专利名称：使用双金属镶嵌工艺形成接触结构的方法
技术领域：
本发明涉及在集成电路中形成结构的方法，且更具体而言，涉及使用双金属镶嵌工艺在集成电路中形成结构的方法。
背景技术：
使用铜作为集成电路中互连的材料与比如铝或铝合金的其他类型的金属相比，提供了一些优点，比如低电阻率、集成电路中所使用的金属层的数量减小、和/或更好的可靠性。例如，图1是示出通过不同材料提供的集成电路中示范性栅延迟和典型互连延迟的曲线图。如图1所示，使用铜可以提供相对于其他类型的互连材料的相对低的互连延迟。
然而，例如图2A中所示，当通过常规的干法蚀刻形成时，在集成电路中使用铜作为互连可能被复杂化，其中光致抗蚀剂形成于金属层上且被蚀刻来提供如图2B所示的互连。相反，可以根据图3A-3C提供利用铜的金属镶嵌工艺。根据图3A-3C，蚀刻衬底来在其中提供沟槽，且然后在衬底上沉积铜来过度填充沟槽。然后多余的铜经历化学机械抛光(CMP)来提供图3C所示的铜互连。
使用铜作为互连可能需要随其使用更好的扩散阻挡层以及增加了铜可能污染被用于制造集成电路的其他步骤的可能性。
在图4A-4D中显示了使用铜作为互连的常规单金属镶嵌工艺。参考图4A，衬底400包括金属互连405的下层，和允许上面结构和金属互连405之间的电接触的通孔410。如图4B所示，可以在通孔410中沉积铜。如图4C所示，可以在通孔410的上方形成沟槽415，其可以使用常规的光刻和蚀刻技术形成。如图4D所示，再次在通孔410上的金属沟槽415中沉积铜来完成结构420，其提供了上面结构和金属互连405的下层之间的电接触。如图4A-4D所示，根据独立的单金属镶嵌步骤，可以用铜分别填充通孔410和沟槽415。
还已知使用双金属镶嵌工艺来制造比如图4A-4D所示的结构。具体而言，图5A-5E显示了通常被称为沟槽在先的双金属镶嵌的常规双金属镶嵌工艺。根据图5A，在上层510上沉积了光致抗蚀剂材料505，上层510在下层515上，且在其之间具有第一蚀刻停止层520。第二蚀刻停止层525位于下层515和包括下铜互连535的衬底530之间。
根据图5B，光致抗蚀剂505被用来构图和蚀刻上层510来形成暴露第一蚀刻停止层520的沟槽540，在其后去除了光致抗蚀剂505。根据图5C，在沟槽540中沉积了第二光致抗蚀剂材料545以在其中界定了开口547，通过该开口547构图了下层515以在沟槽540中形成了下通孔部分550，其暴露了第二蚀刻停止层525。根据图5D，去除了第二蚀刻停止层525。
如图5E所示，去除了第二光致抗蚀剂材料以界定开口，在开口中可以在通孔部分550和沟槽540中沉积铜来完成期望的结构。然后，如公知的，“沟槽在先”方法的缺点之一在于如果用来形成下通孔部分550的第二光致抗蚀剂材料在沟槽540中相对于铜互连535未对准，则可能减小了通孔的总尺寸，通过该通孔可以提供对于下铜互连535的电连接。
还公知一种通常被称为“通孔在先”双金属镶嵌工艺以产生上述的接触结构。如图6A-6E所示，通过首先形成通孔作为部分的下结构然后形成沟槽作为结构的上部分，可以形成接触结构。根据图6A，在上层610上形成了光致抗蚀剂605。第一蚀刻停止层620形成于上层610和下层615之间。第二蚀刻停止层625形成于衬底630中的下层615和铜互连635之间。
如图6B所示，使用光致抗蚀剂605作为掩模来蚀刻接触结构650的通孔部分，且在上层610上形成了第二光致抗蚀剂645来暴露通孔650，如图6C所示。根据图6D，使用第二光致抗蚀剂645作为蚀刻掩模来在通孔650上形成沟槽640，作为部分的接触结构，以提供如图6E所示的接触结构。与参考图5A-5E上述的“沟槽在先”双金属镶嵌结构不同，根据“通孔在先”双金属镶嵌工艺在通孔650上形成的沟槽640的未对准可能允许沟槽640的未对准，而且仍维持了通孔650的总尺寸。因此，有时“通孔在先”双金属镶嵌工艺优于上述的“沟槽在先”双金属镶嵌工艺。
双金属镶嵌工艺还例如在韩国专利申请KR2004-0058955、美国专利6,743,713和美国专利6,057,239中得到了讨论。
发明内容
根据本发明的实施例可以提供一种使用双金属镶嵌工艺在低k材料中形成接触结构的方法。与这些实施例相关，使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法可以包括使用灰化工艺从低k材料中的凹形去除材料，而且在凹形的整个侧壁上保持保护间隔物以覆盖凹形中的低k材料。
在根据本发明的一些实施例中，去除材料包括从凹形去除牺牲材料。在根据本发明的一些实施例中，去除材料除了从凹形内部去除牺牲材料以外还包括从凹形周围去除光致抗蚀剂材料。在根据本发明的一些实施例中，光致抗蚀剂材料和牺牲材料包括共同的材料。在根据本发明的一些实施例中，光致抗蚀剂材料和牺牲材料是有机聚合物。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物是氧化硅。在根据本发明的一些实施例中，低k材料是多孔SiCOH。
在根据本发明的一些实施例中，从凹形去除材料还包括使用蚀刻剂蚀刻材料来暴露凹形内的保护间隔物。在根据本发明的一些实施例中，蚀刻还包括使用O2和CO2、N2和H2、NH3和O2、NH3和N2或NH3和H2蚀刻材料。在根据本发明的一些实施例中，蚀刻在约10到约700mTorr的压力下进行。
在根据本发明的一些实施例中，该方法还包括在凹形上方形成沟槽且从侧壁去除保护间隔物。用铜填充凹形和沟槽。
在根据本发明的一些实施例中，使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法包括从低k材料去除牺牲材料，低k材料具有在其中的凹形，该凹形具有保护间隔物，且然后在凹形上方形成沟槽。然后去除侧壁间隔物。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物是氧化硅。在根据本发明的一些实施例中，低k材料是多孔SiCOH。
在根据本发明的一些实施例中，使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法包括在低k材料上形成硬掩模材料。通过硬掩模材料在低k材料中形成通孔。在通孔的侧壁上且在硬掩模材料上形成保护间隔物，其中保护间隔物具有相对于硬掩模材料的蚀刻选择性。在保护侧壁上的通孔中形成牺牲材料。在硬掩模材料上形成光致抗蚀剂材料，硬掩模材料包括在通孔上方的开口。从通孔内部去除光致抗蚀剂材料和牺牲材料而且避免从通孔内部去除保护间隔物。在通孔上方形成沟槽而且保持通孔的下部具有其上的保护间隔物。然后从通孔的下部去除保护间隔物。用铜填充通孔和沟槽。
在根据本发明的一些实施例中，在通孔上方形成沟槽包括蚀刻硬掩模材料以从低k材料的上表面和上表面下的低k材料的部分去除硬掩模材料以在低k材料中形成沟槽，而且在通孔的下部上保持保护间隔物。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物是氧化硅。在根据本发明的一些实施例中，低k材料是多孔SiCOH。
在根据本发明的一些实施例中，使用通孔在先双金属镶嵌工艺形成接触结构的方法包括在去除凹形内部的牺牲材料的过程中保持低k材料中的凹形的整个侧壁上的保护间隔物。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物是氧化硅。在根据本发明的一些实施例中，低k材料是多孔SiCOH。
图1是示出通过不同材料提供的集成电路中示范性栅延迟和典型互连延迟的曲线图；图2A-2B是示出使用常规的干法蚀刻形成通孔的剖面图；图3A-3C是示出常规的金属镶嵌工艺的剖面图；图4A-4D是示出常规的单一金属镶嵌工艺的剖面图；图5A-5E是示出常规的“沟槽在先”双金属镶嵌工艺的剖面图；图6A-6E是示出常规的“通孔在先”双金属镶嵌工艺的剖面图；图7A-7L是示出根据本发明的一些实施例的使用双金属镶嵌工艺形成接触结构的剖面图。
具体实施例方式
现将参考其中显示本发明的示范性实施例的附图在其后更加全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里阐释的示范性实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。在附图中，为了清晰夸大了层和区域的尺寸和相对尺寸。
可以理解当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接到”或“耦合到”另一元件或层时，它可以直接在其他元件或层上或连接到、耦合到另一元件或层，或者可以存在中间的元件或层。相反，当元件被称为“直接”在其他元件“上”、“直接连接到”和/或“直接耦合到”另一元件或层时，则没有中间元件或层存在。通篇相似的数字指示相似的元件。这里所用的术语“和/或”包括相关列举项目的一个或更多的任何和所有组合。
可以理解虽然术语第一、第二和第三可以用于此来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，这些元件、部件、区域、层和/或部分应不受这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与其他元件、部件、区域、层或部分。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离本发明的教导。
在这里为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征和其他元件或特征如图中所示的关系。可以理解空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外的装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的装置被翻转，被描述为在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件则应取向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。装置也可以有其它取向(旋转90度或其它取向)且相应地解释这里所使用的空间相对描述语。
这里所使用的术语是只为了描述特别的实施例的目的且不旨在限制本发明。如这里所用，单数形式也旨在包括复数形式，除非内容清楚地指示另外的意思。可以进一步理解当在此说明书中使用时术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排出存在或添加一个或更多其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其组。
参考横截面图示在这里描述了本发明的实施例，该图示是本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，本发明的实施例不应解释为限于这里所示的特别的区域形状，而是包括由于例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将通常具有修圆或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。相似地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区和通过其进行注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的且它们的形状不旨在示出器件区域的实际形状且不旨在限制本发明的范围，除非这里清楚地如此界定。
除非另有界定，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明属于的领域的普通技术人员共同理解的相同的意思。还可以理解诸如那些在共同使用的字典中定义的术语应解释为一种与在相关技术和本公开的背景中的它们的涵义一致的涵义，而不应解释为理想化或过度正式的意义，除非在这里明确地如此界定。
在根据本发明的一些实施例中，保留了形成于低k材料中的凹形中的保护间隔物，而去除了一种材料(比如凹形中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)。通过灰化工艺可以进行光致抗蚀剂和/或牺牲材料的去除，由此如果在凹形中没有保留保护间隔物，则低k材料可以被损伤。如这里详细所述，凹形可以提供利用双金属镶嵌工艺形成的“通孔在先”接触结构的下部。因此，在根据本发明的一些实施例中，可以形成沟槽以提供“通孔在先”双金属镶嵌工艺中的接触结构的上部分。可以通过使用在凹形外部的保护间隔物的剩余物作为蚀刻掩模来形成沟槽。因此，在根据本发明的一些实施例中，通过灰化工艺去除的材料可以在形成沟槽之前被去除，由此允许低k材料在灰化工艺中去除材料(例如通孔中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)的过程中由保护间隔物来保护。如这里所用，术语“灰化”指的是利用等离子体或紫外光产生的臭氧从半导体基板中去除比如光致抗蚀剂材料的材料。
图7A-7L是示出根据本发明的一些实施例利用“通孔在先”双金属工艺形成接触结构的方法的剖面图。根据图7A，下级铜互连705设置于衬底700中，衬底700在其上具有通孔蚀刻停止层702。在蚀刻停止层702上形成低k材料710、第一硬掩模层715和第二硬掩模层720。在低k材料710中以及在第一和第二硬掩模层715、720中形成了凹形725，以提供接触结构的下部分，作为部分的“通孔在先”双金属镶嵌工艺。在根据本发明的一些实施例中，基体的凹形尺寸大约为145nm。在根据本发明的一些实施例中，低k材料710可以为多孔SiCOH，第一硬掩模层715可以由SiCOH材料形成且第二硬掩模层720可以由TEOS材料形成。在根据本发明的一些实施例中，蚀刻停止层702可以由SiCNH形成。
根据图7B，在第二硬掩模层720的上表面上和凹形725的侧壁上，且具体而言在由低k材料710界定的凹形725的侧壁上形成了保护间隔物730。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物730由SiO2、TEOS、SiH4氧化物、OMCTS(八甲基环四硅氧烷)氧化物等形成。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物730具有相对于第一硬掩模层715的约6的蚀刻选择性。在根据本发明的一些实施例中，利用化学气相沉积或原子层沉积，保护间隔物730形成为约10埃到约500埃的厚度。
根据图7C，在保护间隔物730的上表面上形成了牺牲材料735且用来填充凹形725，在牺牲材料735上形成了掩模氧化层740。在根据本发明的一些实施例中，牺牲材料735可以为有机聚合物。在根据本发明的一些实施例中，掩模氧化层740可以为低温SiH4基氧化物，比如由SiH4和N2O的组合形成的材料。
根据图7D，在掩模氧化物层740上形成了抗反射涂层745，且在其上形成了光致抗蚀剂材料750，且将其构图以提供凹形725上方的开口755，凹形725用牺牲材料填充且在其上具有保护间隔物730。在根据本发明的一些实施例中，光致抗蚀剂材料750可以由有机聚合物形成，比如与用于形成凹形725中的牺牲材料735相同的有机聚合物。在根据本发明的一些实施例中，光致抗蚀剂材料750与牺牲材料735不同。
根据图7E，利用光致抗蚀剂材料750作为蚀刻掩模通过开口755蚀刻掩模氧化物740以暴露牺牲材料735。
根据图7F，图7E中在上所示所暴露的牺牲材料735进一步从凹形725内蚀刻，而且在凹形725的整个侧壁上保留保护间隔物730，由此允许在去除牺牲材料735的过程中保护低k材料。还可以理解，在根据本发明的一些实施例中，光致抗蚀剂材料750还与牺牲材料735一起去除，而且在凹形725的整个侧壁上保留保护间隔物730。在根据本发明的一些实施例中，干法蚀刻牺牲材料735和/或光致抗蚀剂材料750。
根据图7G，蚀刻继续，从而去除了位于凹形725外的保护间隔物730和第二硬掩模层720的部分，以暴露凹形725外的第一硬掩模层715的上表面。因此，在根据本发明的一些实施例中，第一硬掩模层715和保护间隔物730具有相对于彼此的蚀刻选择性。换言之，在根据本发明的一些实施例中，在蚀刻剂存在的情况下保护间隔物730可以被相对快速地蚀刻，而第一硬掩模层715在同一蚀刻剂存在的情形蚀刻相对小。在根据本发明的一些实施例中，保护间隔物730具有相对于第一硬掩模层715的约6的蚀刻选择性。在根据本发明的一些实施例中，利用Ar、N2和C4H8的混合物作为蚀刻剂在约45mT的压强下通过干法蚀刻，可以提供保护间隔物730和第二硬掩模层720的蚀刻。
根据图7H，从凹形725去除牺牲材料735，从而在凹形的基底725暴露蚀刻停止层702。参考图7F如上所述，蚀刻可以通过干法蚀刻进行。
根据图7I，可以使用第二硬掩模层720作为硬掩模来形成沟槽760，作为根据这里所述的“通孔在先”双金属镶嵌工艺的实施例形成的接触结构的上部分。根据图7J，去除了形成于接触结构的通孔部分内的低k材料710的侧壁上的保护间隔物730，且去除了蚀刻停止层702的暴露的部分以暴露下面的铜互连705。
根据图7K，在接触结构的通孔部分中和结构的沟槽部分中沉积铜材料765，由此如所示填充了通孔和沟槽。在根据本发明的一些实施例中，利用例如电镀形成了铜材料。具体而言，通过溅射可以首先形成籽层，其可以进行电镀以形成铜材料765。根据图7K和7L，使用CMP平面化铜材料765，以提供利用参考图7A-7K上述的“通孔在先”双金属镶嵌工艺的接触结构。如图7K所示，金属阻挡层771可以形成于铜材料765下。
如这里所述，在根据本发明的一些实施例中，保留了形成于低k材料中的凹形中的保护间隔物，而去除了一种材料(比如凹形中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)。通过灰化工艺可以进行光致抗蚀剂和/或牺牲材料的去除，由此如果在凹形中没有保留保护间隔物，则低k材料可以被损伤。如这里详细所述，凹形可以提供利用双金属镶嵌工艺形成的“通孔在先”接触结构的下部。因此，在根据本发明的一些实施例中，可以形成沟槽以提供“通孔在先”双金属镶嵌工艺中的接触结构的上部分。可以通过使用在凹形外部的保护间隔物的剩余物作为蚀刻掩模来形成沟槽。因此，在根据本发明的一些实施例中，通过灰化工艺去除的材料可以在形成沟槽之前被去除，由此允许低k材料在灰化工艺中去除材料(例如通孔中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)的过程中由保护间隔物来保护。
前述对于本发明是示例性的不应解释为对其的限制。虽然已经描述了该发明的一些示范性实施例，但是本领域的技术人员可以容易地理解在示范性实施例中许多修改是可能的，而不实质上背离本发明的新的教导和优点。因此，所有的这样的修改旨在被包括在如权利要求所界定的本发明的范围内。因此，可以理解前述对于本发明是示例性的不应解释限制于所披露的特定实施例，且对于所披露实施例的修改以及其他实施例旨在被包括在权利要求的范围内。本发明由权利要求所界定，在其上包括了权利要求的等同物。
权利要求
1.一种使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法，包括使用灰化工艺从低k材料中的凹形去除材料，而且在该凹形的整个侧壁上保持保护间隔物以覆盖该凹形中的低k材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中去除材料包括从该凹形去除牺牲材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其中去除材料还包括除了从该凹形内部去除该牺牲材料以外，从该凹形周围去除光致抗蚀剂材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该光致抗蚀剂材料和该牺牲材料包括共同的材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该光致抗蚀剂材料和牺牲材料包括有机聚合物。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该保护间隔物包括氧化硅。
7.根据权利要求1所述的方法，其中从该凹形去除材料还包括使用蚀刻剂蚀刻材料来暴露该凹形内的保护间隔物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该低k材料包括多孔SiCOH。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在该凹形上方形成沟槽；从该侧壁去除该保护间隔物；以及用铜填充该凹形和该沟槽。
10.一种使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法，包括从低k材料去除牺牲材料，该低k材料具有在其中的凹形，该凹形具有保护间隔物；且然后在该凹形上方形成沟槽；和去除该侧壁间隔物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该保护间隔物包括有机聚合物。
12.根据权利要求10所述的方法，其中去除牺牲材料还包括使用蚀刻剂蚀刻该牺牲材料来暴露该凹形内的保护间隔物。
13.根据权利要求10所述的方法，其中该保护间隔物包括氧化硅。
14.根据权利要求10所述的方法，其中该低k材料包括多孔SiCOH。
15.根据权利要求10所述的方法，其中形成沟槽包括使用蚀刻剂蚀刻该低k材料以形成该沟槽。
16.一种使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法，包括在低k材料上形成硬掩模材料；通过该硬掩模材料在该低k材料中形成通孔；在该通孔的侧壁上且在该硬掩模材料上形成保护间隔物，其中该保护间隔物具有相对于该硬掩模材料的蚀刻选择性；在该保护侧壁上的通孔中形成牺牲材料；在该硬掩模材料上形成光致抗蚀剂材料，该硬掩模材料在其中包括在通孔上方的开口；从该通孔内部去除该光致抗蚀剂材料和该牺牲材料，而且避免从该通孔内部去除该保护间隔物；在通孔上方形成沟槽，而且保持该通孔的下部具有其上的保护间隔物；从该通孔的下部去除该保护间隔物；和用铜填充该通孔和该沟槽。
17.根据权利要求16所述的方法，其中去除该光致抗蚀剂和该牺牲材料包括除了从该凹形内部去除该牺牲材料以外，从该凹形周围去除该光致抗蚀剂材料。
18.根据权利要求16所述的方法，其中该光致抗蚀剂材料和该牺牲材料包括共同的材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该光致抗蚀剂材料和牺牲材料包括有机聚合物。
20.根据权利要求16所述的方法，其中该保护间隔物包括氧化硅。
21.根据权利要求16所述的方法，其中该低k材料包括多孔SiCOH。
22.根据权利要求16所述的方法，其中在该通孔上方形成沟槽包括蚀刻该硬掩模材料以从该低k材料的上表面和该上表面下的低k材料的部分去除该硬掩模材料以在该低k材料中形成沟槽，而且在该通孔的下部上保持该保护间隔物。
23.一种使用通孔在先双金属镶嵌工艺形成接触结构的方法，包括在去除凹形内部的牺牲材料的过程中保持低k材料中的该凹形的整个侧壁上的保护间隔物。
24.根据权利要求23所述的方法，其中保持保护间隔物包括在去除该凹形内部的牺牲材料和从凹形外部去除光致抗蚀剂材料的过程中保持该低k材料中的该凹形的整个侧壁上的保护间隔物。
25.根据权利要求23所述的方法，其中该保护间隔物包括氧化硅。
26.根据权利要求23所述的方法，其中该低k材料包括多孔SiCOH。
全文摘要
本发明提供了一种使用双金属镶嵌工艺形成通孔的方法，包括使用灰化工艺从低k材料中的凹形去除材料，而且在凹形的整个侧壁上保持保护间隔物以覆盖凹形中的低k材料。
文档编号H01L21/02GK1976002SQ200610143580
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月9日 优先权日2005年11月9日
发明者金在鹤, 朴玩哉, 林义雄 申请人:三星电子株式会社, 国际商业机器公司