[發明專利]頂層銅互連層的制作方法

有效

• 申請號: 200910056768.X
• 申請日: 2009-08-20
• 公開（公告）號: CN101996933A
• 公開（公告）日: 2011-03-30
• 發明（設計）人: 周鳴
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L21/3105
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司 11018
• 代理人: 牛崢;王麗琴

技術領域

本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種頂層銅互連層的制作方法。

背景技術

目前，在半導體器件的后段(back-end-of-line，BEOL)工藝中，制作半導體集成電路時，半導體器件層形成之后，需要在半導體器件層之上形成金屬互連層，每層金屬互連層包括金屬互連線和絕緣材料層，這就需要對上述絕緣材料層制造溝槽(trench)和連接孔，然后在上述溝槽和連接孔內沉積金屬，沉積的金屬即為金屬互連線，一般選用銅作為金屬互連線材料。絕緣材料層包括刻蝕終止層，例如氮化硅層，還包括形成在刻蝕終止層上的低介電常數(Low-K)材料層，例如含有硅、氧、碳、氫元素的類似氧化物(Oxide)的黑鉆石(black?diamond，BD)或者摻有氟離子的硅玻璃(FSG)。

現有技術中，銅互連層可以為三層，包括頂層、中間層及底層銅互連層，在實際工藝制程中，可根據不同需要設置多層銅互連層。如果是在多層銅互連層的情況下，可以按要求復制多層中間層銅互連層，有時也會按需要復制兩層頂層銅互連層。具有三層銅互連層的半導體器件結構示意圖如圖1所示。圖中絕緣材料層下是半導體器件層，圖中未顯示。圖中每層銅互連層包括刻蝕終止層101，以及沉積于其上的低介電常數材料層102；由溝槽和連接孔形成的銅互連線103掩埋在絕緣材料層中，用于連接各個銅互連層。

在這種銅互連工藝中，刻蝕終止層氮化硅膜具有約7的相對介電常數，增加了整個互連層的相對介電常數，從而使銅互連線間的寄生電容增加，因此會導致信號延遲或功耗增加的缺陷。所以通常在刻蝕終止層上淀積低K電介質材料來降低銅互連層的銅互連線間的寄生電容。在具體工藝制程中，在多層內部互連中，頂層銅互連層的銅布線相對于其他互連層銅布線比較疏，相對其他互連層來說電容的干擾不是非常敏感，所以通常采用FSG作為頂層銅互連層的Low-K材料層，其介電常數值為3.8～3.9，其成本價格比較低，而采用價格較高的BD作為其他互連層的Low-K材料層，介電常數為2.7～3，進一步降低底層銅互連層的銅互連線間的寄生電容。

一般采用先形成連接孔再形成溝槽(via?first)的雙大馬士革(dualdamascene)技術形成連接孔和溝槽，還可以有先形成溝槽再形成連接孔(trench?first)的技術，以及自對準(Self-Aligned)的技術。本申請文件以via?first技術為例進行說明。

現有技術形成頂層銅互連層的方法包括以下步驟：

步驟11、在刻蝕終止層的表面沉積FSG層；

步驟12、在FSG層的表面沉積氮氧化硅(SiON)層；其中，SiON層用于作為刻蝕溝槽和連接孔時的反射層，降低FSG層的反射率；

步驟13、刻蝕所述SiON層和FSG層，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成雙大馬士革結構，所述雙大馬士革結構包括溝槽和連接孔；

具體地，首先在SiON層表面涂布光阻膠層，并曝光顯影圖案化所述光阻膠層，定義出連接孔的位置；然后以圖案化的光阻膠層為掩膜，干法刻蝕SiON層和FSG層，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成連接孔；灰化去除光阻膠層，并采用濕法去除刻蝕連接孔時形成的聚合物(polymer)；

接著，在SiON層表面及連接孔內涂布底部抗反射層(BARC)，BARC充滿整個連接孔；繼續在BARC表面涂布光阻膠層，并曝光顯影圖案化所述光阻膠層，定義出溝槽的位置；然后以圖案化的光阻膠層為掩膜，干法刻蝕形成溝槽；灰化去除光阻膠層，并采用濕法去除刻蝕溝槽時形成的聚合物；

步驟14、利用物理氣相沉積(PVD)的方法，在雙大馬士革結構的溝槽和連接孔內形成銅互連線，并對其進行化學機械拋光(CMP)。

現有技術形成頂層銅互連層的過程中，干法刻蝕形成溝槽和連接孔時，或者濕法去除刻蝕溝槽和連接孔時形成的聚合物時，FSG都會吸收水氣，發生的化學反應式為：

H₂O+Si-F→Si-OH+HF

在形成頂層銅互連層之后，即CMP銅互連線之后，作為反射層的SiON層已經被消耗，通常在FSG的表面沉積一層氮化物鈍化層，為氮化硅層104，用于后續的封裝制程，如圖1所示。氮化硅層104的沉積是在高溫反應腔中，吸收了水氣的FSG，被高溫氮化硅層104所覆蓋，在完成氮化硅層104的沉積之后，器件從高溫反應腔取出，仍然處于高溫狀態，FSG吸收水氣形成的Si-OH在高溫狀態下，發生脫水過程，化學反應式為：

Si-OH+Si-OH+HF→Si-O+H₂O↑+HF↑