专利名称：一种铜互连技术大马士革制造工艺中的通孔处理方法
技术领域：
本发明属集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种铜互连技术大马士革制造工艺中的通孔处理方法，适用于深亚微米/微米集成电路制造工艺技术。
背景技术：
伴随集成电路制造工艺的不断进步，半导体器件的体积正变得越来越小，使得金属之间的寄生电容也越来越大，对于微处理器，芯片速度的限制主要由镀层中的电阻和寄生电容产生。其结果电阻-电容时间延迟、讯号间的相互干扰及其能量损耗等问题日益突出，为了解决电阻-电容时间延迟的问题，产业内一直使用符合IC工艺的低介电材料(介电常数2.0到4.0)，使多重金属内连线之间的介电层的介电常数比硅更低的，从而降低寄生电容；而在电阻方面，在过去的30年中，半导体工业界都是以铝作为连接器件的材料，但随着芯片的缩小，工业界需要更细，更薄的连接，而且铝的高电阻特性也越来越难以符合需求。而且在高密度特大规模集成电路的情况下，高电阻容易造成电子发生“跳线”，导致附近的器件产生错误的开关状态。也就是说，以铝作为导线的芯片可能产生无法预测的运作情况，同时稳定性也较差。在如此细微的电路上，使用低电阻的铜金属导线金属互联工艺取代原先的铝工艺，铜的传输信号速度比铝更快、而且也更加稳定。
多层连线电容的计算公式
C=2(C1+Cv)=2kϵ0LTW(1W2+1T2)]]>(公式1)其中，(k为介电常数)由公式1可见，介电常数越低，电容越小。多层连线电阻-电容时间延迟计算公式RCdelay=2ρkϵ0L2(1W2+1T2)]]>(公式2)其中，(k为介电常数；ρ为金属电阻率)由公式2可见，介电常数越低，电阻越小，多层连线电阻-电容时间延迟也越短。
传统集成电路的金属连线是以金属层的刻蚀方式来制作金属导线，然后进行介电层的填充、介电层的化学机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。但当金属导线的材料由铝转换成电阻更低的铜的时候，由于铜的干刻较为困难，因此新的镶嵌技术对铜的制程来说就极为必须。
镶嵌技术又称为大马士革工艺，字源来自以镶嵌技术闻名于世的叙利亚城市大马士革，早在2500年前在那里所铸造的刀剑，就已经使用这项技术来锻造。镶嵌技术是首先在介电层上刻蚀金属导线用的图形，然后再填充金属，再对金属进行金属机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。镶嵌技术的最主要特点是不需要进行金属层的刻蚀工艺，这对铜工艺的推广和应用极为重要。
集成电路制造技术已经跨入130纳米的时代。目前的绝大多数铜布线处于180到130纳米工艺阶段，约40％的逻辑电路生产线会用到铜布线工艺。到了90纳米工艺阶段，则有90％的半导体生产线采用铜布线工艺。采用铜化学机械抛光(Cu-CMP)的大马士革工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到IC制造中的铜图形化工艺。大马士革互连技术是将通孔以及金属导线结合一起，如此只需一道金属填充步骤，可简化制程，不过大马士革结构的制作也相应复杂，困难。常用方法一般有1、全通孔优先法(Full VIA First)；2、半通孔优先法(Partial VIA First)；3、金属导线优先法(Full Trench First)；4、自对准法(Self-alignment method)等几种。上述几种方法都各自存在着优势和不足，加以评估改进后，目前全通孔优先法(Full VIA First)在工业界应用最为广泛。全通孔优先法(Full VIA First)这种工艺没有对准问题，没有通孔失效问题且工艺窗口较大，使用这项技术，业界通常采用填充材料进行通孔填充，随后使用干法回刻技术移除大马士革绝缘材料表面的多余的填充材料，从而进行下一步金属导线槽的操作。但是由于低介电材料的引入，干法刻蚀技术无疑会导致材料的损伤，进而影响绝缘材料的低介电常数的特性，这一直是困扰业界的难题。而且随着工艺的不断前进，这个问题也越加敏感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜互连技术大马士革制造工艺中的通孔处理方法，使用一种可溶于显影液的大马士革通孔填充材料，采用1～3次涂布、1～3次烘烤实现铜互连技术的大马士革通孔填充，并且依靠1～3次显影工艺，移除表面多余的填充材料，取代业界普遍使用的通孔填充材料回刻技术。
本发明通过以下的技术方案实现，一种铜互连技术大马士革制造工艺中的通孔处理方法，通孔填充材料采用可溶于显影液的材料。
所述通孔填充材料为包括A、B、C、D的混合材料，其中，A为酮类或醚类或烷烃类有机溶剂；B为酮类或醚类或烷烃类抗反射吸收材料；C为硫化类有机基团或卤素类有机基团，其可与标准四甲基氢氧化铵显影液反应；D为包括含氢、氮、碳、氧元素的有机基团交联树脂，各元素的质量百分比为1％wt～40％wt∶1％wt～60％wt∶10％wt～80％wt∶20％wt～80％wt；A、B、C、D混合材料的填充材料含量比例，即A∶B∶C∶D的质量百分比为30％wt～50％wt∶1％wt～5％wt∶1％wt～5％wt∶40％wt～80％wt，填充材料分子量在1000到50000之间，其折射率在1.0到3.0之间，其消光系数在0.1到3.0之间。
所述通孔填充材料采用1～3次涂布，1～3次烘烤实现铜互连技术的大马士革通孔填充，通过1～3次显影工艺，移除介质膜表面多余的填充材料，最后通过光刻、刻蚀、清洗工艺完成大马士革图形制造。
所述的可溶于显影液的通孔填充材料的每次涂布剂量为0.5毫升到5毫升之间，涂布次数为1到3次，烘烤温度为60摄氏度到250摄氏度，烘烤次数为1到3次，烘烤时间为10秒到120秒之间。
通过显影移除可溶于显影液的通孔填充材料，每次的显影液使用量为1毫升到100毫升之间，显影次数为1到3次，显影液的温度为10摄氏度到30摄氏度，显影浸泡时间为10秒到120秒，随后使用去离子水冲洗硅片表面移除显影液，冲洗时间为10秒到120秒。
所述的显影工艺与去离子水冲洗硅片表面的先后顺序为，第一次显影、第一次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第二次显影、第一次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第二次显影、第一次去离子水冲洗、第三次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第三次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第二次去离子水冲洗、第三次显影、第三次去离子水冲洗。
针对现有技术的诸多不足，本发明通过创新性地使用一种可溶于显影液的通孔填充材料，采用1～3次涂布、1～3次烘烤实现铜互连技术的大马士革通孔填充，并且依靠1～3次显影工艺，移除表面多余的填充材料，取代业界普遍使用的通孔填充材料回刻技术，大大减少了刻蚀对绝缘介质的损伤，进一步提高绝缘材料的电学表现。
图1.完成大马士革通孔制造工艺后的剖面图；图2.使用可溶于显影液的填充材料完成通孔填充工艺后的剖面图；图3.使用显影液移除表面多余的填充材料后的剖面图。
标号说明1为大马士革金属绝缘层；2为大马士革顶部绝缘层；3为大马士革底部刻蚀停止层；4为可溶于显影液的通孔填充材料。
具体实施例方式
一种用于铜互连技术的大马士革制造工艺，包括如下步骤a、淀积大马士革结构的绝缘介质层；请参阅图1，本发明淀积大马士革结构的绝缘介质层中，其中底部刻蚀停止层3厚度为50纳米、金属绝缘层1厚度为900纳米、顶部绝缘层2厚度为50纳米。
b、使用光刻、刻蚀、清洗工艺，得到大马士革通孔；
c、将可溶于显影液的通孔填充材料通过1～3次涂布、1～3次烘烤，填满通孔，完成大马士革的通孔填充；通孔填充材料采用可溶于显影液的材料，在本实施例中，通孔填充材料为包括A、B、C、D的混合材料，其中，A为酮类或醚类或烷烃类有机溶剂；B为酮类或醚类或烷烃类抗反射吸收材料；C为硫化类有机基团或卤素类有机基团，其可与标准四甲基氢氧化铵显影液反应；D为包括含氢、氮、碳、氧元素的有机基团交联树脂，其中，各元素的质量百分比为40％wt∶20％wt∶35％wt∶5％wt。A、B、C、D混合材料的填充材料含量比例，即A∶B∶C∶D的质量百分比为30％wt∶5％wt∶5％wt∶60％wt。
请参阅图2，在本实施例中，可溶于显影液的通孔填充材料4涂布剂量为0.5ml、采用1次涂布和1次烘烤，烘烤温度为220摄氏度，烘烤时间为120秒，使填充材料4填满通孔，完成大马士革的通孔填充。其中，填充材料4分子量在1000到50000之间，其折射率在1.0到3.0之间，其消光系数在0.1到3.0之间。
d、进行1～3次显影工艺，目标移除介质膜表面的通孔填充材料；通过显影移除可溶于显影液的通孔填充材料，每次的显影液使用量为1毫升到100毫升之间，显影次数为1到3次，显影液的温度为10摄氏度到30摄氏度，显影浸泡时间为10秒到120秒，随后使用去离子水冲洗硅片表面移除显影液，冲洗时间为10秒到120秒。
所述的显影工艺与去离子水冲洗硅片表面的先后顺序为，第一次显影、第一次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第二次显影、第一次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第二次显影、第一次去离子水冲洗、第三次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第三次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第二次去离子水冲洗、第三次显影、第三次去离子水冲洗。
请参阅图3，在本实施例中，采用1次显影工艺，显影液使用量为10毫升，显影液的温度为25摄氏度，显影浸泡时间为60秒，随后采用第一次显影、第一次去离子水冲洗方式，使用去离子水冲洗硅片表面移除显影液，冲洗的时间为120秒，目标移除介质膜表面的通孔填充材料，得到图3所示效果。
e、使用光刻、刻蚀、清洗工艺，得到大马士革金属导线槽，进而完成大马士革图形制造。
上述工艺中，在各所选择的不同参数条件下，均获得良好的结果。
虽然已公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将会意识到，在不背离本发明权利要求书中公开范围的情况下，任何各种修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种铜互连技术大马士革制造工艺中的通孔处理方法，其特征在于通孔填充材料采用可溶于显影液的材料。
2.根据权利要求1所述的通孔处理方法，其特征在于所述通孔填充材料为包括A、B、C、D的混合材料，其中，A为酮类或醚类或烷烃类有机溶剂；B为酮类或醚类或烷烃类抗反射吸收材料；C为硫化类有机基团或卤素类有机基团，其可与标准四甲基氢氧化铵显影液反应；D为含有氢、氮、碳、氧元素的机基团交联树脂，各元素的质量百分比为1％wt～40％wt∶1％wt～60％wt∶10％wt～80％wt∶20％wt～80％wt；A、B、C、D混合材料的填充材料含量比例，即A∶B∶C∶D的质量百分比为30％wt～50％wt∶1％wt～5％wt∶1％wt～5％wt∶40％wt～80％wt，填充材料分子量在1000到50000之间，其折射率在1.0到3.0之间，其消光系数在0.1到3.0之间。
3.根据权利要求1、2所述的通孔处理方法，其特征在于所述通孔填充材料采用1～3次涂布，1～3次烘烤实现铜互连技术的大马士革通孔填充，通过1～3次显影工艺，移除介质膜表面多余的填充材料，最后通过光刻、刻蚀、清洗工艺完成大马士革图形制造。
4.根据权利要求1或2所述的通孔处理方法，其特征在于所述的可溶于显影液的通孔填充材料的每次涂布剂量为0.5毫升到5毫升之间，涂布次数为1到3次，烘烤温度为60摄氏度到250摄氏度，烘烤次数为1到3次，烘烤时间为10秒到120秒之间。
5.根据权利要求3所述的通孔处理方法，其特征在于通过显影移除可溶于显影液的通孔填充材料，每次的显影液使用量为1毫升到100毫升之间，显影次数为1到3次，显影液的温度为10摄氏度到30摄氏度，显影浸泡时间为10秒到120秒，随后使用去离子水冲洗硅片表面移除显影液，冲洗时间为10秒到120秒。
6.根据权利要求5所述的通孔处理方法，其特征在于所述的显影工艺与去离子水冲洗硅片表面的先后顺序为，第一次显影、第一次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第二次显影、第一次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第二次显影、第一次去离子水冲洗、第三次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第三次显影、第二次去离子水冲洗；或者，第一次显影、第一次去离子水冲洗、第二次显影、第二次去离子水冲洗、第三次显影、第三次去离子水冲洗。
全文摘要
本发明公开了一种铜互连技术大马士革制造工艺中的通孔处理方法，使用可溶于显影液的通孔填充材料采用1～3次涂布、1～3次烘烤实现铜互连技术的大马士革通孔填充；然后通过1～3次显影工艺，移除介质膜表面多余的填充材料；最后通过光刻、刻蚀、清洗工艺完成大马士革图形制造。本发明可取代业界普遍使用的通孔填充材料回刻技术，大大减少了刻蚀对绝缘介质的损伤，进一步提高绝缘材料的电学表现。
文档编号H01L21/768GK1988131SQ20061014771
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者朱骏 申请人:上海集成电路研发中心有限公司