专利名称：使用保护薄膜来形成大马士革结构的方法
技术领域：
本发明涉及在半导体晶片上形成大马士革结构，并且特别地涉及在 蚀刻大马士革沟槽期间使用有机薄膜来保护底层电介质材料的方法。
背景技术：
在大马士革处理中，在电介质层内形成互连结构或布线图案。通过 使用公知的技术，用光刻胶材料来定义布线图案。已形成图案的光刻胶 充当掩模，通过该掩模经由诸如等离子体蚀刻或反应离子蚀刻之类的负 蚀刻过程去除电介质材料的图案。已蚀刻的开口被用以定义电介质层中 的布线图案。接着，使用诸如电镀、无电镀、化学汽相沉积、物理汽相
已知为平坦化的工艺使用化学机械抛光来去除过量的金属。
在单大马士革处理中，在电介质层中提供过孔开口并用导电金属填 充过孔开口 (其常被称为金属喷镀)以在布线级的各层之间提供电接触。 在双重大马士革处理中，用导电金属进行填充前在电介质层中同时提供 过孔开口和布线图案。针对每层继续进行大马士革处理，随后进行金属 喷镀，直到完成集成电路器件。
在大马士革结构的现有处理中，在电介质已经被蚀刻出来之后，使 用所谓的平坦化材料来填充过孔。平坦化材料在随后的光刻处理期间还 保护过孔。当前所使用的旋涂有机平坦化处理材料(保护材料)是可以
从JSR公司获得的NFC 1400。
然而，使用旋涂有机平坦化处理材料带来的问题是，在上述随后的 光刻处理期间，大马士革结构可变得过大、不够大或者不一致。下面描 述了使用旋涂有机平坦化处理材料时所固有的困难。
图1A到图1G描述了使用旋涂有机平坦化处理材料的大马士革结
构的常规处理。参考图1A,示出了准备用于大马士革结构的半导体结
构10。在处理的这个阶段，半导体结构10包括半导体晶片34、之前的 布线级(其包括电介质12、金属喷镀14和帽层18)、以及下一个布线 级(其从电介质16开始)。电介质16已经事先通过常规的光刻和蚀刻 处理在其中形成开口 20而准备好。
现在参考图1B,旋涂有机平坦化处理材料22被施加在开口 20内 和电介质16上，紧随其后的是硬掩模24 (经常是低温氧化物)和光刻 胶26。
在图1C中，光刻胶已经被常规地曝光及显影，随后是定义硬掩模 26以形成开口 28。
之后，如图1D中所示，在H2+02等离子体中进行旋涂有机平坦化 处理材料转移蚀刻，其去除旋涂有机平坦化处理材料22 —直到或是稍 微低于电介质12的表面30。
接着，半导体结构IO经过蚀刻以去除电介质16并扩大开口 28。通 过使用旋涂有机平坦化处理材料22A作为掩模，由诸如CF4、 C4F8、 NF3、 N2、 02、或NH3之类的化学制品的组合来蚀刻电介质16，而与此同时 从晶片中完全去除硬掩模层24以得到图1E中所示出的结构。注意，旋 涂有^L平坦化处理材料22此刻仍然残留在过孔里。
现在参考图IF,通过使用&+02等离子体来剥除残留的旋涂有机 平坦化处理材并+22、 22A。
最后，通过使用诸如CHF3、 A" 02、 N2之类的化学制品的组合来 打开帽层18，结果得到图1G中所示的半导体结构。
刚才所描述的半导体结构IO的处理是理想的结构。在现实中所出 现的结构常常大不相同。现在参考图2、图3和图4，在那里说明了在 图1D的旋涂有机平坦化处理材料转移蚀刻步骤中常常出现的实际情 况。在图2A中，旋涂有机平坦化处理材料转移蚀刻在36处产生了旋涂 有机平坦化处理材料的底切，结果得到如图2B中所示出的过大的临界 尺寸(CD)。
在图3A中，旋涂有机平坦化处理材料转移蚀刻没有在38处足够地 蚀刻旋涂有机平坦化处理材料，结果得到如在图3B中所示出的不够大
的CD。
在图4A中，旋涂有机平坦化处理材料转移蚀刻在40处产生了旋涂 有机平坦化处理材料的轮廓损害，结果导致如图4B中所示出的对半导 体结构10的轮廓损害。
考虑上述内容，理想地是有一种改进的处理，其中可以消除旋涂有 机平坦化处理材料转移蚀刻，从而得到的半导体结构不会具有过大的 CD、不够大的CD或轮廓损害。
因此，本发明的目的是提供一种处理，其中消除旋涂有机平坦化处 理材料转移蚀刻步骤以避免过大的CD、不够大的CD或轮廓损害。
本发明的另一目的是提供一种处理，其中消除旋涂有机平坦化处理 材料转移蚀刻以得到可制备性更高的半导体材料。
在结合附图参考本发明的以下描述之后，本发明的这些和其它目的 将变得更加清楚。
发明内容
根据本发明的第一方面提供一种用于在大马士革处理中形成特征 的方法来实现本发明的目的，该方法包括以下步骤 提供其上具有电介质层的半导体晶片； 在该电介质层中形成过孔；
在该电介质层上方施加一层高分子量聚合物，该高分子量层覆盖该 过孔但是不进入该过孔；
对该高分子量层施加光刻胶材料；
对该光刻胶材料进行构图以在该高分子量层的部分上方暴露开口 ； 通过该开口蚀刻该高分子量层和电介质层以形成沟槽；以及 从所述电介质材料中去除残留的光刻胶材料和高分子量层以在该
电介质材料中形成双重大马士革开口 。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于在大马士革处理中形成特 征的方法，该方法包括以下步骤
提供其上具有电介质层的半导体晶片； 在该电介质层中形成过孔；
在该电介质层上方施加一层高分子量聚合物，该高分子量层具有等 于或者大于该过孔的直径的聚合物线团直径； 对该高分子量层施加光刻胶材料；
对该光刻胶材料进行构图以在该高分子量层的部分上方暴露开口 ； 通过该开口蚀刻该高分子量层和电介质层以形成沟槽；以及 从该电介质材料中去除残留的光刻胶材料和高分子量层以在该电 介质材料中形成双重大马士革开口。
相信本发明的特征是新颖的并且在所附权利要求中特别地阐述了 本发明的基本特点。各附图只是用于说明的目的并且不是按比例绘制 的。然而，通过参考以下结合附图的详细描述可以在组织和操作方法方 面最好地理解本发明自身，。
图1A到图1G说明了用于通过使用保护材料来形成半导体结构的 理想化常^L处理；
图2A和图2B说明根据参考图1D所描述的产生过大的CD的转移 蚀刻处理而形成的实际结构和得到的光刻结构； '
图3A和图3B说明根据参考图1D所描述的产生不够大的CD的转 移蚀刻处理而形成的实际结构和得到的光刻结构；
图4A和图4B说明根据参考图1D所描述的产生轮廓损害的转移蚀 刻处理所形成的实际结构和得到的光刻结构；
图5A到图5E说明本发明的第一优选实施例，其中保护薄膜在形 成大马士革结构时被使用；
图6A到图6E说明本发明的第二优选实施例，其中保护薄膜在形 成大马士革结构时被使用；
图7是具有半径R的聚合物线团的示意性表示；
图8是说明根据本发明的方法的流程图。
具体实施例方式
现在参考图5A到图5C,将描述本发明的第一优选实施例。图5A 所示的半导体结构包括半导体晶片134、之前的布线级(其包括电介质 112、金属喷镀114和可选的帽层118)以及下一个布线级(其从电介质 116开始)。如图5A中所示，电介质116已经进行了常规的构图和蚀刻 以形成向下延伸到可选的帽层118的过孔130。
接着，如图5B中所示，优选地通过旋转涂敷来施加高分子量聚合 物136。该高分子量聚合物被这样选择以致它不进入过孔开口 130。换 言之，高分子量聚合物136敷在电介质116和过孔开口 130的顶部并且 没有部分或完全地填充过孔开口 130。聚合物具有旋转半径Rg,其与 N^和A成正比，其中N是链中单元的数目而A是聚合物的单元长度。 Rg可以用以下公式表示
Rg = <R2>l。/6=AN，6 (1)
如图7中所示，R是聚合物团的端到端距离。《^"是聚合物链的 端到端距离的均方根。对于随机盘绕的聚合物，聚合物的尺寸(线团的 直径)大约是Rg的两倍。然而，聚合物线团在旋转涂敷期间常常会变 得平一点，因此变平了的聚合物将在晶片表面展现出比球形线团的JL径 (2Rg)更大的直径(>2Rg)。同时，在垂直于晶片表面的方向上，聚 合物线团的高度将小于2Rg。被涂敷在衬底上的聚合物必须被如此选拷， 以致它具有大于过孔开口 130的直径的尺寸。例如，假设分子量大约为 5000的聚合物的Rg约是2nm。因此，被涂^:在晶片上的聚合物将在晶 片表面具有大约5nm的直径尺寸，而垂直于该表面的聚合物尺寸将约 是3nm。因为聚合物的线团尺寸与分子量(或N，单元的数目)成正比， 因此具有约为500000的分子量的聚合物将具有大约20nm的Rg并且在 衬底的表面上具有大约50nm的聚合物线团尺寸。因此，为了阻止聚合 物进入或填充50nm的过孔开口，聚合物应当具有至少500000的分子
某种程度的纠缠，所以上述近似只是对分子量的粗略估计。在聚合物溶
液中，聚合物链可被自由地延伸。为了阻止聚合物填充孔，除了选择高 分子量聚合物以外优选的是选择较高粘性的聚合物溶液并使用将使聚 合物维持在线团状态的溶剂。
适用于本发明的某些聚合物包括但不限于聚丙烯酸酯、聚曱基丙 烯酸酯、取代的和未取代的聚苯乙烯、取代的和未取代的聚乙烯基萘、 取代的和未取代的聚乙烯基蒽、环状烯经聚合物、环状烯烃和顺丁烯 二酐共聚物、含顺丁烯二酐的共聚物、取代的和未取代的聚噻吩、取代 的和未取代的聚苯胺、聚酯、聚苊、和酚醛清漆。如果抗反射的性质 对于反射控制是期望的，则可以通过添加吸收化合物来将吸收功能并入
'高分子量聚合物溶液或者该功能可以被移植到聚合物链上。用于248nm 的暴露系统的典型吸收功能组是取代或未取代的蒽。用于193nm的暴 露系统的典型吸收功能组是取代的或未取代的苯。高分子量合成物还可 包含交联剂以交联高分子量层，用于阻止高分子量层与有机ARC (抗 反射化合物)层、Si-ARC层或光刻胶层的之间的混杂。合适的有机交 联剂包括但不限于含胺化合物、含环氧树脂化合物、包含至少两个或 多个乙烯基蚀刻组的化合物、烯丙基取代的芳烃化合物、包含两个或多 个二氮杂萘醌磺酸酯组的化合物以及它们的组合。优选的交联剂是诸如 可以从Cytec Industries公司获得的商标为POWDERLINK的四曱氧基甲 基甘脲、曱基丙基四曱氧基甲基甘脲和甲基苯基四曱氧基甲基甘脲之类 的甘脲化合物。其它优选的交联剂包括2， 6-二(羟甲基)-对苯酚。 所展示的一个例子是来自Aldrich的具有分子量大约为IOO，OOO到 500,000的正丁醇处理的聚(乙烯和马来酸酐)。所述聚(乙烯和马来 酸酐)被在高温处用正丁醇进行处理以打开环，同时增加分子量并变得 可溶于酒精。粘性溶液用4 -曱基-2 -戊醇稀释以形成大约10%的溶 液。聚合物溶液被旋转涂敷并烘烤在包含不同尺寸的过孔的晶片上。在 70nm尺寸处没有发现过孔的填充。
如果需要，可通过溶剂剥除或干化学蚀刻(例如CF4和0J来打薄 高分子量聚合物136 。可能期望打薄是因为高分子量和高粘性溶液可能 使已涂敷的薄膜太厚，从而使得它不适用于整个处理。接着，硬掩模层
124可被施加到高分子量聚合物136上。硬掩模层124可能是诸如CVD 氧化物或SiARC之类的低温氧化物，SiARC是包括含Si聚合物的抗反 射化合物。最后，光刻胶126被施加并且被按照常规地进行构图以用于 沟槽的蚀刻。在图5C中示出了迄今结果得到的结构。
现在参考图5D,常规地蚀刻沟槽142,留下一些残留的高分子量聚 合物136。使用诸如H2+02等离子体之类的干蚀刻来去除该残留的高分 子量聚合物136。沟槽142的中心完全没有硬掩模124和高分子量聚合 物136。
最后，如图5E中所示，通过诸如CF4、 F3、 NF3、 Ar、 02、 N2、 or NH3之类的常规蚀刻方法在过孔开口 130中打开了可选的帽层118。 在处理的这个点处，产品物件100将被传送供进一步处理。 本发明的一优点是垂直表面138将被形成在硬掩模124和高分子量 聚合物136上，该高分子量聚合物136接着被转移进沟槽142。同样， 高分子量聚合物136在形成沟槽期间保护位于下面的过孔开口 130并且
5B中所示出的半导体结构100与图2到图4中所示出的半导体结构10 进行比较以理解本发明的优点。在常规处理中，在完成沟槽蚀刻之后， 需要在去除帽层18之前去除过孔内所有剩余的有机平坦化处理材料 22。去除剩余的有机平坦化处理材料22将产生如图2B、 3B和4B所示 的非期望的蚀刻轮廓。因为根据本发明高分子量聚合物将不进入过孔， 所以将不需要去除它来蚀刻帽层18 。可以在沟槽蚀刻之后立即执行帽层 蚀刻。金属喷镀14 一直被帽层118保护直到沟槽蚀刻完成后为止。一 种高蚀刻选择性帽层材料对于如图5A到5E中所示出的本发明的第一 实施例来说是必要的，目的是在沟槽蚀刻处理中保护金属喷镀14。
现在参考图6A到图6E,那里说明了本发明的第二优选的实施例。 本发明的第二优选实施例与图5A到图5E中所示的本发明第一优选实 施例相类似，除了本发明第二优选实施例在过孔开口里包括在过孔蚀刻 和沟槽蚀刻期间保护下面的帽层118的保护衬垫。图6A基本与图5A 相同。在图6B中，通过常规方法将保护衬垫144 (优选地是CVD氧化
物或CVD氮化物)匀厚地沉积在过孔开口 130里。在那以后，沉积高 分子量聚合物136。再次，该高分子量聚合物被这样选择以致它不进入 或者换句话i兌不部分或全部:l也填充过孔开口 130。
接着，如图6C中所示出，高分子量聚合物层被可选地打薄，随后 沉积硬掩才莫124和经过构图的光刻胶126。
沟槽142被如图6D所示地蚀刻，其去除在电介质材料116上的保 护村垫144但是不牵动过孔开口 130内的保护衬垫144。
最后，如图6E中所示出，通过诸如CF4之类的干蚀刻去除保护衬 垫116,并且通过常^L蚀刻方法在过孔开口 130中打开可选的帽层118。
图8中说明了本发明的方法。收到用于进行大马士革处理的半导体 晶片并且处理中的第一步骤是如步骤150所表示的对该半导体晶片上 的电介质材料进行构图。
根据本发明的一个实施例，如步骤152表示，可选的保护衬垫被匀 厚地施加到至少过孔开口 130里但是常常是在整个晶片上。
在下一个步骤中(即步骤154,其在使用了可选步骤152的条件下 可发生在步骤152之后，否则在步骤150之后)，高分子量聚合物被施 加到该半导体晶片上。该高分子量聚合物被如此选择以致它不进入过孔 开口 130。换言之，该高分子量聚合物没有部分或全部填充过孔开口 130。
如果需要，可通过步骤156打薄该高分子量聚合物。如果不需要打 薄该高分子量聚合物，则可跳过这个步骤而处理可直接前进到步骤158。
在步骤158中，沟槽被蚀刻以形成沟槽图案。
之后，如步骤160所表示，如果存在高分子量聚合物和保护衬垫， 就去除它们，并且如果存在帽层，就打开它。
最终，该半导体晶片被送往步骤162所表示的进一步处理。
对于本公开的领域的普通技术人员很明显的是，除了这里所特别地 描述的那些实施例以外，可以对本发明作出其它修改而不会偏离本发明 的精神。因此，这种修改被认为是在由所附权利要求唯一地限制的本发 明的范围内。
权利要求
1.一种用于在大马士革处理中形成特征的方法，所述方法包括步骤(a)提供其上具有电介质层的半导体晶片；(b)在所述电介质层中形成过孔；(c)在所述电介质层上方施加一高分子量聚合物层，所述高分子量层覆盖所述过孔但是不进入所述过孔；(d)对所述高分子量层施加光刻胶材料；(e)对所述光刻胶材料进行构图以在所述高分子量层的部分上方暴露开口；(f)通过所述开口蚀刻所述高分子量层和电介质层以形成沟槽；以及(g)从所述电介质材料去除残留的光刻胶和高分子量层以在所述电介质材料中形成双大马士革开口。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述电介质层下面存在帽 层并且还包括从所述电介质层中的开口去除帽层的步骤(h)。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述高分子量层包括从包括 以下成分的组中所选择的材料聚丙烯酸酯、聚曱基丙烯酸酯、取代的和未取代的聚苯乙烯、取代 的和未取代的聚乙烯基萘、取代的和未取代的聚乙烯基蒽、环状烯烃聚 合物、环状烯烃和顺丁烯二酐共聚物、含顺丁烯二酐和亚烃基共聚物、 取代的和未取代的聚p塞吩、取代的和未取代的聚苯胺、聚酯、聚苊、酚 醛清漆和稠合芳香族酚醛清漆。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述高分子量层的聚合物线 团直径等于或者大于所述过孔的直径。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(b)和步骤(c) 之间的施加保护衬垫到所述电介质材料，包括在所述过孔中的步骤。
6. 根据权利要求5所述的方法，还包括在步骤(f)和步骤(g)之间的去除所述保护衬垫的步骤。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中步骤(g)还包括去除所述保 护斗于垫。
8. 根据权利要求5所述的方法，其中所述保护衬垫包括通过化学 汽相沉积法所沉积的氧化物。
9. 根据权利要求2所述的方法，其中在步骤(h)中通过使用等离 子体进行剥除来进行去除。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述等离子体是H2+02等离 子体。
11. 根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(c)和(d)之间 的打薄所述高分子量聚合物的步骤。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述打薄步骤是通过施加 溶剂到所述高分子量聚合物来进行的。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中所述打薄步骤是通过施加 干蚀刻到所述高分子量聚合物来进行的。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述干蚀刻是CF4+02气体。
15. —种用于在大马士革处理中形成特征的方法，所述方法包括步骤(a) 提供其上具有电介质层的半导体晶片；(b) 在所述电介质层中形成过孔；(c) 在所述电介质层上方施加一高分子量聚合物层，所述高分子(d) 对所述高分子量聚合物层施加光刻胶材料；(e) 对所述光刻胶材料进行构图以在所述高分子量层的部分上方 暴露开口；(f) 通过所述开口蚀刻所述高分子量层和电介质层以形成沟槽；以及(g) 从所述电介质材料去除残留的光刻胶和高分子量层以在所述 电介质材料中形成双大马士革开口。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述高分子量层包括从包括以下成分的组中所选择的材料聚丙烯酸酯、聚曱基丙烯酸酯、取代的和未取代的聚苯乙烯、取代 的和未取代的聚乙烯基萘、取代的和未取代的聚乙烯基蒽、环状烯烃聚 合物、环状烯烃和顺丁烯二酐共聚物、含顺丁烯二酐和亚烃基共聚物、 取代的和未取代的聚漆吩、取代的和未取代的聚苯胺、聚酯、聚苊、酚 醛清漆和稠合芳香族酚醛清漆。
17. 根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(b)和步骤(c) 之间的施加保护衬垫到所述电介质材料且施加保护衬垫到所述过孔里 的步骤。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括在步骤(f)和步骤(g) 之间的去除所述保护衬垫的步骤。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中步骤(g)还包括去除所述 保护衬垫。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中所述保护衬垫包括通过化 学汽相沉积法所沉积的氧化物。
全文摘要
公开了一种用于在大马士革处理中形成特征的方法。根据该方法，在电介质层形成过孔并且接着用一高分子量聚合物层来覆盖该过孔。该高分子量聚合物覆盖该过孔但是不进入过孔。接着一沟槽被蚀刻穿过该高分子量聚合物和电介质层。接着，去除任何剩余的高分子量聚合物。
文档编号H01L21/768GK101207073SQ20071017022
公开日2008年6月25日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年12月22日
发明者李伟健, 黄武松 申请人:国际商业机器公司