形成半導體鑲嵌結構的蝕刻製程的製作方法
2023-12-02 04:11:26 1
專利名稱：形成半導體鑲嵌結構的蝕刻製程的製作方法
技術領域：
本發明有關一種半導體鑲嵌結構的形成製程，且特別是有關一種形成半導體鑲嵌結構的蝕刻方法。
(2)背景技術由於集成電路的半導體元件的積集度日益增加，使得晶片的表面無法提供足夠的面積來製作所需的內連線時，為了配合金屬氧化物半導體(Metal OxideSemiconductor；MOS)電晶體縮小後所增加的內連線需求，兩層以上的金屬層設計便逐漸的成為許多集成電路所必需採用的方式。此外，在深次微米的製程中，由於集成電路的積集度不斷增加，因此目前大多採用多層內連線(Multi-levelinterconnects)的立體架構，且常以內金屬介電層(Inter-Metal Dielectric；IMD)作為隔離各金屬內連線的介電材料。其中用來連接上下兩層金屬層的導線，在半導體工業上，稱的為介層窗插塞(Via Plug)。通常於介電層中形成的開口，若是暴露出內連線中的基底元件，則稱的為接觸窗(contact hole)。
習知製造介層洞和內連線的方法有兩種，其中一種是介層洞和內連線分兩步驟完成，即在金屬層上方形成介電層，接著在介電層上方形成光阻層(Photoresist；PR)，然後利用蝕刻技術完成介層窗，並利用沉積法在此介層窗沉積導電材料以完成介層窗的製作，之後沉積並形成金屬層，最後再沉積內金屬介電層。傳統形成金屬內連線的製程，是分別以兩次微影製程製作介層窗與金屬內連線，因此需要繁瑣的沉積與圖案形成的步驟。然而，在深次微米(Sub-quartermicron)以下的半導體製程，因多層連線布局(Layout)更複雜，造成難以形成金屬內連線的圖案。因此，目前又發展出另一種鑲嵌式內連結線結構(Damasceneinterconnect structure)。依據製程上的特性，可分為單層型(Single type)、雙重型(Dual type)與自我對準型(Self-aligned type)。金屬鑲嵌法(Damascene)是為一種在介電層中先蝕刻出金屬內連線的溝渠，再填入金屬當作內連線的方法，此法可使得金屬內連線的製程不用蝕刻的步驟，而能將銅等不易蝕刻的金屬引入半導體元件中。因此在深次微米中製造內連線以此法為最佳的方式。
傳統的雙重金屬鑲嵌製程包含兩種圖案形成，一是深圖案(Deep patterns)形成，亦即形成介層洞的形成(Via-first)；另一是淺圖案形成(Shallowpatterns)或是線圖案形成(Line patterns)，亦即形成溝槽的形成(Trench-first)。對於深次微米元件的生產製造而言，通常在雙鑲嵌製程蝕刻製程中使用具有較低的蝕刻光阻波長的光阻與非金屬/金屬硬遮層。在傳統的雙鑲嵌結構製程中，若是化學機械研磨製程的研磨漿直接使用在具有低介電係數的介電層上進行研磨程序，則將會在此種銅的化學機械研磨製程中輕易地產生大量的碳殘留物所引發的問題，因此，用於覆蓋在具有低介電係數的介電層上以當成化學機械研磨製程的研磨終止層的其中一介電層是為碳矽化物層，其主要用以防止化學機械研磨製程所產生的缺陷。以溝槽形成的製程為例，其是在硬遮層圖案形成後進行部分介層洞蝕刻，而雙鑲嵌的結構則同時在溝槽蝕刻的期間形成。然而，由於在碳矽化物層的表面上會產生氧化作用，在氧化物與碳矽化物的雙硬遮層的疊積結構中尤其如此，此將造成蝕刻碳矽化物層的困難。
(3)發明內容為克服傳統鑲嵌結構的形成方法，其所產生的諸多缺點，本發明的目的是提供一種新的金屬鑲嵌製程的形成方法，以便於提升後續製程的產率以及良率。
根據以上所述的目的，本發明揭示一種新的形成鑲嵌結構的蝕刻製程。首先，提供一具有一第一介電層的半導體底材，其上依序形成一第一硬遮層與一第二硬遮層於第一介電層上，其中，第一硬遮層是當成後續化學機械研磨製程(CMP)的研磨終止層。然後，形成且形成一第一光阻層於第二硬遮層上。接著，藉由第一光阻層當成一蝕刻罩幕進行一第一蝕刻製程以蝕穿第一硬遮層與第二硬遮層直到第一硬遮層的一預定厚度為止，並形成一具有第一圖案的第一開口於第一硬遮層上。在移除第一光阻層後，進行一破除製程以去除殘留於第一硬遮層與第二硬遮層表面的聚合物殘餘物質與氧化物質，其中，破除製程是使用具有碳氟比的氣體(CFx-based)，例如，Ar/O2/CF4，輕微地衝刷第一硬遮層與第二硬遮層的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。隨後，形成一第二介電層於第二硬遮層上且填滿第一開口，其中，第二介電層是為抗反射層(anti-reflection coating；ARC)或底部抗反射層(BARC)。其次，形成且形成一第二光阻層於第二介電層上，並藉由第二光阻層當成一蝕刻罩幕進行一第二蝕刻製程以蝕穿第二介電層與第一硬遮層直到第一介電層的一預定厚度為止，並形成一具有第二圖案的第二開口於第一介電層中。在移除第二光阻層與第二介電層後，藉由第二硬遮層當成蝕刻罩幕進行一第三蝕刻製程以蝕穿第一硬遮層與第一介電層直到暴露半導體底材為止，其中，第三蝕刻製程是藉由第一硬遮層減緩第一開口的蝕刻速率，且第三蝕刻製程是使用含氯的混合氣體，例如，具有Cl2/O2的混合氣體，此第三蝕刻製程能藉由Cl2的混合比調整蝕刻選擇比，亦即，Cl2的混合比越高，則第一硬遮層與第二硬遮層的蝕刻選擇比亦越高。最後，移除第二硬遮層以形成雙鑲嵌結構於第一介電層中。
本發明是藉由兩步驟蝕刻製程以蝕刻硬遮層並形成鑲嵌結構，該兩步驟蝕刻製程是包含一破除步驟(Breakthrough step)與一蝕刻步驟，其中，破除步驟是使用具有碳氟比的氣體(CFx-based)，例如，Ar/O2/CF4，輕微地衝刷硬遮層的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質；蝕刻步驟是使用含氯氣的混合氣體，例如，具有Cl2/O2的混合氣體，以先行蝕刻硬遮層與部分介電層直到形成一開口於介電層中為止，之後，再藉由此結構形成鑲嵌結構。所以，本發明可有效地提高製程上的良率與產率。因此，本發明能符合經濟上的效益與產業上的利用性，且本方法能適用於半導體元件的深次微米的技術中。
為更清楚理解本發明的目的、特點和優點，下面將結合附圖對本發明的較佳
(4)
圖1A至圖1D是根據本發明的第一較佳實施例中，藉由兩步驟蝕刻製程形成溝槽的製程剖面圖；圖2A至圖2E是根據本發明的第二較佳實施例中，藉由兩步驟蝕刻製程形成鑲嵌結構的製程剖面圖；與圖3A至圖3E是根據本發明的第三較佳實施例中，藉由兩步驟蝕刻製程形成鑲嵌結構的製程剖面圖。
(5)具體實施方式
本發明在此所探討的方向為一種半導體製程的鑲嵌結構的形成方法。為了能徹底地了解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟或元件。顯然地，本發明的施行並未限定於半導體元件的技術人員所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的製程步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要的限制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述的外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其是以所附的權利要求所限定的範圍為準。
參考圖1A至圖1D所示，在本發明的第一實施例中，首先，提供一半導體底材100，其上依序形成一碳矽化物層110(例如，SiC)與一矽氧化物層120。然後，形成且形成一光阻層130於矽氧化物層120上，且藉由光阻層130當成一蝕刻罩幕進行一第一蝕刻製程140以蝕刻矽氧化物層120直到暴露碳矽化物層110的部分表面為止，並形成一開口150於碳矽化物層110上。在移除光阻層130後，進行一破除製程160以去除殘留於碳矽化物層110與矽氧化物層120表面的聚合物殘餘物質與氧化物質，此外，破除製程160是使用具有碳氟比的氣體(CFx-based)，例如，Ar/O2/CF4，輕微地衝刷碳矽化物層110與矽氧化物層120的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。隨後，藉由矽氧化物層120當成蝕刻罩幕進行一第二蝕刻製程170以蝕刻碳矽化物層110直到暴露半導體底材100的表面為止，其中，第二蝕刻製程170是使用含氯的混合氣體，例如，具有Cl2/O2的混合氣體，且此第二蝕刻製程170能藉由Cl2的混合比調整蝕刻選擇比，亦即，Cl2的混合比越高，則碳矽化物層110對矽氧化物層120的蝕刻選擇比亦越高。最後，移除矽氧化物層120以形成一溝槽結構180於半導體底材100上。
參考圖2A至圖2E所示，在本發明的第二實施例中，首先，提供一半導體底材200，其上形成一具有低介電係數的第一介電層210A。然後，依序形成一第一硬遮層220、一金屬層230與一第二硬遮層240於第一介電層210A上，其中，第一硬遮層220是當成後續化學機械研磨製程的研磨終止層，且第一硬遮層220的材質包含碳矽化物，例如，SiC，而第二硬遮層240的材質包含氧化物。然後，形成一第一光阻層250A於第二硬遮層240上，且藉由第一光阻層250A當成一蝕刻罩幕進行一第一蝕刻製程260A以蝕穿第二硬遮層240、金屬層230與第一硬遮層220直到第一硬遮層220的一第一預定厚度為止，並形成一具有第一圖案的第一開口270A於第一硬遮層220上，其中，第一圖案是為一淺圖案或溝槽圖案。在移除第一光阻層250A後，進行一破除製程280以去除殘留於第一硬遮層220與第二硬遮層240表面的聚合物殘餘物質與氧化物質，此外，破除製程280是使用具有碳氟比的氣體(CFx-based)，例如，Ar/O2/CF4，輕微地衝刷第一硬遮層220與第二硬遮層240的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。隨後，形成一第二介電層210B於第二硬遮層240上且填滿第一開口270A，其中，第二介電層210B是為抗反射層(anti-reflection coating；ARC)或底部抗反射層(BARC)。之後，形成且形成一第二光阻層250B於第二介電層210B上，並藉由第二光阻層250B當成一蝕刻罩幕進行一第二蝕刻製程260B以蝕穿第二介電層210B與第一硬遮層220直到第一介電層210A的一第二預定厚度為止，同時形成一具有第二圖案的第二開口270B於第一介電層210A中，其中，第二圖案是為一深圖案或介層洞圖案。在移除第二光阻層250B與第二介電層210B後，藉由第二硬遮層240當成蝕刻罩幕進行一第三蝕刻製程260C以蝕穿第一硬遮層220與第一介電層210A直到暴露半導體底材200為止，且第三蝕刻製程260C是藉由第一硬遮層220減緩第一開口270A的蝕刻速率，其中，第三蝕刻製程260C是使用含氯的混合氣體，例如，具有Cl2/O2的混合氣體，且此第三蝕刻製程260C能藉由Cl2的混合比調整蝕刻選擇比，亦即，Cl2的混合比越高，則第一硬遮層220與第二硬遮層240的蝕刻選擇比亦越高。最後，移除第二硬遮層240以形成雙鑲嵌結構290於第一介電層210中。值得注意的是，在本實施例中，金屬層230可包含於第二硬遮層240的疊積結構中，因此金屬層230的形成並非具有其必要性，需以製程上的需求決定其形成與否。
參考圖3A至圖3E所示，在本發明的第三實施例中，首先，提供一半導體底材300，其上形成一具有低介電係數的介電層310。然後，依序形成一第一硬遮層320、一金屬層330與一第二硬遮層340於介電層310上，其中，第一硬遮層320是當成後續化學機械研磨製程的研磨終止層，且第一硬遮層320的材質包含碳矽化物，例如，SiC，而第二硬遮層340的材質包含氧化物。然後，形成且形成一第一光阻層350A於第二硬遮層340上，且藉由第一光阻層350A當成一蝕刻罩幕進行一第一蝕刻製程360A以蝕穿第二硬遮層340、金屬層330、第一硬遮層320與介電層310直到介電層310的一第一預定厚度為止，並形成一具有第一圖案的第一開口370A於介電層310上，其中，第一圖案是為一深圖案或介層洞圖案。在移除第一光阻層350A後，形成且形成一第二光阻層350B於第二硬遮層340上，並藉由第二光阻層350B當成一蝕刻罩幕進行一第二蝕刻製程360B以蝕刻第二硬遮層340、金屬層330與第一硬遮層320直到第一硬遮層320的一第二預定厚度為止，並形成一具有第二圖案的第二開口370B於第一硬遮層320上，其中，第二圖案是為一淺圖案或溝槽圖案。在移除第二光阻層350B後，進行一破除製程380以去除殘留於上述整體結構表面的聚合物殘餘物質與氧化物質，此外，破除製程380是使用具有碳氟比的氣體(CFx-based)，例如，Ar/O2/CF4，輕微地衝刷第一硬遮層320與第二硬遮層340的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。隨後，藉由第二硬遮層340當成蝕刻罩幕進行一第三蝕刻製程360C以蝕刻第一硬遮層320與介電層310直到暴露半導體底材300為止，且第三蝕刻製程360C是藉由第一硬遮層320減緩第二開口370B的蝕刻速率，其中，第三蝕刻製程360C是使用含氯的混合氣體，例如，具有Cl2/O2的混合氣體，且此第三蝕刻製程360C能藉由Cl2的混合比調整蝕刻選擇比，亦即，Cl2的混合比越高，則第一硬遮層320與第二硬遮層340的蝕刻選擇比亦越高。最後，移除第二硬遮層340以形成雙鑲嵌結構390於介電層310中。值得注意的是，在本實施例中，金屬層330可包含於第二硬遮層340的疊積結構中，因此金屬層330的形成並非具有其必要性，以製程上的需求決定其形成與否。
如上所述，在本發明的實施例中，本發明可藉由破除製程預先移除硬遮層上所殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質，以易於蝕刻硬遮層。此外，本發明亦可藉由預先形成一開口於介電層頂部表面中以避免微負載效應(micro-loading effect)，且本發明使用含氯的混合氣體進行蝕刻製程，藉此可獲得更高的蝕刻選擇比，例如，碳矽化物對矽氧化物的蝕刻選擇比可達到約為5∶1。當然，本發明除了可能用在金屬鑲嵌結構的形成製程上，也可能用在任何半導體元件的蝕刻製程上。而且，本發明藉由兩步驟蝕刻製程以形成雙鑲嵌結構的方法，迄今仍未發展用在關於金屬鑲嵌製程方面。對深次微米的製程而言，本方法為一較佳可行的鑲嵌結構的形成製程。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項的範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或等效替換，均應包含在下述權利要求所限定的範圍內。
權利要求
1.一種溝槽結構的形成方法，其特徵在於，包含下列步驟提供一半導體底材；依序形成一碳矽化物層與一矽氧化物層於該半導體底材上；蝕刻該矽氧化物層直到暴露該碳矽化物層的部分表面為止，並形成一開口於該碳矽化物層上；進行一破除製程以去除殘留於該碳矽化物層與該矽氧化物層表面的聚合物殘餘物質與氧化物質；藉由該矽氧化物層當成蝕刻罩幕進行一蝕刻製程以蝕刻該碳矽化物層直到暴露該半導體底材的表面為止；與移除該矽氧化物層以形成一溝槽結構於該半導體底材上。
2.如權利要求1所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的破除製程是輕微地衝刷該碳矽化物層與該矽氧化物層的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。
3.如權利要求1所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的破除製程是使用具有碳氟比的氣體。
4.如權利要求3所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的具有碳氟比的氣體還包含具有Ar/O2/CF4的混合氣體。
5.如權利要求1所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是使用含氯的混合氣體。
6.如權利要求5所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的含氯的混合氣體還包含具有氯與氧的混合氣體。
7.如權利要求5所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是藉由氯的混合比調整蝕刻選擇比。
8.如權利要求7所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的氯的混合比越高，則該碳矽化物層對該矽氧化物層的蝕刻選擇比亦越高。
9.一種鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，包含下列步驟提供一半導體底材，其上具有一第一介電層；依序形成一第一硬遮層與一第二硬遮層於該第一介電層上；蝕刻該第二硬遮層與該第一硬遮層直到該第一硬遮層的一第一預定厚度為止，並形成一具有第一圖案的第一開口於該第一硬遮層上；進行一破除製程以去除殘留於該第一硬遮層與該第二硬遮層表面的聚合物殘餘物質與氧化物質；形成一第二介電層於該第二硬遮層上且填滿該第一開口；蝕刻該第二介電層與該第一硬遮層直到該第一介電層的一第二預定厚度為止，同時形成一具有第二圖案的第二開口於該第一介電層中；移除該第二介電層；藉由該第二硬遮層當成蝕刻罩幕進行一蝕刻製程以蝕穿該第一硬遮層與該第一介電層直到暴露該半導體底材為止；與移除該第二硬遮層以形成一鑲嵌結構於該第一介電層中。
10.如權利要求9所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的第一硬遮層的材質包含碳矽化物。
11.如權利要求9所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的第二硬遮層的材質包含氧化物。
12.如權利要求9所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的第一圖案是為一淺圖案，且第二圖案是為一深圖案。
13.如權利要求9所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的破除製程是輕微地衝刷該第一硬遮層與該第二硬遮層的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。
14.如權利要求9所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的破除製程是使用具有碳氟比的氣體。
15.如權利要求14所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的具有碳氟比的氣體還包含具有Ar/O2/CF4的混合氣體。
16.如權利要求9所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是藉由該第一硬遮層減緩該第一開口的蝕刻速率。
17.如權利要求9所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是使用含氯的混合氣體。
18.如權利要求17所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的含氯的混合氣體還包含具有氯與氧的混合氣體。
19.如權利要求17所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是藉由氯的混合比調整蝕刻選擇比。
20.如權利要求17所述的溝槽結構的形成方法，其特徵在於，所述的氯的混合比越高，則該第一硬遮層對該第二硬遮層的蝕刻選擇比亦越高。
21.一種鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，包含下列步驟提供一半導體底材，其上具有一介電層；依序形成一第一硬遮層與一第二硬遮層於該介電層上；蝕刻該第二硬遮層、該第一硬遮層與該介電層直到該介電層的一第一預定厚度為止，並形成一具有第一圖案的第一開口於該介電層上；蝕刻該第二硬遮層與該第一硬遮層直到該第一硬遮層的一第二厚度為止，並形成一具有第二圖案的第二開口於該第一硬遮層上；進行一破除製程以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質；藉由該第二硬遮層當成蝕刻罩幕進行一蝕刻製程以蝕刻該第一硬遮層與該介電層直到暴露該半導體底材為止；與移除該第二硬遮層以形成一鑲嵌結構於該介電層中。
22.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的第一硬遮層的材質包含碳矽化物。
23.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的第二硬遮層的材質包含氧化物。
24.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的第一圖案是為一深圖案，且第二圖案是為一淺圖案。
25.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的破除製程是輕微地衝刷該第一硬遮層與該第二硬遮層的頂部表面以去除殘留的聚合物殘餘物質與氧化物質。
26.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的破除製程是使用具有碳氟比的氣體。
27.如權利要求26所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的具有碳氟比的氣體還包含具有Ar/O2/CF4的混合氣體。
28.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是藉由該第一硬遮層減緩該第二開口的蝕刻速率。
29.如權利要求21所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是使用含氯的混合氣體。
30.如權利要求29所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的含氯的混合氣體還包含具有氯與氧的混合氣體。
31.如權利要求29所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的蝕刻製程是藉由氯的混合比調整蝕刻選擇比。
32.如權利要求29所述的鑲嵌結構的形成方法，其特徵在於，所述的氯的混合比越高，則該第一硬遮層對該第二硬遮層的蝕刻選擇比亦越高。
全文摘要
本發明揭示一種新的形成鑲嵌結構的蝕刻方法。本發明包含進行一破除製程以去除殘留於硬遮層表面的聚合物殘餘物質與氧化物質，其中，破除製程是使用具有碳氟比的氣體(CFx－based)，例如，Ar/O
文檔編號H01L21/70GK1531034SQ0310740
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月12日 優先權日2003年3月12日
發明者吳至寧 申請人:聯華電子股份有限公司