层325的蚀刻速率或蚀刻选择性不同于上蚀刻-停止层315，因此它们可以用作蚀刻掩膜。

使用图形化的硬掩模层325、上蚀刻-停止层315、衬片340作为蚀刻掩膜，有选择地向下蚀刻暴露的下绝缘层310直到下蚀刻-停止层305的上表面以在下绝缘层310中形成通孔350。注意在下绝缘层310由有机聚合物制成的情况下，在蚀刻暴露的下绝缘层310的同时除去光致抗蚀剂图形345。

参考图4D，在使用光致抗蚀剂图形345作为蚀刻掩膜将上蚀刻-停止层315图形化之后，使用图形化的蚀刻-停止层315、硬掩模层325以及衬片340作为蚀刻掩膜，形成暴露下蚀刻-停止层305的孔350。图3F是沿图4D的线II-II′的剖视图。

参考图3G，除去硬掩模层325、衬片340以及通孔350下面的下蚀刻-停止层305，例如在同时形成包括互连凹槽335和通孔350的大马士革图形。由于除去的层可以全部由具有相同蚀刻速率的材料例如氮化硅形成，因此它们可以被同时除去。

对于除去工艺，可以使用干蚀刻或湿蚀刻技术。在使用干蚀刻技术的情况下，部分衬片340没有除去，因此保留在互连凹槽的侧壁。在图3G的图示中，它们全部被除去。

参考图4E，硬掩模层325、衬片340以及暴露的下蚀刻-停止层305被除去。结果，在上绝缘层320中形成互连335以及在互连凹槽335中形成连接到下导电层300的通孔350。图3G是沿图4E的线III-III′的剖视图。

参考图3H，用导电材料填充互连凹槽335和通孔350之后，进行平整化工艺以形成互连360。

导电材料例如选自铝(Al)、铝合金(Al-合金)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、钨(W)以及钼(Mo)中的至少一种材料。而且，可以使用选自通过溅射导电材料形成层的回流技术、化学气相沉积(CVD)技术、电镀技术等中的一种工艺形成导电材料。在使用电镀技术的情况下，需要籽晶层(seed layer)，以便在电解过程中电流可以流动。

在形成导电材料之前，可以形成阻挡金属层355。特别，在使用铜(Cu)的大马士革工艺中，阻挡金属层用于阻止层间介质的绝缘特性被导电材料，例如，铜的扩散变得退化。阻挡金属层可以由选自Ta、TaN、WN、TaC、TiSiN以及TaSiN中的一种材料形成。而且，可以使用选自物理汽相沉积(PVD)技术、化学气相沉积(CVD)技术以及原子层沉淀(ALD)技术中的一种工艺形成阻挡金属层。

尽管本发明已详细地示出并参考其优选实施例进行描述，但所述领域的技术人员将明白在此进行的形式上和细节上的各种变化都不脱离本发明的附加权利要求书所限定的精神和范围。