雙鑲嵌結構及其形成方法

專利名稱：雙鑲嵌結構及其形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造領域，特別涉及雙鑲嵌結構及其形成方法。
背景技術：
隨著半導體器件制作技術的進一步發展，器件之間的高性能、高密度連接不僅在 單個互連層中進行，而且要在多層之間進行互連。因此，通常提供多層互連結構，其中多 個互連層互相堆疊，并且層間絕緣膜置于其間，用于連接半導體器件。特別是利用雙鑲嵌 (dual-damascene)工藝形成的多層互連結構，其預先在層間絕緣膜中形成接觸孔(via)和 溝槽(trench)，然后用導電材料填充所述接觸孔和溝槽。因為雙鑲嵌結構能避免重疊誤差 以及解決習知金屬工藝的限制，雙鑲嵌工藝便被廣泛地應用在半導體制作過程中而提升器 件可靠度。因此，雙鑲嵌工藝已成為現今金屬導線連結技術的主流。現有的一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括如下步驟如附圖1所示，提供帶有金屬布線層110的半導體襯底100，所述金屬布線層110 材料為鋁、銀、銅中的一種或者幾種；如圖2所示，在金屬布線層110上依次形成阻擋層120、層間絕緣層130、覆蓋層 140，所述阻擋層120材料選自摻碳的氮化硅(NDC)，厚度為400埃至500埃，用于維護金屬 布線層210的穩定性；所述層間絕緣層130材料選自碳摻雜的氧化硅(Black Diamond,BD), 厚度為3500埃至4500埃，用于層間介質隔離；所述覆蓋層140材料為TE0S，其主要成份為 二氧化硅，用于保護層間絕緣層免受其它制程的影響。如圖3所示，在保護層表面形成光刻膠圖形150，以所述光刻膠圖形150為掩膜， 依次刻蝕覆蓋層140、層間絕緣層130、阻擋層120直至暴露出金屬布線層110，形成接觸孔 151 ；如圖4所示，去除所述光刻膠圖形150，形成填充所述接觸孔151并位于覆蓋層表 面的底部抗反射層160，并在所述底部抗反射層160表面形成隔離層170 ；所述底部抗反射層160用于填充所述接觸孔151，可以選用型號為GF315的底部抗 反射層，用于更好的填充所述接觸孔151，并在保護層140表面形成平面。所述隔離層170材料選自低溫氧化硅材料，厚度為1000埃至1500埃，用于隔離底 部抗反射層160和后續形成的光刻膠圖形，所述隔離層170的形成溫度為200攝氏度至220 攝氏度，所述形成溫度不會弓I起底部抗反射層的變性。如圖5所示，在所述隔離層170表面形成光刻膠圖形180，以所述光刻膠圖形180 為掩膜，依次刻蝕隔離層170、底部抗反射層160、覆蓋層140、層間絕緣層130形成溝槽 181 ；如圖6所示，去除所述光刻膠圖形180、隔離層170和底部抗反射層160。所述去 除光刻膠圖形180和底部抗反射層160的工藝可以為灰化工藝；所述去除隔離層170的工 藝可以為等離子體刻蝕工藝。隨后，在所述的溝槽和接觸孔內填充互連金屬材料例如金屬銅，或者先沉積擴散阻擋層Ta/TaN，再沉積互連金屬材料層例如金屬銅。所述的雙鑲嵌結構的制作方法，在刻蝕隔離層170、底部抗反射層160、覆蓋層 140、層間絕緣層130形成溝槽181的工藝中，由于覆蓋層140與層間絕緣層130的刻蝕速率 不同，刻蝕過程中，在覆蓋層140與層間絕緣層130的接觸界面附近就會形成不同的形狀， 導致層間絕緣層130產生底切(under-cut)現象，產生較差的溝槽側面，進而增加了金屬互 連線之間的層間絕緣層之間發生擊穿的可能性。如附圖7所示的透射電子顯微鏡圖，即為 產生底切的溝槽。

發明內容
本發明解決的問題是提供一種雙鑲嵌結構的制作方法，避免在刻蝕形成溝槽的過 程中層間絕緣層發生底切現象。為解決上述問題，本發明提供了一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括提供帶有金屬 布線層的半導體襯底；在金屬布線層上依次形成阻擋層、層間絕緣層；采用能夠與層間絕 緣層材料反應生成氮化物的反應物處理所述層間絕緣層，在層間絕緣層表面形成保護層； 依次刻蝕保護層、層間絕緣層、阻擋層直至暴露出金屬布線層，形成接觸孔；形成填充所述 接觸孔并位于保護層表面的底部抗反射層；在所述底部抗反射層表面形成隔離層；在所述 隔離層表面形成光刻膠圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕隔離層、底部抗反射層、 保護層以及部分層間絕緣層形成溝槽；去除所述光刻膠圖形、隔離層和底部抗反射層。本發明還提供了一種雙鑲嵌結構，包括半導體襯底；位于所述半導體襯底上的 金屬布線層；依次位于所述金屬布線層上的阻擋層、層間絕緣層、保護層；貫穿保護層、層 間絕緣層、阻擋層并暴露出金屬布線層的接觸孔；貫穿保護層和部分層間絕緣層并與接觸 孔位置對應的溝槽。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明所提供的雙鑲嵌結構的形成方法， 由于在層間絕緣層表面用氨氣處理層間絕緣層形成保護層，使形成的層間絕緣層和保護層 之間沒有明顯的層間分界線，采用刻蝕劑進行刻蝕的工藝中，刻蝕劑對保護層的刻蝕速率 與對層間絕緣層的刻蝕速率接近，減少了現有技術中覆蓋層與層間絕緣層的刻蝕速率不同 在蝕刻工藝中引起的底切問題，縮小了金屬溝槽蝕刻后的上口特征尺寸，從而提高了金屬 導線抗漏電的可靠性特性。


圖1至圖6是現有的一種雙鑲嵌結構的形成方法的過程示意圖；圖7是現有的雙鑲嵌結構的形成方法形成的雙鑲嵌結構的投射電鏡圖；圖8是本發明提供的雙鑲嵌結構的形成方法的流程示意圖；圖9至圖16是本發明提供的一種雙鑲嵌結構的形成方法的過程示意圖；圖17是本發明提供的一種雙鑲嵌結構的形成方法形成的雙鑲嵌結構的透射電鏡 圖。
具體實施例方式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4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。其次，本發明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表 示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應 限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。圖8是本實施例提供的一種雙鑲嵌結構的形成方法的流程示意圖，具體包括如下 步驟步驟S100，提供帶有金屬布線層的半導體襯底；步驟S110，在金屬布線層上依次形成 阻擋層、層間絕緣層；步驟S120，采用能夠與層間絕緣層材料反應生成氮化物的反應物處 理所述層間絕緣層，在層間絕緣層表面形成保護層；步驟S130，依次刻蝕保護層、層間絕緣 層、阻擋層直至暴露出金屬布線層，形成接觸孔；步驟S140，形成填充所述接觸孔并位于保 護層表面的底部抗反射層；步驟S150，在所述底部抗反射層表面形成隔離層；步驟S160，在 所述隔離層表面形成光刻膠圖形；步驟S170，以所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕隔離層、 底部抗反射層、保護層以及部分層間絕緣層形成溝槽；步驟S180，去除所述光刻膠圖形、隔 離層和底部抗反射層。下面結合附圖，對本發明的半導體結構的形成方法進行詳細說明。參考圖9，提供半導體襯底200，所述半導體襯底200可以為多層基片(例如，具有 覆蓋電介質和金屬膜的硅襯底)、分級基片、絕緣體上硅基片(SOI)、外延硅基片、部分處理 的基片(包括集成電路及其他元件的一部分)。在所述半導體襯底200上形成金屬布線層210，所述金屬布線層210材料為鋁、 銀、鉻、鉬、鎳、鈀、鉬、鈦、鉭、銅中的一種或者幾種，較優選用銅，所述金屬布線層210厚度 為2000埃至3000埃。參考圖10，在金屬布線層210上依次形成阻擋層220、層間絕緣層230。所述阻擋層220材料選自摻碳的氮化硅(NDC)，厚度為400埃至500埃，用于維護 金屬布線層210的穩定性，并且所述摻碳的氮化硅具有吸水性比較低，介電常數低與后續 形成的層間絕緣層匹配的優點。所述阻擋層220的形成工藝可以選用化學氣相沉積工藝，采用四乙氧基硅烷和氨 氣作為反應材料，具體工藝參數為反應溫度為300攝氏度至400攝氏度，腔室壓力為3. 7 托至4. 2托，反應間距為5毫米至8毫米，功率為200瓦至240瓦，四乙氧基硅烷流量為每 分鐘300標準立方厘米至每分鐘400標準立方厘米，氨氣流量為每分鐘650標準立方厘米 至每分鐘750標準立方厘米，直至形成400埃至500埃厚度的阻擋層220。所述層間絕緣層230材料選自碳摻雜的氧化硅(Black Diamond,BD)，厚度為3500 埃至4500埃，用于層間介質隔離。所述碳摻雜的氧化硅除了具有介電常數低，傳輸延遲小 的優點，還具備與阻擋層220選擇刻蝕比高的優點。所述層間絕緣層230可以選用化學氣相沉積工藝形成，具體工藝參數為反應溫 度為300攝氏度至400攝氏度，腔室壓力為4托至6托，反應間距為5毫米至9毫米，功率 為400瓦至600瓦，氧氣流量為每分鐘100cm7min 300cm7min，氦氣流量為800cm7min 至1200cm7min，八甲基環化四硅氧烷流量為2000cm7min至4000cm7min，直至形成3500埃 至4500埃的層間絕緣層230。參考圖11，采用能夠與層間絕緣層材料反應生成氮化物的反應物處理所述層間5絕緣層230，在層間絕緣層230表面形成保護層MO ；所述能夠與層間絕緣層材料反應生成 氮化物的反應物例如為NH3,與層間絕緣層230反應之后，可以在所述的層間絕緣層230表 面形成材料為氮化硅的保護層對0，具體的，形成所述保護層MO的工藝為反應腔壓力為 2 7托(Torr)，反應腔射頻功率為300 800瓦，NH3的流量為500 1200cm3/min，處理 時間為5 40S。形成的保護層MO的厚度為200-300埃。由于在層間絕緣層表面用氨氣處理層間絕緣層形成保護層，使形成的層間絕緣層 和保護層之間沒有明顯的層間分界線，采用刻蝕劑進行刻蝕的工藝中，刻蝕劑對保護層的 刻蝕速率與對層間絕緣層的刻蝕速率接近，因此，避免了現有技術中由于層間絕緣層和阻 擋層的刻蝕速率不同導致的底切現象。參考圖12，在保護層240表面形成光刻膠圖形250，所述光刻膠圖形250用于定義 雙鑲嵌結構中的接觸孔圖形。以所述第三光刻膠圖形250為掩膜，依次刻蝕保護層M0、層 間絕緣層230、阻擋層220直至暴露出金屬布線層210，形成接觸孔251。所述刻蝕保護層M0、層間絕緣層230、阻擋層220的工藝可以為等離子體刻蝕 工藝，刻蝕工藝的具體參數可以為選用等離子體刻蝕設備，刻蝕設備腔體壓力為10毫托 至50毫托，頂部射頻功率為200瓦至500瓦，底部射頻功率為150瓦至300瓦，C4F8流量 為 10cm3/min 至 50cm3/min，CO 流量為 100cm3/min 至 200cm3/min，Ar 流量為 300cm3/min 至 600cm3/min, O2 ^ 10cm3/min M 50cm3/min。參考圖13，去除所述光刻膠圖形250。去除所述光刻膠圖形250的工藝可以為公 知的化學試劑去除工藝或者灰化工藝去除。參考圖14，形成填充所述接觸孔251并位于保護層240表面的底部抗反射層沈0， 隨后，在所述底部抗反射層260表面形成隔離層270。所述底部抗反射層260形成工藝為旋涂工藝。所述底部抗反射層260用于填充所 述接觸孔251，其型號例如為GF315，采用所述的底部抗反射層沈0，可以更好的填充所述接 觸孔251，并在保護層240表面形成平面。所述隔離層270材料選自低溫氧化硅材料，厚度為1000埃至1500埃，所述隔離層 270用于隔離底部抗反射層260和后續形成的光刻膠圖形，此外，選用低溫氧化硅材料作為 隔離層270材料，具有薄膜致密，隔離性能優良的優點。需要進一步指出的是，所述隔離層 270的形成溫度為200攝氏度至220攝氏度，所述形成溫度不會引起底部抗反射層的變性。所述隔離層270的形成工藝可以為等離子體輔助增強化學氣相沉積工藝，具體的 工藝參數為沉積設備腔體壓力為0. 5托至3托，沉積溫度為200攝氏度至220攝氏度，射 頻功率為 500 瓦至 1000 瓦，SiH4 流量為 IOOcmVmin 至 200cm3/min, N2O 流量為 IOOOOcm3/ min 至 20000cm3/min，N2 流量為 1000cm3/min 至 2000cm3/min。繼續參考圖14，在所述隔離層270表面形成光刻膠圖形四0。所述光刻膠圖形四0 用于定義雙鑲嵌結構中的溝槽位置，所述溝槽的位置與接觸孔的位置對應，并且溝槽寬度 大于接觸孔寬度。參考圖15，以所述光刻膠圖形四0為掩膜，依次刻蝕隔離層270、底部抗反射層 沈0、保護層240和部分層間絕緣層230形成溝槽四1。所述刻蝕隔離層270、底部抗反射層沈0、保護層240和部分層間絕緣層230的工 藝可以為等離子體刻蝕工藝。
所述等離子體刻蝕工藝的具體參數為選用等離子體刻蝕設備，刻蝕設備腔體壓 力為10毫托至50毫托，頂部射頻功率為200瓦至500瓦，底部射頻功率為150瓦至300瓦， C4F8 流量為 10cm7min 至 50cm7min，CO 流量為 100cm7min 至 200cm7min，Ar 流量為 300cm3/ min 至 600cm3/min, O2 流量為 10cm3/min 至 50cm3/mino參考圖16，去除所述光刻膠圖形四0、隔離層270和底部抗反射層沈0。所述去除所述光刻膠圖形290和底部抗反射層沈0的工藝可以為灰化工藝；所述 去除隔離層270的工藝可以為等離子體刻蝕工藝。在本實施例中，先采用灰化工藝去除光刻膠圖形四0，直至暴露出隔離層270，然 后采用等離子體克刻蝕工藝去除隔離層270，直至暴露出底部抗反射層沈0，再采用灰化工 藝去除底部抗反射層沈0。基于上述雙鑲嵌結構的形成方法形成的半導體結構，包括半導體襯底200 ；位于 所述半導體襯底200上的金屬布線層210 ；位于所述金屬布線層210上的阻擋層220 ；位于 所述阻擋層220上的層間絕緣層230 ；位于所述層間絕緣層230上的保護層MO ；接觸孔 251，貫穿保護層M0、層間絕緣層230、阻擋層220至暴露出金屬布線層210 ；貫穿保護層和 部分層間絕緣層并與接觸孔位置對應的溝槽四1。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術 人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應 當以權利要求所限定的范圍為準。權利要求
1.一種雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，包括如下步驟 提供帶有金屬布線層的半導體襯底；在金屬布線層上依次形成阻擋層、層間絕緣層；采用能夠與層間絕緣層材料反應生成氮化物的反應物處理所述層間絕緣層，在層間絕 緣層表面形成保護層；依次刻蝕保護層、層間絕緣層、阻擋層直至暴露出金屬布線層，形成接觸孔； 形成填充所述接觸孔并位于保護層表面的底部抗反射層； 在所述底部抗反射層表面形成隔離層；在所述隔離層表面形成光刻膠圖形，以所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕隔離層、底部 抗反射層、保護層以及部分層間絕緣層形成溝槽； 去除所述光刻膠圖形、隔離層和底部抗反射層。
2.如權利要求1所述的雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，所述能夠與層間絕緣層 材料反應生成氮化物的反應物為NH3。
3.如權利要求1所述的雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，所述保護層材料為氮化硅層。
4.如權利要求1所述的雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，所述保護層厚度為200 300 埃。
5.如權利要求2所述的雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，形成所述保護層的工藝 為NH3的流量為500 1200cm7min，處理時間為5 40秒。
6.如權利要求1所述的雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，所述隔離層材料為低溫 氧化硅材料。
7.一種雙鑲嵌結構，其特征在于，包括半導體襯底；位于所述半導體襯底上的金屬布 線層；依次位于所述金屬布線層上的阻擋層、層間絕緣層、保護層；貫穿保護層、層間絕緣 層、阻擋層并暴露出金屬布線層的接觸孔；貫穿保護層和部分層間絕緣層并與接觸孔位置 對應的溝槽。
8.如權利要求7所述的雙鑲嵌結構，其特征在于，所述保護層材料為氮化硅層。
9.如權利要求7所述的雙鑲嵌結構，其特征在于，所述保護層厚度為200 300埃。
10.如權利要求7所述的雙鑲嵌結構，其特征在于，所述隔離層材料為低溫氧化硅材料。
全文摘要
一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括提供帶有金屬布線層的半導體襯底；在金屬布線層上依次形成阻擋層、層間絕緣層；采用能夠與層間絕緣層材料反應生成氮化物的反應物處理所述層間絕緣層，在層間絕緣層表面形成保護層；依次刻蝕保護層、層間絕緣層、阻擋層直至暴露出金屬布線層，形成接觸孔；形成填充所述接觸孔并位于保護層表面的底部抗反射層；在所述底部抗反射層表面形成隔離層；在所述隔離層表面形成光刻膠圖形；以所述光刻膠圖形為掩膜，依次刻蝕隔離層、底部抗反射層、保護層以及部分層間絕緣層形成溝槽；去除所述光刻膠圖形、隔離層和底部抗反射層。所述方法可避免在刻蝕形成溝槽的過程中產生底切。
文檔編號H01L21/311GK102054751SQ200910198349
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月5日 優先權日2009年11月5日
發明者王琪 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司