专利名称：用于互连结构的金属蚀刻方法和通过这种方法获得的金属互连结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于半导体器件等的制造金属互连结构的消去(subtractive)方法，通过该方法获得的金属互连结构和含有这种结构的半导体器件、集成电路芯片以及电子装置。
发现其尤其可应用于制造半导体器件的领域。
使用消去方法制造金属互连结构的方法一般包括经由构图的抗蚀剂层(抗蚀剂掩模)进行等离子体蚀刻金属层的步骤。一般，主蚀刻具有大的微载，也就是，在致密区中比在开阔区中有更多的金属残留。因此，过蚀刻必须足够长以确保移除所有残余金属。同时，过蚀刻应该移除在金属叠层底部的导电胶和/或一般为氮化钛(TiN)和/或钛(Ti)的阻挡层。这通过比较主蚀刻增加过蚀刻的物理部分得以证明。该增加的过蚀刻物理特性减低了对下面的介电层的选择性。下面的介电层由绝缘氧化物材料制成，一般为二氧化硅(SiO2)。
由于上述的微载效应，在开阔区中的下面介电层的消耗大于在致密区中的。结果，晶片的平面度下降。同时，蚀刻氧化层增加了等离子的氧含量，从而很大地降低了对抗蚀剂的选择性(选择性降低大约4倍)。这会局部导致完全的抗蚀剂掩模腐蚀，且因此导致金属图案顶部拐角的蚀刻。在过蚀刻时间增加或其物理部分增强处加重了这些缺点。
本发明的一个目的是克服上述相关技术的问题。
根据本发明，这可通过在介电层上淀积停止层得以实现，该停止层较介电层显示出较低的蚀刻率。在淀积将被蚀刻的金属层之前淀积该停止层。然后将其用作金属蚀刻的停止层。对于Al或W蚀刻，该停止层优选由碳化硅(SiC)制成。然而，本发明不意指限于该实例。
例如，在自国际专利申请WO 99/33102的现有技术中已公知将SiC用作蚀刻停止层。然而，该公知的应用限于特定应用，根据众所周知的双15镶嵌技术，是蚀刻介电膜以限定垂直和水平互连。该技术用以通过蚀刻介电(一般为氧化硅)层以限定垂直和水平互连，然后通过向限定的图形中嵌入金属，并最后在平坦化工艺中从结构顶部移除所有的多余金属以形成金属互连。在该应用中，由于SiC的低介电常数(低-k)，可选择其作为介电蚀刻的蚀刻停止层。这样的低-k特性允许降低互连线之间的电容耦合，其会导致串扰和/或阻容(RC)延迟，且因此降低了器件的整个性能。
本发明涉及一种完全不同的应用，也就是，用于金属互连的消去形成的传统的金属淀积/蚀刻工艺。
因此，本发明的第一方面涉及一种在衬底上制造金属互连结构的消去方法，包括以下步骤在衬底上淀积介电层；在介电层上淀积停止层，其和介电层相比显示出较低的蚀刻率；在停止层上淀积金属层；在金属层上淀积第一抗蚀剂层；根据第一希望的图案对第一抗蚀剂层构图；和经由构图的第一抗蚀剂层蚀刻金属层，而在停止层上停止。
其中金属层一般是Al、W、铜(Cu)、Ti、TiN、钽(Ta)或氮化钽(TaN)层和其组合物，停止层材料优选是硅和含碳材料，例如，选自包括碳化硅(SiC)、含氮的SiC(SiCN)、和含硼的(SiBC)、含硼的SiCN(SiBCN)的组。
由于停止层的较低蚀刻率，限制了在金属蚀刻期间对下面的介电层的腐蚀。结果，器件在蚀刻之后显示出改善的平坦性。而且，由于下面的介电层没有暴露于等离子体，因此保护了对抗蚀剂的选择性，从而观测到没有腐蚀金属图案的顶部拐角。
本发明的另一方面涉及通过根据第一方面获得的金属互连结构。该结构包括衬底；位于衬底上的介电层；位于介电层上的用于金属蚀刻的停止层，其和介电层比较显示出较低的蚀刻率；位于停止层上的金属层；所述的金属层根据第一希望的图案被构图。
其中该结构包括垂直互连(接触和/或通路)，所述介电层和所述停止层可根据第二希望的图案都被构图。
本发明的另一方面涉及包括根据第二方面的互连结构的半导体器件。
本发明的另一方面涉及包括根据第二方面的互连结构的集成电路芯片。
本发明的另一方面涉及包括根据第二方面的互连结构、根据第三方面的半导体器件或根据第四方面的集成电路芯片的电子装置。这样的电子装置可以是蜂窝电话、通用计算机、个人数字助理(PDA)、DVD(数字通用盘)播放器等。
从其以下实施例的详细描述，本发明的其它特征、优点和/或目的将变得更明显。将参考附图给出该描述，其中
图1A至1H是说明根据本发明在制造方法示意性实施例的备步骤处的半导体器件部分的截面图；图2是说明根据本发明方法的示意性实施例的步骤的流程图。
在附图中，不同的图中相同参考数字表示相同部分。
首先要观察的是，本发明涉及用于在半导体器件中的制造金属互连结构的传统的消去方法。消去方法包括在对应于给定的金属化水平的金属层中蚀刻沟槽(用于布线)的步骤。该方法与备选的众所周知的镶嵌或双镶嵌技术不相混淆，在该公知技术中蚀刻层间或层内介电层代替蚀刻金属层。
该器件一般是集成电路芯片。必须理解，集成电路为通过半导体技术在单一芯片上整体形成的电子电路。当然，注意到本发明并不以任何形式意图限制于该实例，而是包含例如并入混合电路、并入多芯片模块(MCM)或直接安装在印刷电路板(板上的芯片或COB)上的器件的应用。
现在将参考图2的流程图解释本方法的步骤。在图2中，对应于可选的步骤的方框以虚线表示。当适合时，以图1A-1H的示意图为参考。
在第一步骤21中，在衬底11的上表面上淀积介电层12，例如，预先在半导体衬底的上表面处设计至少一个部件。这样的部件可包括MOS、CMOS和/或双极型晶体管、二极管等。该介电材料选自包括例如二氧化硅(SiO2)的氧化硅(SiX)、也是作为掺杂氟的硅玻璃(FSG)公知的掺杂氟的二氧化硅，和含碳的氧化硅(SiOC)的组。
在可选的平坦化步骤22中，例如通过化学机械抛光(CMP)工艺平坦化介电层12。
在步骤23中，在介电层12上淀积绝缘的蚀刻停止层13。在优选实施例中，该蚀刻停止层由SiC制成。停止层材料和介电层相比显示出较低的蚀刻率。该绝缘材料可显示低-k特性(比氧化硅或氮化硅更低的k-值)，因此降低了互连线之间的电容耦合。最后，其不包括任何氧。例如使用具有适当制法的化学气相淀积(CVD)，在氧化层12上淀积层13，给出图1A中的结构。如以下将强调的，SiC层13用作后面的金属15蚀刻的埋入停止层。
便利地，由介电层CMP(步骤22)引起的划痕用SiC填充，代替作为公知方法的导电胶和/或阻挡层。因此，很大地降低了金属短路的危险。
当必要的时候，在介电层12内部形成垂直互连(也就是，接触或通路)的步骤紧随在步骤21-23之后，以连接下面层的各区域(这里，衬底11或可选地对应于较低的金属化水平的下面金属层)。
接触和通路形成工艺首先包括淀积和构图24抗蚀剂层14用于光刻接触或通路的传统步骤，给出图1B中的结构。根据希望的接触或通路图案对抗蚀剂层构图。
在步骤25中，经由在构图的抗蚀剂层14中的开口进行SiC特定蚀刻工艺，以移除SiC层13的暴露部分。蚀刻SiC的适合方法具体是干法蚀刻方法，例如反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻(IBE)或在气相中蚀刻的方法。希望的接触或通路图案完全地转移到SiC层中，给出图1C中的结构。
在步骤26中，经由抗蚀剂掩模14中的开口蚀刻介电层12的暴露部分，以形成接触孔或通路孔。根据普通电介质去除工艺进行该蚀刻工艺。得到的结构在图1D中示出。然后去除残留的抗蚀剂层14。可选地，可在去除残留的抗蚀剂层之后，通过使用构图的SiC停止层13作为硬掩模有利地进行接触或通路蚀刻。
为了结束根据第一执行形成的接触或通路，淀积导电材料以填充接触孔或通路孔(步骤27)以形成接触或通路15，其中导电材料也就是金属，如Al、W、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN或其组合。一般，接触和通路材料包括W。然后，在步骤28中，使用回蚀刻或化学机械抛光以平坦化接触或通路15，而有利地在用作该蚀刻或CMP工艺的停止层的SiC层13上停止。在蚀刻或CMP工艺期间，这种措施能够限制介电层的腐蚀。在图1E中描绘出这样获得的结构。
一般，接触或通路材料包括W。如一般惯例，在淀积钨之前向接触孔或通路孔中淀积薄Ti层和另一薄TiN层，以帮助金属对下面的材料的粘附。
然后通过淀积导电材料在步骤29中继续该方法，因此形成了水平互连的金属层15’(也就是布线)，其中导电材料也就是金属，如Al、W、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN或其组合。在一个实施例中，通过蒸发或溅射涂敷金属层15’。在图1F中描绘出这样获得的结构。一般，布线材料包括Al。如众所周知的，在Al层15’之前淀积薄Ti层和可能的又一TiN薄层。除此之外，可在Al层15’上淀积另一薄TiN层。
该方法还包括金属层光刻构图步骤。在该步骤期间，在金属层15’上涂敷抗蚀剂层16。然后根据传统的光刻工艺构图层16，以限定对应于期望布线的图案的开口。在图1G中示出得到的结构。
该方法以步骤31结束，其中经由在构图的抗蚀剂层16中的开口蚀刻金属层15’，同时有利地在用作金属蚀刻的停止层的SiC层13上停止。步骤31一般包括主蚀刻和过蚀刻子步骤。因此希望的布线图案完全转移到金属层15’中。由于残留的SiC停止层13，限制了下面的介电层12的腐蚀。等离子体蚀刻制法包括气体混合物，其一般含有卤素或卤素基气体。在将被蚀刻的金属为Al时，气体混合物可选择自含有三氯化硼(BCl3)、氯化氢(或氢氯酸，HCl)、溴化氢(HBr)和碘化氢(HI)的组。在要蚀刻的金属是W时，气体混合物可以是六氟化硫(SF6)或其它含氟气体。然后通过如灰化或湿法化学剥离工艺去除抗蚀剂掩模16，而不破坏下面的金属水平15’和SiC层13，以制造图1H中的最终结构。
对于上部金属化水平，可通过重复图1B-1H中示出的步骤在其它的金属化水平中制造另外的通路和/或布线。
步骤27和28是可选的。一般，执行这些步骤，除非接触或通路由与布线相同的金属如Al制成。这样的情况下，该方法简单地从步骤26跳到步骤29。
将意识到，上面已经提到的SiC只作为停止层材料的优选实例。依据用作等离子体蚀刻的气体混合物的特性，可考虑将其它的材料作为备选材料。尤其，停止层材料可在含硅和碳的材料的组中选择，例如，该组包括SiC、SiCN、SiBC、SiBCN及其组合。依据其特性，停止层材料可通过等离子淀积方法、溅射淀积方法(例如对于SiCN)、旋涂法或CVD方法(例如，对于SiC)在步骤23中淀积。
权利要求
1.一种在衬底(11)上制造金属互连结构的消去方法，包括以下步骤在衬底(11)上淀积(21)介电层(12)；在介电层上淀积(23)停止层(13)，该停止层和介电层相比显示出较低的蚀刻率；在停止层上淀积(29)金属层(15’)；在金属层上淀积第一抗蚀剂层(16)；根据第一希望的图案对第一抗蚀剂层构图(30)；和经由构图的第一抗蚀剂层蚀刻(31)金属层，同时停止于停止层上。
2.权利要求1的方法，在金属淀积(29)之前还包括步骤在停止层上淀积第二抗蚀剂层(14)；根据第二希望的图案对该抗蚀剂层构图(24)；经由构图的第二抗蚀剂层蚀刻(25)停止层；和蚀刻(26)介电层以形成接触孔或通路孔。
3.权利要求2的方法，其中经由构图的第二抗蚀剂层和构图的停止层进行介电层蚀刻。
4.权利要求2的方法，其中在去除残留的第二抗蚀剂层之后，通过使用构图的停止层作为硬掩模进行介电层的蚀刻。
5.权利要求2至4的任一项的方法，在金属淀积(29)之前还包括步骤用金属填充接触孔以形成接触(15)；和通过回蚀刻或化学机械抛光并使用构图的停止层作为停止层来平坦化该接触。
6.权利要求1至5中的任一项的方法，其中停止层材料选自包括SiC、SiCN、SiBC、SiBCN及其组合的组。
7.一种金属互连结构，包括衬底(11)；位于衬底上的介电层(12)；位于介电层上的用于金属蚀刻的停止层(13)，其和介电层相比较显示出较低的蚀刻率；位于停止层上的金属层(15’)；所述金属层根据第一希望的图案被构图。
8.权利要求7的金属互连结构，其中所述介电层和所述停止层都根据第二希望的图案被构图。
9.权利要求7和8的任一项的金属互连结构，其是通过权利要求1至6的任一项的方法获得。
10.权利要求7至9的任一项的金属互连结构，其中金属层材料是选自包括Al、W、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN及其组合的组中的至少一种金属。
11.权利要求8至10的任一项的金属互连结构，其中构图的介电层和构图的停止层限定了用金属填充的接触孔(15)。
12.权利要求11的金属互连结构，其中填充接触孔(15)的金属是选自包括Al、W、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN及其组合的组中的至少一种金属。
13.权利要求7至12的任一项的金属互连结构，其中停止层材料选自包括SiC、SiCN、SiBC、SiBCN及其组合的组。
14.一种半导体器件，包括根据权利要求7至13的任一项的互连结构。
15.一种集成电路芯片，包括根据权利要求7至13的任一项的互连结构。
16.一种电子装置，包括根据权利要求7至13的任一项的互连结构、根据权利要求14的半导体器件或根据权利要求15的集成电路芯片。
全文摘要
金属互连结构，包括衬底(11)，位于衬底上的介电层(12)，位于介电层上的用于金属蚀刻的停止层(13)，位于停止层上的金属层(15’)，所述金属层根据希望的图案被构图。
文档编号H01L21/768GK1748297SQ200480003589
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月3日 优先权日2003年2月7日
发明者M·布罗伊卡尔特, A·福图恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司