专利名称：一种避免使用中间层刻蚀阻挡层的双大马士革结构的实现方法
技术领域：
本发明属于集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种用于集成电路后道制备工艺的双大马士革结构的实现方法。
背景技术：
随着集成电路的不断发展，晶体管的最小线宽不断缩小，目前先进的工艺已经达到0.09μm技术就是指栅极的长度为0.09微米。在线宽不断缩小的同时，为了减小电路的RC延迟时间，采用了铜作为后道工艺的金属连线，并使用介电常数小的材料作为金属线之间的绝缘层。
由于铜的干法刻蚀技术始终不成熟，所以传统上用于形成Al金属布线的刻蚀技术对于铜来说是不适用的。为此一种新的称为大马士革结构的布线方式被开发出来，通过刻蚀技术在介质中刻蚀出将会被铜填充的沟槽和通孔，在刻蚀出来的金属沟槽和通孔中淀积铜后，再通过CMP技术将多余的铜去除，就形成了与Al线一样的金属连线。为了减少RC延迟，还要求包围铜线、铜栓塞的介质材料的介电常数尽可能低，同时又有一定的机械性能，并能够抗刻蚀，抵抗一定的高温等等。
当前形成双大马士革结构主要有两个方案先刻蚀通孔再刻蚀沟槽、先刻蚀沟槽再刻蚀通孔。为了能够很好地刻蚀出孔和槽，在两层lowk(低介电常数)材料之间通常需要加入一个刻蚀阻挡层即所谓的中间层刻蚀阻挡层，以保证能够通过刻蚀分别形成孔和槽。但是刻蚀阻挡层的介电常数通常较高，如SiN、SiC等。这样就影响了整体有效K值的降低，从而降低了整个电路的性能。
比如同时使用某种lowk材料为通孔一级和沟槽一级的介质材料，采用先刻蚀通孔再刻蚀沟槽的方案，在刻蚀通孔时，先要刻蚀沟槽一级的lowk材料，当到达刻蚀阻挡层时，换用其它气体，刻通刻蚀阻挡层后，再换用原来的气体继续刻蚀通孔一级的lowk材料。而在通孔形成后，再通过光刻暴露出除通孔外其它的区域以形成沟槽(通孔的面积远小于沟槽)，此时如果没有刻蚀阻挡层，则无法阻止刻蚀反应到达通孔一级的介质，从而无法实现预先的效果。可见不仅增加了整体的k值，而且工艺上也显得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于集成电路后道制造工艺的双大马士革结构的实现方法，避免使用中间层刻蚀阻挡层，而又使它的实现变得容易，有利于提高工艺水平并简化工艺。
本发明提出的双大马士革结构的实现方法，是对孔一级的介质采用有机材料、槽一级的介质采用无机材料；或者孔一级的介质采用无机材料、槽一级的介质采用有机材料，或者同为有机材料或者同为无机材料；上述槽一级介质的介电常数不高于孔一级介质的介电常数。
上述有机材料可包括SiLK、PAE、PTFE、BCB、FLARE等lowk材料；上述无机材料为CVD制备的lowk材料，如Black Dimond或者Coral，或者氧化硅材料。
当孔一级和槽一级的介质同时采用有机或者无机lowk材料时，两种介质所含的成分(元素)不同，例如可以是SiO2/SiOF；SiOF/SiOC(孔一级介质/沟槽一级介质)；而当上述介质同为有机材料时，一种可以为主要含C(碳)、H(氢)的，而另一种为主要含C(碳)、H(氢)、Si(硅)的。
此外，如在孔一级的介质采用氧化硅材料，则在槽一级的介质采用lowk材料。
实现本发明的主要工艺步骤如下1)首先在硅片表面淀积通孔一级的lowk材料或者氧化硅材料；2)随后在硅片表面淀积沟槽一级的lowk介质材料；3)在沟槽一级的lowk介质材料表面涂光刻胶，完成通孔的光刻和整体刻蚀；4)在去胶后，再次涂上光刻胶，完成沟槽的光刻和刻蚀；5)淀积铜后，通过CMP将多余的铜去除；或者1)首先在硅片表面淀积通孔一级的lowk材料或者氧化硅材料；2)随后在硅片表面淀积沟槽一级的lowk介质材料；3)在沟槽一级的lowk介质材料表面涂光刻胶；并完成沟槽的光刻和刻蚀；4)在去胶后，再次涂上光刻胶，完成通孔的光刻和刻蚀；5)淀积铜后，通过CMP将多余的铜去除；本发明提出在孔一级的介质和在槽一级的介质采用两种材料性质不同的介质材料，利用两种材料性质之间的差异，为刻蚀提供很大的选择比，一般可大于8(所谓选择比就是刻蚀两种不同材料时，刻蚀速率之比。选择比大，表明刻蚀这种材料的速率大，而刻蚀另一种材料的速率就慢)。从而可以省略中间的一层刻蚀阻挡层加工工序，并且降低整体k值，提高电路的性能。而且也有利于工艺控制。
其机理是在刻蚀某种介质时使用的气体成分对该介质有很高的刻蚀速率，当刻蚀另一种性质不同的介质时，由于刻蚀气氛不能或很难与之发生反应，而使刻蚀反应停止下来。采用刻蚀阻挡层也是为了达到这个目的。
而通过合理地选择两种不同的材料，使刻蚀槽一级介质时所用气体的刻蚀反应能够很快地进行，而到了通孔一级时反应停止下来或者刻蚀得很慢，就可以省略这样一层刻蚀阻挡层了。在形成大马士革结构时会有两次用到刻蚀工艺，以先刻蚀通孔再刻蚀沟槽为例，第一次刻蚀时通过在刻蚀过程中使用不同的气体，分两次完成刻蚀过程，可以一直刻通两层介质，而第二次刻蚀时则通过选择气体，只能有效地刻蚀沟槽一级介质，而不能刻蚀通孔一级的介质，到刻蚀沟槽结束时，刻蚀会在通孔一级的介质上停止下来。而刻蚀选择比的实现，完全是由于两种介质的组成不同造成的。
比如采取先刻蚀通孔再刻蚀沟槽的方案，通孔一级的lowk材料采用基于氧化硅的材料，而沟槽一级的lowk材料采用有机lowk材料，由于有机lowk材料性质相当于光刻胶而与氧化硅有很大的差异，在刻蚀通孔时，可以采用能够刻蚀有机lowk材料而不刻蚀氧化硅的气体进行刻蚀，如O2/N2。先使用N2/O2刻蚀沟槽一级的lowk材料到通孔一级lowk材料，再改用含CF的气体刻蚀通孔一级的基于氧化硅的lowk材料。在刻蚀出通孔后，进行槽的光刻，再随后用N2/O2完成沟槽一级lowk材料的刻蚀，由于N2/O2不能刻蚀氧化硅类物质，其刻蚀选择比无穷大，这样槽的刻蚀会自然停在氧化硅类材料上，从而无须使用刻蚀阻挡层。如果沟槽一级的lowk材料和通孔一级的lowk材料都使用同一种材料，则很难避免使用刻蚀阻挡层。比如都可以通过N2/O2气体进行刻蚀，那么为了分别完成通孔和沟槽的刻蚀，则需要在两层介质间加上刻蚀阻挡层，SiC和SiN。
以上的分析，对于采取先刻蚀沟槽再刻蚀通孔也同样成立。
由于孔一级介质的k值对于整个布线整体的电容大小贡献比较小，可以采用氧化硅、FSG等传统的介质材料或者某些k值相对较大的lowk材料。而槽一级的介质由于将来是金属线间介质，占到整个电容的绝大部分，所以采用lowk值相对较小的材料。这样还有利于降低成本。
(以先刻蚀通孔再刻蚀沟槽为例)图1是硅基片表面淀积孔一级lowk介质材料后的示意2是硅基片表面淀积槽一级lowk介质材料后的示意3是完成通孔刻蚀后的示意图，既刻蚀了沟槽一级的lowk材料，也刻蚀了通孔一级的lowk材料图4是完成沟槽刻蚀后的示意5是铜淀积完成后，再经过CMP后形成的大马士革结构的横截面示意图。
图中标号1为包括前道工艺晶体管在内的硅基片；2为孔一级的lowk介质材料，3为槽一级的lowk介质材料，4为光刻胶，5为铜栓塞，6为铜线。
具体实施例方式
本发明的实施过程为1.使用PECVD的方法在硅片表面淀积无机介质材料，比如FSG，厚度为700nm左右，见图1；2.使用spin-on的方法在硅片表面涂敷有机lowk材料，如注册商标为SILK的材料，厚度为500nm左右，见图2。
3.然后在有机lowk材料表面涂光刻胶，曝光后，先使用N2/O2气体刻蚀SILK，再使用含CF的气体刻蚀FSG，完成通孔刻蚀，见图34.在去胶后，再次涂上光刻胶，曝光后，通过N2/O2气体刻蚀SILK形成沟槽，见图4。
5.淀积铜后，通过CMP将多余的铜去除，见图5这样的结构充分利用了不同材料的不同特性，做到了简化工艺，降低整个结构的有效k值，并且对于刻蚀工艺的控制也很有好处。
权利要求
1.一种用于集成电路后道制造工艺的双大马士革结构的实现方法，其特征是，孔一级的介质采用有机材料、槽一级的介质采用无机材料；或者孔一级的介质采用无机材料、槽一级的介质采用有机材料，或者同为有机材料或者同为无机材料，上述槽一级介质的介电常数不高于孔一级介质的介电常数。
2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征是，上述有机材料为SiLK、PAE、PTFE、BCB、FLARE等lowk材料；上述无机材料为CVD制备的lowk材料，如Black Dimond或者Coral，或者氧化硅材料。
3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征是，当孔一级和槽一级的介质同时采用有机或者无机lowk材料时，两种介质所含的成分不同。
4.根据权利要求1、3所述的实现方法，其特征是，上述两种介质同为无机材料时，采用SiO2/SiOF；SiOF/SiOC(孔一级介质/沟槽一级介质)；而当上述介质同为有机材料时，一种为主要含C(碳)、H(氢)的，而另一种为主要含C(碳)、H(氢)、Si(硅)的。
5.根据权利要求1所述的实现方法，其特征是，在孔一级的介质采用氧化硅材料，在槽一级的介质采用lowk材料。
6.根据权利要求2-5之一所述的实现方法，其特征在于具体步骤如下1)首先在硅片表面淀积通孔一级的lowk材料或者氧化硅材料；2)随后在硅片表面淀积沟槽一级的lowk介质材料；3)在沟槽一级的lowk介质材料表面涂光刻胶，完成通孔的光刻和整体刻蚀；4)在去胶后，再次涂上光刻胶，完成沟槽的光刻和刻蚀；5)淀积铜后，通过CMP将多余的铜去除；
7.根据权利要求2-5之一所述的实现方法，其特征在于具体步骤如下1)首先在硅片表面淀积通孔一级的lowk材料或者氧化硅材料；2)随后在硅片表面淀积沟槽一级的lowk介质材料；3)在沟槽一级的lowk介质材料表面涂光刻胶；并完成沟槽的光刻和刻蚀；4)在去胶后，再次涂上光刻胶，完成通孔的光刻和刻蚀；5)淀积铜后，通过CMP将多余的铜去除。
全文摘要
本发明属于集成电路制造工艺技术领域。采用两种材料性质完全不同的lowk材料用于双大马士革结构，充分利用不同材料间的不同特性所提供的很大的刻蚀选择比，去除了大马士革结构中两层lowk材料间的刻蚀阻挡层，同时还保证了工艺的稳定性。
文档编号H01L21/768GK1555093SQ20031012290
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月27日 优先权日2003年12月27日
发明者胡恒声 申请人:上海华虹(集团)有限公司, 上海集成电路研发中心有限公司