專利名稱：雙鑲嵌結構的形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種雙鑲嵌結構(dual damascene structure )的形成方法。
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。在如此大規模集成電路 中，元件之間的高性能、高密度的連接不僅在單個互連層中互連，而且 要在多層之間進行互連。因此，通常提供多層互連結構，特別是利用雙 鑲嵌(dual-damascene)工藝形成的多層互連結構，該工藝在介質層中形 成溝槽(trench)和通孔(via),然后用導電材^H列如銅(Cu)填充所述溝 槽和通孔。這種互連結構已經在集成電路制造中得到廣泛應用。
雙鑲嵌結構形成方法的技術重點在于溝槽和通孔的刻蝕技術。目前 存在兩種方法形成雙鑲嵌構造，第一種方法是先于介電層中利用光刻膠 掩膜刻蝕出溝槽，然后利用另一光刻膠掩膜刻蝕通孔；另一種方法是首 先在介電層中利用光刻膠掩膜刻蝕出通孔，然后再利用另 一光刻膠掩膜 刻蝕出溝槽。但無論是哪種方法，都需要在介質層與金屬互連線層之間 形成一層含氮的阻擋層。隨著器件的特征尺寸不斷縮小，襯底中器件的 密集程度越來越高，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。為了降低射頻信號在電路中的延遲，目前 普遍采用低介電常數(low k)材料作為介質層，以降低電路中的RC延遲。 然而，由于lowk材料的密度較低，低密度介電材料的大量使用對制造雙 鑲嵌結構會帶來一些負面問題。例如，申請號為200510056297.4的中國專 利申請中描述了 一種雙鑲嵌結構的制造方法。圖1至圖5為說明該現有制 造雙鑲嵌結構方法的剖面示意圖。如圖1至圖5所示，圖l中，在形成雙鑲 嵌結構時，通常要在具有互連線12a和12b的襯底10表面和介質層14之間形成由SiCN或Si3N4組成的阻擋層13。阻擋層13可防止襯底10中互連線12a 和12b中的金屬銅擴散到介質層14中，亦可防止刻蝕過程中互連線12a和 12b被刻蝕。圖2中，在介質層14中利用光刻、刻蝕等工藝形成通孔15a和 15b，之后，在圖3中，在襯底表面涂布有機抗反射層(organic bare ) 16。 然后，如圖4所示，在有機抗反射層16表面涂布硅基抗反射層(Si-BARC ) 17,并通過曝光、顯影等工藝形成圖案化的光致抗蝕劑17a和17b。隨后 以光致抗蝕劑17a和17b為掩膜刻蝕有機抗反射層16和介質層14形成溝 槽，在這個過程中，阻擋層13中的氮離子會穿過低密度的介質層14、和 有機抗反射層16和硅基抗反射層17而與光致抗蝕劑17a和17b發生反應， 在光致抗蝕劑側壁上形成難溶的高分子聚合物"腫塊"18a和18b,如圖5 所示，本文將這種現象稱為"光致抗蝕劑中毒(resist poisoning)"。光 致抗蝕劑中毒現象會導致溝槽圖形出現缺陷。

發明內容
本發明的目的在于提供雙鑲嵌結構的形成方法，能夠消除光致抗蝕 劑中毒現象的發生。
一方面提供了一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括
提供具有介質層的半導體襯底，所述介質層表面具有覆蓋層；
在所述覆蓋層表面形成金屬層；
圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成通孔；
在所述通孔中填充犧牲層；
圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成溝槽；
移除所述犧牲層。
其中，圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成通孔的步驟包括 在所述金屬層表面形成第一掩膜圖形；在所述第一掩膜圖形上形成第二 掩膜圖形；經所述第二掩膜圖形刻蝕所述金屬層直至露出所述覆蓋層； 移除所述第二掩膜圖形；以所述金屬層為掩膜刻蝕所述介質層形成通
6孔。
形成第 一掩膜圖形的步驟包括在所述金屬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；以 圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述有機抗反射層直至露出所述金屬層。
圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成溝槽的步驟包括以所述 第一掩膜圖形為掩膜刻蝕露出的金屬層直至露出所述覆蓋層；移除所述 第 一掩膜圖形；以所述金屬層為掩膜刻蝕所述介質層形成溝槽。
形成所述第二掩膜圖形的步驟包括在所述金屬層和第 一掩膜圖形 表面涂布光刻膠層；圖案化所述光刻膠層以形成定義通孔位置的第二掩 膜圖形。
所述金屬層的厚度為200A 600A。所述金屬層的材料為鋁。所述有 機抗反射層的厚度為300A 1100A。所述犧牲層的材料為有機抗反射材 料Organic BARC。
另一方面4是供了一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括 提供具有介質層的半導體襯底，所述介質層表面具有覆蓋層； 在所述覆蓋層表面形成第一金屬層；
圖案化所述第一金屬層，在所述介質層中形成通孔 移除所述第一金屬層；
在所述襯底表面涂布犧牲層，所述犧牲層填充并覆蓋所述通孔； 在所述犧牲層表面形成第二金屬層； 圖案化所述第二金屬層，在所述介質層中形成溝槽； 移除所述犧牲層和所述第二金屬層。
其中，圖案化所述第一金屬層的步驟包括在所述第一金屬層表面 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；以圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述有機抗反射層和所述 第一金屬層直至露出所述覆蓋層；移除所述光刻膠層和有機抗反射層。圖案化所述第二金屬層的步驟包括在所述第二金屬層表面形成有 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；以圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述有機抗反射層和所述第二金 屬層直至露出所述犧牲層；移除所述光刻膠層。
所述犧牲層的材料為有機抗反射材料Organic BARC。所述金屬層 的厚度為200A 600A。所述金屬層的材料為鋁。所述有機抗反射層的厚
度為300A i畫A。
與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點
本發明的雙鑲嵌結構的形成方法首先在介質層上淀積一金屬層作為 硬掩膜層，然后在這層金屬層表面形成有機抗反射層，以使形成的光刻 膠掩膜圖形更加清晰。通過采用金屬層作為硬掩膜層(hard mask), — 方面能夠阻止阻擋層中的氮離子與光刻膠接觸，從而防止了光致抗蝕劑 中毒現象的發生；另一方面，由于采用了金屬硬掩膜層，光刻膠無須涂 布得很厚，不但可防止光刻膠圖形得倒塌現象，而且有利于進一步提高 刻蝕分辨率。金屬硬掩膜有利于更加精細微小的通孔和溝槽的刻蝕，在 其表面釆用普通的有機抗反射層(Organic BARC)代替硅基抗反射層 (Si-BARC)便可使刻蝕圖形更加清晰，降低了制造成本。此外，利用 Organic BARC層作為刻蝕犧牲層，結合金屬硬掩膜層的作用，可以一次 刻蝕形成雙鑲嵌結構。而且，光致抗蝕劑在刻蝕過程之前已被去除，刻 蝕后僅需去除剩余的BARC，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為說明現有形成雙鑲嵌結構方法的剖面示意圖；圖6至圖17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18至圖25為根據本發明第二實施例的雙鑲嵌結構形成方法的剖 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17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。首先，如圖6所示，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101。利用化學機械研磨(CMP)工藝將介電層100和銅 導電連線101表面磨平。然后，利用CVD工藝在上述介電層100和銅 導電連線101表面淀積阻擋層102,阻擋層102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102 —方面作為導電連線101中銅的擴散阻 擋層，另一方面在后續刻蝕連接孔的步驟中被當作蝕刻停止層。接著， 在上述阻擋層102表面淀積厚度為1000A-20000A的介質層103，該層 也被稱為層間介電層。介質層103是由化學氣相淀積法沉積的低介電常 凄t的無才幾石圭基質層(Inorganic silicon based layer),例如應用才才泮牛(Applied Materials )公司商標為黑鉆石(black diamond)的二氧化硅(Si02 )、含碳氧化硅(SiCO)或氟化硅玻璃(FSG)。隨后，在介質層103表面利用 PECVD工藝再沉積一層材料為氧化硅的覆蓋層104，厚度為 200A 1200A,用來保護低介電常數材料電介質層103的介電常數不受 后續工藝的影響。
在接下來的工藝步驟中，利用物理氣相淀積(PVD)工藝在覆蓋層 104表面沉積一層金屬層105，其材料可為鋁，厚度為200 600A。該金 屬層用作后續刻蝕介質層時的硬掩膜。在金屬層105表面利用旋涂(spin on)工藝涂布抗反射層106，本實施例中，由于使用金屬層作為硬掩膜， 抗反射層106的材料可選擇普通的有機抗反射材料(Organic Bare),厚 度為300 A 1100 A。然后，在抗反射層106表面涂布光刻膠，并利用 光刻工藝，例如曝光、顯影等形成具有溝槽開口圖案的光刻膠圖形107。 上述光刻膠圖形107、抗反射層106和金屬層105構成了三層結構。
接下來如圖7所示，以光刻膠圖形107為掩膜刻蝕抗反射層106， 直至露出金屬層105,然后移除上述光刻膠圖形107和抗反射層106。 隨后在金屬層105表面涂布抗反射層和光刻膠層并利用曝光、顯影等工 藝形成另一光刻膠圖形108和抗反射層圖形106',該光刻膠圖形108界 定通孔的位置，如圖8所示。接下來以光刻膠圖形108為掩膜刻蝕部分 抗反射層106，和金屬層105直至露出覆蓋層104，如圖9所示。
接著如圖IO所示，利用濕法或等離子灰化(ashing)工藝移除光刻 膠圖形108。然后以金屬層105為掩膜刻蝕覆蓋層104和介質層103形 成通孔，如圖11所示。在刻蝕過程中，采用金屬層105作為硬掩膜， 取代光刻膠，防止了阻擋層102中的氮離子與光刻膠接觸，從而防止了 光刻膠中毒現象的發生。
在接下來的工藝步驟中，如圖12所示，在通孔中填充犧牲層109。 為降低生產成本、簡化工藝，犧牲層109的材料也選用有機抗反射材料。 然后，如圖13所示，刻蝕掉金屬層105暴露的部分，直至露出了覆蓋 層104,金屬層105表面的抗反射層106，也已被刻蝕掉，此時的金屬層105便成為刻蝕溝槽的硬掩膜。繼續刻蝕覆蓋層104和介質層103,在 介質層中形成溝槽，如圖14所示。接著，如圖15所示，移除金屬層105， 并去除剩余的犧牲層109,如圖16所示。本實施例中還可利用另一金屬 掩膜繼續刻蝕通孔底部的阻擋層102，從而露出銅導線101。
圖18至圖25為根據本發明第二實施例的雙鑲嵌結構形成方法的剖 面示意圖。如圖18所示，在介電層200中形成銅導線201，利用化學機 械研磨(CMP)工藝將介電層200和銅導電連線201表面磨平。然后， 利用CVD工藝在上述介電層200和銅導電連線201表面淀積阻擋層 202，阻擋層202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。接著，在上述阻擋層202 表面淀積厚度為1000A-20000A的介質層203,該層也凈皮稱為層間介電 層。介質層203是由化學氣相淀積法沉積的低介電常數的無機硅基質層 (Inorganic silicon based layer )，例如應用才才泮牛(Applied Materials )公司 商標為黑鉆石(black diamond)的二氧化硅(Si02)、含碳氧化硅(SiCO) 或氟化硅玻璃(FSG)。上述阻擋層202 —方面可防止導電連線201中的 銅向介質層203中擴散，另一方面在后續刻蝕通孔的步驟中作為蝕刻停 止層。隨后，在介質層203表面利用PECVD工藝再沉積一層材料為氧 化硅的覆蓋層204，厚度為200A 1200A,用來保護低介電常數材料電 介質層203的介電常數不受后續工藝的影響。
接下來利用物理氣相淀積工藝在覆蓋層204表面沉積一金屬層 205,其材料可為鋁，厚度為200 600A。該金屬層205用作后續刻蝕通 孔的硬掩膜。在金屬層205表面利用旋涂(spin on)工藝涂布抗反射層 206，本實施例中，由于使用金屬層作為硬掩膜，抗反射層206的材料 亦可選擇普通的有機抗反射材料(Organic Bare ),厚度為300 A 1100 A。 然后，在抗反射層206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207。上述光刻膠圖形207、 抗反射層206和金屬層205構成了三層結構。如圖19所示，以光刻膠圖形207為掩膜刻蝕抗反射層206和金屬 層205，直至露出覆蓋層204。然后利用濕法或灰化工藝移除光刻膠圖 形207和抗反射層206。隨后，以金屬層205為硬掩膜，刻蝕覆蓋層104 和介質層203,從而在介質層203中形成通孔，在刻蝕過程中，金屬層 205作為硬掩膜取代光刻膠防止了阻擋層202中的氮離子與光刻膠接 觸，從而防止了光刻膠中毒現象的發生。如圖20所示。
接著如圖21所示，去除上述金屬層205,在襯底表面涂布犧牲層 208,該犧牲層208填充并覆蓋通孔，同時覆蓋在覆蓋層204表面。然 后，在犧牲層208表面利用PVD工藝沉積另一層金屬層305，其材料也 為鋁，厚度為200~600A。該金屬層305用作后續刻蝕溝槽的硬掩膜。 在金屬層305表面利用旋涂工藝涂布抗反射層209,本實施例中，由于 使用金屬層作為硬掩膜，抗反射層209的材料亦選擇普通的有機抗反射 材料(Organic Barc)，厚度為300 A 1100 A。然后，在抗反射層209 表面涂布光刻膠，并利用光刻工藝，例如曝光、顯影等形成具有溝槽開 口圖案的光刻膠圖形210。上述光刻膠圖形210、抗反射層209和金屬 層305構成了另一個三層結構。
隨后，如圖22所示，以光刻膠圖形210為掩膜刻蝕抗反射層209 和金屬層305，直至露出犧牲層208。然后移除上述光刻膠圖形210。然 后以金屬層305為掩膜繼續刻蝕犧牲層208、覆蓋層204和介質層203, 從而在介質層203中形成溝槽，如圖23所示。在刻蝕過程中，金屬層 305作為硬掩膜取代光刻膠防止了阻擋層202中的氮離子與光刻膠接 觸，從而防止了光刻膠中毒現象的發生。
在接下來的工藝步驟中，如圖24所示，移除剩余的抗反射層209， 并去除金屬層305和犧牲層208。本實施例中還可利用另 一金屬掩膜繼 續刻蝕通孔底部的阻擋層202,從而露出銅導線IOI,如圖25所示。
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4支術方案作出許多 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、一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括提供具有介質層的半導體襯底，所述介質層表面具有覆蓋層；在所述覆蓋層表面形成金屬層；圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成通孔；在所述通孔中填充犧牲層；圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成溝槽；移除所述犧牲層。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，圖案化所述金屬層， 在所述介質層中形成通孔的步驟包括在所述金屬層表面形成第一掩膜圖形；在所述第 一掩膜圖形上形成第二掩膜圖形；經所述第二掩膜圖形刻蝕所述金屬層直至露出所述覆蓋層；移除所述第二掩膜圖形；以所述金屬層為掩膜刻蝕所述介質層形成通孔。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，形成第一掩膜圖形 的步驟包括在所述金屬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；以圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述有機抗反射層直至露出所述 金屬層。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，圖案化所述金屬層， 在所述介質層中形成溝槽的步驟包括以所述第一掩膜圖形為掩膜刻蝕露出的金屬層直至露出所述覆蓋移除所述第一掩膜圖形；以所述金屬層為掩膜刻蝕所述介質層形成溝槽。
5、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，形成所述第二掩膜 圖形的步驟包括在所述金屬層和第一掩膜圖形表面涂布光刻膠層；圖案化所述光刻膠層以形成定義通孔位置的第二掩膜圖形。
6、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述金屬層的厚度 為200A 600A。
7、 根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述金屬層的材料 為鋁。
8、 根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述有機抗反射層的厚度為300A iiooA。
9、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述犧牲層的材料 為有機抗反射材料Organic BARC。
10、 一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括 提供具有介質層的半導體襯底，所述介質層表面具有覆蓋層； 在所述覆蓋層表面形成第一金屬層； 圖案化所述第一金屬層，在所述介質層中形成通孔 移除所述第一金屬層；在所述襯底表面涂布犧牲層，所述犧牲層填充并覆蓋所述通孔； 在所述犧牲層表面形成第二金屬層； 圖案化所述第二金屬層，在所述介質層中形成溝槽； 移除所述犧牲層和所述第二金屬層。
11、 根據權利要求10所述的方法，其特征在于，圖案化所述第一 金屬層的步驟包括在所述第一金屬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；以圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述有機抗反射層和所述第一金 屬層直至露出所述覆蓋層；移除所述光刻膠層和有機抗反射層。
12、 根據權利要求10所述的方法，其特征在于，圖案化所述第二 金屬層的步驟包括在所述第二金屬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；以圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述有機抗反射層和所述第二金 屬層直至露出所述犧牲層； 移除所述光刻膠層。
13、 根據權利要求10所述的方法，其特征在于所述犧牲層的材 料為有機抗反射材料Organic BARC。
14、 根據權利要求10所述的方法，其特征在于所述金屬層的厚 度為200A 600A。
15、 根據權利要求14所述的方法，其特征在于所述金屬層的材 料為鋁。
16、 根據權利要求11或12所述的方法，其特征在于所述有機抗反射層的厚度為300A iiooA。
全文摘要
本發明提供了一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括提供具有介質層的半導體襯底，所述介質層表面具有覆蓋層；在所述覆蓋層表面形成金屬層；圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成通孔；在所述通孔中填充犧牲層；圖案化所述金屬層，在所述介質層中形成溝槽；移除所述犧牲層。本發明的雙鑲嵌結構的形成方法，能夠消除光致抗蝕劑中毒現象的發生。
文檔編號H01L21/02GK101295667SQ200710040240
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月24日 優先權日2007年4月24日
發明者張迎春, 徐載景 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司