專利名稱：在低介電常數介質層中形成通孔的方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種在低介電常數
(low k)介質層中形成通孔的方法。
背景技術：
當今半導體器件制造技術飛速發展，半導體器件已經具有深亞微米 結構，集成電路中包含巨大數量的半導體元件。在半導體器件制造過程 中，當晶片上的元件尺寸不斷變小時，襯底中器件的密集程度越來越高， 元件之間的高性能、高密度的連接不僅要在單個互連層中互連，而且要 在多層之間進行互連，互連線的密度也趨增加。對集成電路的性能，尤 其是射頻條件下的高速處理信號的性能提出了更高的要求。為了互連線 之間的寄生電容，降低信號的RC延遲和金屬互連線之間的干擾，目前普 遍采用低介電常數(lowk)材料作為層間介質層，以降低電路中的RC延 遲。
然而，由于lowk材料的密度較低，低介電常數材料的大量使用也對 在其中形成通孔，進而形成鑲嵌結構帶來一些負面問題。圖1至圖5為說 明現有在低介電常數材料層中形成通孔的過程剖面示意圖。如圖1至圖5 所示，圖1中，在具有金屬連接線11的襯底材料10表面形成由氮化硅、氮 氧化硅或氮碳化硅組成的刻蝕阻擋層12。在刻蝕阻擋層12表面沉積低介 電常數材料層13，例如摻氟的氧化硅(FSG)或黑鉆石(BlackDiamond ) 等。隨后在低介電常數材料層13表面沉積一覆蓋層14,以保護該低介電 常數材料層13。然后，在覆蓋層14表面涂布有機抗反射層(BARC) 15, 在有機抗反射層15表面涂布光刻膠并通過曝光、顯影等工藝形成圖案化 的光刻膠圖形16。
在接下來的工藝步驟中，以光刻膠圖形16為掩膜刻蝕形成通孔，如 圖2所示。然后利用等離子灰化(ashing)工藝去除光刻膠圖形16和BARC
層15,如圖3所示；并隨后去除刻蝕阻擋層12在通孔底部連接線11表面的 部分以便露出連接線ll。在上述利用等離子灰化(ashing)工藝去除光刻 膠圖形16和BARC層15之后，需要利用氫氟酸(HF)進行濕法清洗去除 光刻膠殘留物。在這個過程中氫氟酸會接觸到低介電常數材料層13,并 對其進行腐蝕，從而使通孔側壁表面的低介電常數材料表面被破壞形成 向內側的凹陷并形成難溶的聚合物17,導致低介電常數材料層的介電常 數發生變化。對后續形成的金屬互連線的性能產生不利影響。
申請號為02141023.2的中國專利申請公開了一種方法解決上述問題 的方法，該方法是利用金屬掩膜取代光刻膠掩膜對低介電常數材料層進 行刻蝕。然而形成金屬掩膜無疑增加了工藝復雜程度和制造成本。
發明內容
本發明的目的在于提供一種在低介電常數介質層中形成通孔的方 法，能夠防止去除光刻膠過程中對低介電常數材料造成損傷。
一方面提供了 一種在低介電常數介質層中形成通孔的方法，包括
提供一半導體襯底，所述襯底包括金屬連接線； 在所述金屬連接線表面依次形成第一覆蓋層、低介電常數介質層、 第二覆蓋層;
在所述第二覆蓋層表面形成光刻膠掩膜層；
以所述光刻膠掩膜層為掩膜刻蝕所述第二覆蓋層、低介電常數介質 層直至暴露所述第 一覆蓋層，從而在低介電常數介質層中形成通孔；
沉積一保護層覆蓋所述通孔內壁介質層表面；
移除所述光刻膠掩膜層；
移除所述保護層和暴露的第 一覆蓋層，以露出所述金屬連接線。 優選地，所述保護層采用在反應室中原位(in suit)沉積的方式形成。
優選地，所述保護層的材料為氯氧硅化物(SiOCl)。
優選地，所述保護層的厚度為100 200A。
優選地，形成光刻膠掩膜層的步驟包括
在所述第二覆蓋層表面形成有機抗反射層；
在所述有機抗反射層表面涂布光刻膠層；
圖案化所述光刻膠層。
優選地，形成所述保護層的反應物包括
氧氣，流量為700 1200sccm;
珪烷，流量為30 80sccm;
反應室內的壓力為8 12Torr,射頻功率為850 1300W。
優選地，所述第一覆蓋層的材料為氮化硅、氮氧化硅或氮碳化硅。
優選地，所述第二覆蓋層的材料為氧化硅或氮氧化硅。
另一方面提供了一種在低介電常數介質層中形成通孔的方法，包括:
提供一半導體襯底，所述襯底包括金屬連接線； 在所述金屬連接線表面依次形成第一覆蓋層、低介電常數介質層、
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在所述第二覆蓋層表面形成光刻膠掩膜層；
以所述光刻膠掩膜層為掩膜刻蝕所述第二覆蓋層、低介電常數介質 層直至暴露所述第一覆蓋層，從而在低介電常數介質層中形成通孔；
釆用在反應室中原位沉積的方式形成一保護層覆蓋所述通孔內壁 介質層表面；
移除所述光刻膠掩膜層；
移除所述保護層和暴露的第 一覆蓋層，以露出所述金屬連接線。 優選地，所述保護層的材料為氯氧硅化物(SiOCl)。 優選地，所述保護層的厚度為100 200A。 優選地，形成所述保護層的反應物包括
氧氣，流量為700 1200sccm; 石圭烷，流量為30 80sccm;
反應室內的壓力為8 12Torr，射頻功率為850 1300W。 優選地，形成光刻膠掩膜層的步驟包括 在所述第二覆蓋層表面形成有機抗反射層； 在所述有機抗反射層表面涂布光刻膠層； 圖案化所述光刻膠層。
優選地，所述第一覆蓋層的材料為氮化硅、氮氧化硅或氮碳化硅。 優選地，所述第二覆蓋層的材料為氧化硅或氮氧化硅。 與現有^t術相比，上述技術方案具有以下優點
本發明的形成通孔的方法，利用光刻膠掩膜圖形在低介電常數介質 層中刻蝕形成通孔之后，先于去除光刻膠圖形之前在襯底表面生長保護 薄膜，該薄膜覆蓋通孔內部低介電常數材料表面，對低介電常數材料起 到保護作用。因此，在灰化去除光刻膠和用氫氟酸清洗光刻膠殘留物的 過程中，等離子體和氫氟酸清洗劑均不會接觸到低介電常數材料，從而 保護了低介電常數材料的介電常數不受去膠工藝的影響。而且，本發明 的形成通孔的方法釆:f又原位(insuit)的方式，即無須更換反應室，形成 在低介電常數介質層中刻蝕形成通孔之后直接生長硅氧化物保護薄膜， 進一步簡化了制造工藝。
通過附圖中所示的本發明的優選實施例的更具體說明，本發明的上 述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記 指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點在于示出本發明的主 旨。在附圖中，為清楚明了，放大了層和區域的厚度。
圖1至圖5為說明現有在低介電常數材料層中形成通孔的過程剖面 示意圖6至圖10為根據本發明實施例的在低介電常數材料層中形成通 孔的方法剖面示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合 附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明。但是 本發明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員 可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公 開的具體實施的限制。
圖6至圖10為根據本發明第一實施例的雙鑲嵌結構形成方法的剖 面示意圖。所述示意圖只是實例，其在此不應過度限制本發明保護的范 圍。如圖6所示，在半導體襯底上通常具有多層包括介電層的互連結構， 為簡便起見圖中僅示出了一層介電層100，該層也被稱為金屬間介電層， 其材料可為氧化硅。在介電層100中通過光刻、刻蝕和淀積工藝形成銅 導線110。利用化學機械研磨(CMP)工藝將介電層100和銅導電連線 110表面磨平。然后，利用CVD工藝在上述介電層100和銅導電連線 110表面淀積阻擋層120,阻擋層120的材料可為氮化硅(Si3N4)或氮 氧化硅(SiON)，或氮碳氧化硅(SiOCN)，厚度為200A-1200A。上述阻 擋層120—方面作為導電連線110中銅的擴散阻擋層，另一方面在后續 刻蝕連接孔的過程中被當作蝕刻停止層。
130,該層也被稱為層間介電層(IMD)。介質層130是由化學氣相淀積 工藝沉積的低介電常數的無機硅基質層(Inorganic silicon based layer), 例如應用材料(Applied Materials )公司商標為黑鉆石(black diamond) 的氧化硅(Si02)、含碳氧化硅(SiCO)或氟化硅玻璃(FSG)。隨后，在介 質層130表面利用PECVD工藝再沉積一層材料為氧化硅或氮氧化硅的覆蓋層140，厚度為200A 500A,用來保護低介電常數材料電介質層130 的介電常數不受后續工藝的影響。
在接下來的工藝步驟中，在覆蓋層140表面利用旋涂(spinon)工 藝涂布抗反射層150,本實施例中，抗反射層150的材料可選擇普通的 有機抗反射材料(OrganicBare),厚度為300A 1000A。然后，在抗反 射層150表面涂布光刻膠，并利用光刻工藝，例如曝光、顯影等形成具 有通孔開口圖案的光刻膠圖形160。上述抗反射層150的作用能夠使形 成的光刻膠圖形160更加清晰。
接下來如圖7所示，以光刻膠圖形160為掩膜，刻蝕抗反射層150、 覆蓋層140和低介電常數材料電介質層130,直至露出阻擋層120。在 刻蝕過程中，按照常規等離子體刻蝕工藝，在一個實施例中，刻蝕氣體 可包括氯氣Cl2、氮氣N2、氦氣He和氧氣02的混合氣體，以及惰性氣 體(比如氬氣Ar、氖氣Ne等等)或其混合氣體。氣體流量為40-80sccm, 等離子源輸出功率200-2000W,襯底溫度控制在20。C和80。C之間，腔 體壓力為5-50mTorr。
在接下來的工藝步驟中，在通孔內壁表面和襯底表面沉積一層保護 層200，如圖8所示。可以采用常用的化學氣相淀積工藝形成這層保護 層200。在本發明的優選實施例中，采用在反應室中原位(insuit)沉積 的方式形成該保護層200。在上述刻蝕通孔的工藝中，本發明優選實施 例采用拉姆研究/>司(LAM research coropration)生產的刻蝕"i殳備，這 種設備具有一種叫做"先進反應室清潔控制，，(advanced chamber clean control, AC3 )的反應室自動清潔功能。該AC3功能可以在反應室的內 壁沉積 一 層硅化物薄膜，這種薄膜可以減少刻蝕過程產生的微粒 (particles)對反應室內壁造成的污染。本發明優選實施例利用該AC3 功能，在低介電常數介質層130中刻蝕形成通孔之后，去除光刻膠圖形 160之前，原位，即直接在刻蝕反應室中，利用這種設備提供的沉積薄 膜的AC3功能在通孔內壁表面形成保護層200，而不必將襯底移至專門
的淀積反應室中。在沉積保護層200的過程中，向反應室中通入的反應 氣體包括氧氣，流量為700 1200sccm;和硅烷，流量為30 80sccm;反 應室內的壓力保持在8 12Torr,射頻功率設置為850-1300W,時間持續 5分鐘。形成的材料為氯氧硅化物(SiOCl)保護層200的厚度為為 100~200A,優選為180 A。
由于保護層200對低介電常數材料層130起到了保護作用，因此， 在后續等離子體灰化去除光刻膠圖形160以及BARC層150，和用氫氟 酸HF清洗光刻膠殘留物的過程中，等離子體和氫氟酸清洗劑均不會直 接接觸到通孔內的低介電常數材料層130表面，從而保護了低介電常數 材料層130的介電常數不受去膠工藝的影響。而且，本發明實施例的形 成通孔的方法采取上述原位(in suit)沉積的方式，即無須更換反應室， 而是在低介電常數介質層中刻蝕形成通孔之后直接生長氯氧硅化物 (SiOCl)保護層200，因而簡化了制造工藝。
隨后，如圖9所示，利用等離子體灰化工藝去除光刻月交掩膜圖形 160。由于BARC層150和光刻膠掩膜圖形160的材料類似，都是有機 聚合物，因此灰化工藝也能夠將BARC層150—并去除。再利用刻蝕工 藝刻蝕去除保護層200,如圖IO所示。并刻蝕阻擋層120的位于通孔底 部的部分，以便露出金屬連接線110。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形 式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定 本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情 況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多 可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫 離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的 任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍 內。
權利要求
1、一種在低介電常數介質層中形成通孔的方法，包括提供一半導體襯底，所述襯底包括金屬連接線；在所述金屬連接線表面依次形成第一覆蓋層、低介電常數介質層、第二覆蓋層；在所述第二覆蓋層表面形成光刻膠掩膜層；以所述光刻膠掩膜層為掩膜刻蝕所述第二覆蓋層、低介電常數介質層直至暴露所述第一覆蓋層，從而在低介電常數介質層中形成通孔；沉積一保護層覆蓋所述通孔內壁表面；移除所述光刻膠掩膜層；移除所述保護層和暴露的第一覆蓋層，以露出所述金屬連接線。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述保護層采用在 反應室中原位(in suit)沉積的方式形成。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述保護層的材料 為氯氧硅化物(SiOCl)。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述保護層的厚度 為100 200A。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，形成光刻膠掩膜層 的步驟包括在所述第二覆蓋層表面形成有機抗反射層；在所述有機抗反射層表面涂布光刻膠層； 圖案化所述光刻膠層。
6、 根據權利要求2或3所述的方法，其特征在于，形成所述保護 層的反應物包括氧氣，流量為700 1200sccm;硅烷，流量為30 80sccm; 反應室內的壓力為8 12Torr,射頻功率為850~1300W。
7、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述第一覆蓋層的 材料為氮化硅、氮氧化硅或氮碳化硅。
8、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述第二覆蓋層的 材料為氧化硅或氮氧化硅。
9、 一種在低介電常數介質層中形成通孔的方法，包括提供一半導體襯底，所述襯底包括金屬連接線； 在所述金屬連接線表面依次形成第一覆蓋層、低介電常數介質層、 第二覆蓋層；在所述第二覆蓋層表面形成光刻膠掩膜層；以所述光刻膠掩膜層為掩膜刻蝕所述第二覆蓋層、低介電常數介質 層直至暴露所述第一覆蓋層，從而在低介電常數介質層中形成通孔；采用在反應室中原位沉積的方式形成一保護層覆蓋所述通孔內壁 表面；移除所述光刻膠掩膜層；移除所述保護層和暴露的第 一覆蓋層，以露出所述金屬連接線。
10、 根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述保護層的材料 為氯氧硅化物(SiOCl)。
11、 根據權利要求10所述的方法，其特征在于所述保護層的厚 度為100 200A。
12、 根據權利要求10或11所述的方法，其特征在于，形成所述保 護層的反應物包括氧氣，流量為700 1200sccm;石圭烷，流量為 30 80sccm;反應室內的壓力為8 12Torr，射頻功率為850 1300W。
13、 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，形成光刻膠掩膜層 的步驟包括在所述第二覆蓋層表面形成有機抗反射層；在所述有機抗反射層表面涂布光刻膠層； 圖案化所述光刻膠層。
14、 根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述第一覆蓋層的 材料為氮化硅、氮氧化硅或氮碳化硅。
15、 根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述第二覆蓋層的 材料為氧化硅或氮氧化硅。
全文摘要
公開了一種在低介電常數介質層中形成通孔的方法，包括提供一半導體襯底，所述襯底包括金屬連接線；依次在所述金屬連接線表面形成第一覆蓋層、低介電常數介質層、第二覆蓋層；在所述第二覆蓋層表面形成光刻膠掩膜層；以所述光刻膠掩膜層為掩膜刻蝕所述第二覆蓋層、低介電常數介質層直至暴露所述第一覆蓋層，從而在低介電常數介質層中形成通孔；采用在反應室中原位沉積的方式形成一保護層覆蓋所述通孔內壁介質層表面；移除所述光刻膠掩膜層；移除所述保護層和暴露的第一覆蓋層，以露出所述金屬連接線。本發明的在低介電常數介質層中形成通孔的方法能夠防止去除光刻膠過程中對低介電常數材料造成損傷。
文檔編號H01L21/768GK101355047SQ20071004434
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月27日 優先權日2007年7月27日
發明者趙林林, 馬擎天 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司