專利名稱：溝槽間形成孔洞的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件制造技術，特別涉及一種溝槽間形成孔洞的方法。
背景技術：
目前，隨著集成電路的不斷發(fā)展，后段金屬互連層的層數越來越密集，為了降低整個集成電路(IC)的電阻電容(RC)延遲，提高器件的電學性能，現有技術提供了一種溝槽間形成孔洞的方法:步驟11、請參閱圖la，預先提供一半導體襯底100，所述半導體襯底100表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層101和層間介質層(Inter-layer dielectric, ILD) 102 ;對層間介質層102進行刻蝕，刻蝕停止在第一刻蝕終止層101上形成溝槽，并在溝槽內填充金屬銅103形成當層金屬互連層；層間介質層一般采用低介電常數(Low-K)絕緣材料層，例如含有硅、氧、碳、氫元素的類似氧化物(Oxide)的黑鉆石(black diamond, BD)材料、未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)或氟化玻璃(FSG)等；步驟12、請參閱圖lb，在形成的當層金屬互連層表面沉積第二刻蝕終止層104 ；步驟13、請參閱圖lc，在第二刻蝕終止層104表面形成圖案化的光阻膠層105，所述圖案化的光阻膠層的開口內包括預定區(qū)域金屬銅及金屬銅間的層間介質層；其中，光阻膠層的開口 一般選擇在溝槽比較密集的區(qū)域。步驟14、請參閱圖ld，以圖案化的光阻膠層105為掩膜，刻蝕第二刻蝕終止層104 ；步驟15、請參閱圖le，以第二刻蝕終止層104為掩膜，刻蝕金屬銅間的層間介質層102至第一刻蝕終止層101表面，在金屬銅103間形成多個孔洞106。孔洞內充滿了空氣，空氣的介電常數為I，而FSG和USG的介電常數大于3，BD的介電常數為2.7 3，從介電常數的比較可以看出，孔洞的形成使得層間介質層的整體介電常數下降。需要注意的是，在步驟15之后需要沉積下層的刻蝕終止層及下層的層間介質層，并在其上形成連接孔，連接孔與當層金屬互連層的金屬銅電性連接。雖然上述方法達到了降低集成電路RC延遲的目的，但是由于工藝制程本身的限制，對于關鍵尺寸(CD)較小的半導體器件來說，金屬銅之間的間隔(space)較小，下層的連接孔很容易對不準當層金屬銅，而與旁邊的孔洞連通，下層的連接孔內填充的金屬銅落進孔洞內，造成器件的短路問題。因此，對于小尺寸半導體器件來說，如何增大金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口，成為業(yè)內需要解決的問題。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術問題是:如何增大金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口。為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體是這樣實現的:本發(fā)明提供了一種溝槽間形成孔洞的方法，應用于半導體器件的后段工藝中，該方法包括:預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和第一聚合物層；在第一聚合物層的表面形成圖案化的第一光阻膠層，圖案化的第一光阻膠層所覆蓋區(qū)域定義溝槽的關鍵尺寸CD ;以圖案化的第一光阻膠層為掩膜，刻蝕第一聚合物層至顯露出第一刻蝕終止層；在第一刻蝕終止層及刻蝕后的第一聚合物層表面依次沉積介電層和犧牲層；化學機械研磨犧牲層和介電層至顯露出第一聚合物層；熱分解去除第一聚合物層形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層；在溝槽內填充金屬銅；沉積第二刻蝕終止層；在第二刻蝕終止層表面形成圖案化的第二光阻膠層，所述圖案化的第二光阻膠層的開口對應預定區(qū)域犧牲層；以圖案化的第二光阻膠層為掩膜，刻蝕第二刻蝕終止層；去除犧牲層，形成溝槽間的孔洞。所述介電層厚度20 200埃。所述介電層的介電常數為2 3。所述介電層為碳氧化硅SiOC層、二氧化硅SiO2層或碳氮化硅SiNC層。形成溝槽間的孔洞之后，該方法進一步包括依次沉積下層的刻蝕終止層和下層的層間介質層。本發(fā)明還提供了一種溝槽間形成孔洞的方法，應用于半導體器件的后段工藝中，該方法包括:預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和第一聚合物層；在第一聚合物層的表面形成圖案化的第一光阻膠層，圖案化的第一光阻膠層所覆蓋區(qū)域定義溝槽的關鍵尺寸CD ;以圖案化的第一光阻膠層為掩膜，刻蝕第一聚合物層至顯露出第一刻蝕終止層；在第一刻蝕終止層及刻蝕后的第一聚合物層表面依次沉積介電層和第二聚合物層；化學機械研磨第二聚合物層和介電層至顯露出第一聚合物層；熱分解去除第一聚合物層形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層；在溝槽內填充金屬銅；沉積有孔蓋層cap layer ；透過有孔蓋層熱分解去除第二聚合物層，形成溝槽間的孔洞。所述第二聚合物層的熱分解溫度高于第一聚合物層40 50攝氏度。所述介電層厚度20 200埃。所述介電層的介電常數為2 3。所述介電層為碳氧化硅SiOC層、二氧化硅SiO2層或碳氮化硅SiNC層。由上述的技術方案可見，本發(fā)明加入的介電層位于金屬銅的側壁，增大了金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口，對于尺寸較小的半導體器件來說，也能夠實現下層的連接孔與當層金屬銅對準。而且，與現有技術中孔洞旁邊只有金屬銅相比，本發(fā)明金屬銅側壁設有介電層，介電層和金屬銅共同支撐下層的刻蝕終止層及下層的層間介質層，機械穩(wěn)定性更高，下層的刻蝕終止層及下層的層間介質層更不容易坍塌落進孔洞內。


圖1a至圖1e為現有技術溝槽間形成孔洞的方法的具體剖面示意圖。圖2為本發(fā)明第一實施例溝槽間形成孔洞的方法的流程示意圖。圖2a至圖2g為本發(fā)明第一實施例溝槽間形成孔洞的方法的具體剖面示意圖。圖2h為本發(fā)明第一實施例在當層金屬互連層表面沉積有下層刻蝕終止層和下層層間介質層的剖面結構示意圖。圖3為本發(fā)明第二實施例溝槽間形成孔洞的方法的流程示意圖。圖3a至圖3g為本發(fā)明第二實施例溝槽間形成孔洞的方法的具體剖面示意圖。圖3h為本發(fā)明第二實施例在當層金屬互連層表面沉積有下層刻蝕終止層和下層層間介質層的剖面結構示意圖。圖4為在圖2h或者3h中形成下層的連接孔后的俯視示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案、及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為了便于說明，表示結構的示意圖會不依一般比例作局部放大，不應以此作為對本發(fā)明的限定，此外，在實際的制作中，應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。本發(fā)明的核心思想是在金屬銅側壁加入介電層，不但增大了金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口，而且增加了沉積下層刻蝕終止層及下層層間介質層的機械穩(wěn)定性。進一步地，本發(fā)明采用了不同于現有技術刻蝕溝槽的方法，而是像形成光柵一樣定義第一聚合物層的CD，然后再將第一聚合物層熱分解掉形成溝槽，這樣形成溝槽簡單易實現，曝光第一光阻膠層的尺寸容易控制，而且這樣形成的溝槽不存在刻蝕層間介質層的過程，不會帶來層間介質層K值升高的問題，同時介電層的介電常數很低，確保不會因為介電層的引入帶來K值升高的問題。本發(fā)明通過兩個實施例說明溝槽間形成孔洞的方法。本發(fā)明第一實施例溝槽間形成孔洞的方法，其流程示意圖如圖2所示，包括以下步驟，下面結合圖2a至圖2g，進行詳細說明。步驟21、請參閱圖2a，預先提供一半導體襯底100，所述半導體襯底100表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層101和第一聚合物層200 ;在第一聚合物層200的表面形成圖案化的第一光阻膠層201，圖案化的第一光阻膠層201所覆蓋區(qū)域定義溝槽的關鍵尺寸(⑶)；以圖案化的第一光阻膠層201為掩膜，刻蝕第一聚合物層200至顯露出第一刻蝕終止層 101 ；由于第一聚合物層200后續(xù)需要熱分解掉，所以可以為丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚體，也可以為同類衍生物或為其它類的可熱分解的聚合物，一般通過旋涂法成膜的比較多。步驟22、請參閱圖2b，在第一刻蝕終止層101及刻蝕后的第一聚合物層200表面依次沉積介電層202和犧牲層203 ；所沉積的介電層的厚度根據器件的尺寸的不同而適當選擇，也可以根據要形成的溝槽間的孔洞尺寸進行調整，當介電層較厚時，孔洞尺寸就會較小；介電層較薄時，孔洞尺寸就會較大。一般地，介電層的厚度為20 200埃,介電常數為2 3,可以為碳氧化娃(SiOC)層、二氧化硅(SiO2)層或碳氮化硅(SiNC)層等。犧牲層一般也為Low-K材料層。步驟23、請參閱圖2c，化學機械研磨犧牲層203和介電層202至顯露出第一聚合物層200 ；步驟24、請參閱圖2d，熱分解去除第一聚合物層200形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層101 ；步驟25、請參閱圖2e，在溝槽內填充金屬銅204 ；步驟26、請參閱圖2f，沉積第二刻蝕終止層205 ;在第二刻蝕終止層表面形成圖案化的第二光阻膠層206，所述圖案化的第二光阻膠層206的開口對應預定區(qū)域犧牲層；其中，第二光阻膠層的開口一般選擇在溝槽比較密集的區(qū)域，而且圖案化的第二光阻膠層206的開口對應預定區(qū)域犧牲層，指的是第二光阻膠層206在溝槽比較稀疏的其它區(qū)域全部覆蓋，而在預定區(qū)域內，即所選擇的溝槽比較密集的區(qū)域內，只覆蓋金屬銅204及金屬銅側壁的介電層202，這樣刻蝕時只會刻蝕到犧牲層。步驟27、請參閱圖2g，以圖案化的第二光阻膠層為206掩膜，刻蝕第二刻蝕終止層205 ;去除犧牲層，形成溝槽間的孔洞209。至此，本發(fā)明第一實施例實現了溝槽間形成孔洞的方法。進一步地，本發(fā)明第一實施例還包括步驟28、請參閱圖2h，依次沉積下層的刻蝕終止層207和下層的層間介質層208。本領域技術人員可以知道，在下層的層間介質層上可以制作溝槽和連接孔，連接孔會與金屬銅204電性連接，在此不再贅述。在步驟21中，像形成光柵一樣定義第一聚合物層的⑶，該⑶為溝槽的⑶，然后在步驟24中通過熱分解將其去掉形成溝槽。曝光顯影形成圖案化的第一光阻膠層201定義第一聚合物層的CD，即使對于小尺寸器件也很容易實現。而且與現有技術相比，不存在刻蝕層間介質層形成溝槽的過程，現有技術在刻蝕層間介質層的過程中，隨著層間介質層的耗盡，其含碳量降低，導致K值增加，而本發(fā)明從圖2h可以看出，介電層202位于金屬銅的側壁，具有低介電常數的介電層202不但增大了金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口，而且增加了沉積下層刻蝕終止層及下層層間介質層的機械穩(wěn)定性。本發(fā)明第二實施例溝槽間形成孔洞的方法，其流程示意圖如圖3所示，包括以下步驟，下面結合圖3a至圖3g，進行詳細說明。步驟31、請參閱圖3a，預先提供一半導體襯底100，所述半導體襯底100表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層101和第一聚合物層200 ;在第一聚合物層200的表面形成圖案化的第一光阻膠層201，圖案化的第一光阻膠層201所覆蓋區(qū)域定義溝槽的關鍵尺寸⑶；以圖案化的第一光阻膠層201為掩膜，刻蝕第一聚合物層200至顯露出第一刻蝕終止層101 ；由于第一聚合物層200后續(xù)需要熱分解掉，所以可以為丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚體，也可以為同類衍生物或為其它類的可熱分解的聚合物，一般通過旋涂法成膜的比較多。
步驟32、請參閱圖3b，在第一刻蝕終止層101及刻蝕后的第一聚合物層200表面依次沉積介電層202和第二聚合物層300 ；所沉積的介電層的厚度根據器件的尺寸的不同而適當選擇，也可以根據要形成的溝槽間的孔洞尺寸進行調整，當介電層較厚時，孔洞尺寸就會較?。唤殡妼虞^薄時，孔洞尺寸就會較大。一般地，介電層的厚度為20 200埃,介電常數為2 3,可以為碳氧化娃(SiOC)層、二氧化硅(SiO2)層或碳氮化硅(SiNC)層等。第二聚合物層300也可以為與第一聚合物層200性質相類似的可熱分解的聚合物。步驟33、請參閱圖3c，化學機械研磨第二聚合物層300和介電層202至顯露出第一聚合物層200 ；步驟34、請參閱圖3d，熱分解去除第一聚合物層200形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層101 ；步驟35、請參閱圖3e，在溝槽內填充金屬銅204 ；步驟36、請參閱圖3f,沉積有孔蓋層(cap layer) 301 ；步驟37、請參閱圖3g，透過有孔蓋層301熱分解去除第二聚合物層300，形成溝槽間的孔洞209。其中，有孔蓋層為透氣性的絕緣材料層，確保熱分解第二聚合物層時能夠揮發(fā)出去。因為第一聚合物層200先于第二聚合物層300分解掉，所以要求第二聚合物層300的熱分解溫度高于第一聚合物層200，且高于40 50攝氏度。至此，本發(fā)明第二實施例實現了溝槽間形成孔洞的方法。進一步地，本發(fā)明第二實施例還包括步驟38、請參閱圖3h，依次沉積下層的刻蝕終止層207和下層的層間介質層208。本領域技術人員可以知道，在下層的層間介質層上可以制作溝槽和連接孔，連接孔會與金屬銅204電性連接，在此不再贅述。圖4為在圖2h或者3h中形成下層的連接孔后的俯視不意圖。從圖4可以看出，本發(fā)明的方法可以適用于小尺寸半導體器件，即使下層的連接孔400與當層金屬銅204有稍微的偏差，下層的連接孔400也會接觸介電層202，而不與旁邊的孔洞209導通，從而實現了本發(fā)明的目的。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種溝槽間形成孔洞的方法，應用于半導體器件的后段工藝中，該方法包括: 預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和第一聚合物層；在第一聚合物層的表面形成圖案化的第一光阻膠層，圖案化的第一光阻膠層所覆蓋區(qū)域定義溝槽的關鍵尺寸CD ;以圖案化的第一光阻膠層為掩膜，刻蝕第一聚合物層至顯露出第一刻蝕終止層； 在第一刻蝕終止層及刻蝕后的第一聚合物層表面依次沉積介電層和犧牲層； 化學機械研磨犧牲層和介電層至顯露出第一聚合物層； 熱分解去除第一聚合物層形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層； 在溝槽內填充金屬銅； 沉積第二刻蝕終止層；在第二刻蝕終止層表面形成圖案化的第二光阻膠層，所述圖案化的第二光阻膠層的開口對應預定區(qū)域犧牲層； 以圖案化的第二光阻膠層為掩膜，刻蝕第二刻蝕終止層；去除犧牲層，形成溝槽間的孔洞。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述介電層厚度20 200埃。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述介電層的介電常數為2 3。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述介電層為碳氧化硅SiOC層、二氧化硅SiO2層或碳氮化硅SiNC層。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，形成溝槽間的孔洞之后，該方法進一步包括依次沉積下層的刻蝕終止層和下層的層間介質層。
6.一種溝槽間形成孔洞的方法，應用于半導體器件的后段工藝中，該方法包括: 預先提供一半導體襯底，所述半導體襯底表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和第一聚合物層；在第一聚合物層的表面形成圖案化的第一光阻膠層，圖案化的第一光阻膠層所覆蓋區(qū)域定義溝槽的關鍵尺寸CD ;以圖案化的第一光阻膠層為掩膜，刻蝕第一聚合物層至顯露出第一刻蝕終止層； 在第一刻蝕終止層及刻蝕后的第一聚合物層表面依次沉積介電層和第二聚合物層； 化學機械研磨第二聚合物層和介電層至顯露出第一聚合物層； 熱分解去除第一聚合物層形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層； 在溝槽內填充金屬銅； 沉積有孔蓋層cap layer ； 透過有孔蓋層熱分解去除第二聚合物層，形成溝槽間的孔洞。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二聚合物層的熱分解溫度高于第一聚合物層40 50攝氏度。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述介電層厚度20 200埃。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述介電層的介電常數為2 3。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述介電層為碳氧化硅SiOC層、二氧化硅SiO2層或碳氮化硅SiNC層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種溝槽間形成孔洞的方法預先提供一表面自下而上依次包括第一刻蝕終止層和第一聚合物層的半導體襯底；在第一聚合物層的表面形成圖案化的第一光阻膠層，圖案化的第一光阻膠層所覆蓋區(qū)域定義溝槽的CD；以圖案化的第一光阻膠層為掩膜，刻蝕第一聚合物層至顯露出第一刻蝕終止層；在第一刻蝕終止層及刻蝕后的第一聚合物層表面依次沉積介電層和犧牲層；化學機械研磨犧牲層和介電層至顯露出第一聚合物層；熱分解去除第一聚合物層形成溝槽，并去除溝槽內的第一刻蝕終止層；在溝槽內填充金屬銅；去除犧牲層，形成溝槽間的孔洞。本發(fā)明還提供了另外一種溝槽間形成孔洞的方法。采用本發(fā)明能夠增大金屬銅與下層連接孔對準時的工藝窗口。
文檔編號H01L21/768GK103137551SQ201110398280
公開日2013年6月5日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權日2011年12月5日
發(fā)明者符雅麗, 張海洋, 王新鵬 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司