专利名称：在低-k材料中使用双镶嵌工艺形成接触结构的方法
技术领域：
本发明涉及形成集成电路中的结构的方法，更具体地说，涉及^f吏用双 镶嵌工艺形成集成电路中的结构的方法
背景技术：
使用铜作为集成电路中用于互连的材料，相对于其它类型的金属例如 铝或铝合金，具有一些优点，例如低电阻率，减少集成电路中使用的金属 层的数量，和/或更好的可靠性。例如，图l示出了在集成电路中示例性的 栅极延迟和不同材料中典型的互连延迟的曲线图。如图1中所示，使用铜 可以提供相对于其它类型互连材料相对低的互连延迟。
但是，当如所示通过常规干法蚀刻形成时，使用铜作为集成电路中的 互连会变复杂，例如，在图2A中，光致抗蚀剂在金属层上形成并净皮蚀刻 以提供图2B中示出的互连。相反，使用铜的镶嵌工艺可以通过图3A-3C 实现。按照图3A-3C，衬底被蚀刻以提供其中的沟槽并随后在衬底上沉积 铜以过填充沟槽。随后多余的铜通过化学机械抛光(CMP)被除去以提供 图3C中所示的铜互连。
使用铜作为互连要求改善与之使用的扩散阻挡层并提高了铜可能污染 用来制造集成电路的其它步骤的可能性。
使用铜作为互连的常规单镶嵌工艺在图4A-4D中示出。根据图4A， 衬底400包括下层金属互连405和允许在上面的结构和金属互连之间电接 触的过孔410。如图4B中所示，铜可以在过孔410中沉积。如图4C中所 示，沟槽415可以在使用常规光刻和蚀刻技术形成的过孔410上形成。如
图4D中所示，在过孔410上的金属沟槽415中再次沉积铜以完成在上面 的结构和下层金属互连405之间提供金属接触的结构420。如图4A-4D中 所示，根据分开的单镶嵌制造步骤,可以用铜分开填充过孔410和沟槽415。
还可以使用双镶嵌工艺制造如上图4A-4D中示出的结构。特别的是， 图5A-5E示出了通常被称为沟槽优先双镶嵌的常规双镶嵌工艺。根据图 5A，光致抗蚀剂505在上层510上沉积，其中上层510在下层515上并在 二者之间具有第一蚀刻停止层520。第二蚀刻停止层525被置于下层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^皮用来构图和蚀刻上层510以形成暴露第 一蚀刻停止层520的沟槽540，随后光致抗蚀剂505被除去。根据图5C， 第二光致抗蚀剂材料545在沟槽540中沉积以在其中限定开口 547，穿过 开口 547下层515 4皮构图以在沟槽540中形成暴露第二蚀刻停止层525的 下过孔部分550。根据图5D,第二蚀刻停止层525被除去。
如图5E中所示，第二光致抗蚀剂材料被除去以限定开口，在开口中 铜在过孔部分550和沟槽540中沉积以完成要求的结构。然而，众所周知， "沟槽优先"方法的一个缺陷就是如果用来形成下过孔部分550的第二光 致抗蚀剂材料在沟槽540中与铜互连535没有对准，提供给下铜互连535 的电连接的过孔的整个尺寸会减小。
还可以使用通常被称为"过孔优先"的双镶嵌工艺来制造上面描述的 接触结构。如图6A-6E中所示，可以通过首先形成过孔作为下面结构的部 分，随后通过沟槽作为结构的上面部分来形成接触结构。根据图6A，光致 抗蚀剂605在上层610上形成。第一蚀刻停止层620在上层610和下层615 之间形成。第二蚀刻停止层625在下层615和衬底630中的铜互连635之 间形成。
如图6B中所示，使用光致抗蚀剂605作为掩模蚀刻接触结构650的 过孔部分，而如图6C中所示在上层610上形成第二光致抗蚀剂645以暴 露过孔650。根据图6D，第二光致抗蚀剂645用作蚀刻掩模以在过孔650 上形成沟槽640作为接触结构的一部分来提供图6E中所示的接触结构。
相对上面参考图5A-5E提到的"沟槽优先"双镶嵌结构，根据"过孔优先" 双镶嵌工艺在过孔650上形成的沟槽640的不对准允许沟槽640的不对准 同时保持过孔650的整体尺寸。因此，"过孔优先"双镶嵌工艺有时要优 于上面讨论的"沟槽优先"双镶嵌工艺。
双镶嵌工艺还在，例如，韩国专利申请号KR2004-0058955，美国专利 号6,743,713，以及美国专利号6,057,239中论述。
发明内容
曰/
构的方法。按照这些实施例，使用双镶嵌工艺形成过孔的方法包括^f吏用灰 化工艺从低-k材料中的凹槽除去材料，同时在所述凹槽的整个侧壁上保持 保护隔离物以覆盖所述凹槽中的所述低-k材料。
在根据本发明的一些实施例中，除去材料包括从凹槽中除去牺牲材料。 在根据本发明的 一些实施例中，除去材料还包括从凹槽的周围除去光致抗 蚀剂材料同时从凹槽内除去牺牲材料。在根据本发明的一些实施例中，光 致抗蚀剂和牺牲材料包括相同(common)材料。在根据本发明的一些实 施例中，光致抗蚀剂和牺牲材料是有机聚合物。在根据本发明的一些实施 例中，保护隔离物是氧化硅。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，从凹槽中除去材料还包括使用蚀刻剂 蚀刻材料以暴露凹槽内的保护隔离物。在根据本发明的一些实施例中，蚀 刻还包括使用02和C02， N2和H2， NH3和02, NHb和N2，或NH3和 H2。在4艮据本发明的一些实施例中，蚀刻在压力约10到约700Mtorr下执行。
在根据本发明的一些实施例中，方法还包括在凹槽上形成沟槽并从侧 壁除去保护隔离物。用铜填充凹槽和沟槽。
在根据本发明的 一些实施例中，使用双镶嵌工艺形成过孔的方法包括 从其中具有凹槽的低-k材料除去牺牲材料，所述凹槽具有保护侧壁隔离物；
然后在所述凹槽上形成沟槽。然后除去侧壁隔离物。在根据本发明的一些 实施例中，保护侧壁隔离物是氧化硅。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，使用双镶嵌工艺形成过孔的方法包括 在低-k材料上形成硬掩模材料。在低-k材料中穿过硬掩模材料形成过孔。 在过孔的侧壁和在硬掩模材料上形成保护侧壁隔离物，其中保护侧壁隔离 物相对于所述硬掩才莫材料具有蚀刻选择性。在保护侧壁上在过孔中形成牺 牲材料。在过孔上在其中包括开口的硬掩模材料上形成光致抗蚀剂材料。 从过孔内除去光致抗蚀剂材料和牺牲材料，同时避免从过孔内除去保护侧 壁隔离物。在过孔上形成沟槽同时保持在其上具有保护侧壁隔离物的过孔 的下面部分。从过孔的下面部分除去保护侧壁隔离物。用铜填充过孔和沟 槽。
在根据本发明的一些实施例中，在过孔上形成沟槽包括蚀刻硬掩模材 料以从低-k材料的上表面除去硬掩模材料，并蚀刻低-k材料的上表面下的 部分以在低-k材料中形成沟槽，同时在过孔的下面部分上保持保护隔离物。 在根据本发明的一些实施例中，保护侧壁隔离物是氧化硅。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，使用过孔优先双镶嵌工艺形成接触结 构的方法包括在除去凹槽内部的牺牲材料时，在低-k材料中的所述凹槽的 整个侧壁上保持保护隔离物。在根据本发明的一些实施例中，保护隔离物 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示出了在集成电路中示例性的栅极延迟和不同材料的典型的互连 延迟的曲线图。
图2A-2B示出了使用常规干法蚀刻形成过孔的截面图。 图3A-3C示出了常规镶嵌工艺的截面图。 图4A-4D示出了常规单镶嵌工艺的截面图。
图5A-5E示出了常规"沟槽优先"双镶嵌工艺的截面图。 图6A-6E示出了常规"过孔优先"双镶嵌工艺的截面图。 图7A-7L示出了根据本发明的一些实施例使用双镶嵌工艺形成接触结 构的截面图。
具体实施例方式
下面通过参考附图更加详细地描述本发明，其中示出了本发明的实施 例。然而，本发明可以以很多不同的形式体现而不受限于这里所述的实施 例。当然，提供这些实施例以使本公开变得详尽和完整，并将本发明的范 围详尽的传达给本领域的技术人员。在附图中，层和区的尺寸和相对尺寸
为了清晰而^U故大。
可以理解，当元件或层净皮称为"在另一元件或层上"，"与另一元件 或层连接"，或"与另一元件或层耦合"时，其可以直接在另一元件或层 上，与另一元件或层连接，或与另一元件或层耦合，或存在中间元件或层。 相反，当元件被称为"直接在另一元件或层上"，"直接与另一元件或层 连接"，或"直接与另一元件或层耦合"时，不存在中间元件或层。类似 标号整篇指类似元件。这里，术语"和/或"包括一个或很多有关联的列出 的项目的任何和所有组合。
可以理解，尽管术语第一，第二，第三等可以在其中使用以表述各种 元件，部件，区，层和/或部分，这些元件，部件，区，层和/或部分不应该 受这些术语限制。这些术语只是用来区别一个元件，部件，区，层或部分 和另一区，层或部分。这样，只要没有脱离本发明的教导，上面提到的第 一元件，部件，区，层或部分可以被视为第二元件，部件，区，层或部分。
与空间有关的术语，例如"之下"，"下面"，"下"，"上面"， "上"等，在这里使用以方便描述如图中所示一个元件或特征与另一元件 或特征的关系。可以理解与空间有关的术语旨在包括除了在图中描述的方 向以外的在使用中的和运行中的器件的不同方向。例如，如果图中的器件 被翻转，被描述为"在其它元件和特征下面"或"在其它元件和特征之下"
就被定向为"在其它元件或特征上面"。这样，示例性术语"下面"就包
括上面和下面两个方向。否则器件被定向(旋转90度或在其它方向)并这 里使用的与空间有关的描述也要做相应的解释。
这里使用的技术只是为了描述具体实施例而不是限制本发明。这里， 除非上下文明确指明，否则单数形式"一"，"一个"和"所述"也包括 复数形式。还可以理解术语"包括"和/或"包含"，当在本说明书中使用 时，指定是所述特征，整数，步骤，运行，元件和/或部件的存在，但不排 除一个或多个其它特征，整数，步骤，运行，元件，部件和/或其组合的存 在或增力口。
本发明中描述的实施例参考截面示例，其是本发明的理想化实施例(以 及中间结构)的示意性示例。这样，期待例如作为制造技术和/或公差的结 果的示例的形状变化。因此，本发明的实施例不应该限于这里示出的区的 具体形状，而应该包括例如通过制造导致的形状的变化。例如，示例为矩 形的注入区，典型地，具有圆形或曲线特性和/或在其边缘的注入浓度梯度 而不是从注入区到非注入区二元变化。同样，通过注入形成的掩埋区可以 在掩埋区和穿过其进行注入的表面之间的区中产生一些注入。这样，图中 所示的区是自然示意并且其形状并没有示出器件的区的实际形状也没有限 制本发明的范围。
除非另有定义，这里使用的所有的术语(包括技术和科学术语)具有 本领域的技术人员公知的相同意思。将进一步理解，通常使用字典定义的 那些术语应该解释为具有与相关技术的内容中的那些意思一致的意思，并 将不会解释为理想化或极度正式的意思，除非在这里特殊定义过。
在根据本发明的一些实施例中，在低-k材料中的凹槽中形成的保护侧 壁隔离物在材料(例如在凹槽中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)除去时保持。 可以通过灰化工艺除去光致抗蚀剂和/或牺牲材料，由此如果保护側壁隔离 物在凹槽中没有保持则低-k材料会受到破坏。如这里更详细地描述，凹槽 可以提供使用双镶嵌工艺形成的"过孔优先"接触结构的下面部分。因此， 在根据本发明的一些实施例中，可以形成沟槽以提供在"过孔优先，，双镶
嵌工艺中的接触结构的上面部分。沟槽可以通过使用在凹槽外作为蚀刻掩 模的剩余部分的保护隔离物来形成。因此，在根据本发明的一些实施例中， 通过灰化工艺除去的材料可以在形成沟槽前除去，因此允许低-k材料在灰 化工艺中除去材料(例如，在过孔中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)时受到 保护侧壁隔离物的保护。在这里，术语"灰化"指使用等离子体或紫外线 制造臭氧从半导体衬底除去材料，例如光致抗蚀剂材料。
图7A-7L示出了根据本发明的一些实施例使用"过孔优先"双镶嵌工 艺形成接触结构的方法。根据图7A,在其上具有过孔蚀刻停止层702的衬 底700中提供下层铜互连705。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-材料710中，并在第一和 第二硬掩模层715， 720中形成凹槽725，以提供接触结构的下面部分作为 "过孔优先"双镶嵌工艺的一部分。在根据本发明的一些实施例中，底部 的凹槽的尺寸约为145nm。在4艮据本发明的一些实施例中，低-k材料710 可以是多孔SiCOH，第一硬掩模层715可以由SiCOH材料形成，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的上表面上和在凹槽725的侧壁，具 体地说，在凹槽725的由低-k材料710限定的侧壁上形成保护側壁隔离物 730。在才艮据本发明的一些实施例中，保护侧壁隔离物730由Si02、 TEOS、 S旧4氧化物、OMCTS氧化物等形成。在根据本发明的一些实施例中，保 护侧壁隔离物730相对于第一硬掩模层715具有约6的蚀刻选择性。在根 据本发明的一些实施例中，保护侧壁隔离物730使用化学气相沉积或原子 层沉积形成，厚度为约10埃到约500埃。
才艮据图7C，在保护侧壁隔离物730的上表面上形成牺牲材料735并填 充凹槽725，以及在牺牲材料735上形成掩模氧化物层740。在根据本发明 的一些实施例中，牺牲材料735可以是有机聚合物。在根据本发明的一些 实施例中，掩模氧化物层740可以是低温SiEU基氧化物，例如由SiHU和 N20的组合形成的材料。
根据图7D，在掩模氧化物层740上形成抗反射涂层745，并在其上形 成光致抗蚀剂材料750并构图以在填充有牺牲材料735并在其上具有保护 側壁隔离物730的凹槽725上提供开口 755。在根据本发明的一些实施例 中，光致抗蚀剂750可以由例如用于在凹槽725中形成牺牲材料735的相 同有机聚合物形成。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，使用光致抗蚀剂材料750作为蚀刻掩模蚀刻掩模氧化物 740穿过开口 755,以暴露牺牲材料735。根据图7F，进一步从凹槽725 的内部蚀刻如上面图7E中所示暴露的牺牲材料735，而在凹槽725的整个 侧壁上保持保护隔离物730，从而允许在除去牺牲材料735时对低-k材料 710进行保护。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也可以与牺牲材料735 —起除去，而在在凹槽725的整个侧壁上 保持保护隔离物730。在根据本发明的一些实施例中，干蚀刻牺牲材料730 和/或光致抗蚀剂材料750。
根据图7G，继续蚀刻以除去位于凹槽725外的保护侧壁隔离物730 和第二硬掩模层720的一部分，以暴露在凹槽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 护侧壁隔离物730相对于彼此具有蚀刻选择性。换句话说，在根据本发明 的一些实施例中，在存在蚀刻剂的情况下相对快地蚀刻保护侧壁隔离物 730，而在存在相同蚀刻剂的情况下相对少地蚀刻第一硬掩模层715。在根 据本发明的一些实施例中，保护侧壁隔离物730相对于第一硬掩模层715 具有约6的蚀刻选择性。在根据本发明的一些实施例中，保护侧壁隔离物 730和第二硬掩才莫层720的蚀刻可以通过使用Ar， N;s和QF8的混合物作 为蚀刻剂并在压力约为45mT下进行蚀刻来实现。
根据图7H，从凹槽725除去牺牲材料735,这样蚀刻停止层702在凹 槽725的底部暴露。如上文参考图7F描述，蚀刻可以通过干蚀刻执行。
根据图71，第二硬掩模层720可以用作硬掩模以形成沟槽760，作为 根据这里描述的"过孔优先"双镶嵌工艺的实施例形成的接触结构的上面部分的一部分。根据图7J，除去位于接触结构的过孔部分内的低-k材料 710的侧壁上的保护侧壁隔离物725并且除去蚀刻停止层702的暴露部分 以暴露下面的铜互连705。
根据图7K，在接触结构的过孔部分中和在结构的沟槽部分中沉积铜材 料765，从而如图所示填充过孔和沟槽。在根据本发明的一些实施例中， 铜材料使用，例如，电镀来形成。具体地说，可以首先通过溅射形成籽晶 层，其经历形成铜材料765的电镀。根据图7K和7L，铜材料765使用 CMP进行平面化以提供如上文参考图7A-7K描述的使用"优先过孔，，双 镶嵌工艺形成的接触结构。如图7K中所示，金属阻挡层771可以在铜材 料765下形成。
如上所述，在根据本发明的一些实施例中，在除去材料(例如在凹槽 中的光致抗蚀剂和/或牺牲材料)时，保持在低-k材料中的凹槽中形成的保 护侧壁隔离物。可以通过灰化工艺除去光致抗蚀剂和/或牺牲材料，由此如 果保护侧壁隔离物没有保持在凹槽中，低-k材料就会被破坏。如这里详细 描述，凹槽可以提供使用双镶嵌工艺形成的"过孔优先"接触结构的下面 部分。因此，在根据本发明的一些实施例中，可以形成沟槽以提供"过孔 优先"双镶嵌工艺中的接触结构的上面部分。沟槽可以通过使用在凹槽外 作为蚀刻掩模的保护隔离物的剩余部分来形成。因此，在根据本发明的一 些实施例中，通过灰化工艺除去的材料可以在形成沟槽前除去，因此允许 低-k材料在灰化工艺中除去材料(例如，在过孔中的光致抗蚀剂和/或牺牲 材料)时受到保护侧壁隔离物的保护。
上述是本发明的示例而不是对其的限制。尽管描述了 一些本发明的一 些示例性实施例，本领域的技术人员会意识到只要不脱离本发明的新颖教 导和优势，可以在示例性实施例中进行很多修改。因此，所有这些修改旨 在包括在权利要求中限定的本发明的范围内。因此，可以理解上述是对本 发明的示例而不是对公开的具体实施例的限制，以及对公开实施例和其它 实施例的修改旨在包括在所附权利要求的范围内。本发明通过下面的权利 要求限定，其中包括权利要求的同等部分。
权利要求
1.一种使用双镶嵌工艺形成过孔的方法，包括以下步骤使用灰化工艺从低-k材料中的凹槽除去材料，同时在所述凹槽的整个侧壁上保持保护隔离物以覆盖所述凹槽中的所述低-k材料。
2. 根据权利要求l的方法，其中所述除去材料的步骤包括从所述凹槽 除去牺牲材料。
3. 根据权利要求2的方法，其中所述除去材料的步骤还包括 从所述凹槽的周围除去光致抗蚀剂材料，同时从所述凹槽的内部除去所述牺牲材料。
4. 根据权利要求3的方法，其中所述光致抗蚀剂材料和所述牺牲材料 包括相同材料。
5. 根据权利要求4的方法，其中所述光致抗蚀剂材料和所述牺牲材料 包括有机聚合物。
6. 根据权利要求l的方法，其中所述保护隔离物包括氧化硅。
7. 根据权利要求l的方法，其中从凹槽除去材料的步骤还包括 使用蚀刻剂蚀刻所述材料以暴露所述凹槽内部的所述保护隔离物。
8. 根据权利要求l的方法，其中所述低-k材料包括多孔SiCOH。
9. 根据权利要求l的方法，还包括 在所述凹槽上形成沟槽。 从所述侧壁除去所述保护隔离物；以及 用铜填充所述凹槽和所述沟槽。
10. —种使用双镶嵌工艺形成过孔的方法，包括以下步骤 从其中具有凹槽的低-k材料除去牺牲材料，所述凹槽具有保护侧壁隔离物；然后在所述凹槽上形成沟槽；以及除去所述侧壁隔离物；
11. 根据权利要求10的方法，其中所述保护侧壁隔离物包括有机聚合 物。
12. 根据权利要求10的方法，其中所述除去牺牲材料的步骤还包括 使用蚀刻剂蚀刻所述牺牲材料以暴露所述凹槽内部的所述保护侧壁隔离物。
13. 根据权利要求10的方法，其中所述保护側壁隔离物包括氧化硅。
14. 根据权利要求10的方法，其中所述低-k材料包括多孔SiCOH。
15. 根据权利要求10的方法，其中所述形成沟槽的步骤包括使用蚀刻 剂蚀刻所述低-k材料以形成所述沟槽。
16. —种使用双镶嵌工艺形成过孔的方法，包括以下步骤 在低-k材料上形成硬掩模材料；在所述低-k材料中穿过所述硬掩模材料形成过孔； 在所述过孔的侧壁和所述硬掩^t材料上形成保护侧壁隔离物，其中所 述保护侧壁隔离物相对于所述硬掩才莫材料具有蚀刻选择性； 在所述保护側壁上的过孔中形成牺牲材料；在所述过孔上在其中包括开口的所述硬掩^f莫材料上形成光致抗蚀剂材料；从所述过孔的内部除去所述光致抗蚀剂材料和所述牺牲材料，同时避 免从所述过孔的内部除去所述保护侧壁隔离物；在所述过孔上形成沟槽，同时保持在其上具有所述保护侧壁隔离物的 所述过孔的下面部分；从所述过孔的所述下面部分除去所述保护侧壁隔离物；以及用铜填充所述过孔和所述沟槽。
17. 根据权利要求16的方法，其中所述除去所述光致抗蚀剂和所述牺 牲材料的步骤包括从所述凹槽的周围除去所述光致抗蚀剂材料同时从所述 凹槽的内部除去所述牺牲材料。
18. 根据权利要求16的方法，其中所述光致抗蚀剂材料和所述牺牲材料包括相同材料。
19. 根据权利要求18的方法，其中所述光致抗蚀剂材料和所述牺牲材料包括有机聚合物。
20. 根据权利要求16的方法，其中所述保护侧壁隔离物包括氧化硅。
21. 根据权利要求16的方法，其中所述低-k材料包括多孔SiCOH。
22. 根据权利要求16的方法，其中在所述过孔上形成沟槽的步骤包括 蚀刻所述硬掩模材料以从所述低-k材料的上表面除去所述硬掩模材料，并蚀刻所述低-k材料的在所述上表面下的一部分以在所述低-k材料中 形成所述沟槽，同时在所述过孔的下面部分上保持所述保护隔离物。
23. —种使用过孔优先双镶嵌工艺形成接触结构的方法，包括以下步骤在除去凹槽内部的牺牲材料时，在低-k材料中的所述凹槽的整个侧壁 上保持保护隔离物。
24. 根据权利要求23的方法，其中所述保持保护隔离物的步骤包括蚀剂材料时，在所述低-k材料中的所述凹槽的整个侧壁上保持所述J呆护隔 离物。
25. 根据权利要求23的方法，其中所述保护隔离物包括氧化硅。
26. 根据权利要求23的方法，其中所述低-k材料包括多孔SiCOH。
全文摘要
一种使用双镶嵌工艺形成过孔的方法包括使用灰化工艺从低-k材料中的凹槽除去材料，同时在所述凹槽的整个侧壁上保持保护隔离物以覆盖所述凹槽中的所述低-k材料。
文档编号H01L21/70GK101179047SQ20061014447
公开日2008年5月14日 申请日期2006年11月8日 优先权日2006年11月8日
发明者J·H·基姆, W·J·帕克, Y-H·S·林 申请人:国际商业机器公司