製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法

2023-05-30 13:53:41 2

專利名稱：製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，且具體而言，涉及一種用於製作用於形成雙大馬士革(dual-damascene)結構的半導體器件結構的方法。
背景技術：
隨著集成電路的半導體器件的高度集成化，晶片的表面已經無法提供足夠的面積用以製作互連結構。為了滿足互連結構隨互補型金屬-氧化物-半導體場效應電晶體 (CMOS)器件尺寸縮小而日益增長的要求，集成電路的製造工藝不得不採用雙大馬士革工藝。而且，目前在深亞微米工藝中使用具有三維結構的多級互連結構，並且使用金屬間介電層(IMD)來使各互連結構彼此絕緣性分離。具體而言，雙大馬士革工藝是指在同一層IMD 中既形成通孔又形成溝槽，這樣只需一道金屬填充步驟，從而能夠簡化工藝。目前，形成雙大馬士革結構的方法主要包括先溝槽(trench-first)方案和先通孔(via-first)方案。在雙大馬士革工藝中，通常需要較厚的光致抗蝕劑層(PR)以避免其在蝕刻過程中全部消耗盡。然而，隨著半導體關鍵尺寸縮小到32nm以下，在曝光顯影時，由於所採用的光源的波長較短，受聚焦深度(DOF)的限制，從而無法將掩模版(reticle)上的圖案正確地轉移至較厚的PR。因而，近來在雙大馬士革工藝中開始使用硬掩膜層。下面，參照圖IA至1H，以先通孔方案為例來說明傳統工藝中用於製作雙大馬士革結構的方法。圖IA至IH是示出了傳統工藝中用於製作雙大馬士革結構的方法的示意性剖面圖。首先，如圖IA中所示，提供前端器件結構100，所述前端器件結構100的部分表面為金屬互連布線101，並且在所述前端器件結構100的表面上依次形成有蝕刻停止層102和 IMD 103。其中，所述IMD 103中形成有通孔104，並且所述IMD 103的表面上還留有形成通孔104時所使用的硬掩膜層105。例如，硬掩膜層105可以由LTO或Si-ARC等構成，且IMD 103可以由諸如黑鑽(BD)這類低介電常數(低k)材料構成。接著，如圖IB中所示，在硬掩膜層105的表面上以及通孔104中形成底部抗反射層(BARC)106。然後，如圖IC中所示，在BARC 106的表面上形成I3R 107，並且通過曝光和顯影工藝使其具有溝槽圖案108。接著，如圖ID中所示，以具有溝槽圖案108的ra 107作為掩膜，對BARC 106進行回蝕(etch back)，以將溝槽圖案108轉移至所述BARC 106。此時，由於PR 107與BARC 106的構成材料都是有機材料且回蝕所採用的蝕刻氣體對兩者的蝕刻選擇比較差，因而在蝕刻BARC 106的同時，PR 107的一部分也會被蝕刻消耗掉。然後，以ra 107和BARC 106作為掩膜，蝕刻硬掩膜層105，以將溝槽圖案108轉移至所述硬掩膜層105，之後，通過等離子體灰化處理去除剩餘的ra 107和BARC 106，從而得到如圖IE中所示的剖面結構。接著，以硬掩膜層105作為掩膜，蝕刻IMD 103，以在其中形成溝槽109，如圖IF中所示。此時，硬掩膜層105也被蝕刻消耗掉。然後，如圖IG中所示，去除通孔內的蝕刻停止層102，以使後續工藝填充的互連金屬與金屬互連布線101電性連接，並且通過等離子體灰化處理去除殘留在通孔內的聚合物。最後，通過濺射沉積金屬層並對其進行化學機械拋光(CMP)，從而形成如圖IH中所示的雙大馬士革結構。然而，如以上所述，由於在先通孔方案中需要對通孔104中的BARC106進行較長時間的回蝕，因而容易對溝槽的關鍵尺寸(CD)產生不良影響，致使所製作的雙大馬士革結構中溝槽的剖面形貌不佳，並且在去除BARC 106的過程中，容易對IMD 103造成損傷，使其k 值增加，從而導致最終形成的半導體器件的整體電學性能變差。而且，隨著CD不斷縮小，通孔的深寬比(aspect ratio)增大，填充BARC時容易在其中產生空洞。此外，如果採用先溝槽方案，使用ra作為掩膜來形成通孔，同樣需要較厚的pr，工藝窗口會隨著CD的縮小而變小，從而導致工藝過程難以良好控制。鑑於上述原因，迫切需要一種製作雙大馬士革結構的方法，期望該方法能夠克服上述傳統工藝的缺陷，並且能夠容易與傳統CMOS工藝兼容。

發明內容
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。根據本發明的一個方面，提供一種製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法，包括提供前端器件結構，在所述前端器件結構的表面上形成有金屬間介電層； 在所述金屬間介電層的表面上依次形成第一金屬層、蝕刻停止層、第二金屬層和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層；以所述第一光致抗蝕劑層作為掩膜，對所述第二金屬層進行第一蝕刻，直至露出所述蝕刻停止層的表面，以在所述第二金屬層中形成由所述第一開口圖案定義的開口 ；去除所述第一光致抗蝕劑層；在所述第二金屬層的表面上以及所述第二金屬層中的所述開口中，形成底部抗反射層；在所述底部抗反射層的表面上形成具有第二開口圖案的第二光致抗蝕劑層，所述第二開口圖案位於所述第二金屬層中的所述開口的正上方；以所述第二光致抗蝕劑層作為掩膜，進行第二蝕刻，直至露出所述金屬間介電層的表面；去除所述第二光致抗蝕劑層和所述底部抗反射層；以及以所述第二金屬層作為掩膜，對所述蝕刻停止層、所述第一金屬層和所述金屬間介電層進行第三蝕刻，直至露出所述前端器件結構的表面。優選地，由所述第二開口圖案定義的開口小於由所述第一開口圖案定義的開口， 且所述第二蝕刻包括對所述底部抗反射層、所述蝕刻停止層和所述第一金屬層進行蝕刻， 以在所述第一金屬層中形成由所述第二開口圖案定義的開口。優選地，由所述第二開口圖案定義的開口大於由所述第一開口圖案定義的開口， 且所述第二蝕刻包括對所述底部抗反射層、所述第二金屬層、所述蝕刻停止層和所述第一金屬層進行蝕刻，以在所述第一金屬層中形成由所述第一開口定義的開口且在所述第二金屬層中形成由所述第二開口圖案定義的開口。
優選地，所述第一金屬層和所述第二金屬層的構成材料選自Ti、Ta、W、Al、Ni、Zr、 Cu、Pt、Au、Ag以及它們的氧化物、氮化物和矽化物中的至少一種。優選地，所述第一金屬層和所述第二金屬層是通過濺射法而形成的。優選地，所述第一金屬層和所述第二金屬層的厚度各自為50 500埃。優選地，所述第一金屬層和所述第二金屬層的厚度相同或不同。優選地，蝕刻所述第一金屬層和所述第二金屬層所採用的氣體為包含滷族氣體的混合氣體。優選地，所述包含滷族氣體的混合氣體是含有Cl2和BCl3的混合氣體。優選地，所述蝕刻停止層的厚度為20 500埃。優選地，所述蝕刻停止層的構成材料選自Si02、SiN, SiON, SiC、SiCN和低k材料中的至少一種。優選地，蝕刻所述蝕刻停止層和所述金屬間介電層所採用的氣體為包含氟基氣體的混合氣體。優選地，所述包含氟基氣體的混合氣體含有CF4、CHF3、CH2F2和C2F6中的至少一種。優選地，所述包含氟基氣體的混合氣體含有Ar和02。優選地，所述底部抗反射層的厚度為300 1500埃。優選地，去除所述底部抗反射層所採用的氣體選自由隊和吐組成的混合氣體、O2 和(X)2中的至少一種。根據本發明的另一方面，提供一種形成雙大馬士革結構的方法，包括提供通過根據本發明一個方面的方法製作的半導體器件結構；在所述第一金屬層的表面上以及在所述金屬間介電層中的開口中形成互連金屬層；以及平坦化所述互連金屬層，以露出所述金屬間介電層的表面，並保留所述互連金屬層的位於所述金屬間介電層中的所述開口中的部分，且使所述互連金屬層的表面與所述金屬間介電層的表面齊平。根據本發明的用於製作雙大馬士革結構的方法通過採用獨立的兩層金屬作為掩膜來分別控制通孔和溝槽的蝕刻，能夠提高BARC填充的質量並且避免回蝕BARC時間過長對CD造成不良影響。此外，根據本發明的方法還能夠解決傳統技術中可能存在的其他問題，例如，通過灰化處理去除BARC時對構成金屬間介電層的低k材料會造成損傷，以及工藝窗口隨CD縮小而變小等問題。


本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用於理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。在附圖中圖IA至IH是示出了傳統工藝中用於製作雙大馬士革結構的方法的示意性剖面圖；圖2A至2H是示出了根據本發明第一實施例的用於製作雙大馬士革結構的方法的示意性剖面圖；圖3是示出了根據本發明第一實施例的用於製作雙大馬士革結構的方法的流程圖；圖4A至4H是示出了根據本發明第二實施例的用於製作雙大馬士革結構的方法的示意性剖面圖；以及圖5是示出了根據本發明第二實施例的用於製作雙大馬士革結構的方法的流程圖。應當注意的是，這些圖旨在示出根據本發明的特定示例性實施例中所使用的方法、結構和/或材料的一般特性，並對下面提供的書面描述進行補充。然而，這些圖並非按比例繪製，因而可能未能夠準確反映任何所給出的實施例的精確結構或性能特點，並且這些圖不應當被解釋為限定或限制由根據本發明的示例性實施例所涵蓋的數值或屬性的範圍。例如，為了清楚起見，可以縮小或放大分子、層、區域和/或結構元件的相對厚度和定位。在附圖中，使用相似或相同的附圖標記表示相似或相同的元件或特徵。
具體實施例方式現在，將參照附圖更詳細地描述根據本發明的示例性實施例。然而，這些示例性實施例可以多種不同的形式來實施，並且不應當被解釋為只限於這裡所闡述的實施例。應當理解的是，提供這些實施例是為了使得本發明的公開徹底且完整，並且將這些示例性實施例的構思充分傳達給本領域普通技術人員。在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且使用相同的附圖標記表示相同的元件，因而將省略對它們的描述。應當理解的是，當元件被稱作「連接」或「結合」到另一元件時，該元件可以直接連接或結合到另一元件，或者可以存在中間元件。不同的是，當元件被稱作「直接連接」或 「直接結合」到另一元件時，不存在中間元件。在全部附圖中，相同的附圖標記始終表示相同的元件。如在這裡所使用的，術語「和/或」包括一個或多個相關所列項目的任意組合和所有組合。應當以相同的方式解釋用於描述元件或層之間的關係的其他詞語(例如，
「在......之間」和「直接在......之間」、「與......相鄰」和「與......直接相鄰」、
「在......上」和「直接在......上」等)。此外，還應當理解的是，儘管在這裡可以使用術語「第一」、「第二」等來描述不同的元件、組件、區域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區域、層和/或部分不應當受這些術語的限制。這些術語僅是用來將一個元件、組件、區域、層或部分與另一個元件、組件、區域、 層或部分區分開來。因此，在不脫離根據本發明的示例性實施例的教導的情況下，以下所討論的第一元件、組件、區域、層或部分也可以被稱作第二元件、組件、區域、層或部分。為了便於描述，在這裡可以使用空間相對術語，如「在......之下」、「在......之
上」、「下面的」、「在......上方」、「上面的」等，用來描述如在圖中所示的一個元件或特徵與
其他元件或特徵的空間位置關係。應當理解的是，空間相對術語旨在包含除了器件在圖中所描繪的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為「在其他元件或特徵下方」或「在其他元件或特徵之下」的元件之後將被定位為「在其他
元件或特徵上方」或「在其他元件或特徵之上」。因而，示例性術語「在......下方」可以包
括「在......上方」和「在......下方」兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋
轉90度或處於其他方位)，並且對這裡所使用的空間相對描述符做出相應解釋。這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施例，而非意圖限制根據本發明的示例性實施例。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式。此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在所述特徵、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特徵、 整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。在此，參照作為示例性實施例的優選實施例(和中間結構)的示意性剖面圖來描述根據本發明的示例性實施例。這樣，預計會出現例如由製造技術和/或容差引起的示出的形狀的變化。因此，示例性實施例不應當被解釋為僅限於在此示出的區域的具體形狀，而是還可以包含例如由製造所導致的形狀偏差。例如，示出為矩形的注入區域在其邊緣可以具有倒圓或彎曲的特徵和/或注入濃度的梯度變化，而不僅是從注入區域到非注入區域的二元變化。同樣，通過注入形成的掩埋區會導致在該掩埋區與注入通過的表面之間的區域中也會存在一些注入。因此，圖中所示出的區域實質上是示意性的，它們的形狀並非意圖示出器件中的各區域的實際形狀，而且也並非意圖限制根據本發明的示例性實施例的範圍。除非另有定義，否則這裡所使用的全部術語(包括技術術語和科學術語)都具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的意思相同的意思。還將理解的是，除非這裡明確定義，否則諸如在通用字典中定義的術語這類術語應當被解釋為具有與它們在相關領域的語境中的意思一致的意思，而不以理想的或過於正式的含義來解釋它們。[第一實施例]下面，將參照圖2A至2H以及圖3來詳細說明根據本發明第一實施例的用於製作雙大馬士革結構的方法。參照圖2A至2H，其中，圖2A至2F示出了根據本發明第一實施例的製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法的示意性剖面圖。在本實施例中，採用先溝槽方案。首先，如圖2A中所示，提供前端器件結構，在前端器件結構的表面上依次形成有蝕刻停止層202和IMD 210。其中，所述前端器件結構例如可以包括半導體襯底(圖中未示出)。在該半導體襯底中已經形成有源/漏區、隔離槽、場氧化層等，且在該半導體襯底上例如可以形成有一層未摻雜矽玻璃(USG)或摻磷矽玻璃(PSG)，以平坦化半導體襯底的表面， 用於進行後續工藝。此外，所述前端器件結構還可以包括形成在半導體襯底上的層間介電層(ILD)200。其中，所述半導體襯底的構成材料包括未摻雜的單晶矽、摻雜有N型或P型雜質的單晶矽、絕緣體上矽(SOI)和鍺矽材料等，所述蝕刻停止層202例如可以由Si02、SiN、 SiON、SiC、SiCN和高k材料中的至少一種構成，並且IMD 210可以由諸如黑鑽(BD)這類低 k材料構成。此外，所述ILD 200中可以形成有金屬互連布線201，並且金屬互連布線201 的表面與所述ILD 200的表面齊平。作為示例，在本實施例中，ILD 200由諸如黑鑽這樣的低k材料構成。這裡，需要說明的是，蝕刻停止層202是可選的而非必需的，其主要用於在後續蝕刻IMD 210時保護其表面不受蝕刻損傷。接著，如圖2B中所示，在IMD 210的表面上依次形成第一金屬層220、蝕刻停止層 230、第二金屬層240和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層250A。其中，所述第一金屬層220和所述第二金屬層240可以由相同或不同金屬材料構成，例如，可以由Ti、Ta、W、Al、 Ni、Zr、Cu、Pt、Au、Ag及其氧化物、氮化物和矽化物中的至少一種構成，並且第一金屬層220 和第二金屬層240可以通過濺射法沉積形成。需要說明的是，第一金屬層220和第二金屬層240的厚度為50 500埃，並且它們的厚度可以相同，也可以不同。所述蝕刻停止層230可以由與蝕刻停止層202的構成材料相同的材料構成，例如，可以由Si02、SiN, SiON, SiC、 SiCN和高k材料中的至少一種構成，並且厚度為20 500埃。此外，形成具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層250A的方法是本領域所公知的，在此不再贅述。然後，以第一光致抗蝕劑層250A作為掩膜，對第二金屬層240進行第一蝕刻，直至露出蝕刻停止層230的表面，以在所述第二金屬層MO中形成由第一開口圖案定義的開口 ^OA,並且之後，例如通過等離子體灰化處理，去除所述第一光致抗蝕劑層250A，如圖2C中所示。所述第一蝕刻所採用的蝕刻氣體為包含滷族氣體的混合氣體，優選為包含Cl2和BCl3 的混合氣體。此外，在蝕刻氣體中還可以包含02。需要注意的是，所述第一蝕刻通常採用過蝕刻(over etch)，以確保第二金屬層MO的位於所述由第一開口圖案定義的開口 ^OA中的部分完全被刻掉。接著，如圖2D中所示，在第二金屬層MO的表面上以及第二金屬層MO中的開口 260A中，例如通過旋塗法形成底部抗反射層270，厚度約為300 1500埃，並且在該底部抗反射層270的表面上，例如通過旋塗法以及曝光和顯影工藝，形成具有第二開口圖案的第二光致抗蝕劑層250B。其中，所述第二開口圖案位於第二金屬層240中的開口 ^OA的正上方。然後，以第二光致抗蝕劑層250B作為掩膜，對底部抗反射層270、蝕刻停止層230 和第一金屬層220進行第二蝕刻，直至露出IMD 210的表面，以在所述第一金屬層220中形成由第二開口圖案定義的開口 260B。其中，蝕刻所述底部抗反射層270所採用的蝕刻氣體包括由隊和吐組成的混合氣體、A和CO2,蝕刻所述第一金屬層220所採用的蝕刻氣體，可以與所述第一蝕刻所採用的相同。之後，通過例如等離子體灰化處理去除第二光致抗蝕劑層250B和底部抗反射層270，如圖2E中所示。需要注意的是，所述第二蝕刻通常也採用過蝕刻，以確保第一金屬層220的位於所述由第二開口圖案定義的開口 ^OB中的部分完全被刻掉。接著，以第二金屬層240作為掩膜，對蝕刻停止層230、第一金屬層220和IMD 210 進行第三蝕刻，直至露出蝕刻停止層202的表面，如圖2F中所示。所述第三蝕刻例如可以如下進行首先，以第二金屬層240作為掩膜，蝕刻所述蝕刻停止層230，以在其中形成具有所述溝槽圖案的開口，並且此時，第二金屬層240也被完全消耗掉；接著，以蝕刻停止層230 作為掩膜，蝕刻第一金屬層220，以在其中形成由第一開口圖案定義的開口，並且此時，蝕刻停止層230也被完全消耗掉；最後，以第一金屬層220作為掩膜，蝕刻IMD 210，直至露出蝕刻停止層202的表面。這裡，需要說明的是，在蝕刻所述蝕刻停止層230和第一金屬層220 的同時，由於由第二開口圖案定義的開口 260B上方沒有掩膜，所以IMD 210也會被繼續蝕刻一部分。由此，對於本領域技術人員而言應當理解的是，蝕刻停止層202在實際製造中是優選使用的，以便能夠有效地控制蝕刻的深度，從而防止由於過蝕刻而損傷IMD 210下方的膜層或者半導體襯底。此外，在所述第三蝕刻中，蝕刻所述第一金屬層220所採用的蝕刻氣體可以與所述第一蝕刻中所採用的相同，蝕刻所述IMD 210所採用的蝕刻氣體可以為包含氟基氣體的混合氣體。其中，所述包含氟基氣體的混合氣體含有CF4、CHF3、CH2F2和C2F6中的至少一種， 並且還可以含有諸如Ar這類惰性氣體和O2。至此，完成了用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的製作。
然後，如圖2G中所示，去除所述蝕刻停止層202的露出了表面的部分，其中，例如可以通過用上述包含氟基氣體的混合氣體對其進行蝕刻來去除。最後，通過例如濺射法在第一金屬層220的表面上以及在IMD 210中的開口中形成互連金屬層，並對其進行化學機械拋光(CMP)，以露出IMD210的表面，並保留該互連金屬層的位於所述IMD 210中的開口中的部分，且使該互連金屬層的表面與IMD 210的表面齊平，從而得到如圖2H中所示的剖面結構。作為示例，所述互連金屬層可以由銅構成，也可以由Al、Au、Ag和W以及它們的合金中的任何一種構成。當互連金屬層由銅構成時，可以通過濺射法沉積一層薄的銅籽晶(seed)層，然後通過電鍍法形成銅層，並且可選地，在形成金屬互連布線之前，可以預先形成一層金屬阻擋層，以阻止銅擴散。其中，所述金屬阻擋層例如可以是由Ta、TaN或WN構成的單層金屬層或者具有Ta/TaN層疊結構的多層金屬層。這裡，需要說明的是，第一金屬層220在此CMP步驟中可以一同被去除。至此，在IMD 210中形成了雙大馬士革結構觀0。接下來，參照圖3，其中示出了根據本發明第一實施例的方法的流程圖。首先，在步驟301中，提供前端器件結構，在所述前端器件結構的表面上依次形成有蝕刻停止層202和IMD 210。接著，在步驟302中，在IMD 210的表面上依次形成第一金屬層220、蝕刻停止層 230、第二金屬層240和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層250A。接著，在步驟303中，以第一光致抗蝕劑層250A作為掩膜，對第二金屬層240進行第一蝕刻，直至露出蝕刻停止層230的表面，以在第二金屬層240中形成由第一開口圖案定義的開口 ^0A。接著，在步驟304中，去除第一光致抗蝕劑層250A。接著，在步驟305中，在第二金屬層MO的表面上以及第二金屬層MO中的開口 260A中，形成底部抗反射層270。 接著，在步驟306中，在底部抗反射層270的表面上形成具有第二開口圖案的第二光致抗蝕劑層250B。其中，所述第二開口圖案位於第二金屬層MO中的開口 ^OA的正上方。接著，在步驟307中，以第二光致抗蝕劑層250B作為掩膜，進行第二蝕刻，直至露出IMD 210的表面。其中，所述第二蝕刻包括對底部抗反射層270、蝕刻停止層230和第一金屬層220進行蝕刻，以在所述第一金屬層220中形成由第二開口圖案定義的開口 ^K)B。接著，在步驟308中，去除第二光致抗蝕劑層250B和底部抗反射層270。接著，在步驟309中，以第二金屬層240作為掩膜，對蝕刻停止層230、第一金屬層 220和IMD 210進行第三蝕刻，直至露出蝕刻停止層202的表面，從而形成了用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構。接著，在步驟310中，去除所述蝕刻停止層202的露出了表面的部分。最後，在步驟311中，在第一金屬層220的表面上以及在IMD 210中的開口中形成一層互連金屬層，並且平坦化該層互連金屬層，以形成雙大馬士革結構觀0。雖然本實施例中示出由第二開口圖案定義的開口(例如，260B)小於由第一開口圖案定義的開口(例如，260A)，但對於本領域技術人員而言應當理解的是，由第二開口圖案定義的開口也可以大於由第一開口圖案定義的開口。
此外，需要說明的是，在本實施例中，通過第三蝕刻可以在IMD 210中形成由第一開口圖案定義的開口以及由第二開口圖案定義的開口。其中，所述由第一開口圖案定義的開口位於所述由第二開口圖案定義的開口的正上方，並且所述由第一開口圖案定義的開口對應於溝槽，所述由第二開口圖案定義的開口對應於通孔。[第二實施例]下面，將參照圖4A至4H以及圖5來詳細說明根據本發明第二實施例的用於製作雙大馬士革結構的方法。參照圖4A至4H，其中，圖4A至4F示出了根據本發明第二實施例的製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法的示意性剖面圖。需要說明的是，本實施例與第一實施例的不同之處在於其所採用的是先通孔方案。首先，如圖4A中所示，提供前端器件結構，在前端器件結構的表面上依次形成有蝕刻停止層402和IMD 410。其中，所述前端器件結構例如可以包括半導體襯底(圖中未示出)。在該半導體襯底中已經形成有源/漏區、隔離槽、場氧化層等，且在該半導體襯底上例如可以形成有一層未摻雜矽玻璃(USG)或摻磷矽玻璃(PSG)，以平坦化半導體襯底的表面， 用於進行後續工藝。此外，所述前端器件結構還可以包括形成在半導體襯底上的層間介電層(ILD)400。其中，所述半導體襯底的構成材料包括未摻雜的單晶矽、摻雜有N型或P型雜質的單晶矽、絕緣體上矽(SOI)和鍺矽材料等，所述蝕刻停止層402例如可以由Si02、SiN、 SiON、SiC、SiCN和高k材料中的至少一種構成，並且IMD 410可以由諸如黑鑽(BD)這類低 k材料構成。此外，所述ILD 400中可以形成有金屬互連布線201，並且金屬互連布線401 的表面與所述ILD 400的表面齊平。作為示例，在本實施例中，ILD 400由諸如黑鑽這樣的低k材料構成。這裡，需要說明的是，蝕刻停止層402是可選的而非必需的，其主要用於在後續蝕刻IMD 410時保護其表面不受蝕刻損傷。接著，如圖4B中所示，在IMD 410的表面上依次形成第一金屬層420、蝕刻停止層 430、第二金屬層440和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層450A。其中，所述第一金屬層420和所述第二金屬層440可以由相同或不同金屬材料構成，例如，可以由Ti、Ta、W、Al、 Ni、Zr、Cu、Pt、Au、Ag及其氧化物、氮化物和矽化物中的至少一種構成，並且第一金屬層420 和第二金屬層440可以通過濺射法沉積形成。需要說明的是，第一金屬層420和第二金屬層440的厚度為50 500埃，並且它們的厚度可以相同，也可以不同。所述蝕刻停止層430 可以由與蝕刻停止層402的構成材料相同的材料構成，例如，其可以由Si02、SiN、Si0N、SiC、 SiCN和低k材料中的至少一種構成，並且其厚度為20 500埃。此外，形成具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層450A的方法是本領域所公知的，在此不再贅述。然後，以第一光致抗蝕劑層450A作為掩膜，對第二金屬層440進行第一蝕刻，直至露出蝕刻停止層430的表面，以在所述第二金屬層440中形成由第一開口圖案構成的開口 460A，並且之後，例如通過等離子體灰化處理，去除所述第一光致抗蝕劑層450A，如圖4C中所示。所述第一蝕刻所採用的蝕刻氣體為包含滷族氣體的混合氣體，優選為包含Cl2和BCl3 的混合氣體。此外，在蝕刻氣體中還可以包含02。需要注意的是，所述第一蝕刻通常採用過蝕刻，以確保第二金屬層440的位於所述由第一開口圖案定義的開口 460A中的部分完全被刻掉。
接著，如圖4D中所示，在第二金屬層440的表面上以及第二金屬層440中的開口 460A中，例如通過旋塗法形成底部抗反射層470，其厚度約為300 1500埃，並且在該底部抗反射層470的表面上，例如通過旋塗法以及曝光和顯影工藝，形成具有第二開口圖案的第二光致抗蝕劑層450B。然後，以第二光致抗蝕劑層450B作為掩膜，對底部抗反射層470、第二金屬層440、 蝕刻停止層430和第一金屬層420進行第二蝕刻，直至露出IMD 410的表面，以在所述第二金屬層440中形成由第二開口圖案定義的開口 460B，且在所述第一金屬層420中形成由第一開口圖案定義的開口 460C。其中，蝕刻所述底部抗反射層470所採用的蝕刻氣體包括由 N2和吐組成的混合氣體、A和CO2,蝕刻所述第一金屬層220所採用的蝕刻氣體可以與所述第一蝕刻所採用的相同。之後，通過例如等離子體灰化處理去除第二光致抗蝕劑層450B和底部抗反射層470，如圖4E中所示。需要注意的是，所述第二蝕刻通常也採用過蝕刻，以確保第一金屬層420的位於所述由第一開口圖案定義的開口 460C中的部分以及第二金屬層 440的位於所述由第二開口圖案定義的開口 460B中的部分完全被刻掉。接著，以第二金屬層440作為掩膜，對蝕刻停止層430、第一金屬層420和IMD 410 進行第三蝕刻，直至露出蝕刻停止層402的表面，如圖4F中所示。所述第三蝕刻例如可以如下進行首先，以第二金屬層440作為掩膜，蝕刻所述蝕刻停止層430，以在其中形成具有所述通孔圖案的開口，並且此時，第二金屬層440也被完全消耗掉；接著，以蝕刻停止層430 作為掩膜，蝕刻第一金屬層420，以在其中形成由第一開口圖案定義的開口，並且此時，蝕刻停止層430也被完全消耗掉；最後，以第一金屬層420作為掩膜，蝕刻IMD 410，直至露出蝕刻停止層402的表面。這裡，需要說明的是，在蝕刻所述蝕刻停止層430和第一金屬層420 的同時，由於由第一開口圖案定義的開口 460C上方沒有掩膜，所以IMD 410也會被繼續蝕刻一部分。由此，對於本領域技術人員而言應當理解的是，蝕刻停止層402在實際製造中是優選使用的，以便能夠有效地控制蝕刻的深度，從而防止由於過蝕刻而損傷IMD 410下方的膜層或者半導體襯底。此外，在所述第三蝕刻中，蝕刻所述第一金屬層420所採用的蝕刻氣體可以與所述第一蝕刻中所採用的相同，蝕刻所述IMD 410所採用的蝕刻氣體可以為包含氟基氣體的混合氣體。其中，所述包含氟基氣體的混合氣體含有CF4、CHF3、CH2F2和C2F6中的至少一種， 並且還可以含有諸如Ar這類惰性氣體和O2。至此，完成了用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的製作。接著，如圖4G中所示，去除所述蝕刻停止層402的露出了表面的部分，其中，例如可以通過用上述包含氟基氣體的混合氣體對其進行蝕刻來去除。最後，通過例如濺射法在第一金屬層420的表面上以及在IMD 410中的開口中形成一層互連金屬層，並對其進行化學機械拋光(CMP)，以露出IMD 410的表面，並保留該層互連金屬層的位於所述4MD 210中的開口中的部分，且使該層互連金屬層的表面與IMD 410的表面齊平，從而得到如圖4H中所示的剖面結構。作為示例，所述互連金屬層的構成材料以及形成方法等可與第一實施例中的相同。這裡，需要說明的是，第一金屬層420在此 CMP步驟中也可以一同被去除。接下來，參照圖5，其中示出了根據本發明第二實施例的方法的流程圖。首先，在步驟501中，提供前端器件結構，在所述前端器件結構的表面上依次形成有蝕刻停止層402和IMD 410。接著，在步驟502中，在IMD 410的表面上依次形成第一金屬層420、蝕刻停止層 430、第二金屬層440和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層450。接著，在步驟503中，以第一光致抗蝕劑層450A作為掩膜，對第二金屬層440進行第一蝕刻，直至露出蝕刻停止層430的表面，以在第二金屬層440中形成由第一開口圖案定義的開口 460A。接著，在步驟504中，去除所述第一光致抗蝕劑層450A。接著，在步驟505中，在第二金屬層440的表面上以及第二金屬層440中的開口 460A中，形成底部抗反射層470。接著，在步驟506中，在底部抗反射層470的表面上形成由第二開口圖案定義的第二光致抗蝕劑層450B。接著，在步驟507中，以第二光致抗蝕劑層450B作為掩膜，進行第二蝕刻，直至露出IMD 410的表面。其中，所述第二蝕刻包括對底部抗反射層470、第二金屬層440、蝕刻停止層430和第一金屬層420進行蝕刻，以在第一金屬層420中形成由第一開口圖案定義的開口 460C並且在第二金屬層440中形成由第二開口圖案定義的開口 460B。接著，在步驟508中，去除第二光致抗蝕劑層450B和底部抗反射層470。接著，在步驟509中，以第二金屬層440作為掩膜，對蝕刻停止層430、第一金屬層 420和IMD 410進行第三蝕刻，直至露出蝕刻停止層402的表面，從而形成了用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構。接著，在步驟510中，去除所述蝕刻停止層402的露出了表面的部分。最後，在步驟511中，在第一金屬層420的表面上以及在IMD 410中的開口中形成一層互連金屬層，並且平坦化該層互連金屬層，以形成雙大馬士革結構480。雖然本實施例中示出由第二開口圖案定義的開口(例如，460B)大於由第一開口圖案定義的開口(例如，460A和460C)，但對於本領域技術人員而言應當理解的是，由第二開口圖案定義的開口也可以小於由第一開口圖案定義的開口。此外，需要說明的是，在本實施例中，通過第三蝕刻可以在IMD 410中形成由第一開口圖案定義的開口以及由第二開口圖案定義的開口。其中，所述由第二開口圖案定義的開口位於所述由第一開口圖案定義的開口的正上方，並且所述由第一開口圖案定義的開口對應於通孔，所述由第二開口圖案定義的開口對應於溝槽。[本發明的有益效果]從以上結合附圖對本發明優選實施例的描述以及圖1B、2D和4D中所示的示意性剖面圖可以看出，根據本發明的方法用獨立的兩層金屬作為掩膜來分別控制通孔和溝槽的蝕刻，填充BARC的深度比傳統技術中的低，因而能夠提高BARC填充的質量，並且由於回蝕 BARC的時間得以大大縮短，從而能夠避免蝕刻氣體對⑶造成不良影響。此外，由於蝕刻金屬間介電層時實際上是利用金屬層作為掩膜進行蝕刻，因而根據本發明的方法也能夠解決傳統技術中可能存在的其他問題，例如，去除BARC時所採用的灰化劑中的氧離子或氧氣會與構成金屬間介電層的低k材料中所含的碳元素發生反應，從而導致低k材料的k值增大而失去其低k的優勢，以及工藝窗口隨著CD的縮小而變小等問題。[本發明的工業實用性]
根據如上所述的實施例製造的半導體器件可應用於多種集成電路(IC)中。根據本發明的IC例如是存儲器電路，如隨機存取存儲器(RAM)、動態RAM(DRAM)、同步 DRAM (SDRAM)、靜態RAM(SRAM)、或只讀存儲器(ROM)等等。根據本發明的IC還可以是邏輯器件，如可編程邏輯陣列(PLA)、專用集成電路(ASIC)、合併式DRAM邏輯集成電路(掩埋式 DRAM)、射頻電路或任意其他電路器件。根據本發明的IC晶片可用於例如用戶電子產品，如個人計算機、可攜式計算機、遊戲機、蜂窩式電話、個人數字助理、攝像機、數位相機、手機等各種電子產品中，尤其是射頻產品中。本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外，本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。
權利要求
1. 一種製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法，包括 提供前端器件結構，在所述前端器件結構的表面上形成有金屬間介電層； 在所述金屬間介電層的表面上依次形成第一金屬層、蝕刻停止層、第二金屬層和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層；以所述第一光致抗蝕劑層作為掩膜，對所述第二金屬層進行第一蝕刻，直至露出所述蝕刻停止層的表面，以在所述第二金屬層中形成由所述第一開口圖案定義的開口 ； 去除所述第一光致抗蝕劑層；在所述第二金屬層的表面上以及所述第二金屬層中的所述開口中，形成底部抗反射層；在所述底部抗反射層的表面上形成具有第二開口圖案的第二光致抗蝕劑層，所述第二開口圖案位於所述第二金屬層中的所述開口的正上方；以所述第二光致抗蝕劑層作為掩膜，進行第二蝕刻，直至露出所述金屬間介電層的表去除所述第二光致抗蝕劑層和所述底部抗反射層；以及以所述第二金屬層作為掩膜，對所述蝕刻停止層、所述第一金屬層和所述金屬間介電層進行第三蝕刻，直至露出所述前端器件結構的表面。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，由所述第二開口圖案定義的開口小於由所述第一開口圖案定義的開口，且所述第二蝕刻包括對所述底部抗反射層、所述蝕刻停止層和所述第一金屬層進行蝕刻，以在所述第一金屬層中形成由所述第二開口圖案定義的開口。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，由所述第二開口圖案定義的開口大於由所述第一開口圖案定義的開口，且所述第二蝕刻包括對所述底部抗反射層、所述第二金屬層、所述蝕刻停止層和所述第一金屬層進行蝕刻，以在所述第一金屬層中形成由所述第一開口定義的開口且在所述第二金屬層中形成由所述第二開口圖案定義的開口。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層的構成材料選自Ti、Ta、W、Al、Ni、Zr、Cu、Pt、Au、Ag以及它們的氧化物、氮化物和矽化物中的至少一種。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層是通過濺射法而形成的。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層的厚度各自為50 500埃。
7.根據權利要求4所述的方法，其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層的厚度相同或不同。
8.根據權利要求4所述的方法，其中，蝕刻所述第一金屬層和所述第二金屬層所採用的氣體為包含滷族氣體的混合氣體。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述包含滷族氣體的混合氣體是含有Cl2和BCl3 的混合氣體。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述蝕刻停止層的厚度為20 500埃。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，所述蝕刻停止層的構成材料選自Si02、SiN、 SiON, SiC、SiCN和低k材料中的至少一種。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，蝕刻所述蝕刻停止層和所述金屬間介電層所採用的氣體為包含氟基氣體的混合氣體。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述包含氟基氣體的混合氣體含有CF4、CHF3, CH2F2和C2F6中的至少一種。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述包含氟基氣體的混合氣體含有Ar和02。
15.根據權利要求1所述的方法，其中，所述底部抗反射層的厚度為300 1500埃。
16.根據權利要求1所述的方法，其中，去除所述底部抗反射層所採用的氣體選自由N2 和H2組成的混合氣體、O2和(X)2中的至少一種。
17.一種形成雙大馬士革結構的方法，包括提供通過權利要求1至16中任一項所述的方法製作的半導體器件結構；在所述第一金屬層的表面上以及在所述金屬間介電層中的開口中形成互連金屬層；以及平坦化所述互連金屬層，以露出所述金屬間介電層的表面，並保留所述互連金屬層的位於所述金屬間介電層中的所述開口中的部分，且使所述互連金屬層的表面與所述金屬間介電層的表面齊平。
全文摘要
本發明提供一種製作用於形成雙大馬士革結構的半導體器件結構的方法，包括提供前端器件結構；在金屬間介電層的表面上依次形成第一金屬層、蝕刻停止層、第二金屬層和具有第一開口圖案的第一光致抗蝕劑層；進行第一蝕刻，直至露出蝕刻停止層的表面；去除第一光致抗蝕劑層；形成底部抗反射層；形成具有第二開口圖案的第二光致抗蝕劑層，第二開口圖案位於第二金屬層中的開口的正上方；進行第二蝕刻，直至露出金屬間介電層的表面；去除第二光致抗蝕劑層和底部抗反射層；以及進行第三蝕刻，直至露出前端器件結構的表面。該方法能夠提高BARC填充的質量並且避免回蝕BARC時間過長對CD造成不良影響等。
文檔編號H01L21/768GK102386126SQ20101027506
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者洪中山 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司