[發明專利]一種非通孔連接的銅互連方法

有效

• 申請號: 201210436960.3
• 申請日: 2012-11-05
• 公開（公告）號: CN102945824B
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 李銘
• 申請（專利權）人: 上海集成電路研發中心有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768
• 代理公司: 上海天辰知識產權代理事務所(特殊普通合伙)31275
• 代理人: 吳世華,林彥之

技術領域

本發明涉及半導體集成電路制造工藝技術領域，尤其涉及一種半導體中非通孔連接的銅互連方法。

背景技術

隨著集成電路制造工藝的進步，互連部分對芯片整體性能（包括速度、面積、功耗、合格率和可靠性等）的影響越來越大。互連技術發展過程中的一個重要的進步，就是用銅取代鋁作為金屬連線。這一方面，是由銅的材料特性所決定，即銅的電阻率比鋁更低，抗電遷移性能也更好。另一方面，銅互連采用的鑲嵌工藝（亦稱“大馬士革”工藝）可以更好地與超低k值介質集成，滿足技術進一步發展的需求。目前，90%以上的12寸集成電路生產線采用了銅互連工藝并一致采用鑲嵌結構。

銅互連鑲嵌工藝的主要工藝流程包括：在已形成的下層銅金屬膜上，淀積金屬層間膜；運用通孔、金屬溝槽兩張光刻版，通過光刻和刻蝕工藝，在金屬層間膜上形成上層金屬走線所需的溝槽，和連接上下層金屬的通孔，稱為雙鑲嵌結構（亦稱“雙大馬士革”結構），其具體有溝槽優先、通孔優先、帶硬掩模等各種實現方式；通過薄膜淀積和電鍍工藝，將銅阻擋層、銅籽晶層和銅填充至已形成的通孔和溝槽中；通過研磨工藝，將層間膜上方的多余金屬磨去，只留下溝槽和通孔中的銅，從而完成上一層銅連線及與下層銅的連通；重復上述工藝步驟，即可實現多層金屬的疊加和互連。

銅互連鑲嵌工藝的關鍵是形成雙鑲嵌結構，而這也是該工藝的最大的難點。隨著線寬的縮小，光刻的工藝窗口已非常小，而無論先做通孔，還是先做溝槽，一旦完成刻蝕，就會形成形貌起伏，使得光刻工藝窗口進一步縮小甚至消失。為解決這一難點，目前雙鑲嵌工藝中，主要采用的集成方法包括：在第一步刻蝕后，采用填充材料將已形成的形貌平坦化，然后進行光刻工藝所需的涂膠、曝光和顯影等步驟；第一步刻蝕只將較薄的一層金屬硬掩模層（如氮化鈦）刻開，仍保持較平坦的形貌，在第二步光刻后，將所需的溝槽和通孔一次刻蝕完成，稱為all-in-one 刻蝕。現有集成方法的共同點是，為了保證光刻工藝的實施，通過增加工藝步驟，淀積額外材料（如填充材料，金屬硬掩模層），并大幅提高刻蝕工藝能力（多種膜層、多種結構的刻蝕），最終實現雙鑲嵌結構。

可見，現有銅互連工藝中鑲嵌式結構的非平面化特性對工藝造成了一定的負面影響，成為本領域技術人員需要解決的技術問題之一。

發明內容

本發明的目的在于彌補上述現有技術的不足，提供一種非通孔連接的銅互連方法，光刻和刻蝕工藝均在平面上完成，避免了鑲嵌式結構（溝槽和通孔）的非平面化特性對工藝造成的負面影響，可提高工藝可控性。

本發明的非通孔連接的銅互連方法，其包括以下步驟：

步驟S01，提供襯底，形成下層銅金屬層，并在形成的下層銅金屬層上淀積一層介質膜；

步驟S02，通過光刻板進行光刻，使下層銅金屬層需要與待形成的上層銅金屬層連通的部分用光刻膠掩蔽，而不需要連通的部分則無光刻膠掩蔽；

步驟S03，通過刻蝕工藝，將無光刻膠掩蔽部分的介質膜刻開，然后去除光刻膠；

步驟S04，去除介質膜刻開部分處的下層銅金屬層；

步驟S05，在上述步驟處理后的表面上淀積金屬層間膜，并平坦化；

步驟S06，通過光刻板進行光刻，定義出具有溝槽的上層銅金屬層的圖形；

步驟S07，通過刻蝕工藝，去除上述上層銅金屬層圖形中溝槽處的金屬層間膜和介質膜，露出需要與上層銅金屬層連通的下層銅金屬層，不需要連通的下層銅金屬層上留有金屬層間膜，然后去除光刻膠；

步驟S08，通過淀積和電鍍工藝，在上述溝槽中形成上層銅金屬層。

進一步地，該下層銅金屬層厚度為100-500nm。

進一步地，該介質膜為氮化硅或氮氧化硅構成的通孔掩膜層，其厚度為10-50nm。

進一步地，步驟S02中所用光刻板為非通孔光刻板，光刻線寬為20-100nm。

進一步地，步驟S03是通過干法刻蝕，刻開介質膜，該干法刻蝕工藝所用的是含C、F的氣體。較佳地，該含C、F的氣體包括CF₄、CHF₃或C₄F₈中的一種或多種，且該氣體還含有N₂、H₂、O₂或Ar中的一種或多種。

進一步地，步驟S04是通過刻蝕或腐蝕刻開下層銅金屬層，刻開下層銅金屬層的厚度為10-300nm，刻蝕或腐蝕的時間為25秒至30分鐘，使用的是羥胺類（hydroxylamine）類有機溶劑。