雙金屬鑲嵌金屬布線圖案的形成方法和形成的布線圖案的製作方法
2023-06-03 05:26:46 5
專利名稱：雙金屬鑲嵌金屬布線圖案的形成方法和形成的布線圖案的製作方法
技術領域：
本發明涉及形成金屬布線圖案的方法，並更特別地，涉及一種使用雙金屬鑲嵌技術形成金屬布線圖案的方法，以及由此形成的金屬布線圖案。
背景技術：
集成電路器件中使用的金屬布線圖案通常是由銅(Cu)形成，因為銅具有相對低的電阻率，特別是與由像鋁(Al)這樣的其它材料形成的金屬布線圖案相比。這些金屬布線圖案通常是由金屬間介電層彼此隔開。為了降低相鄰金屬布線圖案之間的寄生電容並降低它們的RC延遲，採用具有相對低的介電常數值(即，低K介質)的介電層作為金屬間介電層。
利用低K介質的金屬鑲嵌處理技術，被用來在集成電路襯底上界定銅布線圖案。這些技術通常包括在第一銅布線圖案上形成低K介電層，接著在低K介電層中形成暴露出第一銅布線圖案的上表面的通孔和溝槽。然後用銅布線層填充這些通孔和溝槽，其中銅布線層可以使用電鍍技術形成。接著可以使用例如化學機械拋光(CMP)這樣的平坦化技術來將銅布線層平坦化為多個第二銅布線圖案，並由此完成雙金屬鑲嵌布線製造工藝。
圖1A-1D顯示了常規雙金屬鑲嵌處理技術的示例。在圖1A中，第一低K介電層10形成在襯底(例如，半導體襯底)上。可以對該第一低K介電層10進行構圖，以在其中界定溝槽，該溝槽隨後被下金屬線12(例如，銅線)填充。如圖所示，在該第一低K介電層10上形成蝕刻停止層14和電絕緣層16(例如，二氧化矽)。此後，如圖1B所示，在電絕緣層16上形成第二低K介電層17。接著執行常規的構圖和蝕刻步驟，以界定穿過第二低K介電層17、電絕緣層16和蝕刻停止層14延伸並暴露出下金屬線12的通孔/溝槽18。如圖所示，這些構圖和蝕刻步驟可以形成在下金屬線12中界定凹形的通孔18。本領域技術人員應理解，下金屬線12中的凹形的形成和將該凹形暴露在包含氧氣的環境中可能導致在下金屬線12上形成氧化殘留物(未示出)。通過將下金屬線12暴露在包含有例如稀釋HF(DHF)的溼法清潔溶液中，可以去除該氧化殘留物。然而，暴露在溼法清潔溶液中也可能導致在有可能與清潔溶液反應的電絕緣層16中形成底切區20。
現在參考圖1C，例如使用例如物理氣相沉積(PVD)技術，執行在通孔18內沉積第一阻擋金屬層的步驟。該第一阻擋金屬層可以是具有從大約50到大約100範圍內的厚度的氮化鉭層。在後續的步驟中，該第一阻擋金屬層用作銅擴散的阻擋。可惜，底切區20的存在可能妨礙在通孔18的側壁上形成均勻的第一阻擋金屬層。接著可以執行定向蝕刻步驟，用來從下金屬線12的上表面去除部分的第一阻擋金屬層，從而將第一阻擋金屬層構圖成側壁阻擋部分22。這樣從下金屬線12上去除第一阻擋金屬層，可能導致下金屬線12和後續形成的銅插塞之間的接觸電阻降低。
本領域技術人員應了解，為了使下金屬線12的上表面暴露出來而對第一阻擋金屬層進行定向蝕刻，可能導致在通孔18的下部側壁上形成再濺射銅間隙壁24。由於底切區20的存在，側壁阻擋部分22不足以保護它，來自銅間隙壁24的銅原子混入到第二低K介電層17中。銅原子這樣摻雜進第二低K介電層17中可能增加形成在第二低K介電層17中的相鄰金屬線之間的漏電流。這樣漏電流的增加可能通過增加第二低K介電層17中的時間依賴的介電擊穿(TDDB)，降低器件的可靠性。
現在參考圖1D，接著使用例如物理氣相沉積(PVD)在通孔18內共形地沉積第二阻擋金屬層26。該第二阻擋金屬層26可以是具有從大約40到大約200範圍的厚度的粘附增強鉭層(Ta)。然後可以在第二阻擋金屬層26上沉積均厚銅仔晶層(未示出)，接著用銅電鍍填滿通孔18。然後可以通過執行平坦化技術來在通孔18中界定上金屬線28。
發明內容
本方面的實施例包括通過在集成電路襯底上形成第一金屬布線圖案(例如，銅布線圖案)並在該第一金屬布線圖案上形成蝕刻停止層而形成集成電路的方法。這些步驟之後，在該蝕刻停止層上形成電絕緣層，並在該電絕緣層上形成金屬間介電層。通過依次選擇性地蝕刻該金屬間介電層和該電絕緣層，在其中界定暴露出該蝕刻停止層的第一部分的開口。該開口可以包括溝槽和從該溝槽底部向下延伸的通孔。在該開口的側壁上並直接在該蝕刻停止層的第一部分上形成第一阻擋金屬層。從該蝕刻停止層的第一部分上選擇性地去除部分該第一阻擋金屬層。可以使用各向異性蝕刻步驟執行該選擇性去除。接著以一段充分的時間選擇性地蝕刻該蝕刻停止層的第一部分，以暴露出第一金屬布線圖案的一部分。在該蝕刻步驟中，第一阻擋金屬層被用作蝕刻掩模。接著在該開口中形成第二金屬布線圖案(例如，上部銅布線圖案)，以完成雙金屬鑲嵌結構。
按照這些實施例的其它的方面，在形成第二阻擋金屬層的步驟之前執行在該開口的側壁上和該第一金屬布線圖案的暴露部分上形成第二阻擋金屬層的步驟。在第二阻擋金屬層形成之後，接著進行通過在一段充分時間內選擇性地蝕刻部分的第二阻擋金屬層，暴露出部分的第一金屬布線圖案的步驟。
本發明更進一步的實施例包括通過在集成電路襯底上形成第一銅布線圖案並在該第一銅布線圖案上形成包含SiCN的蝕刻停止層而形成集成電路的方法。在該蝕刻停止層上形成具有從大約100到大約500範圍的厚度的二氧化矽層，並在該二氧化矽層上形成包含SiCOH的金屬間介電層。依次選擇性地蝕刻該金屬間介電層和該二氧化矽層，以在其中界定暴露出蝕刻停止層的第一部分的開口。在該開口的側壁上並直接在該蝕刻停止層的第一部分上形成包含鉭的第一阻擋金屬層。從該蝕刻停止層的第一部分選擇性地去除部分的該第一阻擋金屬層。在充足的時間內對該蝕刻停止層的第一部分進行蝕刻，以暴露出該第一銅布線圖案的上表面的一部分。在這個蝕刻步驟中，第一阻擋金屬層被用為蝕刻掩模。接著形成在第一阻擋金屬層、蝕刻停止層的側壁以及第一銅布線圖案的暴露部分上延伸的含有鉭的第二阻擋金屬層。通過選擇性地去除該第二阻擋金屬層來暴露出第一銅布線圖案。在該第二阻擋金屬層上並直接在該第一銅布線圖案上形成包含鉭的第三阻擋金屬層。此後，用第二銅布線圖案填充該開口，以完成雙金屬鑲嵌銅互連結構。
圖1A-1D是顯示形成集成電路的雙金屬鑲嵌銅互連結構的傳統方法的中間結構的截面圖。
圖2A-2H是顯示按照本發明的實施例形成集成電路的雙金屬鑲嵌銅互連結構的方法的中間結構的截面圖。
圖2A-2E和3是顯示按照本發明的實施例形成集成電路的雙金屬鑲嵌銅互連結構的方法的中間結構的截面圖。
具體實施例方式
現在將參考顯示本方面優選實施例的附圖更充分地描述本發明。然而，本發明可以以不同形式實現，不能解釋為僅限於此處介紹的實施例；而是，提供這些實施例是以使本公開充分、完整並向本領域技術人員全面地轉達本發明的範圍。相似的附圖標記貫穿全文表示相似的元件。
按照本發明的實施例的形成雙金屬鑲嵌銅互連結構的方法包括在其中具有多個有源半導體器件(未示出)的半導體襯底203的主表面上形成第一介電層205。該第一介電層205可以是具有從大約2,000到大約20,000範圍的厚度的低K介電層，例如SiCOH。此後，通過對該第一介電層205進行構圖，在其中界定凹形/溝槽。該凹形/凹槽以下阻擋金屬層207(例如，鉭(Ta))作襯，並使用常規技術用下金屬線210(例如，銅(Cu))填充該凹形/溝槽。可以執行化學機械拋光(CMP)步驟以對該下金屬線210和該第一介電層205的上表面進行平坦化。接著在該第一介電層205上沉積蝕刻停止層212。該蝕刻停止層212可以具有從大約200到大約1000範圍的厚度，可以由比如SiCN這樣的材料形成。可以使用例如化學氣相沉積(CVD)技術，沉積該蝕刻停止層212。
仍參考圖2A，在該蝕刻停止層212上形成第二層間介電層220。該第二層間介電層220包括可以由二氧化矽形成第一絕緣層214，和可以是低K介電層(例如，SiCOH層)的第二絕緣層216。該第一絕緣層214可以具有從大約100到大約500範圍內的厚度，該第二絕緣層216可以具有從大約2,000到大約10,000範圍內的厚度。在該第二層間絕緣層220上沉積硬掩模層225。該硬掩模層225可以是具有從大約200到大約1,500範圍內的厚度的二氧化矽層。
現在參考圖2B，接著在圖2A顯示的結構上執行多個選擇性蝕刻和構圖的步驟(例如，光刻界定的蝕刻步驟)。特別地，如圖所示，通過選擇性地蝕刻該硬掩模層225和該第二層間介電層220，在其中形成通孔230和溝槽235。通孔230可以是具有有限的橫向尺寸的一般的圓柱體通孔230，但作為三維的溝槽圖案(未示出)的該溝槽可以充分擴大並橫向延伸。通過構造該蝕刻停止層212來在形成通孔230的選擇性蝕刻過程中防止暴露出下金屬線210。
現在參考圖2C，接著在圖2B顯示的結構上共形地沉積第一阻擋金屬層240。襯墊溝槽235和通孔230的側壁的第一阻擋金屬層240可以是鉭層、氮化鉭層或包含鉭和氮化鉭的複合物層。該第一阻擋金屬層240可以具有從大約30到大約100的範圍內的厚度。之後，如圖2D所示，執行各向異性蝕刻步驟以選擇性地蝕刻該第一阻擋金屬層240的水平部分，並在通孔230和溝槽235的側壁上界定第一阻擋金屬層間隙壁240a。然後在選擇性地去除蝕刻停止層212的暴露部分的蝕刻步驟中可以使用這些第一阻擋金屬層間隙壁240a作為蝕刻掩模。這樣去除該蝕刻停止層212的暴露部分，導致下金屬線210的上表面218的一部分暴露出來。
可以使用溼法清潔工藝去除下金屬線210的上表面218的暴露部分上的任何自生氧化物(native oxide)。該清潔工藝可以包括將表面218暴露在包含稀釋氫氟酸(DHF)的清潔溶液中。在這個清潔工藝中，第一阻擋金屬層間隙壁240a抑制第一絕緣層214被DHF橫向化學蝕刻。可選地，可以使用濺射蝕刻技術從上表面218上去除任何自生氧化物。
現在參考圖2E，接著在通孔230和溝槽235內共形地沉積第二阻擋金屬層245，以覆蓋並保護第二絕緣層216暴露的部分，並覆蓋和保護蝕刻停止層212暴露的側壁。該第二阻擋金屬層245可以是鉭層、氮化鉭層或包含鉭和氮化鉭的複合物層。該第二阻擋金屬層245可以具有從大約30到大約100的範圍內的厚度。接著執行去除部分在下金屬線210的上表面上延伸的第二阻擋金屬層245的步驟。該去除步驟，可以是濺射蝕刻步驟，可能導致在第二阻擋金屬層245的側壁上部分去除並再濺射下金屬線210，從而界定下金屬線210的凹形的表面218a。下金屬線210的這些再濺射部分，其可能具有從大約10到大約300的範圍內的厚度，由附圖標記210a表示。
現在參考圖2F，接著在通孔230和溝槽235內共形地沉積第三阻擋金屬層250，從而覆蓋第二阻擋金屬層245。該第三阻擋金屬層250可以具有從大約100到大約500的範圍內的厚度。該第三阻擋金屬層250可以形成為鉭或氮化鉭層，然而，典型地優選鉭，因為它具有比氮化鉭更低的電阻率。
最後，如圖2G-2H所示，接著在圖2F的結構上沉積金屬化層255，從而完全填充通孔230和溝槽235。可以通過自通孔230中形成的銅晶籽層(未示出)電鍍銅來沉積該金屬化層255。在可選的實施例中，可以使用化學氣相沉積(CVD)和/或物理氣相沉積(PVD)技術形成金屬化層255。接著通過平坦化金屬化層255來在溝槽235中界定沿第三維(未示出)延伸的上金屬線255b，並在通孔230中界定金屬插塞255a。可以通過對該金屬化層255進行充分時間的化學機械拋光執行該平坦化步驟，以暴露出第二絕緣層216。
圖2A-2E和3顯示了本發明的更進一步的實施例。特別地，圖3顯示了在圖2E的結構上沉積金屬化層255從而完全填充通孔230和溝槽235的步驟。可以通過自形成在通孔230中的銅晶籽層(未示出)電鍍銅來沉積該金屬化層255。在可選的實施例中，可以使用化學氣相沉積(CVD)和/或物理氣相沉積(PVD)技術形成金屬化層255。接著通過平坦化金屬化層255來在溝槽235中界定沿第三維(未示出)延伸的上金屬線255b，並在通孔230中界定金屬插塞255a。可以通過對該金屬化層255進行充分時間的化學機械拋光執行該平坦化步驟，以暴露出第二絕緣層216。
在附圖和說明中，揭示了本發明的典型優選實施例，並且儘管利用了具體的術語，但它們僅僅是作為一般的和描述性的觀念，並不是出於限制的目的，本發明的範圍由權利要求界定。
本申請要求於2005年8月6日提交的韓國專利申請No.10-2005-0072006的優先權，此處全文引用作為參考。
權利要求
1.一種形成集成電路的方法，包括以下步驟在集成電路襯底上形成第一金屬布線圖案；在該第一金屬布線圖案上形成蝕刻停止層；在該蝕刻停止層上形成電絕緣層；在該電絕緣層上形成金屬間介電層；通過依次選擇性地蝕刻該金屬間介電層和該電絕緣層，以在其中界定暴露出該蝕刻停止層的第一部分的開口；在該開口的側壁上並直接在該蝕刻停止層的該第一部分上形成第一阻擋金屬層；從該蝕刻停止層的該第一部分選擇性地去除部分該第一阻擋金屬層；接著使用該第一阻擋金屬層作為蝕刻掩模，以充分的時間選擇性地蝕刻該蝕刻停止層的第一部分，以暴露出部分該第一金屬布線圖案；接著在該開口中形成第二金屬布線圖案。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述形成第二金屬布線圖案的步驟之前是在該開口的側壁和在該第一金屬布線圖案的暴露部分上形成第二阻擋金屬層的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述形成第二阻擋金屬層的步驟之後是通過以充分時間選擇性地蝕刻部分該第二阻擋金屬層來暴露出該第一金屬布線圖案的部分的步驟。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述形成第二阻擋金屬層的步驟之後是通過依次選擇性蝕刻部分該第二阻擋金屬層和該第一金屬布線圖案以在該第一金屬布線圖案的上表面中形成凹形的步驟。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述形成第二金屬布線圖案的步驟之前是在該第一金屬布線圖案內的凹形上形成第三阻擋金屬層的步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述形成蝕刻停止層的步驟包括在該第一金屬布線圖案上形成具有從大約200到大約1,000的範圍內的厚度的SiCN層。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述形成金屬間介電層的步驟包括在該電絕緣層上形成具有從大約2,000到大約10,000範圍內的厚度的SiCOH層。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述形成第一阻擋金屬層的步驟包括在該開口的側壁上和直接在該蝕刻停止層的該第一部分上形成包含鉭的金屬層。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述形成第二金屬布線圖案的步驟之前是將該第一金屬布線圖案暴露在稀釋的HF清潔溶液中的步驟。
10.一種形成集成電路器件的方法，包括以下步驟在集成電路襯底上形成第一導電布線圖案；在該第一導電布線圖案上形成具有不同材料類型的第一和第二電絕緣層；通過以充分的時間選擇性地蝕刻該第二電絕緣層來在其中形成暴露出部分該第一電絕緣層的開口；在該開口的側壁上並直接在部分該第一電絕緣層上形成第一阻擋金屬層；從該部分第一電絕緣層上選擇性地去除部分該第一阻擋金屬層；接著使用該第一阻擋金屬層作為蝕刻掩模，通過以充分的時間選擇性地蝕刻該部分第一電絕緣層來暴露出部分該第一導電布線圖案；接著在該開口中形成第二導電布線圖案。
11.如權利要求10所述的方法，其中該第一電絕緣層是具有從大約200到大約1,000的範圍內的厚度的SiCN層。
12.如權利要求11所述的方法，其中該第二電絕緣層是具有從大約2,000到大約10,000的範圍內的厚度的SiCOH層。
13.如權利要求12所述的方法，其中該第一阻擋金屬層是包含鉭並具有從大約30到大約100的範圍內的厚度的金屬層。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述形成第二導電布線圖案的步驟之前是在該第一導電布線圖案的暴露部分上形成包含鉭的第二阻擋金屬層的步驟。
15.一種形成集成電路的方法，包括以下步驟在集成電路襯底上形成第一銅布線圖案；在該第一銅布線圖案上形成包含SiCN的蝕刻停止層；在該蝕刻停止層上形成具有從大約100到大約500的範圍內的厚度的二氧化矽層；在該二氧化矽層上形成包含SiCOH的金屬間介電層；通過依次選擇性地蝕刻該金屬間介電層和該二氧化矽層，在其中界定暴露出該蝕刻停止層的第一部分的開口；在該開口的側壁上並直接在該蝕刻停止層的該第一部分上形成包含鉭的第一阻擋金屬層；從該蝕刻停止層的該第一部分上選擇性地去除部分該第一阻擋金屬層；接著使用該第一阻擋金屬層作為蝕刻掩模，通過以充分的時間選擇性地蝕刻該蝕刻停止層的該第一部分，暴露出部分該第一銅布線圖案；形成沿著該第一阻擋金屬層、該蝕刻停止層的側壁和該第一銅布線圖案的該暴露部分延伸的包含鉭的第二阻擋金屬層；通過選擇性地蝕刻該第二阻擋金屬層，暴露出該第一銅布線圖案；接著在該第二阻擋金屬層和在該第一銅布線圖案上形成包含鉭的第三阻擋金屬層；接著用第二銅布線圖案填充該開口。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述依次選擇性蝕刻該金屬間介電層和該二氧化矽層的步驟之前是在該金屬間介電層上形成二氧化矽硬掩模層的步驟。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述形成蝕刻停止層的步驟包括在該第一銅布線圖案上形成具有從大約100到大約500的範圍內的厚度的SiCN層。
18.一種集成電路中的雙金屬鑲嵌布線圖案，包括在集成電路襯底上的第一金屬布線圖案；在該集成電路襯底上延伸的金屬間介電層，所述金屬間介電層其中具有向著所述第一金屬布線圖案的上表面相反的方向延伸的通孔；襯墊該通孔的側壁的第一阻擋金屬層；在所述第一金屬布線圖案的上表面和所述金屬間介電層之間延伸的蝕刻停止層，所述蝕刻停止層其中具有自對準到所述第一阻擋金屬層的開口；以及延伸到該通孔和該開口中並電連接到所述第一金屬布線圖案的第二金屬布線圖案。
19.如權利要求18所述的布線圖案，其中該金屬間介電層包括第一絕緣層和在該第一絕緣層上形成的第二絕緣層。
20.如權利要求19所述的布線圖案，其中該第一絕緣層是氧化層，該第二絕緣層具有比該氧化層的介電常數更低的介電常數。
21.如權利要求20所述的布線圖案，其中該第二絕緣層是SiCOH層，該蝕刻停止層是SiCN層。
22.如權利要求18所述的布線圖案，其中該第一金屬布線圖案是銅金屬布線圖案。
23.如權利要求18所述的布線圖案，還包括襯墊該蝕刻停止層中的該開口的側壁的第二阻擋金屬層。
24.如權利要求23所述的布線圖案，還包括在該蝕刻停止層的側壁和該第二金屬布線圖案之間延伸的第三阻擋金屬層。
25.如權利要求24所述的布線圖案，其中該第一阻擋金屬層包含氮化鉭，該第三阻擋金屬層包含鉭。
26.一種集成電路的布線圖案，包括在集成電路襯底上的第一導電圖案；在該集成電路襯底上的第二電絕緣層，所述第一導電圖案在其中具有向著所述第一導電圖案的上表面相反的方向延伸的通孔；襯墊該通孔的側壁的第一阻擋金屬層；在該第一導電圖案上表面和所述第二電絕緣層之間延伸的第一電絕緣層，所述第一電絕緣層在其中具有自對準到所述第一阻擋金屬層的開口；以及延伸到該通孔和該開口中並電連接到所述第一導電圖案的第二導電圖案。
全文摘要
本發明公開了一種形成雙金屬鑲嵌金屬布線圖案的方法，其包括在集成電路襯底上形成第一金屬布線圖案；以及在第一金屬布線圖案上形成蝕刻停止層。這些步驟之後是在蝕刻停止層上形成電絕緣層並在電絕緣層上形成金屬間介電層的步驟。通過依次選擇性蝕刻金屬間介電層和電絕緣層，在其中界定暴露出蝕刻停止層的第一部分的開口。開口可以包括溝槽和從溝槽的底部向下延伸的通孔。在通孔的側壁上並直接在蝕刻停止層的第一部分上形成第一阻擋金屬層。從蝕刻停止層的第一部分選擇性地去除部分第一阻擋金屬層。接著通過以充分的時間選擇性地去除蝕刻停止層的第一部分，暴露出部分第一金屬布線圖案。在開口中形成第二金屬布線圖案以完成雙金屬鑲嵌結構。
文檔編號H01L23/522GK1913128SQ20061012125
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月7日 優先權日2005年8月6日
發明者李秉周, 申憲宗, 姜熙晟 申請人:三星電子株式會社