定義低介電常數介電層的方法
2023-09-09 19:20:30 2
專利名稱：定義低介電常數介電層的方法
技術領域：
本發明是有關於一種定義介電層的方法，且別是有關於一種定義低介電常數介電層的方法。
為了進一步的減少RC延遲以及增進操作效能，具有低電阻、高熔點以及高度抗電子遷移特性的銅會與低介電常數介電層結合使用，銅導線不僅會減少RC延遲，還會減少導線之間的靜電電容。
因為銅金屬的蝕刻步驟很難控制，所以通常會使用鑲嵌技術來製作銅導線與銅插塞。
在一種傳統用來形成銅鑲嵌插塞結構的先形成介層洞工藝中，如
圖1所示，會在預先提供已具有金屬內連線(未顯示)的基底100上形成一層蓋氮化物層102，之後依序在蓋氮化物層上形成第一低介電常數介電層104、阻擋層106、第二低介電常數介電層108、化學機械研磨(CMP)阻擋層110、以及底部抗反射塗布(BARC)層(未顯示)，然後在底部抗反射塗布層上形成一層定義過的第一光阻層用來定義介層洞；用第一光阻層當作罩幕，而蓋氮化物層作為一層蝕刻阻擋層，進行第一道非等向性蝕刻工藝，穿過這些結構層而形成介層洞開口(未顯示)。
在移除第一光阻層以後，進行一道填滿間隙的步驟，用聚合物材料層填滿介層洞，藉以保護蓋氮化物層；在聚合物材料層上形成一層定義過的第二光阻層以後，進行第二道非等向性蝕刻工藝，以阻擋層作為蝕刻阻擋層，定義出一個溝渠開口(未顯示)。
接著，在介層洞開口與溝渠開口上形成一層阻障層120，然後在阻障層120上形成一層導電層130並填滿開口，之後進行化學機械研磨以完成公知的鑲嵌工藝。圖1即為用上述工藝製作的一種公知銅鑲嵌插塞結構。
但是，如圖1所示，覆蓋在介層洞開口的聚合物材料層會在介層洞開口上端周圍形成一個柵欄狀的外觀，這是因為聚合物材料層阻礙了蝕刻，結果會造成第二低介電常數介電層108的不完全移除。
此外，當第二光阻層接著被像是氮/氧的等離子拋磨工藝或是氮/氫的等離子工藝之類的光阻移除工藝剝除時，使用的光阻移除工藝通常會損害到第二介電層108的側壁，導致低介電常數介電層的介電常數有變動並增加漏電流。再者，受損側壁的低介電常數介電材料會有吸收水氣的傾向，會造成附著力變差且後續金屬化工藝的品質退化。
本發明使用一種高能量流直接定義低介電常數介電層，而不需要在微影工藝中使用光阻層來作為罩幕，其中高能量流包括x光、電子束、離子束、或是其它具有高能量的電磁波。
為達本發明的上述與其它目的，本發明提供一種通過直接暴露在高能量流之下來定義低介電常數介電層的方法，藉以使低介電常數介電層曝光的部分固化，而變的不溶於顯影溶液中，低介電常數介電層未曝光的部分則會溶解在顯影溶液中，並將會在顯影步驟中被移除。
借著在微影蝕刻工藝中不使用任何的光阻層，利用高能量流直接定義低介電常數介電層，因此可以防止低介電常數介電層會被破壞，且可以避免插塞毒化的問題，組件的效能與可靠度均可得到改善，且可以簡化工藝步驟。
圖2A至圖2E為依照本發明一較佳實施例的一種定義低介電常數介電層以形成雙重鑲嵌開口的工藝剖面示意圖；以及圖3A為根據本發明一較佳實施例，用x光線定義的HOSP材料層，而圖3B為用x光線定義的HSQ材料層。
100，200基底 102蓋層104，108，202，204低介電常數材料110 CMP阻擋層 120阻障層130導電層 220高能量流202a，204a未曝光區域 202b，204b曝光區域206開口210，212罩幕在此，「直接」表示高能量流被用來定義低介電常數介電層而沒有使用光阻層，在使用x光與短電磁波的情況中，具有預定圖案的光罩會被用來提供圖案的轉移，但是假如是使用離子束或是電子束來作為高能量流的話就可以省略不用光罩。
本發明在微影工藝中使用高能量流來直接定義低介電常數介電層而不需要使用光阻層來作為罩幕，用在旋塗的低介電常數材料上的高能量流可以是x光、電子束、離子束或是任何其它具有高能量的短電磁波，高能量流最適當的能量密度約為10瓦特/平方釐米-150瓦特/平方釐米。特別的是，本發明可適用於平面圖形小於0.1微米的組件製作上。
以下的實施例是以x光作為高能量束為例來作為範例說明，但是本發明的範圍並不因此受到限制。
本發明使用的低介電常數層較佳是使用以旋塗法形成的旋塗材料，旋塗的優點像是低成本與有效率，因此被廣泛的應用在半導體的製作過程中；使用的旋塗材料包括旋塗式玻璃(SOG)材料以及旋圖式聚合物(SOP)材料。在許多具有低介電常數的材料中，以矽-氧為底的材料，包括無機高分子化合物像是含氫的矽酸鹽(hydrogensilsesquioxane)(HSQ，介電常數為2.8-3.0)，有機的高分子化合物像是甲基矽酸鹽(methyl silsesquioxane)(MSQ，介電常數為2.5-2.7)，混合的有機矽氧烷聚合物(HOSP，介電常數為2.5)，以及多孔的矽酸鹽(介電常數小於2.0)等，都適合應用在本發明中。由聚(醯胺酸)類或聚胺類以及感光化合物製備的感旋光性聚胺材料包括負型PSPI以及正型PSPI。
假如x光被用於使用矽底材料作為低介電常數介電層的話，x光較適當的能量約為10-800eV；假如x光是用於感光的低介電常數介電材料作為低介電常數介電層的話，x光較適當的能量約為1-6eV。
圖2A至圖2E為依照本發明一較佳實施例的一種定義低介電常數介電層以形成雙重鑲嵌開口的工藝剖面示意圖。
請參照圖2A所示，提供一個基底200，在基底200上形成一層第一低介電常數材料層202，此低介電常數材料層202最好是由旋塗法形成的低介電常數介電材料，舉例來說，此第一低介電常數介電材料可以是低介電常數的矽-氧底材料或是一種感旋光性的低介電常數材料，此低介電常數材料層202的厚度可以根據工藝設計的需求來加以調整。
請參照圖2B所示，通過一個第一罩幕210將一個高能量流220施加在第一低介電常數材料層202上，藉以轉換一個介層洞開口的圖案，介層洞開口預定區域不會被暴露在高能量流220下，而第一低介電常數材料層202的其它部分會被暴露在高能量流220下；使用的高能量流220比如可以是能量密度為10瓦特/平方釐米-150瓦特/平方釐米的x光、短電磁波、電子束或是離子束，使用的時間約為10-120分鐘。舉例來說，當使用的低介電常數材料202是含氫矽酸鹽(HSQ)，高能量流是能量密度為10瓦特/平方釐米-20瓦特/平方釐米的x光時，更明確的是14瓦特/平方釐米時，使用的較佳時間約為60分鐘。當高能量流應用於第一低介電常數材料層202時，高能量流220的能量要強到足以使第一低介電常數材料202產生交互連結，也就是說第一低介電常數材料層202要選擇可以被高能量流220固化的材料。在固化的過程中，第一低介電常數材料層202的曝光區域202b會變成網狀結構且變的不會溶於顯影液中；另一方面未曝光的區域202a沒有被固化，仍可溶於顯影液中，因此第一低介電常數材料層202會被定義但沒有被顯影。
請參照圖2C所示，在定義過的第一低介電常數材料層202上形成一層第二低介電常數材料層204，最好第二低介電常數材料層204所用的材質與第一低介電常數材料層202相同，如此就可以用單一道顯影步驟同時將兩層顯影，但是第二低介電常數材料層204與第一低介電常數材料層202也可以根據工藝需求使用不一樣的材料，第二低介電常數材料層204的厚度可以根據設計與工藝所需作調整。
請參照圖2D所示，通過一個第二罩幕212將高能量流220施加在第二低介電常數材料層204上，藉以轉換一個溝渠開口的圖案，溝渠預定的區域不會被暴露在高能量流220下，而第二低介電常數材料層204的其它部分會被暴露在高能量流220下；使用的高能量流220比如可以是能量密度為10瓦特/平方釐米-150瓦特/平方釐米的x光、短電磁波、電子束或是離子束，使用的時間約為10-120分鐘。舉例來說，當使用的低介電常數材料204是含氫的矽酸鹽(HSQ)，高能量流是能量密度為10瓦特/平方釐米-20瓦特/平方釐米的x光時，更明確的是14瓦特/平方釐米時，使用的較佳時間約為60分鐘。當高能量流應用於第二低介電常數材料層204時，高能量流220的能量要強到足以使第二低介電常數材料204產生交互連結，也就是說第二低介電常數材料層204要選擇可以被高能量流220固化的材料。在固化的過程中，第二低介電常數材料層204的曝光區域204b會變成網狀結構且變的不會溶於顯影液中；另一方面未曝光的區域204a沒有被固化，仍可溶於顯影液中，因此第二低介電常數材料層204會被定義但沒有被顯影。
請參照圖2E所示，進行一道顯影步驟以將第一與第二低介電材料層202，204顯影，因此會形成一個雙重鑲嵌開口206，在顯影步驟中使用的顯影液比如是旋塗式溶液。
之後，進行一道烘烤步驟以減少水氣的吸收，將基底200放置在一個熱的板子上，在攝氏200-400度之間烘烤約10-30分鐘，此道烘烤步驟也可以增進兩層低介電常數材料層的機械強度。
接下來需要進行下列步驟以完成雙重鑲嵌結構，包括形成一層阻障層，沉積導電材料填滿雙重鑲嵌開口並進行平坦化的步驟，這些步驟均非本發明主要特徵且為本領域人員所周知，因此在此不予贅述。
圖3A為根據本發明一較佳實施例，用x光線定義的HOSP材料層，而圖3B為用x光線定義的HSQ材料層。由圖3A與圖3B可知，HOSP層與HSQ層都可以用x光曝光直接來定義而不需要使用任何光阻層，圖3A的結果圖案的尺寸小到0.8微米。
顯然的，本發明並不會受限於只能用於在兩層低介電常數介電層內形成雙重鑲嵌開口，本發明還可以通過重複定義每一個別的層來定義多層低介電常數介電層，本發明也可以用來製作接觸窗/介層洞/內連線開口或是進一步達到低介電常數介電層的圖案轉換。
權利要求
1.一種定義低介電常數介電層的方法，其特徵是，該方法包括下列步驟提供一基底；用旋塗的方式形成一低介電常數介電層於該基底上；提供具有一圖案的一光罩；直接在該低介電常數介電層上使用一高能量流，以選擇性的固化該低介電常數介電層而不需要使用一光阻層，其中該光罩是被使用來將該圖案轉換到該低介電常數介電層上的；通過使用一顯影液來進行一顯影步驟，其中該低介電常數介電層的一部分會被暴露在高能量流下並被固化，因此不溶於該顯影液中，而該低介電常數介電層未曝光的部分則會溶解在該顯影液中；以及在顯影步驟以後，進行一道烘烤步驟以減少水氣的吸收。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該高能量流具有一能量密度，約為10瓦特/平方釐米-150瓦特/平方釐米。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該高能量流包括x光。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該高能量流包括短電磁波。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該高能量流包括電子束。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該高能量流包括離子束。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該低介電常數介電層的材質為一矽底的旋塗材質。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵是，該矽底的旋塗材質選自含氫矽酸鹽(HSQ)、甲基矽酸鹽(MSQ)、混合的有機矽氧烷聚合物(HOSP)以及多孔的矽酸鹽其中之一。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵是，該低介電常數介電層的材質為一感旋光性低介電常數材料。
10.一種在一低介電常數介電層中形成一開口的方法，其特徵是，包括下列步驟提供一基底；用旋塗的方式形成一低介電常數介電層於該基底上；提供具有一圖案的一光罩；直接在該低介電常數介電層上使用一高能量流，以選擇性的固化該低介電常數介電層而不需要使用一光阻層，其中該光罩是被使用來將該圖案轉換到該低介電常數介電層上的；以及通過使用一顯影液來進行一顯影步驟，以在該低介電常數介電層中形成一開口，其中該低介電常數介電層的一部分會被暴露在高能量流下並被固化，因此不溶於該顯影液中，而該低介電常數介電層未曝光的部分則會溶解在該顯影液中被移除而形成該開口。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該高能量流具有一能量密度，約為10瓦特/平方釐米-150瓦特/平方釐米。
12.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該高能量流包括x光。
13.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該高能量流包括短電磁波。
14.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該高能量流包括電子束。
15.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該高能量流包括離子束。
16.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該低介電常數介電層的材質為一矽底的旋塗材質。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵是，該矽底的旋塗材質選自含氫矽酸鹽(HSQ)、甲基矽酸鹽(MSQ)、混合的有機矽氧烷聚合物(HOSP)以及多孔的矽酸鹽其中之一。
18.如權利要求10所述的方法，其特徵是，該低介電常數介電層的材質為一感旋光性低介電常數材料。
19.如權利要求10所述的方法，其特徵是，假如該機介電常數介電層為雙層結構而開口為雙重鑲嵌開口的話，形成該低介電常數介電層、提供該光罩以及使用該高能量流的步驟會依序重複。
全文摘要
一種定義低介電常數介電層的方法。直接暴露在高能量流下來定義低介電常數介電層，而不需要使用任何的光阻層，藉以使低介電常數介電層曝光的部分固化，而變的不溶於顯影溶液中，低介電常數介電層未曝光的部分則會溶解在顯影溶液中，並將會在顯影步驟中被移除，組件的效能與可靠度均可因此得到改善，且可以簡化工藝步驟。
文檔編號H01L21/311GK1450597SQ0212632
公開日2003年10月22日 申請日期2002年7月19日 優先權日2002年4月9日
發明者張鼎張, 劉柏村, 許鉦宗 申請人:聯華電子股份有限公司