專利名稱：一種降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法
技術領域：
本發明涉及集成電路制造工藝技術領域，特別涉及一種降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法。
背景技術：
隨著集成電路制造工藝的不斷進步，半導體器件的體積正變得越來越小，要將它們連接起來也更加困難。在過去的30年中，半導體工業界都是以鋁作為連接器件的材料，但隨著芯片的縮小，工業界需要更細，更薄的連接，而且鋁的高電阻特性也越來越難以符合需求。而且在高密度特大規模集成電路的情況下，高電阻容易造成電子發生“跳線”，導致附近的器件產生錯誤的開關狀態。也就是說，以鋁作為導線的芯片可能產生無法與預測的運作情況，同時穩定性也較差。在如此細微的電路上，銅的傳輸信號速度比鋁更快、而且也更加穩定。
傳統集成電路的金屬連線是以金屬層的刻蝕方式來制作金屬導線，然后進行介電層的填充、介電層的化學機械拋光，重復上述工序，進而成功進行多層金屬疊加。但當金屬導線的材料由鋁轉換成電阻鋁更低的銅的時候，由于銅的干刻較為困難，因此新的鑲嵌技術對銅的制程來說就極為必須。
鑲嵌技術又稱為大馬士革工藝，該技術首先在介電層上刻蝕金屬導線槽，然后再填充金屬，再對金屬進行金屬機械拋光，重復上述工序，進而成功進行多層金屬疊加。鑲嵌技術的最主要特點是不需要進行金屬層的刻蝕工藝，這對銅工藝的推廣和應用極為重要。
集成電路制造技術已經跨入130nm的時代。目前的絕大多數銅布線處于180到130nm工藝階段，約40％的邏輯電路生產線會用到銅布線工藝。到了90nm工藝階段，則有90％的半導體生產線采用銅布線工藝。采用Cu-CMP的大馬士革鑲嵌工藝是目前唯一成熟和已經成功應用到IC制造中的銅圖形化工藝。
多層連線電容的計算公式C=2(Cl+Cv)=2kϵ0LTW(1W2+1T2)]]>(公式1)其中，k為介電常數；L為金屬導線長；T為金屬導線深度；W為金屬導線寬度；ε0為真空介電常數，由公式1可見，介電常數越低，電容越小。
多層連線電阻—電容時間延遲計算公式RC delay=2ρkϵ0L2(1W2+1T2)]]>(公式2)其中，k為介電常數；L為金屬導線長；T為金屬導線深度；W為金屬導線寬度；ε0為真空介電常數；ρ為金屬電阻率。由公式2可見，介電常數越低，電阻率小，多層連線電阻—電容時間延遲也越短。
表面反射率計算公式R=(nb-nr)2+(kb-kr)2(nb+nr)2+(kb+kr)2]]>(公式3)nb-低介電材料表面折射率、kb-低介電材料表面消光系數nr-光刻膠表面折射率、kr-光刻膠表面消光系數對于光刻工藝來說，優良的表面反射率控制，會有效減少入射光和反射光的相干問題，即減少駐波效應，由此而來，光刻圖形會得到明顯改善。
駐波計算公式S＝4(Rtop·Rbot)0.5·e-KD(公式4)Rbot-介電材料表面反射率、Rtop-光刻膠表面反射率、k-光刻膠消光系數、D-光刻膠厚度由公式4可知低的表面反射率可以有效的減少駐波效應，提高成像品質。
金屬銅的表面反射問題十分嚴重，為了得到優良的圖形控制表現和工藝穩定性，對曝光波長的表面反射率的控制必須盡可能的低，并且隨著線寬的縮小，反射率也要求越來越低，越來越嚴格。而且為了實現高分辨率的需求，曝光設備的光學數值孔徑會越來越大，一般而言，當數值孔徑大于0.75后，由于光線傾斜的角度較大，傳統上的單層抗反射層已經不能夠滿足使用的需求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，通過調整抗反射涂層的折射率和消光系數從而降低表面反射率。
本發明是通過以下技術方案實現的一種降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，在半導體大馬士革銅工藝中，完成對通孔介質層的填充材料的刻蝕后，在無機抗反射層和通孔填充材料上涂布有機抗反射層，使得無機抗反射層、通孔填充材料和有機抗反射層共同形成多層抗反射層，然后在有機抗反射層上涂布單層光敏感材料，進行光刻、金屬導線槽刻蝕、去膠、清洗，完成大馬士革的制造工藝。
所述降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法包括如下步驟(1)沉積大馬士革通孔介質層；(2)沉積大馬士介質層的頂部無機抗反射層；(3)在大馬士革通孔介質層表面涂布光敏感材料，進行光刻、通孔刻蝕、清洗，其中，通孔刻蝕穿透刻蝕阻擋層；(4)對大馬士革通孔介質層涂布填充材料，烘烤；(5)對大馬士革通孔介質層的填充材料進行刻蝕，其中，刻蝕至無機抗反射層；
(6)在大馬士革結構上涂布有機抗反射層，烘烤；(7)在大馬士革結構表面上涂布單層光敏感材料，進行光刻、金屬導線槽刻蝕；(8)去膠剝離表面單層光敏感材料、有機抗反射層和留在通孔內的填充材料，清洗，完成大馬士革的制造工藝流程。
其中，形成所述無機抗反射層的介質材料，其原料源是氦、氖、氬、氪或氙類惰性氣體，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮氣，每次的處理時間為50到500秒，氣壓為5到50托，功率為100到500瓦，溫度為150到400度，產物可以是氮氧化硅，碳化硅，氮化硅，氧化硅，或低密度介質材料，所述無機抗反射層厚度為30nm到120nm。
形成所述有機抗反射層的介質材料是高分子有機物，包括碳、氫、氧高分子聚合物、可揮發性有機溶劑、光敏吸收材料、材料活性劑和顯影加強活性劑，分子量在30000到50000之間。所述可揮發性有機溶劑包括酮類、醚類、烷類或脂類可揮發有機溶劑。
涂布有機抗反射層時，每次的涂布厚度為30nm到120nm，烘烤溫度是150℃到400℃，烘烤時間是30秒到200秒。
所述填充材料由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和抗反射吸收材料交聯樹脂構成，分子量在5000到50000之間。
所述單層光敏感材料由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和感光交聯樹脂構成，分子量在85000到150000之間。
所述單層光敏感材料或填充材料的每次涂布劑量為1.5ml到5ml；所述每次烘烤溫度為60℃到250℃，烘烤時間為10秒到120秒。
所述對大馬士革填充材料進行刻蝕，其原料源可以是惰性氣體混合氧氣，惰性氣體與氧氣的比例為0.5∶1到2∶1；刻蝕可為終點自動檢測；氣壓為5托到50托，功率為100瓦到300瓦，溫度為50℃到100℃。
本發明在大馬士革銅工藝中引入有機抗反射層，利用無機抗反射層、通孔填充材料和有機抗反射層共同形成多層抗反射層，通過優化多層抗反射層來控制折射率和消光系數，實現對特定波長零光學反射的效果，提高了大馬士革制造工藝的合格率。
圖1是涂布單層光敏感材料示意圖；圖2是通孔刻蝕示意圖；圖3是涂布填充材料示意圖；圖4是涂布有機抗反射層和光敏感試劑示意圖；圖5是金屬導線槽刻蝕示意圖；圖6是去膠示意圖。
標號說明1大馬士革底層通孔介質層2無機抗反射層3大馬士革底層通孔介質層表面涂布單層光敏感材料4底部刻蝕阻擋層5填充材料6有機抗反射層具體實施方式
現結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明首先，沉積大馬士革底層通孔介質層1和沉積無機抗反層2，無機抗反層2的介質材料，其原料源是氦、氖、氬、氪或氙類惰性氣體，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮氣，這些氣體可以是共同反應，也可以是部分參與工藝生產制造，每次的處理時間可以為50秒、100秒、150秒、200秒、250秒、300秒、350秒、400秒、450秒或500秒，氣壓為5托、10托、30托或50托，功率可選擇為100瓦、150瓦或300瓦，溫度可選擇為150℃、175℃、200℃、250℃、300℃、350℃或400℃，產物可以是氮氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化硅、或低密度介質材料，形成無機抗反射層的厚度為30納米、40納米、50納米、60納米、70納米、80納米、90納米、100納米、110納米或120納米。通過上述工藝可有效降低無機抗反射介質材料表面折射率、消光系數。
其次，如圖1所示，在大馬士革底層通孔介質層1表面涂布單層光敏感材料3，進行光刻。單層光敏感材料3由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和感光交聯樹脂構成，分子量在85000到150000之間。
其次，如圖2所示，在大馬士革底層通孔介質層1上進行通孔刻蝕、清洗。其中，通孔刻蝕穿透刻蝕阻擋層4。
其次，如圖3所示，在大馬士革通孔介質層1表面涂布填充材料5，烘烤。填充材料5具有抗反射層功能，其底層抗反射材料由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和抗反射吸收材料交聯樹脂構成，分子量在5000到50000之間。涂布劑量可以是1.5ml或2ml，低溫烘烤溫度可選擇為60℃、80℃或120℃，烘烤時間可選擇為60秒、80秒、100秒或120秒。
其次，對該層填充材料5進行刻蝕，刻蝕至無機抗反射層2。刻蝕原料源可以是惰性氣體混合氧氣，如氦混合氧氣或氖混合氧氣，當使用的刻蝕原料源是氦混合氧氣時，其氦氣和氧氣的氣體比例可以取1∶1、1∶1.5、1.5∶1、1∶2或2∶1，當使用的刻蝕原料源是氖混合氧氣時，其氖氣和氧氣的氣體比例可以取1∶1、1∶1.5、1.5∶1、1∶2或2∶1，刻蝕為終點自動檢測，氣壓可設定為5托、10托、30托或50托，功率可選擇為100瓦、150瓦或300瓦，溫度可選擇為50℃、75℃或100℃。
其次，如圖4所示，在大馬士革結構上涂布有機抗反射層6，形成有機抗反射層的介質材料是高分子有機物，分子量在30000到50000之間，包括碳、氫、氧高分子聚合物、可揮發性有機溶劑、光敏吸收材料、材料活性劑和顯影加強活性劑。其中，可揮發性有機溶劑包括酮類、醚類、烷類或脂類可揮發有機溶劑。涂布有機抗反射層時，每次的涂布厚度可以為30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm或者120nm，烘烤溫度可以是150℃、180℃、200℃或者240℃，烘烤時間可以是60秒、80秒、100秒、120秒或200秒。通過在無機抗反射層2和通孔填充材料5上涂布有機抗反射層6，使得無機抗反射層2、通孔填充材料5和有機抗反射層6共同形成多層抗反射層。接著在大馬士革結構上涂布單層光敏感材料3。單層光敏感材料3的涂布劑量可選擇為2ml、3ml、4ml或5ml，中溫烘烤溫度可選擇為90℃、100℃、120℃或140℃，烘烤時間可選擇為60秒、80秒、100秒或120秒。單層光敏感材料3由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和含硅原子團的交聯樹脂構成，分子量在85000到150000之間。在有機抗反射層上涂布單層光敏感材料3，通過優化多層抗反射層來控制折射率和消光系數，最后完成光刻。由于引入了多層抗反射層，達到對特定波長零光學反射的效果。
其次，如圖5所示，在該金屬導線槽介質層上進行金屬導線槽刻蝕。
最后，如圖6所示，去膠剝離表面單層光敏感材料3、抗反射層和留在通孔內的填充材料，清洗，完成該大馬士革的制造工藝流程。
上述工藝中，在各所選擇的不同參數條件下，均獲得良好的結果。
本發明在大馬士革銅工藝中引入有機抗反射層，利用無機抗反射層、通孔填充材料和有機抗反射層共同形成多層抗反射層，通過優化多層抗反射層來控制折射率和消光系數，實現對特定波長零光學反射的效果，提高了大馬士革制造工藝的合格率。
權利要求
1.一種降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于在半導體大馬士革銅工藝中，完成對通孔介質層的填充材料的刻蝕后，在無機抗反射層和通孔填充材料上涂布有機抗反射層，使得無機抗反射層、通孔填充材料和有機抗反射層共同形成多層抗反射層，然后在有機抗反射層上涂布單層光敏感材料，進行光刻、金屬導線槽刻蝕、去膠、清洗，完成大馬士革的制造工藝。
2.如權利要求1所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于包括如下步驟(1)沉積大馬士革通孔介質層；(2)沉積大馬士介質層的頂部無機抗反射層；(3)在大馬士革通孔介質層表面涂布光敏感材料，進行光刻、通孔刻蝕、清洗，其中，通孔刻蝕穿透刻蝕阻擋層；(4)對大馬士革通孔介質層涂布填充材料，烘烤；(5)對大馬士革通孔介質層的填充材料進行刻蝕，其中，刻蝕至無機抗反射層；(6)在大馬士革結構上涂布有機抗反射層，烘烤；(7)在大馬士革結構表面上涂布單層光敏感材料，進行光刻、金屬導線槽刻蝕；(8)去膠剝離表面單層光敏感材料、有機抗反射層和留在通孔內的填充材料，清洗，完成大馬士革的制造工藝流程。
3.如權利要求1或2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于形成所述無機抗反射層的介質材料，其原料源是氦、氖、氬、氪或氙類惰性氣體，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硅烷、甲烷、或氮氣，每次的處理時間為50到500秒，氣壓為5到50托，功率為100到500瓦，溫度為150到400度，產物可以是氮氧化硅，碳化硅，氮化硅，氧化硅，或低密度介質材料，所述無機抗反射層厚度為30nm到120nm。
4.如權利要求1或2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于形成所述有機抗反射層的介質材料是高分子有機物，包括碳、氫、氧高分子聚合物、可揮發性有機溶劑、光敏吸收材料、材料活性劑和顯影加強活性劑，分子量在30000到50000之間。
5.如權利要求4所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于所述可揮發性有機溶劑包括酮類、醚類、烷類或脂類可揮發有機溶劑。
6.如權利要求2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于涂布有機抗反射層時，每次的涂布厚度為30nm到120nm，烘烤溫度是150℃到400℃，烘烤時間是30秒到200秒。
7.如權利要求1或2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于所述填充材料由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和抗反射吸收材料交聯樹脂構成，分子量在5000到50000之間。
8.如權利要求1或2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于所述單層光敏感材料由酮類，醚類，烷烴類有機溶劑和感光交聯樹脂構成，分子量在85000到150000之間。
9.如權利要求1或2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于所述單層光敏感材料或填充材料的每次涂布劑量為1.5ml到5ml；所述每次烘烤溫度為60℃到250℃，烘烤時間為10秒到120秒。
10.如權利要求2所述的降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，其特征在于所述對大馬士革填充材料進行刻蝕，其原料源可以是惰性氣體混合氧氣，惰性氣體與氧氣的比例為0.5∶1到2∶1；刻蝕可為終點自動檢測；氣壓為5托到50托，功率為100瓦到300瓦，溫度為50℃到100℃。
全文摘要
一種降低半導體大馬士革銅工藝中表面反射率的方法，在半導體大馬士革銅工藝中，完成對通孔介質層的填充材料的刻蝕后，在無機抗反射層和通孔填充材料上涂布有機抗反射層，使得無機抗反射層、通孔填充材料和有機抗反射層共同形成多層抗反射層，然后在有機抗反射層上涂布單層光敏感材料，進行光刻、金屬導線槽刻蝕、去膠、清洗，完成大馬士革的制造工藝。
文檔編號H01L21/768GK1925130SQ200510029399
公開日2007年3月7日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者朱駿 申請人:上海集成電路研發中心有限公司, 上海華虹(集團)有限公司