專利名稱：使用保形絕緣體層形成互補金屬元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于使用消減(subtractive)方法和金屬鑲嵌(damascene)方法二者 在緊密間距處形成金屬元件(feature)的方法?；パa金屬圖案可通過蝕刻金屬層、在經(jīng)蝕 刻的表面上形成保形(conformal)介電層、以及隨后沉積另一金屬層而形成。
背景技術(shù)：
在收縮的所占尺寸(footprint)內(nèi)的半導(dǎo)體器件上增大元件密度
(featuredensity)的方法持續(xù)地演化，以滿足對于更小、更強大的電子器件的需求。然
而，在一些例子中，實際考慮可能限制那些方法可演化的程度。例如，圖l是在45nm工藝
中在底層上形成的金屬圖案的現(xiàn)有技術(shù)例子的示例性截面圖。如圖所示，在圖1中，金
屬102可通過公知的方法在底層106上形成為圖案。例如，金屬102可使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻
(photolithographic)技術(shù)來沉積并蝕刻。為了清楚起見，僅精細金屬圖案的例子的一部分
以截面圖示出。金屬圖案可形成任意數(shù)量的元件或連接線?？梢栽O(shè)置絕緣體104以形成金
屬線108和110之間的勢壘。金屬線108和110可具有大約45nm的寬度112，并且絕緣體
104可具有大約45nm的寬度114。同樣地，元件的間距116大約90nm。 在一些傳統(tǒng)例子中，為了容納更密集布置的元件，通常需要減小間距。對于如上所
述的傳統(tǒng)制造方法，這將需要發(fā)展到更加昂貴的制造手段。例如，可能需要更加昂貴的光刻
工具。因而，所期望的是開發(fā)增大元件密度而不增加制造成本的方法。 另外，由于線寬減小，導(dǎo)電線的金屬量也減小，因而導(dǎo)致導(dǎo)電線的阻抗增大。因而，
可期望的是開發(fā)可應(yīng)對增大的元件密度而不相應(yīng)地減小導(dǎo)體線寬的方法。例如，為了符合
相同區(qū)域中更寬的導(dǎo)體線，所期望的是最小化它們之間的間隙寬度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明由所附的權(quán)利要求限定，并且本部分的任何內(nèi)容都不作為對那些權(quán)利要求 的限制?？傮w上，本發(fā)明針對一種形成非常密集的金屬線的方法。 本發(fā)明的第一方面提供一種用于在底層上沉積至少兩個金屬層的方法，該方法包 括在底層上沉積第一金屬層；掩蔽第一金屬層使得第一金屬層包括第一被掩蔽的部分和 第一未掩蔽的部分；以及蝕刻第一金屬層使得第一未掩蔽的部分去除到底層；在第一金屬 層上和底層上沉積第一中間層；在第一中間層上沉積第二金屬層；以及平坦化第二金屬層 以在第一基本上平坦的表面處共同暴露第一中間層和第二金屬層。 本發(fā)明的另一方面提供一種在底層上形成第一金屬元件和第二金屬元件以用于 半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括在底層上沉積第一金屬層；掩蔽第一金屬層使得第一金 屬層包括第一被掩蔽的部分和第一未掩蔽的部分，其中第一被掩蔽的部分和第一未掩蔽的 部分與互補的圖案相對應(yīng)；蝕刻第一金屬層使得第一未掩蔽的部分去除到底層，離開第一 金屬元件；在第一金屬層上和底層上沉積第一保形介電層；在第一保形介電層上沉積第二 金屬層；以及平坦化第二金屬層以形成第二金屬元件，并且在基本上平坦的表面處共同暴露第二金屬元件和第一保形介電質(zhì)。 在此描述的本發(fā)明的每個方面和實施例可以單獨地或彼此結(jié)合地使用。
現(xiàn)在將參考附圖描述優(yōu)選的方面和實施例。
圖1是具有在45nm工藝中形成的金屬圖案的底層的現(xiàn)有技術(shù)例子的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在底層上形成金屬線的方法的示例性流程圖。
圖3至6是示出使用根據(jù)本發(fā)明實施例的方法在底層上形成金屬線的階段的截面 圖。 圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例在底層上的金屬線的截面圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例在底層上的金屬線的截面圖。 圖9是用于單片(monolithic)三維存儲器陣列的根據(jù)本發(fā)明實施例形成的金屬 線的截面圖。 圖10A至C是根據(jù)本發(fā)明實施例在底層上的金屬線的平面圖。 圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例在第一金屬線和第二金屬線之間的連接的平面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考如附圖所示的一些實施例對本發(fā)明進行詳細描述。在下面的描述中， 為了提供本發(fā)明的全面理解，闡明了大量的具體細節(jié)。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見 的是，本發(fā)明可以沒有一些或所有這些具體細節(jié)而實施。在其它實例中，為了避免不必要地 使本發(fā)明模糊，沒有詳細描述公知的工藝步驟和/或結(jié)構(gòu)。 圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在底層上形成金屬線的方法的示例性流程圖。圖 2將連同圖3至8進行討論，圖3至8是使用根據(jù)本發(fā)明實施例的方法在底層上形成金屬 線的階段的示例性表示。在第一步驟202，第一金屬沉積在底層上。參考圖3，在一個實施 例中，第一金屬層302沉積在底層304上。如可以理解的，任意數(shù)量的合適的金屬合成物 (composition)可使用任意數(shù)量的不背離本發(fā)明的公知方法而沉積在任意數(shù)量的底層合成 物上。底層304典型地是諸如二氧化硅的介電材料。金屬304可以是鎢、鋁或一些其它合 適的導(dǎo)電材料。在一些實施例中，第一金屬層302的厚度不小于大約30nm。在其它實施例 中，第一金屬層302的厚度不大于大約1000nm。 在下一步驟204，第一金屬層使用任意數(shù)量的公知方法進行掩蔽。掩蔽典型地在 層上，例如在諸如光刻膠(photoresist)的光敏材料中，提供了精細的圖案，使得后續(xù)的蝕 刻將去除被掩蔽的層的未掩蔽的部分。在下一步驟206，蝕刻第一金屬層302。如圖4所 示，蝕刻后的作為結(jié)果的圖案可包括一系列的金屬元件(feature);例如，圖案可包括諸如 溝槽404的溝槽和諸如線408和410的線。在一些實施例中，蝕刻可進行到底層304。在其 它實施例中，可以理解，可越過底層進行蝕刻。蝕刻可以以現(xiàn)有技術(shù)中公知的任何方式完成 而沒有背離本發(fā)明。 在下一步驟208，介電質(zhì)可保形地沉積到剩下的金屬層的頂部和側(cè)壁、及暴露的底 層上。因而，如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，介電層504可保形地沉積在線408和410 的頂部和側(cè)壁及底層304的暴露部分上并與之接觸。介電層504可以以現(xiàn)有技術(shù)中任何公知的方式進行沉積。介電層504的厚度選擇成使得在已經(jīng)沉積介電層504之后，金屬線408 和410之間的溝槽404仍具有足夠的寬度，以允許其后的金屬線形成。在一些實施例中， 介電層504沉積之后，溝槽404的寬度可以與第一金屬線408和410的寬度相同或接近相 同。明顯地，這要求在介電層504的沉積之前，溝槽404的寬度必須寬于金屬線408和410 的寬度。在一些實施例中，可選擇介電質(zhì)以提供擴散阻擋層(diffusion barrier)和附著 層(adhesion layer)。在一些實施例中，對于介電層可采用Si3N4或Si02。
在下一步驟210，第二金屬沉積在介電層上。如圖6所示，第二金屬層604沉積在 介電層504上，且與介電層504接觸。在一些實施例中，第二金屬層是基本上類似于第一金 屬層的合成物。在其它實施例中，第二金屬層不同于第一金屬層。另外，如圖6所示，根據(jù)本 發(fā)明的實施例，第二金屬層604現(xiàn)在形成與原始的被掩蔽的第一金屬層相互補的圖案。艮卩， 第二金屬層填充第一金屬層的經(jīng)蝕刻的部分，該部分與第一金屬層的原始未掩蔽的部分相 對應(yīng)。可以理解，在一些例子中，用于沉積而選擇的金屬合成物需要附加步驟或方法以應(yīng)對 化學(xué)和物理特性。在一些實施例中，對于第二金屬層可單獨地或相結(jié)合地采用銅或鋁而不 背離本發(fā)明。在其它實施例中，對于第二金屬層可采用鎢?？梢岳斫猓焰u用于第二金屬層 沉積，可能要求在介電層上沉積之前有保形附著層。因而，在一些實施例中，在沉積第二金 屬層604之前，諸如Ti、TiW或TiN的薄附著層(單獨地或相結(jié)合地)可保形地沉積在介電 層504上，而不背離本發(fā)明。 另外，可以理解，盡管示出的金屬線寬度基本相等，但是線的寬度可改變以補償?shù)?一金屬層和第二金屬層之間的體量差，而不背離本發(fā)明。例如，如上所示，在采用鎢作為介 電層504上方的第二金屬層604的情況下，可以要求附著層。然而，TiN附著層的使用可導(dǎo) 致鎢的第二金屬層相對于鎢的第一金屬層體量改變。因而，為了金屬線具有相類似的電氣 特征，可調(diào)整金屬線(也就是第二金屬層)的寬度，以合適地補償體量差，而沒有背離本發(fā) 明。 另外，可以理解，關(guān)于根據(jù)在此描述的實施例的第一或第二金屬層的金屬的選擇， 可以針對與金屬層相連的特定元件或器件最優(yōu)化。例如，一些金屬-半導(dǎo)體連接可造成非 意圖的肖特基(Schottky)器件。因而，在僅單個金屬可用于導(dǎo)電線的情況下，一些器件構(gòu) 造也許是不可能的。然而，因為本方法在形成導(dǎo)電線過程中提供了不同于第二金屬的第一 金屬的選擇，因而可實現(xiàn)其它情況下不可能的器件組合。因而，在一些實施例中，第一金屬 層和第二金屬層基本上類似，然而在其它實施例中，第一金屬層和第二金屬層基本上不類 似。 在下一步驟212，本方法確定是否期望共面構(gòu)造。共面構(gòu)造是其中兩金屬層可以從 同一側(cè)接觸的構(gòu)造，例如從上側(cè)。替代地，非共面構(gòu)造是其中任一金屬層可以從上面和從下 面獨立地接觸的構(gòu)造。因而，如果本方法在步驟212確定需要共面構(gòu)造，那么該方法進行到 步驟214，以平坦化結(jié)構(gòu)的表面，從而在基本上平坦的表面處共同曝露兩金屬。可以以現(xiàn)有 技術(shù)中公知的任意方式完成平坦化而不背離本發(fā)明，例如化學(xué)機械拋光(CMP)和采用濕 或干蝕刻方法的毯式回蝕(blanket etchback)。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，器件 700包括已經(jīng)平坦化以曝露金屬線408、708和410的表面720。另外，如圖所示，介電層504 的在平坦化期間沒有去除的部分也在基本上平坦的表面上共同暴露，并用于這些金屬線彼 此之間絕緣。在結(jié)構(gòu)700的同一側(cè)上的位置730、740和750處，可產(chǎn)生與金屬線408、708和410的電氣接觸。在一些實施例中，第二金屬層的厚度在平坦化之后不小于大約30nm。在 其它實施例中，第二金屬層的厚度在平坦化之后不大于大約1000nm。 如果本方法在步驟212確定不需要共面構(gòu)造，那么方法進行到步驟216，以平坦化 器件的表面，平坦化步驟在介電質(zhì)504上停止，并且不去除之以暴露第一金屬線410和408。 可以以現(xiàn)有技術(shù)中公知的任意方式完成平坦化而不背離本發(fā)明，例如CMP和采用濕或干 蝕刻方法的毯式回蝕。如圖8所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例，器件800包括表面820，該表面 820已經(jīng)被平坦化以在基本上平坦的表面上共同暴露介電質(zhì)504和線708。在一些實施例 中，第二金屬層的厚度在平坦化之后不小于大約30nm。在其它實施例中，第二金屬層的厚度 在平坦化之后不大于大約1000nm。例如，如圖所示，在該實施例中，第一金屬線408和410 通過介電質(zhì)504而保持屏蔽。在結(jié)構(gòu)800上方的位置830處可產(chǎn)生與金屬線708的電氣接 觸，而在結(jié)構(gòu)800下方的位置840和850處可以產(chǎn)生與金屬線408和410的電氣接觸。
在此引入作為參考的Herner等的美國專利No. 6952030"High-densitythree-dim ensional memory cell (高密度三維存儲單元)"描述了一種單片三維存儲器陣列，該單片 三維存儲器陣列包括在襯底上方堆疊而形成為單片的多個存儲器級(level)。每個存儲器 級包括設(shè)置在導(dǎo)體之間的垂直定向的二極管。該二極管優(yōu)選是p-i-n二極管，具有在一端 的重摻雜的P型區(qū)域、在另一端的重摻雜的n型區(qū)域、以及中間的本征區(qū)域。在這樣的陣列 中可以采用根據(jù)本發(fā)明的方面形成的導(dǎo)體，該導(dǎo)體從上方和下方可接觸，如圖8所示。轉(zhuǎn)向 圖9，例如，第一存儲器級中垂直定向的二極管220可從下方產(chǎn)生與第一金屬線408和410 的電氣接觸，然而第二存儲器級中的二極管330可從上方產(chǎn)生與諸如金屬線708的第二金 屬線的電氣接觸。 在圖7或圖8的實施例中，在平坦化步驟之后，由第一金屬形成的第一多個基本上
平行的金屬線之中散布由第二金屬形成的第二多個基本上平行的金屬線。 如上所示，在消減地形成的傳統(tǒng)金屬線圖案中，為了容納更密集布置的元件，通常
需要減小間距。隨著間距減小，導(dǎo)電線的金屬體量也減小，因而導(dǎo)致導(dǎo)電線的阻抗增大。通
常地，由于非常窄的線難以干凈地蝕刻，因而相鄰線之間的間隙不能太窄。參考圖1的現(xiàn)有
技術(shù)例子，介電質(zhì)104的寬度可與金屬線108和110的寬度相同，并且間距可以是線108和
110的寬度的兩倍。 參考圖7和8 ，相鄰金屬線408和708之間的介電層504的寬度很大程度 (substantially)小于金屬線408和708的寬度，因而間距很大程度小于線408和708的 寬度的兩倍，允許密度增大。因而，在一個實施例中，對于大約250nm的間距，金屬線的寬度 在大約170-230nm的范圍內(nèi)，并且介電質(zhì)的寬度在大約20_80nm的范圍內(nèi)。在另一實施例 中，對于大約180nm的間距，金屬線的寬度在大約140-166nm的范圍內(nèi)，并且介電質(zhì)的寬度 在大約14-40nm的范圍內(nèi)。在另一實施例中，對于大約90nm的間距，金屬線的寬度在大約 70-83nm的范圍內(nèi)，并且介電質(zhì)的寬度在大約7-20nm的范圍內(nèi)。在另一實施例中，對于大約 72nm的間距，金屬線的寬度在大約56_67nm的范圍內(nèi)，并且介電質(zhì)的寬度在大約5_16nm的 范圍內(nèi)。在另一實施例中，對于大約58nm的間距，金屬線的寬度在大約45-54nm的范圍內(nèi)， 并且介電質(zhì)的寬度在大約4-13nm的范圍內(nèi)。在另一實施例中，對于大約48nm的間距，金屬 線的寬度在大約38-44. 5nm的范圍內(nèi)，并且介電質(zhì)的寬度在大約3. 5-10nm的范圍內(nèi)。
圖IOA-C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的底層上的金屬線的示意性表示。圖A是根據(jù)本發(fā)明實施例制造的半導(dǎo)體器件900的一部分的頂視圖。另外，圖IOA相應(yīng)于如上所述的圖 7的頂視圖。如圖所示，大量的第一金屬線406、408和410由介電質(zhì)504與周圍的金屬902 相絕緣。如可以理解的，在該構(gòu)造中，第二金屬線708和706—起變短，并且必須彼此絕緣。 參考圖10B，蝕刻掩模920可應(yīng)用于器件900，以隔離第二金屬902的線708和706。在此蝕 刻步驟中，僅第二金屬可被掩蔽和蝕刻，或第一金屬和第二金屬兩者都可被掩蔽和蝕刻。蝕 刻至少進行到底層，在底層上保形介電層可沉積在所有的暴露表面上?？刹捎矛F(xiàn)有技術(shù)中 公知的任何合適的介電層，而沒有背離本發(fā)明。在一些實施例中，可采用Si3N4或Si(^作為 介電層。然后可平坦化器件以在基本上平坦的表面處共同暴露金屬線，如圖IOC所示。如 圖所示，諸如線406、408和410的第一組金屬線和諸如708和706的第二組金屬線由介電 質(zhì)934圍繞。 圖10A-C還示出了本發(fā)明如何能夠減小工藝成本。導(dǎo)體406、408和410以間距P 構(gòu)圖。因此這些導(dǎo)體的密度是1/P線每單位寬度。圖10B中的結(jié)果具有2/P線每單位寬度 的導(dǎo)體線密度。在傳統(tǒng)的構(gòu)圖工藝中，該密度將需要以P/2的間距構(gòu)圖，這將需要使用本發(fā) 明方法所需要的工藝工具的兩倍能力的工藝工具。在示出的例子中需要附加的掩模920，但 是圖10B上的掩模920中形狀的間距是2P。因而，通常需要一個具有P/2的間距能力的構(gòu) 圖步驟的P/2的導(dǎo)體密度通過兩個構(gòu)圖步驟制成，一個具有P的能力，一個具有2P的能力。 構(gòu)圖工具的成本是它們的間距能力的強函數(shù)。因而，可以期望本發(fā)明的工藝比傳統(tǒng)的工藝 廉價。 圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例的在第一金屬線1002和第二金屬線708之間的連接 1006的示例性例子。如上所述，第一組金屬線可由第一金屬層限定，并且第二組金屬線可由 第二金屬層限定。如可以理解的，在一些實施例中，可期望將第一組金屬線的一些部分連接 到第二組金屬線的一些部分。因而，在一些實施例中，可形成通路1006以連接第一金屬線 1002和第二金屬線708。如可以理解的，可以以現(xiàn)有技術(shù)中公知的任何方式形成通路，而沒 有背離本發(fā)明。 雖然本發(fā)明根據(jù)多個優(yōu)選的實施例進行了描述，但是仍然存在落入本發(fā)明的范圍 內(nèi)的替換、置換和等效物。還應(yīng)意識到，存在實施本發(fā)明的方法和設(shè)備的許多替換方式。例 如，盡管參考了獨立公開共面和非共面實施例的圖7和圖8，但是可以理解這些實施例不是 相互排斥，并且在一些實施例中可相結(jié)合地使用，而沒有背離本發(fā)明。盡管在此提供了各種 例子，但是意圖這些例子是示例性的，并且相對于本發(fā)明不是限制性的。另外，為了方便在 此提供摘要，不應(yīng)采用摘要以解釋或限制在權(quán)利要求中表達的整個發(fā)明。因此所意圖的是 所附的權(quán)利要求解釋為包括所有這樣的落入本發(fā)明的真實精神和范圍內(nèi)的替換、置換和等 效物。 前述詳細說明已經(jīng)描述了本發(fā)明可采取的許多形式中的僅僅一些形式。為此原 因，該詳細說明意圖作為示例，而不是為了限定。僅僅包括所有等效物的所附權(quán)利要求意圖 限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種用于在底層上沉積至少兩個金屬層的方法，包括在所述底層上沉積第一金屬層；掩蔽所述第一金屬層使得所述第一金屬層包括第一被掩蔽的部分和第一未掩蔽的部分；以及蝕刻所述第一金屬層使得所述第一未掩蔽的部分去除到所述底層；在所述第一金屬層上和所述底層上沉積第一中間層；在所述第一中間層上沉積第二金屬層；以及平坦化所述第二金屬層以在第一基本上平坦的表面處共同暴露所述第一中間層和所述第二金屬層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層在所述第一基本上平坦的表面處與所述第二金屬層和所述中間層共同暴露。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括掩蔽所述第一金屬層、所述第二金屬層和所述第一中間層，使得所述第一金屬層、所述第二金屬層和所述第一中間層包括第三被掩蔽的部分和第三未掩蔽的部分；以及蝕刻所述第三未掩蔽的部分至所述底層；在所有經(jīng)蝕刻的表面上沉積第二中間層；以及平坦化所述第二中間層以在第二基本上平坦的表面處共同暴露所述第二中間層和所述第一金屬層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一中間層包括Si3N4或Si02，或所述第二中間層包括SiA或Si02。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中通過化學(xué)機械拋光或回蝕來執(zhí)行平坦化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括將所述第一金屬層的一部分與所述第二金屬層的一部分電氣連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括掩蔽所述第二金屬層和所述第一中間層，使得所述第二金屬層和所述第一中間層包括第二掩蔽的部分和第二未掩蔽的部分；以及蝕刻所述第二未掩蔽的部分至所述底層；在所有經(jīng)蝕刻的表面上沉積第二中間層；以及平坦化所述第二中間層以在第二基本上平坦的表面處共同暴露所述第二中間層和所述第一金屬層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第一中間層包括Si3N4或Si(^，或所述第二中間層包括SiA或Si02。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中通過化學(xué)機械拋光或回蝕來執(zhí)行平坦化步驟。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層和所述第二金屬層是基本上相同的合成物。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在蝕刻步驟之后，所述第一金屬層是多個基本上平行的第一金屬線的形式。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在平坦化步驟之后，所述第二金屬層是多個基本上平行的第二金屬線的形式，所述第二金屬線之中散布所述第一金屬線。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層是從由鎢和鋁組成的組中選擇的合成物。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二金屬層是從由鎢、鋁和銅組成的組中選擇的合成物。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，當(dāng)所述第二金屬層是鎢時，所述方法還包括在沉積所述第一中間層之后，在所述第一中間層上沉積第一保形附著層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一保形附著層從由Ti、 TiW和TiN組成的組中選擇。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用以形成密集間隔的金屬線的方法。第一組金屬線通過蝕刻第一金屬層而形成。薄介電層保形地沉積在第一金屬線上。第二金屬沉積在薄介電層上，填充第一金屬線之間的間隙。第二金屬層平坦化以形成插入在第一金屬線之間的第二金屬線，在基本上平坦的表面上共同暴露薄介電層和第二金屬層。在一些實施例中，繼續(xù)平坦化以去除第一金屬線的薄介電質(zhì)覆蓋頂部，在基本上平坦的表面上共同暴露由薄介電層分隔開的第一金屬線和第二金屬線。
文檔編號H01L21/28GK101730928SQ200880022789
公開日2010年6月9日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者克里斯托弗·J·佩蒂, 卡爾文·K·李, 夏堪杰 申請人:桑迪士克3D有限責(zé)任公司