专利名称：半导体器件的形成方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体器件的形成工艺，特别涉及在半导体中形成互连结构的工艺及其形成方法。
半导体器件持续按比例缩小到较小的尺寸。随着组成半导体器件不同层的互连尺寸的不断减小，它们之间的间距也不断减小。较小的线宽和间距引入了与互连的电阻和电容有关的新问题。较小的线宽尺寸增加了导线的电阻(R)。导线之间间距的减小增加了它们之间的电容(C)。相关的电阻-电容(RC)耦合引入了与传播延迟、串话干扰和器件电路的功率耗散有关的问题。
铜互连技术和低介电常数(低k)材料为目前半导体器件制造商为克服与电阻和电容的增加有关的问题而开发的两个领域。分离两个导电膜的材料的介电常数直接影响了半导体器件的互连电容。要解决这些问题，正研究具有较低介电常数的新材料来代替在半导体器件制造中通常使用的介质膜。空气的介电常数，或k值等于1，被认为是完美的绝缘体。与之相比，通常使用的二氧化硅(SiO2)的介电常数近似4.2。对于本说明书的目的，用做半导体绝缘体的低k材料可以是介电常数小于约3.5的任何材料。
在一个特定的互连方案中，形成双镶嵌结构。形成第一互连层之后，形成具有双镶嵌开口的层间介质(ILD)层。现有技术中的一种技术使用三层较高介电常数的硬掩模，低k介质膜夹在其中。使用“先通孔，后沟槽”或“先沟槽，后通孔”的工艺顺序，通过在介质膜中开出通孔和沟槽形成双镶嵌结构。这些步骤之后，在沟槽和通孔开口内形成互连结构。
现有技术的一个问题包括对于化学汽相淀积氮化硅材料的使用，包括等离子体增强氮化硅或氮氧化硅化合物以形成分离低k介质膜的硬掩模。这些材料较高的介电常数(即，大于5)增加了ILD层的总介电常数，并产生了器件内的线间电容。此外，使用多个硬掩模需要在工艺流程中引入额外的膜淀积和腐蚀工艺以制造半导体器件，进一步使制造工艺复杂化。
本发明借助例子示出，并不局限于附图，其中相同的参考数字表示类似的元件，其中
图1包括形成第一互连层之后，部分半导体器件衬底的剖面图；图2包括根据本发明的实施例形成层间介质(ILD)层覆盖第一互连层之后图1的衬底剖面图；图3包括在覆盖ILD层的抗蚀剂层内形成通孔之后图2的剖面图；图4包括具有通过硬掩模和上介质膜限定的通孔的图3衬底的剖面图；图5包括在覆盖ILD层的抗蚀剂层内形成沟槽开口之后图4衬底的剖面图；图6包括除去部分硬掩模之后图5衬底的剖面图；图7包括根据本发明的一个实施例在下部介质膜内形成通孔开口之后图6衬底的剖面图；图8包括根据本发明的一个实施例形成双镶嵌开口之后图7衬底的剖面图；图9包括形成基本上完整的器件之后图8衬底的剖面图；以及图10包括根据本发明的一个实施例形成覆盖衬底的无机保护层之后图5衬底的剖面图。
本领域的技术人员应该理解为了简化和清楚起见图中的元件没有按比例画出。例如，图中一些元件的尺寸相对于其它的元件放大了，以有助于理解本发明的实施例。
根据本发明的实施例，形成沟槽级介质膜和通孔级介质膜覆盖半导体器件衬底。用对沟槽级介质膜比对通孔级介质膜有更高腐蚀选择性的第一腐蚀剂在沟槽级介质膜中腐蚀出通孔开口。在覆盖沟槽级介质膜的光刻胶层内构图出沟槽开口。用第二腐蚀剂腐蚀通孔级介质膜将通孔开口延伸到通孔级介质膜内。腐蚀沟槽级介质膜形成沟槽开口。
图1包括已局部地处理限定出第一互连层的半导体器件的示意图。半导体器件包括半导体器件衬底10、场隔离区102、晶体管118、导电栓塞112和介质层110。晶体管118包括掺杂区104、栅介质层106和栅电极108。如本说明书所使用的，半导体器件衬底10包括单晶半导体晶片、绝缘体上半导体衬底、或形成半导体器件使用的任何其它的衬底。
在一个实施例中，栅电极108为多晶硅层。此外，栅电极108可以是如钨或钼等的金属层、如氮化钛或氮化钨的金属氮化物层，或它们的组合。此外，栅电极108可以是覆盖多晶硅层包括硅化钨、硅化钛或硅化钴等金属硅化物的多硅化物(polycide)层。
形成栅电极108之后，在衬底10上形成第一层间介质(ILD)层110，并构图形成接触开口。在一个实施例中，第一ILD层110为使用四乙氧基硅烷(TEOS)作为源气体形成的等离子体淀积的氧化物层。此外，第一ILD层110可以是氮化硅层、磷硅玻璃(PSG)层、硼磷硅玻璃(BPSG)层、氮氧化硅层、聚酰亚胺层、低k介质、或它们的组合。
构图之后，在介质层110中形成接触开口。接触开口包括使用如钛/氮化钛(Ti/TiN)、钽/氮化钽(Ta/TaN)等的粘附/阻挡膜114和如钨等的导电填充材料115形成的导电栓塞112。淀积之后，使用常规的腐蚀或化学机械抛光技术除去导电填充材料115部分和下面的粘附/阻挡膜114，形成导电栓塞112。此外，可以使用掺杂的硅作为接触填充材料带或不带阻挡膜114形成导电栓塞112。
形成导电栓塞112之后，接着形成介质膜116覆盖ILD层110和第一导电栓塞112部分。第二粘附/阻挡膜118和第二导电膜120形成在部分介质膜116内，并电连接导电栓塞112部分。在一个实施例中，使用Ta/TaN形成第二粘附/阻挡膜118，使用铜、铝等形成导电膜120。第二粘附/阻挡膜118和第二导电膜120的组合形成第一互连层12。在工艺中到此为止，可以使用常规的方法形成图1所示的器件。
形成第一互连层12之后，根据本发明的一个实施例，如图2所示形成上ILD层20。ILD层20包括帽盖层22、底部介质膜24、上部介质膜26和硬掩模28。在一个实施例中，帽盖层22包括淀积厚度在约40-60纳米范围内的等离子体增强氮化物(PEN)层。此外，帽盖层22可以包括氮氧化硅、氮化硼等。覆盖帽盖层22的是底部(通孔级)介质膜24。根据本发明的一个实施例，使用氟化四乙氧基硅烷(FTEOS)作为源气体形成底部介质膜24。此外，可以使用交替(alternate)无机材料，如用TEOS形成的氧化物、倍半硅氧烷(silsesquioxane)材料、多孔氧化物材料等形成底部介质膜24。在一个实施例中，形成的底部介质膜24厚度在约500-700纳米的范围内。覆盖底部介质膜24的是上(沟槽级)介质膜26。可以使用旋转涂敷或化学汽相淀积(CVD)工艺形成上部介质膜26。形成的上部介质膜26厚度在约300-500纳米的范围内。可以使用以下材料形成上部介质膜26有机低k材料，如聚酰亚胺、双环丁烯、碳氟化合物、聚芳醚基材料、旋涂玻璃，多孔氧化物材料，如气凝胶或干凝胶、聚对亚苯基二甲基、聚硅氧烷材料、倍半硅氧烷材料、含硅氧化物的碳等。此外，以上材料的组合也可以用于形成上部介质膜26。
覆盖上部介质膜26的是硬掩模28。形成的硬掩模28的厚度在约40-60纳米的范围内。在一个实施例中，硬掩模28包括使用常规的等离子体淀积技术形成的等离子体增强氮化物(PEN)层。此外，可以使用氮氧化硅、氮化硼或类似物形成硬掩模28。
图3包括在覆盖ILD层20的抗蚀剂层32内形成通孔开口34之后图2的剖面图。通孔开口用于限定ILD层20内双镶嵌互连结构的通孔部分。
图4为图3衬底的示意图，现在包括形成在ILD层20上部分内的开口42。开口42延伸穿过上硬掩模28，穿过上部介质膜26，终止在部分底部介质膜24上或其内部。在限定开口的腐蚀工艺的第一步骤期间，可以使用常规的氟基等离子体腐蚀工艺腐蚀图3所示的构图衬底，除去硬掩模28的暴露部分。除去硬掩模28的暴露部分之后，腐蚀工艺改变为主要含氧的等离子体试剂。各向异性地腐蚀暴露到等离子体的上部介质膜26部分，形成图4所示的开口42。使用定时或终点腐蚀工艺进行腐蚀并继续直到在开口42的底部露出部分底部介质膜24。由于腐蚀上部介质膜26使用的腐蚀剂含氧，所以形成开口42的同时也除去了光刻胶层32。此外，由于使用无机材料形成底部介质膜24，上部介质膜26和底部介质膜24之间的腐蚀选择性为所述腐蚀处理步骤期间仅除去极少量的底部介质膜24。
在图5中，根据本发明的一个实施例，形成覆盖硬掩模28的光刻胶层52。构图部分光刻胶层52形成用于限定图6-7中将进一步介绍的双镶嵌互连开口的沟槽部分。
图6包括除去部分硬掩模28之后图5衬底的剖面图。使用常规的氟基等离子体腐蚀工艺腐蚀硬掩模28。腐蚀通常为定时腐蚀，目标是完全除去硬掩模28露出部分的整个厚度。除去的硬掩模28部分随后用于限定双镶嵌互连的沟槽部分。随后在底部介质膜24中腐蚀出的通孔开口对应于由上部介质膜26(开口42)的腐蚀部分目前限定的那些图形。
图7包括除去部分底部介质膜24和限定双镶嵌互连开口的通孔部分的帽盖层22的腐蚀工艺之后，图6衬底的剖面图。在另一实施例中，帽盖层22留在互连12上，在随后的工艺步骤期间除去。使用对上部介质膜26显示出良好选择性的工艺试剂进行腐蚀。这样可以确保在腐蚀工艺步骤期间保持通孔垂直侧壁的整体性。
在一个实施例中，腐蚀使用氟基反应离子腐蚀(RIE)工艺试剂，在约1-10毫乇的压力范围内进行，根据使用的腐蚀反应器的类型，施加在约800-1200瓦范围内的射频(RF)功率。其它的腐蚀工艺参数都是常规的。选择氟与碳的比例以便提供大于底部介质膜24和上部介质膜26之间约6∶1的腐蚀选择性。这样可允许在底部介质膜24内再现通孔图形42。
在图8中，已除去由硬掩模28限定的上部介质膜26部分和光刻胶层52，形成双镶嵌互连开口80的沟槽部分。完成图7所示双镶嵌互连开口的通孔腐蚀部分之后，将工艺试剂改为含氧的等离子体。在一个实施例中，根据使用的腐蚀反应器的类型，在约1-10毫乇的压力范围内，施加在约100-300瓦范围内的(RF)功率下进行腐蚀。其它的腐蚀工艺参数都是常规的。可以填加含氟和含碳的气体以提高浓度分布控制和膜选择性。腐蚀选择性大于上部介质膜26和硬掩模28之间约50∶1的腐蚀工艺试剂足以在上部介质膜26内再现沟槽开口。
由于在腐蚀工艺步骤期间存在氧，因此腐蚀上部介质膜26的同时除去了光刻胶层52。对底部介质膜24的腐蚀选择性为底部介质膜24基本上没有腐蚀，通孔侧壁浓度分布相对地没有改变。因此，在所述工艺步骤期间，通孔的侧壁浓度分布保持不变。此时，根据本发明的一个实施例，已形成了基本上完成的双镶嵌开口80。
在图9中，粘附/阻挡层92形成在双镶嵌开口80内，覆盖ILD层20。在一个实施例中，粘附/阻挡层92为氮化钽膜。此外，粘附/阻挡层92可以是氮化钛层、氮化钨层、氮化钽硅层、钽层、钛钨层或类似物。可使用常规的溅射或化学汽相淀积(CVD)技术淀积粘附/阻挡层92。使用常规的淀积技术形成导电的籽晶层91覆盖粘附/阻挡层92。然后形成导电膜96覆盖导电的籽晶层94。导电膜96的厚度足以完全地填充双镶嵌开口80。在一个实施例中，导电膜96是使用常规电镀工艺淀积的铜层。此外，使用包括化学镀、化学汽相淀积(CVD)、或物理汽相淀积(PVD)的其它技术，使用包括铝、银、钨等的其它材料可形成导电膜96。
随后除去部分导电膜96、导电籽晶层91和粘附/阻挡层92在双镶嵌开口内形成导电互连90，其中导电互连90包括导电膜96、导电籽晶层91和粘附/阻挡层92的剩余部分。可以使用化学机械抛光工艺形成导电互连90。此外，可以使用如离子束铣削、反应离子束腐蚀、和等离子体腐蚀、或使用腐蚀和抛光技术的组合等常规腐蚀技术形成导电互连90。
然后形成帽盖层98覆盖导电互连96。在一个实施例中，帽盖层98为等离子体淀积的氮化硅层。此外，帽盖层98可以是等离子体淀积的氮氧化硅层、氮化硼层等。帽盖层98用于减小导电互连90内的金属原子扩散到随后淀积在导电互连90上的介质层内的可能性。然后形成钝化层99覆盖帽盖层98。到此为止，已形成了基本上完成的器件901。也制备了其它的电连接，但没有显示在图9中。此外，如果形成更复杂的器件，根据需要可以使用其它的ILD层和互连层。
本发明的实施例可以根据需要改变，以便正确地适用以上讨论的概念，以便接纳本发明的变形。例如，如图4所示在硬掩模28和上介质膜26中限定通孔图形之后，可以引入另一工艺方案，以便于如图5所示构图光刻胶限定沟槽开口期间遇到问题时再加工衬底。
在另一个实施例中，形成开口42之后，在开口42内和硬掩模层上形成含硅的无机层101，如图10所示。如果需要使用也能除去上部介质膜26的露出部分的溶剂、酸或含氧等离子体试剂除去图5中的光刻胶层52，那么薄无机层101起保护上部介质膜26的作用。在一个实施例中，含硅的无机层101为等离子体淀积的氮化硅层。此外，层101可以是等离子体淀积的氮氧化硅层、氮化硼层、二氧化硅层等。形成的层101很薄在约40-60纳米的范围内，以不显著影响开口的临界尺寸。形成双镶嵌开口90的随后的工艺步骤基本上与图5-8中介绍的相同。
本发明的实施例包括许多优点。首先，本发明的实施例减少了在底部介质膜24和上部介质膜26之间使用高介电常数腐蚀中止膜的需要。由于省略了腐蚀中止膜，与使用如PEN或氮氧化硅腐蚀中止膜的层间腐蚀中止的ILD层相比，有一个较低介电常数的ILD层20。此外，所述工艺可以容易地结合到工艺流程内，并且不会显著偏离目前常规的制造方法。此外，不必开发边缘工艺步骤或产生目前不容易得到的特殊材料也可以使用工艺。
在以上的说明中，参考具体的实施例介绍了本发明。然而，本领域的普通技术人员应该理解可以进行不同的修改和变形而不脱离下面权利要求书中阐述的本发明的范围。因此，说明书和附图为说明性的，而不是限定的意义，所有所述修改都包括在本发明的范围内。在权利要求书中，即使有装置加功能条款，也覆盖这里介绍的执行列举功能的结构。装置加功能条款也覆盖等同的结构和执行列举功能的等同结构。
权利要求
1.一种半导体器件的形成方法，特征在于形成通孔级介质膜(24)，覆盖半导体器件的衬底；形成沟槽级介质膜(26)，覆盖通孔级介质膜(24)；用第一腐蚀剂腐蚀沟槽级介质膜(26)中的通孔开口(42)，其中第一腐蚀剂对沟槽级介质膜(26)比对通孔级介质膜(24)有更高的腐蚀选择性；形成光刻胶层覆盖沟槽级介质膜(26)，光刻胶层具有露出沟槽级介质膜(26)内通孔开口的光刻胶开口；用第二腐蚀剂腐蚀通孔级介质膜(24)，将通孔开口延伸到通孔级介质膜(24)内；以及通过光刻胶开口腐蚀部分沟槽级介质膜(26)，形成沟槽开口。
2.根据权利要求1的方法，其中通孔级介质膜(24)包括无机材料。
3.根据权利要求2的方法，其中无机材料包括硅的氧化物。
4.根据权利要求1的方法，其中沟槽级介质膜(26)包括介电常数不大于约3.5的低k材料。
5.根据权利要求4的方法，其中低k材料包括有机材料。
6.根据权利要求4的方法，其中低k材料包括无机材料。
7.根据权利要求1的方法，还包括在将通孔开口腐蚀到沟槽级介质膜(26)内之前，在沟槽级介质膜(26)上形成硬掩模。
8.根据权利要求1的方法，还包括在形成光刻胶层之前，在通孔开口(42)内和沟槽级介质膜(26)上淀积无机保护层。
9.根据权利要求1的方法，其中第一腐蚀剂包括氧，第二腐蚀剂包括氟。
10.根据权利要求1的方法，其中通孔级介质膜(24)包括无机材料，沟槽介质膜(26)包括有机材料。
全文摘要
根据本发明的实施例,形成沟槽级介质膜(26)和通孔级介质膜(24)覆盖半导体器件的衬底(10)。用对沟槽级介质膜(26)比对通孔级介质膜(24)有更高腐蚀选择性的第一腐蚀剂在沟槽级介质膜中(26)腐蚀出通孔开口(42)。在覆盖沟槽级介质膜(26)的光刻胶层(52)内构图沟槽开口(54)。用第二腐蚀剂腐蚀通孔级介质膜(24)将通孔开口(42)延伸到通孔级介质膜(24)内。腐蚀通孔级介质膜(26)形成沟槽开口。
文档编号H01L21/302GK1241812SQ9910890
公开日2000年1月19日 申请日期1999年6月24日 优先权日1998年6月25日
发明者乔伊·吉米·瓦塔那比, 马修·托马斯·赫里克, 特里·格兰特·斯帕克斯, 奈杰尔·格莱梅·卡夫 申请人:摩托罗拉公司