專利名稱：一種金屬互連方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體制造方法，特別涉及一種金屬互連方法。
背景技術：
隨著半導體制造工藝的進步，半導體芯片的面積越來越小，同時，同一半導體芯片上集成的半導體器件的尺寸越來越小，數(shù)量越來越多。半導體器件通過金屬互連形成半導體電路，實現(xiàn)所述半導體器件之間的信號傳輸。金屬互連是由高密度的金屬線路和金屬線路之間的層間介質共同組成。金屬互連的電阻電容延遲現(xiàn)象(Resistance Capacitance Delay, RC Delay)使得半導體電路的信號傳輸速率下降，從而降低了半導體器件的工作速度。半導體電路的信號傳輸速率取決于金屬互連的寄生電阻(ParasiticResistance， R)與寄生電容(Parasitic Capacitance, C)兩者乘積。其中，寄生電阻問題在于金屬鋁作為金屬線路的電阻大，因此必須使用低電阻、高傳導率的材料作為金屬線路?，F(xiàn)有技術中， 普遍采用金屬銅取代金屬鋁作為金屬線路，因為金屬銅比金屬鋁有更高的傳導性、更低的電阻，可以解決寄生電阻問題。寄生電容與層間介質的介電系數(shù)k成正比，當k越小，寄生電容就越小。因此必須使用低介電系數(shù)的材料作為金屬間的層間介質，以降低金屬線路之間電流的互相干擾，進而提升半導體電路的信號傳輸速度和半導體器件的工作速度。低介電系數(shù)的材料作為層間介質(Inter-Layer Dielectric, ILD)稱為low_k層間介質。過去一直作為層間介質的二氧化硅(SiO2),其介電系數(shù)約為3.9 4.5間，然而隨著半導體工藝的不斷進步，二氧化硅逐漸接近應用的極限。為了降低半導體器件相互間的信號干擾，開始用low-k ILD取代傳統(tǒng)二氧化硅的層間介質，通常采用在二氧化硅中摻雜碳原子的方法，增大二氧化碳原子間的空隙，使二氧化硅晶格結構變得疏松，降低其介電系數(shù)，成為 low-kILD。下面結合附圖加 2f對現(xiàn)有技術中采用大馬士革工藝的金屬互連方法進行介紹，其步驟如下步驟101、在具有第一金屬層202的第一層間介質201上依次沉積氮化硅 (Si3N4) 203、第二層間介質204和四乙基原硅酸鹽(TEOS) 205后，第一光刻后依次第一刻蝕 TE0S205和第二層間介質204，在第二層間介質204中形成通孔206 (via)。圖加為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟101的剖面結構示意圖。本步驟中，氮化硅層203作為第一刻蝕的刻蝕停止層，在第一刻蝕之后，氮化硅層 203并沒有完全刻蝕掉，其殘留部分會在后續(xù)步驟中去除。第二層間介質是low-k ILD，具體為摻雜碳原子的二氧化硅(Black Diamond, BD)。TE0S205作為后續(xù)刻蝕和去膠(ashing) 步驟中第二層間介質保護層，也可以省略。本步驟中，第一光刻后第一刻蝕形成通孔是現(xiàn)有技術，不再贅述。需要說明的是， 在此僅以第一金屬層為例對現(xiàn)有技術中的金屬互連方法進行說明，所示第一金屬層在實際應用中可為任意一層金屬層。本步驟中，第一刻蝕之后還會除去TE0S205上殘留的光刻膠。步驟102、在通孔206中和第二層間介質204上涂覆底部抗反射涂層(BARC207) 后，在BARC207上沉積低溫氧化硅(LTO)層208，圖2b為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟 102的剖面結構示意圖。本步驟中，在通孔206中和第二層間介質上涂覆BARC207是指，BARC207的一部分存在于第二層間介質上，BARC207的其他部分填充于通孔206中。BARC207主要含有碳元素、氫元素和氧元素。BARC207用于減少在曝光過程中的光反射。步驟103、在LTO層208上涂覆光刻膠(PR) 209，對ra209進行曝光、顯影，形成第二光刻圖案。圖2c為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟103的剖面結構示意圖。本步驟中，第二光刻圖案用于定義后續(xù)步驟104中形成溝槽的開口寬度。步驟104、以第二光刻圖案為掩膜第二刻蝕第二層間介質204，形成溝槽210，圖2d 為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟103的剖面結構示意圖。本步驟中，第二刻蝕先依次去除沒有光刻膠覆蓋的部分LTO層208、BARC207和 TE0S205，最后將第二光刻圖案轉移到第二層間介質204上；所述溝槽210位于通孔206上方；第二刻蝕是干法刻蝕，反應離子刻蝕(Reactive Ion Kching，RIE)或等離子刻蝕，第二刻蝕所用的刻蝕氣體為四氟化碳(CF4)和三氟甲烷(CHF3)的混合氣體；四氟化碳(CF4)和三氟甲烷(CHF3)與BARC207中的碳原子和氧原子發(fā)生反應的同時也與第二層間介質204中的硅原子發(fā)生反應生成聚合物(polymer) ；polymer是同時含有碳元素、氫元素、硅元素和氧元素的高分子聚合物。干法刻蝕是一種動態(tài)的平衡過程，刻蝕氣體與BARC207和第二層間介質204發(fā)生反應沉積polymer的同時，也會轟擊和腐蝕去除polymer，干法刻蝕的結果取決于腐蝕速率和沉積速率的比值；本步驟中，為了更好地控制溝槽的形狀，干法刻蝕過程中不對刻蝕氣體形成的刻蝕氣體束流施加偏壓，使干法刻蝕表現(xiàn)出各向異性的刻蝕速率。具體地通入刻蝕氣體束流的方向與通孔206的方向一致，在刻蝕氣體束流的方向上，polymer的腐蝕速率大于polymer的沉積速率，表現(xiàn)為第二層間介質204上溝槽210深度的增加；在垂直于刻蝕氣體束流的方向上，polymer的腐蝕速率小于polymer的沉積速率，表現(xiàn)為polymer附著在溝槽210下方的通孔206側壁上，成為聚合物側墻(polymer fence) 211，達到阻止溝槽210寬度大于第二光刻圖案定義的寬度的目的。步驟105、灰化剝離第二光刻圖案的光刻膠209和過刻蝕去除殘留的氮化硅層 203 (Liner Remove, LRM)，露出第一金屬層202，圖加為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟 104的剖面結構示意圖。本步驟中，灰化過程是在反應腔中進行的第一干法刻蝕，所用的刻蝕氣體是氧氣 (O2)，氧氣主要與PR209發(fā)生化學反應，在去除冊209的同時，殘留在通孔206中的BRC也會反應去除。當反應腔中壓力升高時，反應腔向外排出刻蝕氣體的速率降低，第一干法刻蝕的各向同性效果增強；第一干法刻蝕時反應腔中的壓力大于150毫托(mTor)。但是，由于氧氣不與polymerfence 211發(fā)生反應，因此僅能將polymer fence 211從通孔206和溝槽 210的側壁轟擊脫落下來，卻無法去除polymer fence 211。本步驟中，LRM是在反應腔中進行的第二干法刻蝕，在氮化硅層203被去除之后，灰化過程中脫落的polymer fence 211掉落在第一金屬層表面。步驟106、去除殘留BARC207和LT0208后，在通孔206和溝槽210中填充金屬銅，化學機械研磨(CMP)金屬銅形成金屬線路212，圖2f為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟105 的剖面結構示意圖。本步驟為現(xiàn)有技術，不再贅述。至此，現(xiàn)有技術采用大馬士革工藝的金屬互連線制造完成。但是，上述步驟中，第二刻蝕步驟中形成的聚合物側墻在灰化和LRM過程中會不可避免地掉落到通孔底部的第一金屬層表面，在后續(xù)填充金屬銅步驟后，造成通孔中的金屬銅與第一金屬層的界面之間出現(xiàn)接觸不良甚至開路的情況，從而導致半導體器件失效。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術問題是在低介電系數(shù)的材料作為層間介質的金屬互連線刻蝕過程中，干法刻蝕生成的聚合物側墻會在后續(xù)灰化和襯墊去除步驟中掉落到通孔底部，造成通孔中填充的金屬銅與其下方的第一金屬層之間的界面出現(xiàn)接觸不良甚至開路的現(xiàn)象，從而導致半導體器件失效。為解決上述問題，本發(fā)明的技術方案具體是這樣實現(xiàn)的—種金屬互連方法，在具有第一金屬層的第一層間介質上依次沉積氮化硅和第二層間介質后，在所述第二層間介質中第一刻蝕形成通孔，以所述氮化硅為第一刻蝕的刻蝕停止層，該方法還包括在通孔中和第二層間介質上涂覆底部抗反射涂層；在所述底部抗反射涂層上沉積低溫氧化硅層；光刻后在所述低溫氧化硅層上形成的第二光刻圖案，以所述第二光刻圖案為掩膜依次第二刻蝕所述低溫氧化硅層、所述底部抗反射涂層和所述第二層間介質，在所述第二層間介質中形成溝槽，在所述溝槽下方的通孔側壁上形成聚合物側墻；第三刻蝕去除所述聚合物側墻；灰化去除所述光刻膠和殘留在所述通孔中的抗反射涂層；過刻蝕去除殘留的氮化硅層，露出所述第一金屬層；在所述通孔和所述溝槽中填充金屬銅后，化學機械研磨所述金屬銅形成金屬線路。所述第三刻蝕是等離子刻蝕或反應離子刻蝕的干法刻蝕。所述第三刻蝕的刻蝕氣體是二氧化碳。所述第三刻蝕的輔助氣體是四氟甲烷。所述第三刻蝕的激勵電場頻率范圍是13 200兆赫茲，同時所述第三刻蝕的偏壓功率范圍是100 800瓦特。由上述的技術方案可見，本發(fā)明提出了一種金屬互連方法，該方法在灰化和去除殘留的氮化硅層步驟之前通過一次干法刻蝕去除抗反射涂層，避免灰化和過刻蝕去除殘留的氮化硅層過程中聚合物側墻掉落在第一金屬層表面，進而在后續(xù)填充金屬銅后，保證通孔中的金屬銅與第一金屬層的界面之間的良好接觸，降低通孔和第一金屬層之間開路造成的半導體器件失效率。


圖1為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的流程圖；圖加 2f為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的剖面結構示意圖；圖3為本發(fā)明金屬互連方法的流程圖；圖如 4g為本發(fā)明金屬互連方法的剖面結構示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案、及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發(fā)明進一步詳細說明。下面結合附圖如 4g對現(xiàn)有技術中采用大馬士革工藝的金屬互連方法進行介紹，其步驟如下步驟301、在具有第一金屬層402的第一層間介質401上依次沉積氮化硅 (Si3N4) 403、第二層間介質404和四乙基原硅酸鹽(TEOS) 405后，第一光刻后形成第一光刻圖案，以第一光刻圖案為掩膜依次第一刻蝕TE0S405和第二層間介質404，在第二層間介質 404中形成通孔406 (via)。圖如為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟301的剖面結構示意圖。本步驟中，氮化硅層403作為所述第一刻蝕的刻蝕停止層，在第一刻蝕之后，氮化硅層403并沒有完全刻蝕掉，其殘留部分會在后續(xù)步驟中去除。第二層間介質是low-k ILD，具體為摻雜碳原子的二氧化硅(Black Diamond, BD)。TE0S405作為后續(xù)刻蝕和去膠 (ashing)步驟中第二層間介質保護層，也可以省略。本步驟中，第一刻蝕之后還會除去TE0S405上殘留的第一光刻圖案。本步驟中，第一光刻和第一刻蝕是現(xiàn)有技術，不再贅述。需要說明的是，在此僅以第一金屬層為例對現(xiàn)有技術中的金屬互連方法進行說明，所示第一金屬層在實際應用中可為任意一層金屬層。步驟302、在通孔406中和第二層間介質404上涂覆底部抗反射涂層(BARC407) 后，在BARC407上沉積低溫氧化硅(LTO)層408，圖4b為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟 302的剖面結構示意圖。本步驟中，在通孔406中和第二層間介質上涂覆BARC407是指，BARC407的一部分存在于第二層間介質上，BARC407的其他部分填充于通孔406中。BARC407主要含有碳元素、氫元素和氧元素。BARC407用于減少在曝光過程中的光反射。步驟303、在LTO層上408涂覆光刻膠(PR) 409，對PR409進行曝光、顯影，形成第二光刻圖案。圖4c為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟303的剖面結構示意圖。本步驟中，第二光刻圖案用于定義后續(xù)步驟304中形成溝槽的開口寬度。步驟304、以第二光刻圖案為掩膜第二刻蝕第二層間介質404，形成溝槽410，圖4d 為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟304的剖面結構示意圖；本步驟中，第二刻蝕先依次去除沒有光刻膠覆蓋的部分LTO層408、BARC407和 TE0S405，最后將第二光刻圖案轉移到第二層間介質404上；所述溝槽410位于通孔406上方；第二刻蝕是干法刻蝕，反應離子刻蝕(Reactive Ion Kching，RIE)或等離子刻蝕，第二刻蝕所用的刻蝕氣體為四氟化碳(CF4)和三氟甲烷(CHF3)的混合氣體；四氟化碳(CF4)和三氟甲烷(CHF3)與BARC407中的碳原子和氧原子發(fā)生反應的同時也與第二層間介質404中的硅原子發(fā)生反應生成聚合物(polymer) ；polymer同時含有碳元素、氫元素、硅元素和氧元素的高分子聚合物。干法刻蝕是一種動態(tài)的平衡過程，刻蝕氣體與BARC407和第二層間介質404發(fā)生反應沉積polymer的同時，也會轟擊和腐蝕去除polymer，干法刻蝕的結果取決于腐蝕速率和沉積速率的比值；本步驟中，為了更好地控制溝槽的形狀，干法刻蝕過程中不對刻蝕氣體形成的刻蝕氣體束流施加偏壓，使干法刻蝕表現(xiàn)出各向異性的刻蝕速率。具體地通入刻蝕氣體束流的方向與通孔406的方向一致，在刻蝕氣體束流的方向上，polymer的腐蝕速率大于polymer的沉積速率，表現(xiàn)為第二層間介質404上溝槽410深度的增加；在垂直于刻蝕氣體束流的方向上，polymer的腐蝕速率小于polymer的沉積速率，表現(xiàn)為polymer附著在溝槽410下方的通孔406側壁上，成為聚合物側墻(polymer fence)，達到阻止溝槽410寬度大于第二光刻圖案定義的寬度的目的。步驟305、第三刻蝕去除polymer fence,圖如為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟 305的剖面結構示意圖；本步驟中，第三刻蝕是等離子刻蝕或反應離子刻蝕的干法刻蝕，采用的刻蝕氣體是二氧化碳(CO2)；在通入刻蝕氣體的同時還可以加入輔助氣體，所述輔助氣體是四氟化碳 (CF4)或化學式為CxFy的同時含有碳元素和氟元素的氣體，其中，χ和y均為大于等于1的整數(shù)；通入的二氧化碳刻蝕氣體與polymer fence中的碳元素和氫元素發(fā)生反應，采用二氧化碳作為刻蝕氣體的優(yōu)點在于，二氧化碳會先與polymer fence中的碳元素反應，從而降低與low-k ILD的二氧化硅中摻雜碳原子的反應速率，最大限度地防止low-k ILD的介電系數(shù)升高，減小low-k ILD的損傷；輔助氣體與polymer fence中的硅元素發(fā)生反應，進一步增大反應去除polymer fence的速率。本步驟中，等離子刻蝕或反應離子刻蝕的激勵電場頻率的范圍是13 200兆赫茲；刻蝕氣體所加偏壓的功率范圍是100 800瓦特。采用上述激勵電場頻率和刻蝕氣體加偏壓的功率范圍可以使刻蝕氣體束流的刻蝕速率表現(xiàn)為各向同性，均勻地去除附著在通孔406和溝槽410側壁上的polymer fence。步驟306、灰化剝離光刻膠和過刻蝕去除殘留的氮化硅層403 (LinerRemove， LRM)，露出第一金屬層402，圖4f為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟306的剖面結構示意圖。本步驟中，灰化過程是在反應腔中進行的第一干法刻蝕，所用的刻蝕氣體是氧氣 (O2)，氧氣主要與ra發(fā)生化學反應，在去除ra的同時，殘留在通孔406中的BRC也會反應去除。LRM是在反應腔中進行的第二干法刻蝕，在殘留的氮化硅層403被去除之后，露出第
一金屬層表面。由于步驟305已經(jīng)去除了 polymer fence，本步驟的灰化和LRM過程中不會有 polymer掉落在第一金屬層表面。步驟307、去除殘留BARC407和LT0408后，在通孔406和溝槽410中填充金屬銅，化學機械研磨(CMP)金屬銅形成金屬線路412，圖4g為現(xiàn)有技術中金屬互連方法的步驟307 的剖面結構示意圖。
本步驟為現(xiàn)有技術，不再贅述。至此，本發(fā)明采用大馬士革工藝的金屬互連線制造完成。本發(fā)明提供了一種金屬互連方法，該方法在灰化和LRM步驟之前通過一次干法刻蝕去除polymer fence，避免灰化去除光刻膠和BRC以及過刻蝕去除殘留氮化硅層的過程中polymer fence掉落在第一金屬層表面，進而在后續(xù)填充金屬銅步驟后，保證通孔中的金屬銅與第一金屬層的界面之間的良好接觸，降低通孔和第一金屬層之間開路造成的半導體器件失效率。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種金屬互連方法，在具有第一金屬層的第一層間介質上依次沉積氮化硅和第二層間介質后，以所述氮化硅為刻蝕停止層，在所述第二層間介質中第一刻蝕形成通孔，其特征在于，該方法還包括在所述通孔中和所述第二層間介質上涂覆底部抗反射涂層；在所述底部抗反射涂層上沉積低溫氧化硅層；光刻后在所述低溫氧化硅層上形成的第二光刻圖案，以所述第二光刻圖案為掩膜依次第二刻蝕所述低溫氧化硅層、所述底部抗反射涂層和所述第二層間介質，在所述第二層間介質中形成溝槽，在所述溝槽下方的通孔側壁上形成聚合物側墻；第三刻蝕去除所述聚合物側墻；灰化去除所述光刻圖案和殘留在所述通孔中的抗反射涂層；過刻蝕去除殘留的氮化硅層，露出所述第一金屬層；在所述通孔和所述溝槽中填充金屬銅后，化學機械研磨所述金屬銅形成金屬線路。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三刻蝕是等離子刻蝕或反應離子刻蝕的干法刻蝕。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三刻蝕的刻蝕氣體是二氧化碳。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第三刻蝕的輔助氣體是四氟甲烷。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三刻蝕的激勵電場頻率范圍是 13 200兆赫茲，同時所述第三刻蝕的偏壓功率范圍是100 800瓦特。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬互連方法，在具有第一金屬層的第一層間介質上依次沉積氮化硅和第二層間介質后，以所述氮化硅為刻蝕停止層，在所述第二層間介質中第一刻蝕形成通孔，該方法包括，在所述通孔中和所述第二層間介質上涂覆底部抗反射涂層和沉積低溫氧化硅層；以光刻后形成的第二光刻圖案為掩膜依次第二刻蝕低溫氧化硅層和第二層間介質，在第二層間介質中形成溝槽的同時在通孔側壁上形成聚合物側墻，第三刻蝕去除所述聚合物側墻，避免后續(xù)灰化去除光刻圖案以及過刻蝕去除殘留的氮化硅層過程中聚合物側墻掉落在第一金屬層表面，進而在后續(xù)填充金屬銅步驟后，保證通孔中的金屬銅與第一金屬層的界面之間的良好接觸，降低開路造成的半導體器件失效率。
文檔編號H01L21/768GK102446812SQ20101050701
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月14日 優(yōu)先權日2010年10月14日
發(fā)明者尹曉明, 王新鵬 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司