專利名稱：金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種集成電路制造工藝中后段的金屬互連結(jié)構(gòu)的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，半導(dǎo)體芯片尺寸按比列縮小，集成度越來(lái)越高。在集成電路制造中，半導(dǎo)體器件之間的信號(hào)傳輸需要高密度的金屬互連線，然而這些金屬互連線帶來(lái)的大電阻和寄生電容已經(jīng)成為限制集成電路速度的主要因素。為此，金屬互連線工藝從鋁互連制程轉(zhuǎn)到銅互連制程，并配合低介電常數(shù)(K)材料作為金屬層間的介質(zhì)層，使得器件的時(shí)間延遲受金屬連線的影響降低到可接受的范圍。 基于這兩種材料的半導(dǎo)體制造工藝被稱為大馬士革(damascus)工藝，它的特點(diǎn)就是制造多層高密度的金屬互連結(jié)構(gòu)，在一定程度上克服了大電阻和寄生電容的問(wèn)題。下面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的大馬士革工藝中金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法進(jìn)行介紹，大馬士革工藝分為通孔優(yōu)先(Via first)和金屬層優(yōu)先(Metal first)兩種工藝。首先請(qǐng)參考圖1至圖5，對(duì)Via first工藝做一簡(jiǎn)單介紹如圖1所示，首先在金屬層11上形成金屬間介質(zhì)層(IMD) 13，而后利用光阻層 (PR) 15定義出通孔的圖案，通常，金屬層11上形成有金屬阻擋層12。而后，如圖2所示，刻蝕IMD13，于其中形成通孔14，并去除光阻層15。接著，如圖3所示，在通孔14內(nèi)填充底部抗反射涂層(BARC) 16，并利用光阻層17 定義出金屬溝槽的圖案，進(jìn)一步進(jìn)行金屬溝槽刻蝕，得到金屬溝槽18，并去除光阻層17和通孔14內(nèi)的底部抗反射涂層16，得到如圖4所示的結(jié)構(gòu)。最后，如圖5所示，在通孔14與金屬溝槽18內(nèi)填充金屬，便形成了兩金屬層11和 19之間的互連結(jié)構(gòu)，通常，在填充金屬之前還可以在通孔14和金屬溝槽18內(nèi)壁填充金屬阻擋層，為清楚起見(jiàn)，圖中省略描述。接下來(lái)，請(qǐng)參考圖6至圖10，對(duì)Metal first工藝做一簡(jiǎn)單介紹如圖6所示，首先在在金屬層61上形成層間介質(zhì)層(ILD)63，而后利用光阻層 (PR)67定義出金屬溝槽的圖案，通常，金屬層161上形成有金屬阻擋層62。而后，如圖7所示，刻蝕ILD63，于其中形成金屬溝槽68，并去除光阻層67。接著，如圖8所示，利用光阻層65定義出通孔的圖案，進(jìn)一步進(jìn)行通孔刻蝕，形成通孔64，如圖9所示。最后，如圖10所示，在通孔64與金屬溝槽68內(nèi)填充金屬，便形成了兩金屬層61 和69之間的互連結(jié)構(gòu)，通常，在填充金屬之前還可以在通孔64和金屬溝槽68內(nèi)壁填充金屬阻擋層，為清楚起見(jiàn)，圖中省略描述。目前，集成電路制造工藝中后段銅制程通常采用Via first工藝，圖11至15便給出了后段制程中Via first的工藝流程示意圖。從圖中可以看出，該工藝包括如下步驟步驟一、通孔(Via)的形成如圖11，在后段制程中的硅襯底100上形成金屬間介質(zhì)層(IMD) 110，而后利用光刻膠定義出通孔圖形；然后對(duì)金屬間介質(zhì)層110進(jìn)行刻蝕，形成通孔120，并去除光刻膠。其中，該硅襯底100上已制成多個(gè)半導(dǎo)體器件，在本例中為PNP晶體管與NPN晶體管，其通過(guò)深孔接觸，引出到下層金屬線130。步驟二、底部抗反射涂層(BARC)的涂覆如圖12，全片涂覆底部抗反射涂層140， 即在通孔120內(nèi)以及金屬間介質(zhì)層110的表面上涂覆底部抗反射涂層140。步驟三、如圖13，刻蝕底部抗反射涂層140，以去除金屬間介質(zhì)層110表面上的底部抗反射涂層，而保留通孔120內(nèi)部分底部抗反射涂層140。步驟四、定義頂層金屬線圖形如圖14，在金屬間介質(zhì)層110表面涂覆光刻膠，進(jìn)行曝光顯影，從而形成光阻層150，以定義頂層金屬線的圖形。步驟五、通孔及金屬線溝槽的形成，如圖15，刻蝕金屬間介質(zhì)層110并去除通孔內(nèi)的底部抗反射涂層140，從而形成通孔120’及頂層金屬線溝槽160。而后在通孔120’及頂層金屬線溝槽160內(nèi)填入金屬，便可以完成后段制程中金屬層互連結(jié)構(gòu)的制作。其中，圖12中的抗反射涂層(BARC) 140的涂覆工序的主要目的是在后續(xù)金屬連線的圖形形成過(guò)程中對(duì)下層金屬線130起到保護(hù)作用，避免其在蝕刻工藝中受到損傷。但是， 隨著圖11所示的通孔120孔徑的不斷縮小，抗反射涂層140會(huì)很難完整的填充到通孔120 中，從而導(dǎo)致其中的抗反射涂層140里可能會(huì)有空洞存在。而空洞的存在會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的蝕刻工藝對(duì)下層金屬線130造成損傷，特別對(duì)一些通孔要求比較深的工藝中，這種負(fù)面的影響就更難避免。另一個(gè)方面從成本的角度來(lái)分析，該工藝在通孔形成后需要額外的涂膠和蝕刻工藝，有時(shí)為滿足特定的工藝(如很深的通孔)要求甚至需要采用兩次涂BARC和蝕刻的工藝來(lái)符合工藝規(guī)格，這樣就會(huì)帶來(lái)工藝成本的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是減少由于抗反射涂層(BARC)中的空洞存在而導(dǎo)致在后續(xù)金屬連線形成的工藝中，刻蝕對(duì)下層金屬線的損傷；并通過(guò)減少工藝步驟降低工藝成本。為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，包括提供一半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上沉積介電層，該介電層從半導(dǎo)體襯底往上依次包括刻蝕阻擋層與金屬間介質(zhì)層；刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層上定義通孔圖案；利用光刻膠定義頂層金屬圖案；刻蝕金屬間介質(zhì)層與刻蝕阻擋層，以形成頂層金屬溝槽及通孔；在所述頂層金屬溝槽及通孔內(nèi)填充金屬，以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，所述刻蝕阻擋層與金屬間介質(zhì)層材質(zhì)相同，由同一沉積過(guò)程形成。進(jìn)一步的，在刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層內(nèi)定義通孔圖案的過(guò)程中，根據(jù)要形成的通孔的深度，在后續(xù)刻蝕過(guò)程中保留相應(yīng)厚度的介電層作為刻蝕阻擋層。進(jìn)一步的，刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層內(nèi)定義通孔圖案的步驟包括在所述金屬間介質(zhì)層上形成光刻膠；對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光顯影，以于其上定義出通孔圖案；刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，在金屬間介質(zhì)層內(nèi)形成孔洞，從而定義出通孔圖案。進(jìn)一步的，所述刻蝕阻擋層厚度大于5nm且小于10nm。
進(jìn)一步的，在刻蝕金屬間介質(zhì)層與刻蝕阻擋層，以形成頂層金屬溝槽及通孔的過(guò)程中，所述頂層金屬溝槽及通孔是在同一刻蝕工藝中同時(shí)形成的。進(jìn)一步的，所述刻蝕阻擋層的材質(zhì)為氮硅化物或炭氮硅化物。本發(fā)明在介電層中引入一層蝕刻阻擋層，以將通孔刻蝕工藝分為兩步，第一步刻蝕停止在刻蝕阻擋層，從而利用刻蝕阻擋層上的介電層定義出通孔圖案，進(jìn)一步以刻蝕阻擋層上的介電層為掩膜，刻蝕刻蝕阻擋層，于其內(nèi)形成通孔，而刻蝕阻擋層可以作為下層金屬線的保護(hù)層，防止了后續(xù)刻蝕對(duì)下層金屬線的損傷。與此同時(shí)，完成對(duì)頂層金屬線的金屬溝槽的刻蝕，從而減少一步刻蝕工藝，降低工藝成本?？梢?jiàn)，利用本發(fā)明提供的方法可以在工藝中去掉涂覆抗反射涂層(BARC)和BARC 蝕刻的工藝步驟，避免了由于BARC填充質(zhì)量的好壞帶來(lái)的缺陷問(wèn)題，同時(shí)由于工藝步驟的減少使得成本可以得到較好的控制。


圖1至圖5為傳統(tǒng)的Via first工藝的流程示意圖；圖6至圖10為傳統(tǒng)的Metal first工藝的流程示意圖圖11至15為傳統(tǒng)的后段制程中Via first的工藝流程示意圖；圖16為本發(fā)明一實(shí)施例提供的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法的流程圖；圖17至圖21為本發(fā)明一實(shí)施例提供金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法的工藝流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明充分考慮到現(xiàn)有金屬互連線工藝中，由于抗反射涂層(BARC)中空洞的存在，將導(dǎo)致后續(xù)工藝中下層金屬線的損傷以及成本增加等問(wèn)題。而在介電層中引入一層蝕刻阻擋層，以將通孔刻蝕工藝分為兩步，第一步刻蝕停止在刻蝕阻擋層，從而利用刻蝕阻擋層上的介電層定義出通孔圖案，進(jìn)一步以刻蝕阻擋層上的介電層為掩膜，刻蝕所述刻蝕阻擋層，于其內(nèi)形成通孔，與此同時(shí)，完成對(duì)頂層金屬線的金屬溝槽的刻蝕，從而減少一步刻蝕工藝，降低工藝成本。具體，請(qǐng)參看圖16，其為本發(fā)明一實(shí)施例提供的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法的流程圖。 如圖所示，該方法包括如下步驟步驟SlOO 提供一半導(dǎo)體襯底；步驟S200 在半導(dǎo)體襯底上沉積介電層，該介電層從半導(dǎo)體襯底往上依次包括刻蝕阻擋層與金屬間介質(zhì)層；步驟S300 刻蝕金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層上定義通孔圖案；步驟S400 利用光刻膠定義頂層金屬圖案；步驟S500 刻蝕金屬間介質(zhì)層與刻蝕阻擋層，以形成頂層金屬溝槽及通孔；步驟S600 在頂層金屬溝槽及通孔內(nèi)填充金屬，以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。下面通過(guò)圖17至圖21所示的剖面示意圖來(lái)詳細(xì)描述以上各個(gè)步驟
步驟SlOO 如圖17，提供一半導(dǎo)體襯底200。該半導(dǎo)體襯底200上已制成多個(gè)半導(dǎo)體器件，在本例中為PNP晶體管與NPN晶體管，其通過(guò)深孔接觸210，引出到下層金屬線 220。本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)知，下層金屬線220上可以形成有金屬阻擋層230，以防止下層金屬線220的銅離子的擴(kuò)散。典型的金屬阻擋層材料包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鎢化鈦、鎢、氮化鎢、鈦-氮化鈦、氮硅化鈦、氮硅化鎢、氮硅化鉭以及氮化硅等。步驟S200 在半導(dǎo)體襯底200上沉積介電層300，該介電層300從半導(dǎo)體襯底200 往上依次包括刻蝕阻擋層310與金屬間介質(zhì)層(IMD)320。而后利用光刻膠定義出通孔 (Via)的圖案，具體在金屬間介質(zhì)層320上涂覆光刻膠，經(jīng)過(guò)曝光顯影形成帶有通孔圖案的光阻層400。步驟S300 如圖18，以光阻層400為掩膜，刻蝕金屬間介質(zhì)320停止于刻蝕阻擋層 310，以在金屬間介質(zhì)層320上形成孔洞321，從而定義出通孔圖案；之后去除光阻層400。步驟S400 利用光刻膠定義頂層金屬圖案。如圖19，在刻蝕阻擋層310上涂覆光刻膠，經(jīng)過(guò)曝光顯影后形成帶有頂層金屬圖案的光阻層500。步驟S500 如圖20，以光阻層500為掩膜，刻蝕金屬間介質(zhì)層310與刻蝕阻擋層 320，以形成頂層金屬溝槽600及通孔700。步驟S600 如圖21，在頂層金屬溝槽及通孔內(nèi)填充金屬，以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。該金屬互連結(jié)構(gòu)包括下層金屬線220、頂層金屬線800、以及連通這兩層金屬線的通孔金屬線 900。當(dāng)然，在填充金屬之前，往往還包括金屬阻擋層的填充，以避免金屬的擴(kuò)散，由于其為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述，且為了清楚顯示本發(fā)明之實(shí)質(zhì)，圖中省略該金屬阻擋層的繪制。需要說(shuō)明的是，刻蝕阻擋層310與金屬間介質(zhì)層320材質(zhì)相同，由同一沉積過(guò)程形成。具體而言，可以利用同一沉積工藝，例如化學(xué)氣相沉積(CVD)，在半導(dǎo)體襯底200上全片沉積一介電層，而后根據(jù)要形成的通孔金屬線900的深度，在后續(xù)刻蝕過(guò)程中保留一定厚度的介電層作為刻蝕阻擋層310。例如，在通孔刻蝕過(guò)程中，根據(jù)要形成的通孔金屬線900 的深度以及刻蝕速率，計(jì)算出刻蝕時(shí)間，而后按此時(shí)間進(jìn)行刻蝕，停止刻蝕后，便余下了相應(yīng)厚度的介電層中沒(méi)有形成通孔。這樣形成通孔的介電層作為進(jìn)一步通孔刻蝕的掩膜，而保留的介電層可以作為下層金屬線的保護(hù)層，防止了后續(xù)刻蝕對(duì)下層金屬線220的損傷。當(dāng)然，刻蝕阻擋層310與金屬間介質(zhì)層320的材質(zhì)也可以不同，只是相對(duì)于相同增加了一步沉積工藝。這樣在通孔蝕刻的過(guò)程中，蝕刻的深度接近刻蝕阻擋層所在的位置時(shí)， 蝕刻的速率就要放慢以便讓機(jī)臺(tái)來(lái)偵測(cè)到刻蝕阻擋層的位置并將蝕刻工藝停留在該刻蝕阻擋層上。同樣，形成通孔的介電層作為進(jìn)一步通孔刻蝕的掩膜，而刻蝕阻擋層可以作為下層金屬線的保護(hù)層，防止了后續(xù)刻蝕對(duì)下層金屬線220的損傷。較佳的，刻蝕阻擋層310小于10nm。最終，利用一步刻蝕工藝，同時(shí)完成頂層金屬溝槽及通孔的刻蝕，如此，可以節(jié)省一步刻蝕工藝，降低了工藝成本?？涛g阻擋層310與金屬間介質(zhì)層320較佳的均為低介電常數(shù)⑷材料，例如氮硅化物或炭氮硅化物。本發(fā)明在介電層中引入一層蝕刻阻擋層，以將通孔刻蝕工藝分為兩步，第一步刻蝕停止在刻蝕阻擋層，從而利用刻蝕阻擋層上的介電層定義出通孔圖案，進(jìn)一步以刻蝕阻擋層上的介電層為掩膜，刻蝕刻蝕阻擋層，于其內(nèi)形成通孔，而刻蝕阻擋層可以作為下層金屬線的保護(hù)層，防止了后續(xù)刻蝕對(duì)下層金屬線的損傷。與此同時(shí)，完成對(duì)頂層金屬線的金屬溝槽的刻蝕，從而減少一步刻蝕工藝，降低工藝成本。可見(jiàn)，利用本發(fā)明提供的方法可以在工藝中去掉涂覆抗反射涂層(BARC)和BARC 蝕刻的工藝步驟，避免了由于BARC填充質(zhì)量的好壞帶來(lái)的缺陷問(wèn)題，同時(shí)由于工藝步驟的減少使得成本可以得到較好的控制。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，包括提供一半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上沉積介電層，該介電層從半導(dǎo)體襯底往上依次包括刻蝕阻擋層與金屬間介質(zhì)層；刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層上定義通孔圖案；利用光刻膠定義頂層金屬圖案；刻蝕金屬間介質(zhì)層與刻蝕阻擋層，以形成頂層金屬溝槽及通孔；在所述頂層金屬溝槽及通孔內(nèi)填充金屬，以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，所述刻蝕阻擋層與金屬間介質(zhì)層材質(zhì)相同，由同一沉積過(guò)程形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，在刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層內(nèi)定義通孔圖案的過(guò)程中，根據(jù)要形成的通孔的深度，在后續(xù)刻蝕過(guò)程中保留相應(yīng)厚度的介電層作為刻蝕阻擋層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層內(nèi)定義通孔圖案的步驟包括在所述金屬間介質(zhì)層上形成光刻膠；對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光顯影，以于其上定義出通孔圖案；刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，在金屬間介質(zhì)層內(nèi)形成孔洞，從而定義出通孔圖案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，所述刻蝕阻擋層厚度大于5nm且小于IOnm0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，在刻蝕金屬間介質(zhì)層與刻蝕阻擋層，以形成頂層金屬溝槽及通孔的過(guò)程中，所述頂層金屬溝槽及通孔是在同一刻蝕工藝中同時(shí)形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，其特征是，所述刻蝕阻擋層的材質(zhì)為氮硅化物或炭氮硅化物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬互連結(jié)構(gòu)形成方法，包括提供一半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上沉積介電層，該介電層從半導(dǎo)體襯底往上依次包括刻蝕阻擋層與金屬間介質(zhì)層；刻蝕所述金屬間介質(zhì)層停止于刻蝕阻擋層，以在金屬間介質(zhì)層上定義通孔圖案；利用光刻膠定義頂層金屬圖案；刻蝕金屬間介質(zhì)層與刻蝕阻擋層，以形成頂層金屬溝槽及通孔；在所述頂層金屬溝槽及通孔內(nèi)填充金屬，以形成金屬互連結(jié)構(gòu)。利用以上方法可以在工藝中去掉涂覆抗反射涂層(BARC)和BARC蝕刻的工藝步驟，避免了由于BARC填充質(zhì)量的好壞帶來(lái)的缺陷問(wèn)題，同時(shí)由于工藝步驟的減少使得成本可以得到較好的控制。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102368477SQ20111027017
公開(kāi)日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者倪棋梁, 郭明升, 陳宏璘, 龍吟 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司