在金屬間介電層構成圖形的方法
2023-05-03 07:57:31
專利名稱：在金屬間介電層構成圖形的方法
技術領域：
本發明涉及一種在金屬間介電層構成圖形的方法，更具體地講，涉及一種通過在形成通孔後紫外線輻照，以完全防止在通孔內壁生成光刻膠殘餘物的金屬間介電層構成圖形方法。
2.背景技術在許多半導體器件製造過程中，雙重鑲嵌法在構成圖形金屬電路方面的需求增大，圖1例舉說明了其常規方法。在該方法中，將雙介電層，即上層和下層介電層，塗布在曝光的下層電路的半導體基底上，形成通過下層介電層連接上層電路和下層電路的通孔，並在介電層上形成上層電路圖形後，在圖形中填入金屬形成產品結構。令通過上述方法獲得的產品結構經歷CMP(化學和機械拋光)過程，從而在半導體基底上獲得所需的電路結構。
更準確地說，在半導體基底上形成下層電路1，並且在包括下層電路1的基底上依次排放下層蝕刻阻止層2，下層介電層3、上層蝕刻阻止層4和上層介電層5。將光刻膠塗布在得到的基底上，曝光形成光刻膠圖形6。第一次在顯影的基底上使用光刻膠圖形6作為掩模依次幹蝕刻上層介電層5、上層蝕刻阻止層4和下層介電層3，從而形成通孔7以曝光在下層電路1上的下層蝕刻阻止層2。為了形成頂部金屬電路，然後將光致抗蝕劑8塗布在包括通孔7的基底上，曝光並顯影形成光刻膠圖形9。然後，使用光刻膠圖形9作為掩模蝕刻上層介電層5，之後第二次同時蝕刻上層和下層蝕刻阻止層4和2形成通孔圖形連接頂部金屬電路和上層與下層電路。
然而，在常規的雙重鑲嵌法中，如果第一次刻蝕過程是使用N2氣進行的，通孔內壁上會形成胺基(例如NH2-)。由此形成的胺基在形成上層電路的後處理光刻法過程中可以俘獲光致H+離子，由此在曝光和顯影后在通孔內壁留下無法除去的光刻膠殘餘物。因此，在第二次刻蝕過程中形成不合需要的圖形，產生如圖2所示的較差的電子元件。
因此，已經試圖在形成通孔時減少N2氣的用量。然而，為了適當控制蝕刻速度和在蝕刻下層介電層時改善選擇性，在為了獲得較好性能的層使用含碳介電層的時候，使用N2氣是不可避免的。
在這方面，已經發展了一種防止俘獲H+離子的方法，其中將含氟的低介電材料(介電常數k3.2)填入接觸孔，並進行光刻過程。該方法利於在低介電層蝕刻和拋光過程後使用HF溶液除去光刻膠的時候，去除光刻膠和含氟低介電材料。因此，該方法可用於使用介電常數(k)2.7的無孔下層介電層的情況。然而，因為當無孔的含氟低介電材料的蝕刻速度不同於蝕刻無孔和多孔介電層的多孔低介電層蝕刻速度的時候，難以保證獲得所需的圖形，該過程在使用多孔下層介電層的情況下不能勝任。換言之，因為該多孔低介電層的蝕刻速度高於無孔低介電層，所以蝕刻含氟無孔低介電材料緩慢。因此，該方法無法形成合適的鑲嵌結構。
同時，在使用含有小尺寸多孔低介電層情況下，由於介電層在刻蝕過程中受等離子體影響產生矽烷醇基團(≡Si-OH)，從而使得通孔內壁親水。如上所述，當通孔內壁是親水性的時候，通孔在潮溼的清洗過程中吸收大量水，由此不希望地增加低介電層的介電常數，降低低介電層的可靠性。
發明內容
本發明是基於上述現有技術的問題而進行的，因此本發明的一個目的是通過雙重鑲嵌法提供一種在金屬間介電層構成圖形的方法，其中，在介電層形成通孔後，進行紫外線輻照以便改進通孔內壁化學結構並降低其反應性，從而易於除去在顯影過程中難以除去的光刻膠殘餘物。
基於本發明，實現上述目的可以通過提供一種在金屬間介電層的構成圖形方法而實現，該方法包含步驟a)在包括在其上形成圖案的下層電路圖形的半導體基底上依次排放下層蝕刻阻止層、下層介電層、上層蝕刻阻止層和上層介電層，b)在上層介電層、上層蝕刻阻止層和下層介電層上構成圖形形成通孔，曝光下層電路上的下層蝕刻阻止層，c)使用紫外線輻照通孔，d)在得到的其上包括通孔的半導體基底上形成光刻膠層，並在光刻膠層上構成圖形，e)在上層介電層構成圖形，使用構成圖形光刻膠層作為蝕刻掩模形成上層介電層上通孔周圍的線路，和f)曝光下層電路的頂部。
從下面的詳細說明和附圖將更加清楚地理解本發明的上述和其他目的、特徵和其他優點，其中圖1例舉說明了常規雙重鑲嵌法的金屬間介電層構成圖形方法；圖2例舉說明了常規雙重鑲嵌法金屬間介電層的構成圖形方法，其中通孔內光刻膠殘餘物不完全除去，但是保留在通孔內；圖3例舉說明了按照本發明，在改進的雙重鑲嵌法中當紫外線輻照至通孔的時候，構成通孔內壁成分的化學改性；圖4是介電層在介電層的沉積和刻蝕過程後，使用實施例1中的TOF-SIMS分析介電層化學成分含量的直方圖；圖5是在介電層的刻蝕過程和紫外線輻照過程後，使用實施例1中的TOF-SIMS分析介電層化學成分含量的直方圖；圖6是實施例2紫外線輻照過程後光刻膠圖形的電子顯微鏡照片；和圖7是實施例2不進行紫外線輻照的光刻膠圖形電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
按照本發明，在半導體基底上的上層和下層介電層中形成通孔後，紫外線輻照該通孔以便改進通孔內壁的化學結構並降低其反應性，從而容易地除去在顯影中難以除去的光刻膠殘餘物。此外，對包含納米級孔的低介電層的通孔內壁進行脫羥基化處理以防止該多孔低介電層在隨後的潮溼-清洗過程中吸水。
圖3例舉說明了當按照本發明使用紫外線輻照通孔時，內壁表面的化學改性。如圖3所示，通孔表面上的大部分胺基與低介電材料的烴基結合，紫外線輻射孔表面時，碳-氮鍵由於吸收光能量被打斷。此時，與紫外線一起可以進一步加入熱能以便加速鍵斷裂。
同時，在使用如圖3所示多孔材料作為低-k(電介質)層的情況下，通孔內壁的表面上形成矽烷醇基。當紫外線輻照通孔內壁的時候，O-H鍵被打斷，得到的氧自由基進攻鄰近的矽原子形成Si-O-Si鍵。由此，使通孔內壁表面成為疏水性，從而防止由吸水進入介電層所引起的介電常數增加，並防止在包含介電層和通孔的半導體基底上裝配的電子元件的性能降低。
另外，在本發明中，可以使用雷射束作為光源產生具有特定波長範圍的紫外線輻照低介電層，或使用紫外線燈作為光源產生相對長的波長約700納米或更低的紫外線進行輻照。也可以使用多種其他光源產生紫外線輻照低介電層。優選，可以使用波長為150至400納米的紫外線。此外，為了獲得更好的結果，與紫外線一起可以給通孔進一步提供100至300℃的熱能。
此外，紫外線可以輻照上層介電層全部，或使用光掩模和曝光裝置蝕刻的上層介電層的一部分，也就是說，僅輻照通孔。
此外，按照本發明，優選在通孔形成後，但是在為第二次介電層曝光過程塗布光刻膠之前進行紫外線輻照通孔。然而，在蝕刻或拋光過程後可以進行紫外線輻射通孔。
同時，在本發明中，本領域公知的SiO2層、SiOF層、SiOC層和多孔介電層可用作金屬間介電層。
可以由多種方法形成多孔介電層，例如，在半導體基底上的化學蒸氣沉積法，或者將含氣凝膠或幹凝膠物質和表面活性劑或成孔物質的前體溶液塗布和硬化的方法。
可以列舉的但是非限定的表面活性劑的例子包括硫酸鹽、磺酸鹽、磷酸鹽、羧酸、烷基銨鹽、雙生表面活性劑、十六烷基乙基哌啶鎓鹽、二烷基二甲基銨、伯胺、聚氧化環氧乙烷、八乙烯基乙二醇單癸基醚、八乙烯基乙二醇單十六烷基醚和其嵌段共聚物。
此外，成孔物質的例子包括聚己酸內酯、環糊精、聚氧化環氧乙烷、八乙烯基乙二醇單癸基醚、八乙烯基乙二醇單十六烷基醚和其嵌段共聚物，但是成孔物質不限於上述實例。
用於本發明的蝕刻阻止層的例子是碳化矽層(SiC層)、碳氮化矽(SiCN)層、氮化矽(SiN)層或非晶態矽碳化物(a-SiC)層。
在形成本發明雙鑲嵌圖形後，填充金屬阻隔層和金屬罐。金屬阻隔層材料的例子包括至少一種金屬選自Ti、TiN、Ta、TaN和非晶態矽碳化物(SiC)，金屬材料的例子包括銅。
通過下列實施例可以更好地理解本發明，實施例是例舉說明，不應解釋為對本發明的限定。實施例1比較紫外線輻射通孔前後構成通孔內壁的化學成分由於難以分析構成小尺寸通孔內壁的化學成分，將介電層(無孔的SiOC層)放置在半導體基底上，並在N2氣氛下進行無光刻膠圖形的幹蝕刻，然後使用TOF-SIMS分析構成SiOC層表面的化學成分，作為通孔的化學成分。結果列於圖4。從圖4能夠看出，在介電層放置後僅發現烴類，但是在介電層的幹蝕刻過程後發現大量的碳氮化氫和含氮氨基物質。
為了比較紫外線輻射通孔前後構成通孔內壁的化學成分，進行下列測試，結果列於圖5。也就是說，將介電層(無孔SiOC層)放置在半導體基底上，幹蝕刻，並在200℃下加熱，同時紫外線輻照介電層90秒，使用TOF-SIMS分析得到的結構。
從圖5能夠看出，在紫外線輻照通孔後，通孔內壁上的含氮光刻膠殘餘物極大地減少，並且通孔內壁的SiOH含量減少了一半。
使用水銀燈光源進行紫外線輻照通孔60秒，同時在200℃下加熱以除去通孔內壁的蝕刻殘餘物，以及去除在蝕刻介電層後用水清洗通孔時通孔內壁吸附/吸收的水。在這方面，作為對照樣品的另一個通孔不受紫外線輻照。對得到的塗有光刻膠的半導體基底進行紫外線輻照，曝光，並顯影以在上層介電層上形成光刻膠圖形。紫外線輻射通孔和對照樣品，然後拍照，結果如圖6和7所示。從圖6和7能夠看出，圖7通孔的光刻膠不能除去，而圖6中形成的通孔和光刻膠圖形是符合需要的。
如上所述，本發明有利於在金屬間介電層按照改進的雙重鑲嵌法形成金屬線路，從而容易地除去在光刻膠顯影后難以除去的光刻膠殘餘物，並防止由吸收進入多孔介電層的水引起的多孔介電層介電常數增加。本發明的另一個優點是由於介電層按照幹蝕刻法進行蝕刻，所以不需要在溼蝕刻過程中必需進行的乾燥過程，由此不用附加乾燥裝置而容易地在金屬間介電層上構成圖形。
本發明以例舉方式進行了說明，應當理解的是使用的術語是用來說明而不是用來限定。根據上述教導可以對本發明作出許多改進和變化。因此，應當理解的是在附加的權利要求範圍內，可以用不同於具體公開的方法實踐本發明。
權利要求
1.一種在金屬間介電層構成圖形的方法，包括a)在半導體基底上依次排放下層蝕刻阻止層、下層介電層、上層蝕刻阻止層和上層介電層，所述基底包括在其上形成圖形的下層電路；b)在上層介電層、上層蝕刻阻止層和下層介電層上構成圖形以形成通孔，所述通孔曝光下層電路上的下層蝕刻阻止層；c)使用紫外線輻照通孔；d)在得到的其上包括通孔的半導體基底上形成光刻膠層，並在光刻膠層上構成圖形；e)在上層介電層使用構成圖形光刻膠層作為蝕刻掩模構成圖形，形成上層介電層上通孔周圍的線路；和f)曝光下層電路的頂部。
2.權利要求1的方法，其中每個介電層選自SiO2層、SiOF層、SiOC層和多孔介電層。
3.權利要求2的方法，其中形成多孔介電層通過以下步驟形成1)在半導體基底上塗布前體溶液形成半導體基底上的介電層；2)烘烤介電層；3)固化烘烤後的介電層；和4)在硬化的介電層上使用熱能或紫外線形成孔。
4.權利要求2的方法，其中通過化學蒸氣沉積法形成多孔介電層。
5.權利要求3的方法，其中前體溶液包含氣凝膠或幹凝膠物質。
6.權利要求3的方法，其中前體溶液包含表面活性劑物質。
7.權利要求3的方法，其中前體溶液包含成孔物質。
8.權利要求1的方法，其中蝕刻阻止層是碳化矽(SiC層)、碳氮化矽(SiCN)層、氮化矽(SiN)層或非晶態矽碳化物(a-SiC)層。
9.權利要求1的方法，其中紫外線波長為150-400納米。
10.權利要求1的方法，其中紫外線輻照通孔的同時，以100-300℃的熱能加熱通孔。
全文摘要
一種在金屬間介電層上構成圖形的方法，包括a)在包含其上形成圖形的下層電路的半導體基底上依次排放下層蝕刻阻止層、下層介電層、上層蝕刻阻止層和上層介電層，b)在上層介電層、上層蝕刻阻止層和下層介電層構成圖形形成通孔，曝光下層電路上的下層蝕刻阻止層，c)用紫外線輻照通孔，d)在得到的包括通孔的半導體基底上形成光刻膠層，並在光刻膠層上構成圖形，e)使用構成圖形的光刻膠層作為蝕刻掩模構成圖形上層介電層以形成上層介電層通孔周圍的線路，和f)曝光下層線路的頂部。該方法容易除去光刻膠殘餘物，防止水引起的介電常數增加。
文檔編號G03F7/38GK1469452SQ0313869
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月3日 優先權日2002年6月5日
發明者李光熙, 鄭鉉潭, 李敬雨, 李守根 申請人:三星電子株式會社