专利名称：沟槽间形成孔洞的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造技术，特别涉及一种沟槽间形成孔洞的方法。
背景技术：
目前，随着集成电路的不断发展，后段金属互连层的层数越来越密集，为了降低整个集成电路(IC)的电阻电容(RC)延迟，提高器件的电学性能，现有技术提供了一种沟槽间形成孔洞的方法:步骤11、请参阅图la，预先提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层101和层间介质层(Inter-layer dielectric, ILD) 102 ;对层间介质层102进行刻蚀，刻蚀停止在第一刻蚀终止层101上形成沟槽，并在沟槽内填充金属铜103形成当层金属互连层；层间介质层一般采用低介电常数(Low-K)绝缘材料层，例如含有硅、氧、碳、氢元素的类似氧化物(Oxide)的黑钻石(black diamond, BD)材料、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)或氟化玻璃(FSG)等；步骤12、请参阅图lb，在形成的当层金属互连层表面沉积第二刻蚀终止层104 ；步骤13、请参阅图lc，在第二刻蚀终止层104表面形成图案化的光阻胶层105，所述图案化的光阻胶层的开口内包括预定区域金属铜及金属铜间的层间介质层；其中，光阻胶层的开口 一般选择在沟槽比较密集的区域。步骤14、请参阅图ld，以图案化的光阻胶层105为掩膜，刻蚀第二刻蚀终止层104 ；步骤15、请参阅图le，以第二刻蚀终止层104为掩膜，刻蚀金属铜间的层间介质层102至第一刻蚀终止层101表面，在金属铜103间形成多个孔洞106。孔洞内充满了空气，空气的介电常数为I，而FSG和USG的介电常数大于3，BD的介电常数为2.7 3，从介电常数的比较可以看出，孔洞的形成使得层间介质层的整体介电常数下降。需要注意的是，在步骤15之后需要沉积下层的刻蚀终止层及下层的层间介质层，并在其上形成连接孔，连接孔与当层金属互连层的金属铜电性连接。虽然上述方法达到了降低集成电路RC延迟的目的，但是由于工艺制程本身的限制，对于关键尺寸(CD)较小的半导体器件来说，金属铜之间的间隔(space)较小，下层的连接孔很容易对不准当层金属铜，而与旁边的孔洞连通，下层的连接孔内填充的金属铜落进孔洞内，造成器件的短路问题。因此，对于小尺寸半导体器件来说，如何增大金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口，成为业内需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是:如何增大金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口。为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的:本发明提供了一种沟槽间形成孔洞的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括:预先提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和第一聚合物层；在第一聚合物层的表面形成图案化的第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层所覆盖区域定义沟槽的关键尺寸CD ;以图案化的第一光阻胶层为掩膜，刻蚀第一聚合物层至显露出第一刻蚀终止层；在第一刻蚀终止层及刻蚀后的第一聚合物层表面依次沉积介电层和牺牲层；化学机械研磨牺牲层和介电层至显露出第一聚合物层；热分解去除第一聚合物层形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层；在沟槽内填充金属铜；沉积第二刻蚀终止层；在第二刻蚀终止层表面形成图案化的第二光阻胶层，所述图案化的第二光阻胶层的开口对应预定区域牺牲层；以图案化的第二光阻胶层为掩膜，刻蚀第二刻蚀终止层；去除牺牲层，形成沟槽间的孔洞。所述介电层厚度20 200埃。所述介电层的介电常数为2 3。所述介电层为碳氧化硅SiOC层、二氧化硅SiO2层或碳氮化硅SiNC层。形成沟槽间的孔洞之后，该方法进一步包括依次沉积下层的刻蚀终止层和下层的层间介质层。本发明还提供了一种沟槽间形成孔洞的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括:预先提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和第一聚合物层；在第一聚合物层的表面形成图案化的第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层所覆盖区域定义沟槽的关键尺寸CD ;以图案化的第一光阻胶层为掩膜，刻蚀第一聚合物层至显露出第一刻蚀终止层；在第一刻蚀终止层及刻蚀后的第一聚合物层表面依次沉积介电层和第二聚合物层；化学机械研磨第二聚合物层和介电层至显露出第一聚合物层；热分解去除第一聚合物层形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层；在沟槽内填充金属铜；沉积有孔盖层cap layer ；透过有孔盖层热分解去除第二聚合物层，形成沟槽间的孔洞。所述第二聚合物层的热分解温度高于第一聚合物层40 50摄氏度。所述介电层厚度20 200埃。所述介电层的介电常数为2 3。所述介电层为碳氧化硅SiOC层、二氧化硅SiO2层或碳氮化硅SiNC层。由上述的技术方案可见，本发明加入的介电层位于金属铜的侧壁，增大了金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口，对于尺寸较小的半导体器件来说，也能够实现下层的连接孔与当层金属铜对准。而且，与现有技术中孔洞旁边只有金属铜相比，本发明金属铜侧壁设有介电层，介电层和金属铜共同支撑下层的刻蚀终止层及下层的层间介质层，机械稳定性更高，下层的刻蚀终止层及下层的层间介质层更不容易坍塌落进孔洞内。
图1a至图1e为现有技术沟槽间形成孔洞的方法的具体剖面示意图。图2为本发明第一实施例沟槽间形成孔洞的方法的流程示意图。图2a至图2g为本发明第一实施例沟槽间形成孔洞的方法的具体剖面示意图。图2h为本发明第一实施例在当层金属互连层表面沉积有下层刻蚀终止层和下层层间介质层的剖面结构示意图。图3为本发明第二实施例沟槽间形成孔洞的方法的流程示意图。图3a至图3g为本发明第二实施例沟槽间形成孔洞的方法的具体剖面示意图。图3h为本发明第二实施例在当层金属互连层表面沉积有下层刻蚀终止层和下层层间介质层的剖面结构示意图。图4为在图2h或者3h中形成下层的连接孔后的俯视示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。本发明的核心思想是在金属铜侧壁加入介电层，不但增大了金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口，而且增加了沉积下层刻蚀终止层及下层层间介质层的机械稳定性。进一步地，本发明采用了不同于现有技术刻蚀沟槽的方法，而是像形成光栅一样定义第一聚合物层的CD，然后再将第一聚合物层热分解掉形成沟槽，这样形成沟槽简单易实现，曝光第一光阻胶层的尺寸容易控制，而且这样形成的沟槽不存在刻蚀层间介质层的过程，不会带来层间介质层K值升高的问题，同时介电层的介电常数很低，确保不会因为介电层的引入带来K值升高的问题。本发明通过两个实施例说明沟槽间形成孔洞的方法。本发明第一实施例沟槽间形成孔洞的方法，其流程示意图如图2所示，包括以下步骤，下面结合图2a至图2g，进行详细说明。步骤21、请参阅图2a，预先提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层101和第一聚合物层200 ;在第一聚合物层200的表面形成图案化的第一光阻胶层201，图案化的第一光阻胶层201所覆盖区域定义沟槽的关键尺寸(⑶)；以图案化的第一光阻胶层201为掩膜，刻蚀第一聚合物层200至显露出第一刻蚀终止层 101 ；由于第一聚合物层200后续需要热分解掉，所以可以为丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚体，也可以为同类衍生物或为其它类的可热分解的聚合物，一般通过旋涂法成膜的比较多。步骤22、请参阅图2b，在第一刻蚀终止层101及刻蚀后的第一聚合物层200表面依次沉积介电层202和牺牲层203 ；所沉积的介电层的厚度根据器件的尺寸的不同而适当选择，也可以根据要形成的沟槽间的孔洞尺寸进行调整，当介电层较厚时，孔洞尺寸就会较小；介电层较薄时，孔洞尺寸就会较大。一般地，介电层的厚度为20 200埃,介电常数为2 3,可以为碳氧化娃(SiOC)层、二氧化硅(SiO2)层或碳氮化硅(SiNC)层等。牺牲层一般也为Low-K材料层。步骤23、请参阅图2c，化学机械研磨牺牲层203和介电层202至显露出第一聚合物层200 ；步骤24、请参阅图2d，热分解去除第一聚合物层200形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层101 ；步骤25、请参阅图2e，在沟槽内填充金属铜204 ；步骤26、请参阅图2f，沉积第二刻蚀终止层205 ;在第二刻蚀终止层表面形成图案化的第二光阻胶层206，所述图案化的第二光阻胶层206的开口对应预定区域牺牲层；其中，第二光阻胶层的开口一般选择在沟槽比较密集的区域，而且图案化的第二光阻胶层206的开口对应预定区域牺牲层，指的是第二光阻胶层206在沟槽比较稀疏的其它区域全部覆盖，而在预定区域内，即所选择的沟槽比较密集的区域内，只覆盖金属铜204及金属铜侧壁的介电层202，这样刻蚀时只会刻蚀到牺牲层。步骤27、请参阅图2g，以图案化的第二光阻胶层为206掩膜，刻蚀第二刻蚀终止层205 ;去除牺牲层，形成沟槽间的孔洞209。至此，本发明第一实施例实现了沟槽间形成孔洞的方法。进一步地，本发明第一实施例还包括步骤28、请参阅图2h，依次沉积下层的刻蚀终止层207和下层的层间介质层208。本领域技术人员可以知道，在下层的层间介质层上可以制作沟槽和连接孔，连接孔会与金属铜204电性连接，在此不再赘述。在步骤21中，像形成光栅一样定义第一聚合物层的⑶，该⑶为沟槽的⑶，然后在步骤24中通过热分解将其去掉形成沟槽。曝光显影形成图案化的第一光阻胶层201定义第一聚合物层的CD，即使对于小尺寸器件也很容易实现。而且与现有技术相比，不存在刻蚀层间介质层形成沟槽的过程，现有技术在刻蚀层间介质层的过程中，随着层间介质层的耗尽，其含碳量降低，导致K值增加，而本发明从图2h可以看出，介电层202位于金属铜的侧壁，具有低介电常数的介电层202不但增大了金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口，而且增加了沉积下层刻蚀终止层及下层层间介质层的机械稳定性。本发明第二实施例沟槽间形成孔洞的方法，其流程示意图如图3所示，包括以下步骤，下面结合图3a至图3g，进行详细说明。步骤31、请参阅图3a，预先提供一半导体衬底100，所述半导体衬底100表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层101和第一聚合物层200 ;在第一聚合物层200的表面形成图案化的第一光阻胶层201，图案化的第一光阻胶层201所覆盖区域定义沟槽的关键尺寸⑶；以图案化的第一光阻胶层201为掩膜，刻蚀第一聚合物层200至显露出第一刻蚀终止层101 ；由于第一聚合物层200后续需要热分解掉，所以可以为丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚体，也可以为同类衍生物或为其它类的可热分解的聚合物，一般通过旋涂法成膜的比较多。
步骤32、请参阅图3b，在第一刻蚀终止层101及刻蚀后的第一聚合物层200表面依次沉积介电层202和第二聚合物层300 ；所沉积的介电层的厚度根据器件的尺寸的不同而适当选择，也可以根据要形成的沟槽间的孔洞尺寸进行调整，当介电层较厚时，孔洞尺寸就会较小；介电层较薄时，孔洞尺寸就会较大。一般地，介电层的厚度为20 200埃,介电常数为2 3,可以为碳氧化娃(SiOC)层、二氧化硅(SiO2)层或碳氮化硅(SiNC)层等。第二聚合物层300也可以为与第一聚合物层200性质相类似的可热分解的聚合物。步骤33、请参阅图3c，化学机械研磨第二聚合物层300和介电层202至显露出第一聚合物层200 ；步骤34、请参阅图3d，热分解去除第一聚合物层200形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层101 ；步骤35、请参阅图3e，在沟槽内填充金属铜204 ；步骤36、请参阅图3f,沉积有孔盖层(cap layer) 301 ；步骤37、请参阅图3g，透过有孔盖层301热分解去除第二聚合物层300，形成沟槽间的孔洞209。其中，有孔盖层为透气性的绝缘材料层，确保热分解第二聚合物层时能够挥发出去。因为第一聚合物层200先于第二聚合物层300分解掉，所以要求第二聚合物层300的热分解温度高于第一聚合物层200，且高于40 50摄氏度。至此，本发明第二实施例实现了沟槽间形成孔洞的方法。进一步地，本发明第二实施例还包括步骤38、请参阅图3h，依次沉积下层的刻蚀终止层207和下层的层间介质层208。本领域技术人员可以知道，在下层的层间介质层上可以制作沟槽和连接孔，连接孔会与金属铜204电性连接，在此不再赘述。图4为在图2h或者3h中形成下层的连接孔后的俯视不意图。从图4可以看出，本发明的方法可以适用于小尺寸半导体器件，即使下层的连接孔400与当层金属铜204有稍微的偏差，下层的连接孔400也会接触介电层202，而不与旁边的孔洞209导通，从而实现了本发明的目的。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种沟槽间形成孔洞的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括: 预先提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和第一聚合物层；在第一聚合物层的表面形成图案化的第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层所覆盖区域定义沟槽的关键尺寸CD ;以图案化的第一光阻胶层为掩膜，刻蚀第一聚合物层至显露出第一刻蚀终止层； 在第一刻蚀终止层及刻蚀后的第一聚合物层表面依次沉积介电层和牺牲层； 化学机械研磨牺牲层和介电层至显露出第一聚合物层； 热分解去除第一聚合物层形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层； 在沟槽内填充金属铜； 沉积第二刻蚀终止层；在第二刻蚀终止层表面形成图案化的第二光阻胶层，所述图案化的第二光阻胶层的开口对应预定区域牺牲层； 以图案化的第二光阻胶层为掩膜，刻蚀第二刻蚀终止层；去除牺牲层，形成沟槽间的孔洞。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电层厚度20 200埃。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述介电层的介电常数为2 3。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述介电层为碳氧化硅SiOC层、二氧化硅SiO2层或碳氮化硅SiNC层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成沟槽间的孔洞之后，该方法进一步包括依次沉积下层的刻蚀终止层和下层的层间介质层。
6.一种沟槽间形成孔洞的方法，应用于半导体器件的后段工艺中，该方法包括: 预先提供一半导体衬底，所述半导体衬底表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和第一聚合物层；在第一聚合物层的表面形成图案化的第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层所覆盖区域定义沟槽的关键尺寸CD ;以图案化的第一光阻胶层为掩膜，刻蚀第一聚合物层至显露出第一刻蚀终止层； 在第一刻蚀终止层及刻蚀后的第一聚合物层表面依次沉积介电层和第二聚合物层； 化学机械研磨第二聚合物层和介电层至显露出第一聚合物层； 热分解去除第一聚合物层形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层； 在沟槽内填充金属铜； 沉积有孔盖层cap layer ； 透过有孔盖层热分解去除第二聚合物层，形成沟槽间的孔洞。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二聚合物层的热分解温度高于第一聚合物层40 50摄氏度。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述介电层厚度20 200埃。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述介电层的介电常数为2 3。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述介电层为碳氧化硅SiOC层、二氧化硅SiO2层或碳氮化硅SiNC层。
全文摘要
本发明提供了一种沟槽间形成孔洞的方法预先提供一表面自下而上依次包括第一刻蚀终止层和第一聚合物层的半导体衬底；在第一聚合物层的表面形成图案化的第一光阻胶层，图案化的第一光阻胶层所覆盖区域定义沟槽的CD；以图案化的第一光阻胶层为掩膜，刻蚀第一聚合物层至显露出第一刻蚀终止层；在第一刻蚀终止层及刻蚀后的第一聚合物层表面依次沉积介电层和牺牲层；化学机械研磨牺牲层和介电层至显露出第一聚合物层；热分解去除第一聚合物层形成沟槽，并去除沟槽内的第一刻蚀终止层；在沟槽内填充金属铜；去除牺牲层，形成沟槽间的孔洞。本发明还提供了另外一种沟槽间形成孔洞的方法。采用本发明能够增大金属铜与下层连接孔对准时的工艺窗口。
文档编号H01L21/768GK103137551SQ201110398280
公开日2013年6月5日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者符雅丽, 张海洋, 王新鹏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司