專利名稱：雙鑲嵌工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙鑲嵌結(jié)構(gòu)工藝，特別是涉及一種應(yīng)用三層阻抗的部分接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌結(jié)構(gòu)工藝。
背景技術(shù)：
雙鑲嵌內(nèi)連線可提供平坦化的結(jié)構(gòu)，特別是多層內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，這可增加元件的密度及層數(shù)。半導(dǎo)體業(yè)界應(yīng)用低介電常數(shù)(low-k)材料是一股趨勢(shì)，特別是當(dāng)銅導(dǎo)線結(jié)合低介電常數(shù)材料后可有效降低電阻電容(RC)延遲的現(xiàn)象。但某些孔洞狀的低介電常數(shù)材料在蝕刻過(guò)程中，特別是在雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的工藝難以控制。
雙鑲嵌工藝包括“接觸孔優(yōu)先”(via-first)或“溝槽優(yōu)先”(trench-first)。前者為先圖案化絕緣層，形成的接觸孔穿過(guò)絕緣層所有的厚度后，再圖案化絕緣層上半部以形成溝槽。后者為先圖案化絕緣層上半部以形成溝槽，之后再形成穿過(guò)絕緣層的接觸孔。在微影工藝中需要將光刻膠曝光以界定雙鑲嵌結(jié)構(gòu)的溝槽及接觸孔。然而在全接觸孔(full-via-fist)優(yōu)先工藝中，前一步蝕刻產(chǎn)生的胺類化合物將污染光刻膠并產(chǎn)生光刻膠毒化問(wèn)題。以三層阻抗(tri-layer resists)可排除光刻膠毒化的問(wèn)題，但仍有光刻膠灰化損傷、涂布微負(fù)載效應(yīng)(coating micro-loading)以及接觸孔內(nèi)的濕式剝除能力等問(wèn)題。在溝槽優(yōu)先工藝中，可應(yīng)用金屬掩模來(lái)避免剝除光刻膠時(shí)的等離子體損傷。但此種作法將造成接觸孔偏移以及金屬化聚合物難以移除等缺點(diǎn)。
如上所述，雙鑲嵌結(jié)構(gòu)需要新的工藝來(lái)克服上述問(wèn)題，在不增加工藝及成本的情況下，結(jié)合三層阻抗及掩模使接觸孔的濕式剝除窗步驟具有較寬裕的操作容忍度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用三層阻抗的雙鑲嵌工藝，其可避免灰化損傷，并改善接觸孔及溝槽的關(guān)鍵尺寸，且在不增加工藝及成本的情況下可使接觸孔的濕式剝除步驟具有較寬裕的操作容忍度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙鑲嵌工藝，包括在半導(dǎo)體基板上形成介電層；形成第一接觸孔，穿過(guò)介電層的部分厚度；在介電層上形成三層阻抗結(jié)構(gòu)，其中三層阻抗結(jié)構(gòu)包括覆蓋介電層并填滿接觸孔的底層、覆蓋底層的中間層以及覆蓋中間層并具有一開(kāi)口的頂層；進(jìn)行干式顯影工藝去除頂層，并使開(kāi)口轉(zhuǎn)移至中間層及底層，同時(shí)移除第一接觸孔的底層以露出第一接觸孔；進(jìn)行干式蝕刻工藝去除中間層及部分的介電層，在第一接觸孔下形成第二接觸孔，并在第二接觸孔上形成溝槽；以及進(jìn)行濕式剝除工藝去除底層。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了另一種雙鑲嵌工藝，包括提供半導(dǎo)體基板，其具有導(dǎo)電區(qū)域；在半導(dǎo)體基板上形成蝕刻停止層；在蝕刻停止層上形成介電層，其中介電層具有第一接觸孔，第一接觸孔的厚度小于介電層的厚度的一半；在介電層上形成底光刻膠層，其中底光刻膠層填滿第一接觸孔形成插塞；在底光刻膠層上形成抗反射涂布層；在抗反射涂布層上形成頂光刻膠層，其中頂光刻膠層具有在第一接觸孔上的開(kāi)口；進(jìn)行干式顯影工藝去除頂光刻膠層，使開(kāi)口轉(zhuǎn)移至抗反射層及底光刻膠層，并移除插塞的底光刻膠層以露出第一接觸孔；進(jìn)行干式蝕刻工藝移除抗反射層及部分的介電層，在第一接觸孔下形成第二接觸孔，并在第二接觸孔上形成溝槽，其中第二接觸孔露出部分的導(dǎo)電區(qū)域；以及進(jìn)行濕式剝除工藝去除殘余的底光刻膠層。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)首先，應(yīng)用三層阻抗的部分接觸孔優(yōu)先的工藝可控制溝槽的關(guān)鍵尺寸與深度負(fù)載，并減少光刻膠涂布的微負(fù)載效應(yīng)，這將有助于縮小接觸孔及溝槽的關(guān)鍵尺寸。其次，利用三層阻抗結(jié)構(gòu)界定溝槽的關(guān)鍵尺寸、清除插塞以及移除頂層光刻膠的顯影工藝可得到非毒化的接觸孔、濕式剝除窗步驟具有較寬裕的操作容忍度以及減少清潔步驟間平均時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)(mean-time-between-clean，MTBC)。此外，在干式顯影中去除光刻膠可避免光刻膠灰化的損傷。第三，干蝕刻工藝原位界定的接觸孔及溝槽，可使溝槽具有實(shí)質(zhì)上平滑垂直的側(cè)壁，并使邊角自然圓化。第四，與公知全接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌工藝與金屬掩模工藝相比較，本發(fā)明的部分接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌工藝較簡(jiǎn)單，不需額外的工藝或成本。


圖1-圖5分別為本發(fā)明實(shí)施例的剖面圖，用以說(shuō)明本發(fā)明的應(yīng)用三層阻抗的部分接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌工藝。
其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下10～基板 12～導(dǎo)電區(qū)14～蝕刻停止層16～層間介電層18～蓋層 20～初始接觸孔20a～最終接觸孔 21～插塞 22～底層24～中間層26～頂層 27～開(kāi)口28～溝槽 29～側(cè)壁具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種雙鑲嵌工藝，其可克服公知技術(shù)在應(yīng)用三層阻抗及金屬掩模等工藝時(shí)存在的問(wèn)題。特別是本發(fā)明應(yīng)用了三層阻抗的部分接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌工藝，可避免灰化損傷及改善溝槽及接觸孔的關(guān)鍵尺寸，且在不增加工藝及成本的情況下可使接觸孔的濕式剝除步驟具有較寬裕的操作容忍度。與公知的“全接觸孔優(yōu)先”工藝相較，“部分接觸孔優(yōu)先”指的是一開(kāi)始形成的接觸孔只穿過(guò)介電層的部分厚度，之后才在介電層下半部形成接觸孔，及在介電層上半部形成溝槽。
下述說(shuō)明中，盡量使用同樣的符號(hào)描述同樣的部位。為清楚起見(jiàn)，圖中元件構(gòu)造的形狀比例可能用夸張方式表現(xiàn)。下述說(shuō)明將著重于形成元件的步驟，以及本發(fā)明完成的裝置。此外，當(dāng)某一層于另一層上或下時(shí)，指的可能是某一層緊鄰另一層，或兩層之間具有其它層。
如圖1所示，制造內(nèi)連線所用的基板上已形成集成電路，x這些集成電路可形成于該基板上和/或該基板中。半導(dǎo)體基板可包括基體硅、半導(dǎo)體晶片、絕緣層上硅基板或硅鍺基板。集成電路的電路元件包括晶體管、二極管、電阻、電容、電感或其它有源或無(wú)源元件?；?0包含導(dǎo)電區(qū)域12，若需要可由化學(xué)機(jī)械研磨(以下簡(jiǎn)稱CMP)使導(dǎo)電區(qū)域12暴露的上表面平坦化。適合作為導(dǎo)電區(qū)域12的材料包括但不限定于銅、鋁、銅為主的合金或其它導(dǎo)電材料。
首先，在基板10上沉積約10-1000埃的蝕刻停止層14。蝕刻停止層的材料可為氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或上述的組合。沉積方法較佳為低壓化學(xué)氣相沉積(以下簡(jiǎn)稱LPCVD)、常壓化學(xué)氣相沉積(以下簡(jiǎn)稱APCVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(以下簡(jiǎn)稱PECVD)、物理氣相沉積(以下簡(jiǎn)稱PVD)、濺鍍或其它未來(lái)發(fā)展的沉積方法。
在蝕刻停止層14上形成厚度約500到30000埃的層間介電層16。形成方法可包括旋轉(zhuǎn)涂布法、化學(xué)氣相沉積(以下簡(jiǎn)稱CVD)或其它未來(lái)發(fā)展的沉積方法。層間介電層16可為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，其材料為介電常數(shù)低于3.9的低介電常數(shù)材料，例如介電常數(shù)為3.5或3.0，甚至可以更低。本發(fā)明應(yīng)用的低介電常數(shù)材料可為旋轉(zhuǎn)涂布的無(wú)機(jī)介電材料、旋轉(zhuǎn)涂布的有機(jī)介電材料、孔洞介電材料、有機(jī)聚合物、有機(jī)硅玻璃、氟硅玻璃、類鉆碳、氫化倍半硅氧烷(HSQ)及其衍生物、甲基倍半硅氧烷(MSQ)及其衍生物、孔洞有機(jī)系列材料、聚亞酰胺、聚倍半硅氧烷、聚芳醚、Dow Corning公司所售的SiLK、Allied Signal公司所售的FLARE或其它低介電常數(shù)材料。
之后可視情況在層間介電層16上沉積一層厚度約為50到2000埃的蓋層18，此蓋層18可釋放層間介電層16的應(yīng)力。蓋層18可為四乙氧基硅烷(TEOS)為主的氧化物、無(wú)機(jī)氧化物、氮化硅、氮氧化硅或碳化硅。沉積方法包括LPCVD、APCVD、PECVD、PVD、濺鍍或其它未來(lái)發(fā)展的沉積方法。
如圖1所示，以一般的微影與非等向性蝕刻工藝，形成至少一初始接觸孔20，使其穿過(guò)蓋層18及層間介電層16的部分厚度。接著以濕式剝除工藝去除微影工藝所用的光刻膠，并可增加濕式清洗工藝以確保無(wú)任何光刻膠殘留在蓋層18及/或?qū)娱g介電層16上。初始接觸孔的深度小于層間介電層一半厚度，較佳的深度介于該層間介電層厚度的1/4至1/2之間，且不露出蝕刻停止層14及導(dǎo)電區(qū)域12。雖然圖1的初始接觸孔不只一個(gè)，但本發(fā)明的工藝也可應(yīng)用于單一初始接觸孔的雙鑲嵌工藝。
如圖2所示，在基板10上形成三層阻抗的復(fù)合式阻抗層。三層阻抗結(jié)構(gòu)包括一底層22，覆蓋層間介電層16并填滿初始接觸孔20而形成插塞21；一中間層24，覆蓋在底層22上；以及具有開(kāi)口27的頂層26，覆蓋在中間層24上。
底層22為厚度介于50到20000埃的薄膜，可用旋轉(zhuǎn)涂布后烘烤形成。底層22包含極性成分如具有羥基或酚基的聚合物，可與位于其下的介電材料擴(kuò)散出來(lái)的胺類化合物或含氮化合物鍵結(jié)或相吸。在一實(shí)施例中，底層22為I線光刻膠如酚醛型環(huán)氧樹(shù)脂(Novolac resin)，其形成方式為將甲酚(cresol)、二甲酚(xylenol)或其它取代的酚類，與甲醛反應(yīng)得到。I線光刻膠可有效防止當(dāng)其上的光刻膠圖案化時(shí)，底下的胺類化合物(如氨)往上擴(kuò)散造成毒化。此外，底層22可為深紫外線光刻膠，通常是具有羥基苯乙烯基團(tuán)的聚合物。底層22可為正光刻膠或負(fù)光刻膠，可使用生產(chǎn)線已有的材料以避免提高成本。
中間層24的厚度約為300埃到1000埃，同樣可用旋轉(zhuǎn)涂布后烘烤形成。中間層24包括一抗反射薄膜，中間層24的作用為抗反射層，避免其上的光刻膠在進(jìn)行微影工藝的曝光時(shí)，光線影響其下的光刻膠。中間層24的材料選擇有幾個(gè)條件不溶于后續(xù)旋轉(zhuǎn)涂布工藝所用的有機(jī)溶劑，并可減少光反射以避免影響其上光刻膠的曝光工藝。舉例來(lái)說(shuō)，中間層24包括負(fù)型有機(jī)抗反射層、負(fù)型染料阻抗層、深紫外線抗反射層或193納米的抗反射層。
頂層26的材料選擇要視溝槽尺寸而定。當(dāng)溝槽尺寸介于130納米至250納米時(shí)，頂層較佳為深紫外線光刻膠。當(dāng)溝槽尺寸介于100納米至130納米時(shí)，頂層較佳為193納米的光刻膠。較佳的頂層26厚度約介于2000埃到8000埃，也取決于溝槽的尺寸。頂層26可為正光刻膠或負(fù)光刻膠，曝光后可溶于堿性顯影液以形成開(kāi)口27。開(kāi)口27的位置及方向?qū)?yīng)于初始接觸孔20。
如圖3所示，進(jìn)行干式顯影工藝使開(kāi)口27轉(zhuǎn)移至中間層24及底層22，同時(shí)移除初始接觸孔20的底層22以露出初始接觸孔20。由于此步驟可同時(shí)移除頂層26并省略光刻膠灰化工藝，因此可避免公知技術(shù)的干式灰化損傷。
接著如圖4所示，在同一腔室中以四氟化碳、氬氣以及氧氣進(jìn)行干式蝕刻工藝，去除初始接觸孔20下的層間介電層16及蝕刻停止層14，形成最終接觸孔20a并露出導(dǎo)電區(qū)域12。同時(shí)原位橫向蝕刻初始接觸孔20周圍的蓋層18及層間介電層16，以在最終接觸孔20a上形成溝槽28。一般在干式蝕刻蓋層18及層間介電層16時(shí)，會(huì)消耗部分的中間層24及底層22，甚至完全去除中間層24。如此一來(lái)，就在層間介電層16的上半部形成溝槽28，并在層間介電層16的下半部形成接觸孔20a，兩者構(gòu)成了雙鑲嵌結(jié)構(gòu)。特別的是，溝槽28具有平滑垂直的側(cè)壁29。最后圖5所示，以濕式剝除工藝去除殘留在蓋層18上的底層22，使用的溶液例如是硫酸與雙氧水的混合液，或硫酸與硝酸的混合液。再次強(qiáng)調(diào)雖然附圖中有多個(gè)最終接觸孔，但本發(fā)明也可應(yīng)用于單一接觸孔的雙鑲嵌工藝。
如上所述，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)。首先，應(yīng)用三層阻抗的部分接觸孔優(yōu)先的工藝可控制溝槽的關(guān)鍵尺寸與深度負(fù)載，并減少光刻膠涂布的微負(fù)載效應(yīng)，這將有助于縮小接觸孔及溝槽的關(guān)鍵尺寸。其次，利用三層阻抗結(jié)構(gòu)界定溝槽的關(guān)鍵尺寸、清除插塞以及移除頂層光刻膠的顯影工藝可得到非毒化的接觸孔、濕式剝除窗步驟具有較寬裕的操作容忍度以及減少清潔步驟間平均時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)(mean-time-between-clean，MTBC)。此外，在干式顯影中去除光刻膠可避免光刻膠灰化的損傷。第三，干蝕刻工藝原位界定的接觸孔及溝槽，可使溝槽具有實(shí)質(zhì)上平滑垂直的側(cè)壁，并使邊角自然圓化。第四，與公知全接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌工藝與金屬掩模工藝相比較，本發(fā)明的部分接觸孔優(yōu)先的雙鑲嵌工藝較簡(jiǎn)單，不需額外的工藝或成本。
權(quán)利要求
1.一種雙鑲嵌工藝，包括在一半導(dǎo)體基板上形成一介電層；形成一第一接觸孔，該第一接觸孔穿過(guò)該介電層的部分厚度；在該介電層上形成三層阻抗結(jié)構(gòu)，該三層阻抗結(jié)構(gòu)包括覆蓋該介電層并填滿該第一接觸孔的一底層、覆蓋該底層的一中間層以及覆蓋該中間層并具有一開(kāi)口的一頂層；進(jìn)行一干式顯影工藝去除該頂層，并使該開(kāi)口轉(zhuǎn)移至該中間層及該底層，同時(shí)去除該第一接觸孔的該底層以露出該第一接觸孔；進(jìn)行一干式蝕刻工藝去除該中間層及部分的該介電層，在該第一接觸孔下形成一第二接觸孔，并在該第二接觸孔上形成一溝槽；以及進(jìn)行一濕式剝除工藝去除該底層。
2.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該第一接觸孔的深度小于該介電層的厚度的一半。
3.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該底層包括一I-線光刻膠。
4.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該中間層包括一抗反射薄膜。
5.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該頂層包括一光刻膠。
6.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該干式蝕刻工藝去除該第一接觸孔底部的該介電層以形成該第二接觸孔，以及去除該開(kāi)口與該第一接觸孔間的該介電層以形成該溝槽。
7.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該介電層的介電常數(shù)小于3.9。
8.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該雙鑲嵌工藝還包括在該半導(dǎo)體基板與該介電層之間形成一蝕刻停止層，其中該第二接觸孔穿過(guò)該介電層及該蝕刻停止層。
9.如權(quán)利要求8所述的雙鑲嵌工藝，其中該蝕刻停止層包括氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、或氮化硅、氮氧化硅、碳化硅的組合。
10.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，該雙鑲嵌工藝還包括在形成該第一接觸孔前，在該介電層上形成一蓋層，其中該第一接觸孔穿過(guò)該蓋層及部分的該介電層。
11.如權(quán)利要求10所述的雙鑲嵌工藝，其中該蓋層包括以四乙氧基硅烷為主的氧化物。
12.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該半導(dǎo)體基板包括一導(dǎo)電區(qū)域，且該第二接觸孔露出部分的該導(dǎo)電區(qū)域。
13.如權(quán)利要求12所述的雙鑲嵌工藝，其中該導(dǎo)電區(qū)域包括銅或以銅為主的合金。
14.如權(quán)利要求1所述的雙鑲嵌工藝，其中該干式蝕刻工藝形成的該溝槽具有實(shí)質(zhì)上垂直的側(cè)壁。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種應(yīng)用三層阻抗的部分接觸孔優(yōu)先(partial－via－first)的雙鑲嵌工藝。首先形成第一接觸孔，該第一接觸孔穿過(guò)介電層的部分厚度，然后在介電層上形成三層阻抗結(jié)構(gòu)，其中三層阻抗的底層填滿第一接觸孔。進(jìn)行干式顯影工藝去除頂層，使頂層的開(kāi)口轉(zhuǎn)移至中間層及底層，同時(shí)移除第一接觸孔的底層以露出第一接觸孔。之后進(jìn)行干式蝕刻工藝以在第一接觸孔下形成第二接觸孔，并在第二接觸孔上形成溝槽。最后進(jìn)行濕式剝除工藝去除殘留的光刻膠層。
文檔編號(hào)H01L21/768GK1983552SQ200610103119
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者李再春, 吳倉(cāng)聚, 歐陽(yáng)暉 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司