亚光刻纳米互联结构和形成该结构的方法

专利名称：亚光刻纳米互联结构和形成该结构的方法
技术领域：
本发明涉及半导体结构和制造该结构的方法。更具体而言，本发明涉及包括纳米级导电性填装的开口的互联结构(interconnect structure)和制造该结 构的方法。
背景技术：
通常，半导体器件包括多个电路，这些电路形成在半导体基板上装配的 集成电路。通常给信号路径的复杂网络规定路线以连接基板的表面上分布的 电路元件。这些信号横跨器件的有效发送要求形成多层电路(scheme)。这些 互联结构典型地包括铜(Cu)，因为与基于铝的互联结构相比较而言，基于Cu 的互联结构在复杂的半导体芯片上的大量的晶体管之间提供更快速度的信 号传输。在一个典型的互联结构内，金属通孔垂直于半导体基板并且金属线平行 于半导体基板。在今天的集成电路产品芯片中，通过将金属线和通孔嵌入到 介电常数低于二氧化硅的介电材料中，实现相邻金属线中的信号速度的进一 步？文进和信号还原(reduction of signal)。在现有技术中，互联结构典型地使用光刻和蚀刻来确定线和通孔的尺寸 来制造。典型地使用光致抗蚀剂和硬掩模作为将期望的线和/或通孔图案转移 到下面的介电材料中的工具。因此，线和/或通孔开口的尺寸受限于光刻工具 的分辨率。 一般，现在可以得到的0.93数值孔径(Numerical aperture, NA) 光刻工具只能解决开口直径不低于100nm的光刻图案。下一代的1.2 NA光 刻工具预计印刷开口是约70到约80 nm的光刻图案。上述大的开口直径导 致集成电路的不希望有的低器件密度。而且，随着半导体器件技术进步，互联配线需要相应地进步。当前45nm 节点技术要求M1-M4 (即，第一-第四金属互联)线是64 ran,并且即将来临 的32 nm节点技术要求同样的金属线是45 nm,这超出了如上所述常规的光 刻能力。
所以，需要将互联配线结构的开口直径降低到光刻工具的分辨率之下，即，需要用于64nrn和32nrn节点代的互联结构的亚光刻(sub-lithographic)特征图案。发明内容本发明提供了使用自组装嵌段共聚物来形成用于下一代半导体技术的 的包括纳米级如亚光刻的线和通孔的互联结构的方法，该自组装嵌段共聚物 可通过使用预先制造的硬掩模图案来定位在特定的位置。本发明的方法提供 互联结构，其中线自对准通孔。需要注意术语"纳米级"和"亚光刻"互 换性地用在整个本申请中以便表示宽度在60 nm以下的图案或开口 。 概括地说，本发明提供形成互联结构的方法，该方法包括 提供包括位于介电材料上的已构图的硬掩模的结构，该硬掩模具有光刻 所确定的开口；形成至少一种具有第一聚合组分和第二聚合组分的自组装嵌段共聚物， 该共聚物嵌入到所述至少 一个光刻所确定的开口之内；选择性地去除相对于另一种组分而言的所述第一或第二聚合组分中的 一种，以在所述至少 一种自组装嵌段共聚物中形成亚光刻开口 ；将所述亚光刻开口转移到所述介电材料中；以及用导电性材料来填装所述亚光刻开口 。在本发明的 一个方面，亚光刻的线和通孔通过利用具有不同润湿条件的 自组装嵌段共聚物来形成。在这一方面，自对准的嵌段共聚物形成有序排列 的柱体(cylinder),该有序排列的柱体根据表面润湿条件可以与介电材料的表 面垂直对准，或平行对准于介电材料的表面。有序排列的柱体的垂直对准用 于形成亚光刻的通孔，而有序排列的柱体的平行对准用于形成亚光刻的线。更具体地，本发明的方法包括提供位于介电材料上的包括已构图的硬掩模的结构，其中所述已构图的 硬掩模包括至少一个光刻所确定的开口 ；在至少一个光刻所确定的开口中提供具有亚光刻的宽度的包括第一单 一单元聚合物嵌段的第一嵌段共聚物，其中第一单一单元聚合物嵌段包括第 二聚合嵌段组分，后者嵌入于聚合物基体中，该基体包括所述第一嵌段共聚 物的第一聚合嵌段组分； 选择性地去除相对于第 一聚合嵌段组分而言的第二聚合嵌段组分，以在 至少 一个光刻所确定的开口内的聚合物基体中形成第 一亚光刻开口 ；使用第 一亚光刻开口来对介电材料进行构图；在至少一个光刻所确定的开口内提供具有亚光刻宽度的包括第二单一 单元聚合物嵌段的第二嵌段共聚物，其中第二单一单元聚合物嵌段包括第二 聚合嵌段组分，该第二聚合嵌段组分嵌入于聚合物基体中，该基体包括所述第二嵌段共聚物的第 一聚合嵌段组分；选择性地去除相对于所述第二嵌段共聚物的第 一 聚合嵌段而言的所述 第二嵌段共聚物的第二聚合嵌段组分，以在至少一个光刻所确定的开口内的 聚合物基体中形成第二亚光刻开口 ；将所述第二亚光刻开口转移到所述介电材料中；以及用导电性材料来填装第一和第二亚光刻开口 。在本发明的一个高度优选的实施方案中，第一亚光刻开口是宽度为约 10到约40nm的亚光刻的通孔开口，而第二亚光刻开口是宽度为约10到约 40 nm的亚光刻线开口 。在相对于以上提到的那个实施方案而言较不优选的 另 一个实施方案中，第 一亚光刻开口是宽度为约10到约40nm的亚光刻线开 口，而第二亚光刻开口是宽度为约10到约40nm的亚光刻通孔开口。以上所提及的嵌段共聚物优选地包括A:B嵌段共聚物，其中A是第一 聚合组分并且B是第二聚合组分，且A:B的重量比为约20:80到约80:20, 并且单一单元聚合物嵌段优选地包括垂直或平行于介电材料的上表面的柱 体。嵌段共聚物可以容易地选自聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸曱酯 (PS-b-PMMA)，聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯(PS-b-PI)，聚苯乙烯-嵌段-聚丁二 烯(PS-b-PBD)，聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶(PS-b-PVP)，聚苯乙烯-嵌段-聚环氧乙烷(PS-b-PEO),聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯(PS-b-PE),聚苯乙烯-b-聚有 机硅酸酯(PS-b-POS),聚苯乙烯-嵌段-聚二茂铁基二曱基硅烷(PS-b-PFS)，聚 环氧乙烷-嵌段-聚异戊二烯(PEO-b-PI),聚环氧乙烷-嵌段-聚丁二烯 (PEO-b-PBD)，聚环氧乙烷-嵌段-聚曱基丙烯酸曱酯(PEO-b-PMMA)，聚环氧 乙烷-嵌段-聚乙基乙烯(PEO-b-PEE),聚丁 二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶 (PBD-b-PVP),及聚异戊二烯-嵌段-聚曱基丙烯酸曱酯(PI-b-PMMA)。在本发 明的特别优选、但不必要的实施方案中，嵌段共聚物包括PS-b-PMMA,其 中PS:PMMA重量比的范围为约20:80到约80:20。
在本发明的另一个方面，提供具有亚光刻的、导电性地填装的线和通孔的互联结构，该线和通孔用介电材料来嵌入。具体而言，本发明的结构包括 介电材料，其具有至少一个宽度为约10到约40 nm的导电性地填装的通孔，及至少一个宽度为约10到约40 nm的导电性地填装的线，该通孔和线嵌入在介电材料中，其中所述至少一个导电性地填装的线自对准于至少一个导电性填装的通孔。用在本申请中的术语"自对准"表示通孔和线的开口使用一种光刻所确定的硬掩模来形成，并且在通孔和线的开口之间的对准误差小于在两个光刻掩模之间的对准误差。本发明的其他方面、特征和优点从接下来的公开内容和所附的权利要求书来看将是更加充分明显的。


图1A-1B是说明具有构图的光致抗蚀剂的最初互联结构的示意图(分别 是俯视图和剖视图)，该光致抗蚀剂具有至少一个位于硬掩模上的光刻所确 定的开口，该硬掩模布置在介电材料上。图2A-2B是说明在将光刻所确定的开口转移到硬掩模中后图1A-1B的 结构的示意图C分别是俯视图和剖视图)。图3A-3B是说明在将第一嵌段共聚物涂布在结构上后图2A-2B的结构 的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图4A-4B是说明在将在构图的硬掩模之内形成包含重复结构单元的有 序图案的第一嵌段共聚物进行退火之后图3A-3B的结构的示意图(分别是俯 -f见图和剖一见图)。图5A-5B是根据本发明的一个方面通过将嵌段共聚物退火所形成的图 案的扫描电子显微(SEM)照片。图6A-6B是说明在预构图的硬掩模中的A-B嵌段共聚物的组分B的聚 合物嵌段的排列的SEM照片。图7A-7B是说明在退火的A-B嵌段共聚物的某些组分B嵌段上施加构 图的掩模以后图4A-4B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图8A-8B是说明在选择性地去除退火的A-B嵌段共聚物中的相对于组 分A嵌段而言的暴露的组分B嵌段，在嵌段共聚物中形成亚光刻通孔开口 之后图7A-7B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图9A-9B是说明在将亚光刻通孔开口转移到介电材料中之后图8A-8B 的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图10A-10B是说明在将剩余的嵌段共聚物从所述结构去除之后图 9A-9B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图11A-11B是说明在将第二嵌段共聚物涂布于所述结构之后图 10A-10B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图12A-12B是说明在将在构图的硬掩模之内形成包含重复的结构单元 的第二有序图案的第二嵌段共聚物进行退火之后图11A-11B的结构的示意 图(分别是俯视图和剖视图)。图13A-13B是说明在选择性地去除第二退火的A-B嵌段共聚物中的相 对于组分A嵌段而言的组分B嵌段，在第二嵌段共聚物中形成亚光刻线开 口之后图12A-12B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图14A-14B是说明在将亚光刻线开口转移到介电材料中之后图 13A-13B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图15A-15B是说明在将剩余的第二嵌段共聚物从所述结构中去除之后 图14A-14B的结构的示意图(分別是俯视图和剖视图)。图16A-16B是说明在将构图的硬掩模从所述结构中去除之后图 15 A-15 B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图17A-17B是说明在将亚光刻通孔和线开口都延伸到所述介电材料中 之后图16A-16B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。图18A-18B是说明在用导电性材料填装所述延伸的亚光刻线和通孔开 口之后图17A-17B的结构的示意图(分别是俯视图和剖视图)。
具体实施方式
本发明(其提供包括纳米级如亚光刻的线和通孔的互联结构以及制造上 述互联结构的方法)现在将通过参照以下说明和本申请所附的附图来更详细 地进行描述。需注意，本发明的附图为了说明目的而提供，因而它们未按比 例绘制。在以下说明中，为了提供对于本发明的详尽的理解，阐述了许多具体细 节如具体结构、组分、材料、尺寸、处理步骤和技术。然而，在本领域中的
普通技术人员应当会认识到没有上述这些具体细节，也可以实施本发明。在其他实例中，为了避免使本发明不明显，公知的结构或处理步骤未进行详 细地描述。应当理解当作为层、区域或者基板的元件^L指在另一元件"上"或者 "上方，，时，它可以是直接地在另一元件之上或者也可以存在中间元件。相 反，当元件称作"直接地在另一元件上"或"直接地在另一元件上方"时， 没有中间元件存在。也应当理解的是当指出元件"连接"或"结合"到另 一元件时，它可直接地连接或结合到其他元件或者也可以存在中间元件。相 反，当指出元件"直接地连接"或"直接地结合"到另一元件时，没有中间 元件存在。如上所述，本发明提供了使用自组装嵌段共聚物来形成用于下一代半导 体技术的包括纳米级如亚光刻的线和通孔的互联结构的方法，该自组装嵌段 共聚物可使用预先制造的硬掩模图案来定位在特定的位置。本发明的方法提 供互联结构，其中线自对准通孔。本发明的方法通过首先提供图1A(俯视图)和1B(剖视图)中所示的结构 IO来开始。如剖视图中所示，结构10包括第一互联层12A，该第一互联层 12A包括第一介电材料14A,该第一介电材料14A在其中形成有至少一个导 电性部件(conductive feature)16;以及该结构10包括第二互联层12B,该第 二互联层12B包括第二介电材料14B;上述第一互联层12A和第二互联层 12B由介电盖15来分隔。结构IO也包括材料叠层18,后者包括位于第二介 电材料14B的上表面之上的蚀刻停止层20以及位于蚀刻停止层20的上表面 之上的硬掩模22。有至少一个光刻所确定的开口 26的构图的光致抗蚀剂24 显示在硬掩模22之上。准互联工艺来形成。例如，结构IO可以通过将第一介电材料14A涂布到基 板(未示出)的表面来形成。未示出的基板可以包括半导体材料、绝缘材料、 导电性材料或者上述材料的任意组合。下部互耳关层12A的第一介电材料14A可包括包含无机电介质或有机电 介质的任何层间或层内电介质。第 一介电材料14A可以是多孔或非多孔的。 能用作第一介电材料14A的合适的电介质的一些例子包括但不限于Si02, 硅倍半氧烷，包括Si、 C、 O和H原子的C掺杂的氧化物(如有机硅酸酯)，
热固性聚亚芳基醚，或者上述的多层。用于本申请的术语"聚亚芳基，，表示 芳基部分或惰性地取代的芳基部分，它们例如通过键、稠环或者惰性连接基 团如氧、硫、砜、亚砜、羰基等等连接在一起。第一介电材料14A典型地具有约4.0或更低的介电常数，其中约2.8或 更低的介电常数甚至是更加典型的。与具备比4.0更高的介电常数的介电材 料相比较而言，这些电介质一般有较低的寄生串扰(pamsiticcrosstalk)。第一 介电材料14A的厚度可以根据所使用的介电材料以及在下部互联层12A之 内的电介质的确切的数量来变化。 一般地，以及对于普通互联结构而言，第 一介电材料14A的厚度为约200到约450 nm。下部互联层12A还具有至少一个导电性部件16，后者嵌入在(即位于) 第一介电材料14A中。导电性部件16通过阻隔层(未具体示出)与第一介电 材料14A隔离。导电性部件16通过以下步骤来形成光刻(即将光致抗蚀剂 涂布于第一介电材料14A的表面上，将光致抗蚀剂暴露在所需的图案辐射 下，以及通过使用常规的光致抗蚀剂显影剂来显影所曝光的光致抗蚀剂)， 在第一介电材料14A中蚀刻(干蚀刻或湿蚀刻)开口 ，以及用阻隔层和然后用 形成导电性部件16的导电性材料来填装被蚀刻的区域。阻隔层(其可以包括Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 Ru、 RuN、 W、 WN或能充当如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积 (PECVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射法、化学i^液沉积或者镀法来形成。 阻隔层的厚度可以根据确切的沉积方法的工艺以及所使用的材料来变化。一 般地，阻隔层的厚度为约4到约40nm，其中为约7到约20 nm的厚度是更 加典型的。在阻隔层形成以后，在第一介电材料14A之内的开口的剩余区域用形 成导电性部件16的导电性材料来进行填充。用于形成导电性部件16的导电 性材料例如包括多晶硅、导电性金属、包括至少一种导电性金属的合金，导 电性金属硅化物或者上述组合。优选地，用于形成导电性部件16的导电性 材料是导电性金属例如Cu、 W或Al，其中Cu或Cu合金(例如AlCu)在本发 明中是高度优选的。导电性材料使用常规沉积方法来填装入第 一介电材料 14A中的剩余开口，上述沉积方法包括但不限于CVD、 PECVD、溅射法、 化学溶液沉积或者镀法。在沉积以后，例如可以使用常规平整化方法如化学 机械抛光(CMP)来提供这样的结构，即其中阻隔层和导电性部件16各自的上表面是与第一介电材料14A的上表面基本上共面的。在形成至少一个导电性部件16之后，例如使用常规沉积方法如CVD、 PECVD、化学溶液沉积或者蒸发法来在下部互联层12A的上表面之上形成 介电盖15。介电盖15例如包括任何合适的电介质覆盖材料如SiC、 Si4NH3、 Si02、碳掺杂的氧化物、氮和氢掺杂的碳化硅SiC(N,H)或上述的多层。介电 盖15的厚度可以根据用于形成它的技术以及层的物质构成来变化。 一般地， 介电盖15的厚度为约15到约55 nm,其中约25到约45 nm的厚度是更加 典型的。接下来，通过将第二介电材料14B涂布到介电盖15的上部暴露的表面 之上来形成上部互联层12B。第二介电材料14B可以包括与下部互联层12A 的第一介电材料14A的介电材料相同或不同，优选相同的介电材料。第一介 电材料14A的加工技术和厚度范围在这里也适用于第二介电材料14B。在形成第二介电材料14B以后，然后在第二介电材料14B的上表面之 上形成材料叠层18。在本发明的一个方面，如在图1B中所示，材料叠层18 包括蚀刻停止层20，典型地是氧化物如二氧化硅，以及硬掩模22,典型地 是氮化物如氮化硅。材料叠层18通过使用本领域技术人员所熟知的常规技 术来形成。例如，热氧化方法可以用于形成蚀刻停止层20,而热氮化方法可 以用于形成硬掩模22。可选择地，蚀刻停止层20和硬掩模22能各自例如通 过常规沉积方法如CVD或PECVD而形成。更加进一步地，蚀刻停止层20 和硬掩模22可以使用热和沉积技术的结合来形成。在形成材料叠层18以后，然后在材料叠层18的上表面的上面形成光致 抗蚀剂材料(有机、无机或者混合型)的覆盖层。光致抗蚀剂材料的覆盖层例 如通过常规沉积方法如CVD、 PECVD、蒸发法或旋涂法来形成。在光致抗 蚀剂材料的覆盖层的涂布之后，对光致抗蚀剂材料进行光刻来形成构图的光 致抗蚀剂24,后者具备至少一个使得硬掩模22的上表面暴露的开口 26。光 刻步骤包括使光致抗蚀剂材料曝光，及通过使用常规的光致抗蚀剂显影剂来 显影所曝光的光致抗蚀剂。"光刻所确定的"开口 26的宽度典型地为约60 到约120nm。图2A(俯视图)和2B(剖视图)说明在将图案从构图的光致抗蚀剂24转移 到硬掩模22,在蚀刻停止层20的上表面停止，及剥离构图的光致抗蚀剂24
之后的结构IO。在图2B中，附图标记26'表示在目前构图的硬掩模22'中的 光刻所确定的掩模开口，其使得独刻停止层20的上表面暴露。注意，光刻 所确定的掩模开口 26'的宽度(W)受限于常规光刻的最小印刷临界尺寸(CD) 并且不能够通过光刻来进一步降低。进一步注意到，光刻所确定的掩模开口 26'的宽度为约60到约120 nm。接下来，釆用选择性地去除硬掩模22的暴露部分(未受构图的光致抗蚀 剂24的保护)的蚀刻步骤，以将图案转移到硬掩模22上。蚀刻步骤典型地 包括反应性离子蚀刻(RIE),其中CHF3、 CH2F2、 CH3F、 02和其他蚀刻剂用 作蚀刻剂。在蚀刻和图案转移之后，使用常规的光致抗蚀剂剥离方法从结构 中剥离构图的光致抗蚀剂24。如上所述，在硬掩模22中的光刻所确定的掩模开口 26'的宽度(W)受限 于常规光刻的最小印刷临界尺寸(CD)并且不能够通过单独使用常规光刻技 术来进一步减少。因此本发明使用自组装嵌段共聚物在光刻所确定的掩模开 口 26'中形成亚光刻部件(线和通孔的开口)。已知无需人的干涉，某些材料能将材料自发组织成有序图案，这典型地 称为材料的自组装。材料自组装的例子的范围是从雪花到贝壳，到沙丘，这在各种各样的自组装材料之中，能够自组织成纳米级图案的自组装嵌段 共聚物特别有希望使半导体技术的未来发展成为可能。各种自组装嵌段共聚件下，两种或多种不溶的聚合嵌段组分按纳米尺度分离成两种或多种不同的 相，从而形成隔开的纳米大小的结构单元的有序图案。通过自组装嵌段共聚物所形成的上述隔开的纳米大小的结构单元的有 序图案，能用于制造在半导体、光学和^t性器件中的纳米级结构单元。具体 地，如此所形成的结构单元的尺度典型地为10到40 nm,这是亚光刻的(即 低于光刻工具的分辨率)。另外，自组装嵌段共聚物是与常规半导体、光学 和石兹性工艺兼容的。所以，通过该嵌段共聚物所形成的纳米大小的结构单元 的有序图案已集成到需要重复结构单元的大的有序排列的半导体、光学和磁 性器件中。然而，CMOS技术需要用于在配线层面上形成金属线和通孔的单独结构 单元的精确安置或对准。所以，通过自组装嵌段共聚物所形成的重复结构单
元的大量、有序排列不能用于CMOS器件中，归因于缺乏单独结构单元的位置的校准或对准。本发明提供一种将常规光刻技术与自组装嵌段共聚物技术相结合来在 如上所述互联结构中形成亚光刻部件的方法。具体而言，首先将第一自组装嵌段共聚物的薄层(其厚度典型地为约20 nm到约100 nm)涂布到图2A-2B中所示的结构之上，然后退火以在已形成 的光刻所确定的掩模开口 26'中形成包含重复结构单元的有序图案。图3A-3B显示了在将薄的自组装嵌段共聚物28涂布到图2A-2B中所示 的结构上之后的结构；而图4A-4B显示了在退火之后的结构，该退火形成退 火的嵌段共聚物28'。注意到，仔细地调整光刻所确定的掩模开口 26'的宽度(W),使得由自组 装嵌段共聚物仅能在其中形成单一单元聚合物嵌段。该单一单元聚合嵌段嵌 入在聚合基质中，该聚合基质又位于在光刻所确定的掩模开口 26'中，并且 其宽度低于光刻所确定的掩模开口 26'的直径。能够选择性地去除相对聚合 物基质而言的单一单元聚合嵌段，从而在光刻所确定的掩模开口 26'里的聚 合物基质中留下较小宽度的单一开口 。较小宽度的单一开口然后能用于介电 材料14B的亚光刻构图。有许多不同类型的能用于实施本发明的嵌段共聚物。只要嵌段共聚物包 含互相不溶的两种或多种不同的聚合嵌段组分，这样的两种或多种不同的聚 合嵌段组分就能分离成纳米尺度的两种或多种不同的相，从而在合适的条件 下形成隔开的纳米大小的结构单元的图案。在本发明的优选但非必要的实施方案中，嵌段共聚物基本上由互相不溶 的第一和第二聚合嵌段组分a和b组成。嵌段共聚物可包含任意数量的聚 合嵌段组分A和B,该聚合嵌段组分A和B可以按任何方式排列。嵌段共 聚物可具有直链或支链结构。优选地，此嵌段聚合物是直链的具有A-B化学 式的双嵌段共聚物。能用于形成本发明结构单元的合适的嵌段共聚物的具体例子可包括，但 不限于聚苯乙烯-嵌段-聚曱基丙烯酸曱酯(PS-b-PMMA)，聚苯乙烯-嵌,殳-聚异戊二烯(PS-b-PI)，聚苯乙烯-嵌段-聚丁二烯(PS-b-PBD)，聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶(PS-b-PVP),聚苯乙烯-嵌段-聚环氧乙烷(PS-b-PEO),聚苯乙歸 -嵌段-聚乙烯(PS-b-PE)，聚苯乙烯-b-聚有机硅酸酯(PS-b-POS),聚苯乙烯- 嵌段-聚二茂铁基二曱基硅烷(PS-b-PFS),聚环氧乙烷-嵌段-聚异戊二烯(PEO-b-PI)，聚环氧乙烷-嵌段-聚丁二烯(PEO-b-PBD)，聚环氧乙烷-嵌段-聚 曱基丙烯酸曱酯(PEO-b-PMMA)，聚环氧乙烷-嵌段-聚乙基乙烯 (PEO-b-PEE),聚丁二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶(PBD-b-PVP),及聚异戊二烯-嵌段-聚甲基丙烯酸曱酯(PI-b-PMMA)。由嵌段共聚物所形成的具体结构单元由第一和第二聚合嵌段组分A和 B之间的分子量比确定。例如，当第一聚合嵌段组分A的分子量与第二聚合 嵌段组分B的分子量的比大于约80:20时，嵌段共聚物将形成由第二聚合嵌 段组分B所构成的球形在由第一聚合嵌段组分A所构成的基质中的有序排 列。当第一聚合嵌段组分A的分子量与第二聚合嵌段组分B的分子量的比 低于约80:20但大于约60:40时，嵌段共聚物将形成由第二聚合嵌段组分B 所构成的柱体在由第一聚合嵌段组分A所构成的基质中的有序排列。当第一 聚合嵌段组分A的分子量与第二聚合嵌段组分B的分子量的比低于约60:40 但是大于约40:60时，嵌段共聚物将形成由第一和第二聚合嵌段组分A和B 所构成的交替层状结构。所以，为了形成所需要的结构单元，第一和第二聚 合嵌段组分A和B之间的分子量比在本发明的嵌段共聚物中能容易地进行 调节。在本发明的优选实施方案中，第一聚合嵌段组分A的分子量与第二聚 合嵌段组分B的分子量的比为约60:40到约80:20，使得本发明的嵌段共聚 物将形成第一聚合嵌段组分A和第二聚合嵌段组分B的交替的层。优选地，组分A和B中的一种相对于另一种组分而言能够是可选择性 地去除的，从而产生任一有序排列的结构单元，该有序排列的结构单元由非 去除的组分所构成。例如，当第二聚合嵌段组分B相对于第一聚合嵌段组分 A而言可选择性地去除时，则能够形成有序排列的槽。在本发明的特别优选的实施方案中，为形成本发明的自组装的周期性图 案所使用的嵌段共聚物是PS-b-PMMA，其中PS:PMMA的分子量比为约 20:80到约80:20。来表征，其中x是Flory-Huggins相互作用参数以及N是聚合度。〕(N越高， 则在嵌段共聚物中的不同嵌段之间的排斥越高，并且在其间越可能相分离。 当XN >10(其在下文中指强烈的离析界限(strong segregation limit))时，在嵌段
共聚物中的不同嵌段之间存在发生相分离的强烈倾向。对于PS-b-PMMA 二嵌段共聚物而言，x能够按照大约0.028+3.9/T来进 行计算，其中T是绝对温度。所以，x在473K( - 20(TC)下是约0.0362。当 PS-b-PMMA 二嵌段共聚物的分子量(Mn)是约64Kg/mol,其中分子量比 (PS:PMMA)是约66:34，聚合度N是约622.9时，则〕(N在20(TC下是约22.5。如此，通过调整一个或多个参数如组成、总分子量和退火温度，能够容完成所需要的不同嵌段组分之间的相分离。相分离又导致形成包含重复结构 单元(即球形、柱状或者片状)的有序排列的自组装周期性图案，如上所述。为了形成自组装周期性图案，嵌段共聚物首先溶于合适的溶剂体系中形 成嵌段共聚物溶液，该嵌段共聚物溶液然后涂布到表面上形成薄的嵌段共聚 物层，随后对薄的嵌段共聚物层进行退火，从而完成在嵌段共聚物中所包含 的不同聚合嵌段组分之间的相分离。为溶解嵌段共聚物和形成嵌段共聚物溶液所使用的溶剂体系可包括任 何合适的溶剂，该溶剂包括但不限于曱苯、丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)、 丙二醇单曱醚(PGME)和丙酮。嵌段共聚物溶液优选包含按照溶液的总重量 计浓度为约0.1%到约2%的嵌段共聚物。更优选地，嵌段共聚物溶液包含浓 度为约0.5wt。/。到约1.5 wt。/。的嵌段共聚物。嵌段共聚物溶液能够通过任何合适的技术来涂布到互联结构的表面，这 些技术包括但不限于旋转浇注(spin casting)、涂布、喷涂、墨涂、浸涂等 等。优选地，将嵌段共聚物溶液旋转浇注在互联结构的表面之上以在其上形 成薄的嵌段共聚物层。在将薄的嵌段共聚物层涂布到互联结构的表面之上后(例如在图3A-3B段组分的微相分离口,从而形成具有重复结构单元的周^月性图案。在本发;中 的嵌段共聚物的退火能够由各种现有技术已知的方法来实现，其包括但不限 于热退火(在真空或在包含氮气或氩气的惰性气氛中)、紫外线退火、激光 退火、溶剂蒸气辅助退火(在室温或在室温之上)和超临界流体辅助退火，这 些在这里没有详细地进行描述以避免使本发明不明显。在本发明的特别优选实施方案中，在提高的退火温度下实施热退火步骤 来对嵌段共聚物层进行退火，该提高的退火温度在嵌段共聚物的玻璃转变温 度(Tg)之上，且在嵌段共聚物的分解或降解温度(Td)之下。更优选地，热退火步骤在约200。C-30(TC的退火温度下进行。热退火可以持续低于约1小时 到约100小时，更加典型地约1小时到约15小时。在本发明的选择性实施 方案中，嵌段共聚物层通过紫外线(UV)处理来进行退火。注意到，退火的嵌段共聚物28 '能够包括第一和第二聚合组分A和B, 其中图案是由聚合嵌段组分A所构成的聚合物基质中的由嵌段组分B所构 成的柱体的有序排列。其中柱体的有序排列与第二介电材料14B的表面是垂 直对准的这种退火的嵌段共聚物示于图4A-4B中。注意到，在所述实施方案 中，能够使用B嵌段来在第二介电材料14B中提供亚光刻通孔开口，该通 孔开口的宽度为约10到约40 nm。这通过具备垂直对准到第二介电材料14B 的表面的柱体的嵌段完成。虽然显示了这样的实施方案，但是颠倒顺序也是 可能的，这样使得可以形成具有约10到约40 nm宽度的亚光刻线开口。在 此实施方案中，柱体的嵌段与第二介电材料14B的表面是平行对准的。柱体 嵌段的具体对准通过表面润湿条件来确定，表面润湿条件将在以下更详细地 描述。图5A是由包括第 一和第二嵌段共聚物组分A和B的退火的嵌段共聚物 膜所形成的图案的俯视的扫描电子显微(SEM)照片，其中图案包含在由聚合 嵌段组分A所构成的聚合物基质中的由聚合嵌段组分B所构成的垂直排列 的柱体的有序排列。在这些SEM中，暗点代表B组分。在嵌段共聚物的涂 布之前，沉积硬掩模层并且利用一排通孔图案来蚀刻。各暗点(A-B共聚物 的组分B)位于在各通孔形状的硬掩模开口的中心。图5B是俯视的SEM，其 说明在通孔-形成的硬掩模中的组分B聚合物图案的细节，以及在图5A中所 显示的柱体的有序排列的尺寸。图6A-6B是俯视的SEM，其说明在预构图的硬掩模中的组分B的聚合 嵌段的排列。本发明使用光刻部件(Uthographic feature)来限制通过自组装嵌段共聚物 材料所形成的结构单元的形成和定位。更具体而言，对在本发明中所使用光 刻部件的尺寸进行调整，使得仅能够形成单一单元聚合物嵌段以及该单一单 元聚合物嵌段能够从自组装嵌段共聚物中放入各光刻部件中。任选但非必要地，在嵌段共聚物层的涂布之前，对光刻所确定的掩模开 口 26'的内表面进行处理。具体地， 一个或多个表面层形成在光刻所确定的
掩模开口 26'的底面和侧壁表面上，以便提供校准在光刻所确定的掩模开口26'之内需形成的单元聚合嵌段的交替的层所需的润湿性能。在这里所谈论的润湿性能意指特定表面相对于嵌段共聚物的不同的嵌段组分的表面亲合性。例如，如果表面对于嵌段共聚物的嵌段组分A和B 而言都有基本上相同的表面亲和性，则这样的表面被认为是中性表面或非优 先表面(non-preferential surface),即，嵌段组分A和B都能够将该表面湿润 或对该表面有亲合力。相反，如果表面对于嵌段组分A和B而言有显著不 同的表面亲和性，则这样的表面被认为是优先表面(preferential surface),即， 嵌段组分A和B中只有一个能够湿润这样的表面，而另一个则不能。包括硅自然氧化物、氧化硅和氮化硅中的 一种的表面，优先被PMMA 嵌段组分，而非PS嵌段组分所湿润。所以,这样的表面能用作PS-b-PMMA 嵌段共聚物的优先表面。另 一方面，包括基本上均匀的PS和PMMA组分的 混合物的单层，如无规PS-r-PMMA共聚物层，为PS-b-PMMA嵌段共聚物 提供中性表面或非优先表面。为了由PS-b-PMMA形成垂直对准于光刻所确定的掩模开口 26'底面的 聚合嵌段的交替层，需要将中性或非优先单层(如，PS和PMMA组分的基本 上均匀的混合物)沉积在光刻所确定的掩模开口 26'的底面之上，而该光刻所 确定的掩模开口 26'的侧壁表面未经处理，或者涂有优先湿润材料(如硅自然 氧化物、氧化硅和氮化硅)。如此，由PS-b-PMMA所形成的聚合嵌段交替层 将垂直于光刻掩模开口 26'的底面。现在参照图7A-7B，其说明在对嵌段共聚物28退火之后进行的本发明 的下一处理步骤。具体而言，图7A-7B显示了在构图的光致抗蚀剂掩模30 在退火的嵌段共聚物28'的上面部分形成之后的结构，这样是为了保护退火 的嵌段共聚物28'的某些部分，特别是某些垂直对准的柱体B(其不应被蚀刻)。 构图的掩模30由在本领域中熟知的常规方法如沉积和光刻所形成。图8A-8B展示了，从其中蚀刻暴露的第二聚合嵌段共聚物组分B之后 的结构。如图所示，所形成的结构现在包括在退火的嵌段共聚物28'中的具 有约10到约40nm的宽度的亚光刻通孔开口 32。亚光刻通孔开口 32通过利 用构图的掩模30作为蚀刻掩模，选择性地蚀刻(通过干蚀刻或湿蚀刻方法) 相对于第 一 聚合嵌段共聚物组分A而言的暴露的第二聚合嵌段共聚物组分B 来形成。
图9A-9B展示了，在将亚光刻通孔开口 32延伸通过下面的蚀刻停止层 20和第二介电材料14B的部分之后的结构。亚光刻通孔开口 32的延伸例如 利用蚀刻方法如反应性离子独刻来进行。图10A-10B说明在该构图的掩模30和退火的嵌段共聚物28'的剩余的部 分被去除之后的结构。在本发明中能够使用单一聚合物剥离步骤或者多个聚 合物剥离步骤。在形成在图10A-10B中所示的结构之后，如图11A-11B所示，向该结 构涂布第二薄自组装嵌段共聚物层34。第二嵌段共聚物34可以包括相同或 不同的嵌段共聚物，唯一的区别是对表面润湿条件进行选择，使得退火的 嵌段共聚物的柱形嵌段的有序排列，以与第 一嵌段共聚物不同的方向进行对 准。对于以上所说明的情况，第二嵌段共聚物具有这样的润湿条件，即退火 的聚合物的柱形嵌段的有序排列平行对准于互联结构的表面，因而使得形成 具有约10到约40 nm宽度的亚光刻线开口图案。图12A-12B说明，在将第二嵌段共聚物进行退火(使用以上描述的条件) 来形成含第一和第二聚合组分A'和B'的退火的嵌段共聚物34'之后的结构， 其中图案是在由聚合嵌段组分A'所构成的聚合基质中的由嵌段组分B'所构 成的柱体的有序排列。在所说明的实施方案中，B嵌段共聚物平行对准于互 联结构的表面。图13A-13B说明在选择性地去除对于嵌段组分A'而言，由嵌段组分B' 所构成的柱体的有序排列之后的结构，该柱体的有序排列与基板表面平行对 准。此去除过程利用选择性地蚀刻工艺(包括干蚀刻或湿蚀刻)来进行。注意 到，在图13A-13B中，附图标记36代表具有约10到约40nm宽度的亚光刻 线开口。图14A-14B说明，在将亚光刻线开口 36延伸到下面的蚀刻停止层20 和第二介电材料14B的部分中之后的结构。典型地使用反应性离子蚀刻方法 来将亚光刻线开口延伸到所述结构中。图15A-15B说明在使用常规的剥离方法去除嵌段组分A'之后的结构， 该去除步骤选择性地去除相对于介电材料而言的聚合材料。图16A-16B说明在进行过平整化步骤(例如化学机械抛光)之后的结构， 该平整化步骤从该暴露了蚀刻停止层20的上表面的结构中去除剩余的构图 的硬掩模22'。20
图17A-17B说明在进行过蚀刻过程例如反应性离子蚀刻(RIE)之后的结 构，该过程不但延伸了亚光刻线开口 36，还将亚光刻通孔开口 32延伸到第 二介电材料14B中。因为亚光刻通孔开口 32与亚光刻线开口 36相比而言， 具有更小的宽度，所以其与线开口 36相比而言，将以更快的速度来蚀刻。图18A-18B说明在将导电性材料38形成到亚光刻通孔和线开口之后的 结构。用于填装亚光刻所确定的开口的导电性材料38包括例如多晶石圭，导 电性金属，包括至少一种导电性金属的合金，导电性金属硅化物或其组合。 优选地，导电性材料38是导电性金属例如Cu、 W或者Al,其中Cu或Cu 合金(例如AlCu)在本发明中是高度优选的。导电性材料38利用常规的沉积 方法填装入亚光刻所确定的通孔和线开口中，沉积方法包括但不限于CVD、 PECVD、賊射法、化学溶液沉积或镀法。在沉积以后，例如可以采用常规的 平整化方法如化学机械抛光(CMP)提供平整化的结构，如图18-18B所示。所 强调的是，该亚光刻导电性地填装的线自对准于下面的亚光刻导电性填装的 通孔。强调的是，以上描述了本发明的一方面，其中亚光刻线和通孔均形成到 介电材料中。虽然描述并且图示了这样的实施方案，但是在仅将一种类型的 亚光刻部件(线或通孔)形成到介电材料中的时候，本发明也是有效的。上述 过程在有些实施方案中也可以重复来形成多层的互联结构，其中互联结构的 各层包括位于介电材料之内的至少一个亚光刻部件。尽管已经参考其优选的实施方案来具体给出和描述了本发明，但是本领 域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以作出 在形式和细节上的上述和其他变化。因此意图是，本发明不受限于所描述和 图示的严格的形式和细节，而是落入所附的权利要求书的范围内。
权利要求
1.形成互联结构的方法，其包括提供包括位于介电材料上的已构图的硬掩模的结构，该硬掩模具有光刻所确定的开口；形成至少一种包括第一聚合组分和第二聚合组分的自组装嵌段共聚物，该共聚物嵌入到所述至少一个光刻所确定的开口之内；选择性地去除相对于另一种组分而言的所述第一或第二聚合组分中的一种，以在所述至少一种自组装嵌段共聚物中形成亚光刻开口；将所述亚光刻开口转移到所述介电材料中；以及用导电性材料来填装所述亚光刻开口。
2. 权利要求1的方法，其中所述形成该至少一种嵌段共聚物包括以下 步骤将嵌段共聚物的层涂布到已构图的硬掩模上，其中该嵌段共聚物至少 包括互相不溶的第一和第二聚合嵌段组分；及对嵌段共聚物进行退火以在所 述已构图的硬掩模的至少 一个光刻所确定的开口之内形成具有亚光刻宽度 的第一单一单元聚合物嵌段，其中该第 一单一单元聚合物嵌段包括第二聚合 嵌段组分，并且嵌入在含第一聚合嵌段组分的聚合基体中。
3. 权利要求l的方法，其中所述嵌段共聚物选自聚苯乙烯-嵌段-聚曱 基丙烯酸曱酯(PS-b-PMMA),聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯(PS-b-PI),聚苯乙 烯-嵌段-聚丁二烯(PS-b-PBD),聚笨乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶(PS-b-PVP),聚 苯乙烯-嵌段-聚环氧乙烷(PS-b-PEO),聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯(PS-b-PE),聚苯 乙烯-b-聚有机硅酸酯(PS-b-POS),聚苯乙烯-嵌段-聚二茂铁基二曱基硅烷 (PS-b-PFS),聚环氧乙烷-嵌段-聚异戊二烯(PEO-b-PI),聚环氧乙烷-嵌段-聚 丁 二烯(PEO-b-PBD)，聚环氧乙烷-嵌段-聚曱基丙烯酸曱酯(PEO-b-PMMA), 聚环氧乙烷-嵌段-聚乙基乙烯(PEO-b-PEE),聚丁二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶 (PBD-b-PVP)，及聚异戊二烯-嵌段-聚甲基丙烯酸曱酯(PI-b-PMMA)。
4. 权利要求3的方法，其中该嵌段共聚物是PS:PMMA重量比为约20:80 到约80:20的PS-b-PMMA。
5. 权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物的第二聚合共聚物组分包 括垂直对准于所述介电材料的表面的柱体的有序排列。
6. 权利要求1的方法，其中所述嵌段共聚物的第二聚合共聚物组分包括平行对准于所述介电材料的表面的柱体的有序排列。
7. 权利要求1的方法，其中所述已构图的硬掩模包括至少一个光刻所确定的开口，其宽度为约60到约120 nm,所述亚光刻开口的宽度为约10 到约40。
8. 形成互联结构的方法，其包括提供包括位于介电材料上的已构图的硬掩模的结构，其中所述已构图的 硬掩模包括至少 一个光刻所确定的开口 ；将具有亚光刻宽度的具有第一单一单元聚合物嵌段的第一嵌段共聚物 提供到至少一个光刻所确定的开口中，其中该第一单一单元聚合物嵌段包括 第二聚合嵌段组分，该第二聚合嵌段组分嵌入于包括所述第 一嵌段共聚物的 第 一聚合嵌段组分的聚合物基体中；在至少一个光刻所确定的开口内的聚合物基体中选择性地去除相对于 第一聚合嵌段组分而言的第二聚合嵌段组分，形成第一亚光刻开口 ；使用该第 一亚光刻开口来对该介电材料进行构图；将具有亚光刻宽度的具有第二单一单元聚合物嵌段的第二嵌段共聚物 提供到至少一个光刻所确定的开口中，其中该第二单一单元聚合物嵌段包括 第二聚合嵌段组分，该第二聚合嵌段组分嵌入于包括所述第二嵌段共聚物的 第 一聚合物嵌段组分的聚合物基体中；选择性地去除相对于所述第二嵌段共聚物的第 一 聚合嵌段而言的所述 第二嵌段共聚物的第二聚合嵌段组分，以在至少一个光刻所确定的开口内的 聚合物基体中形成第二亚光刻开口 ；将所述第二亚光刻开口转移到所述介电材料中；以及用导电性材料来填装第一和第二亚光刻开口 。
9. 权利要求8的方法，其中所述第一和第二嵌段共聚物包括相同或不 同的嵌段共聚物，它们选自聚苯乙烯-嵌段-聚甲基丙烯酸曱酯 (PS-b-PMMA)，聚苯乙烯-嵌段-聚异戊二烯(PS-b-PI),聚苯乙烯-嵌段-聚丁二 烯(PS-b-PBD),聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯基吡啶(PS-b-PVP),聚苯乙烯-嵌段-聚环氧乙烷(PS-b-PEO),聚苯乙烯-嵌段-聚乙烯(PS-b-PE),聚苯乙烯-b-聚有 机硅酸酯(PS-b-POS),聚苯乙烯-嵌段-聚二茂铁基二曱基硅烷(PS-b-PFS),聚 环氧乙烷-嵌段-聚异戊二烯(PEO-b-PI),聚环氧乙烷-嵌段-聚丁二烯 (PEO-b-PBD),聚环氧乙烷-嵌段-聚曱基丙烯酸曱酯(PEO-b-PMMA),聚环氧乙烷-嵌段-聚乙基乙烯(PEO-b-PEE)，聚丁二烯-嵌段-聚乙烯基吡啶 (PBD-b-PVP),及聚异戊二烯-嵌段-聚曱基丙烯酸曱酉旨(PI-b-PMMA)。
10. 权利要求9的方法，其中该第一和第二嵌段共聚物各自包括 PS:PMMA重量比为约20:80到约80:20的PS-b-PMMA。
11. 权利要求8的方法，其中所述第一嵌段共聚物的第二聚合共聚物组 分包括垂直对准于所述介电材料的表面的柱体的有序排列，并且所述第二嵌 段共聚物的第二聚合共聚物组分包括平行对准于所述介电材料的表面的柱 体的有序排列。
12. 权利要求8的方法，其中所述第一嵌段共聚物的第二聚合共聚物组 分包括平行对准于所述介电材料的表面的柱体的有序排列，并且所述第二嵌 段共聚物的第二聚合共聚物组分包括垂直对准于所述介电材料的表面的柱 体的有序排列。
13. 权利要求8的方法，其中所述已构图的硬掩模包括至少一个光刻所 确定的开口，其宽度为约60到约20 nm,所述亚光刻线开口的宽度为约10 到约40 nm,并且所述亚光刻通孔开口的宽度为约10到约40 nm。
14. 权利要求8的方法，其中所述提供该第一和第二嵌段共聚物包括以 下的至少一种热退火、紫外线退火、激光退火、溶剂蒸气辅助的退火和超 临界流体辅助的退火。
15. 互耳关结构，其包括:介电材料，其具有至少一个导电性填装的通孔，该孔的宽度为约10到 约40nm，及至少一个导电性填装的线，该线的宽度为约10到约40nm,该 孔和线嵌入在介电材料中，其中所述至少一个导电性填装的线自对准于该至 少一个导电性填装的通孔。
16. 权利要求15的互联结构，其中所述介电材料具有约4.0或更小的介 电常数。
17. 权利要求16的互联结构，其中所述介电材料选自Si02,硅倍半氧 烷，包括Si、 C、 O和H原子的C掺杂的氧化物，热固性聚亚芳基醚，及其 多层。
18. 权利要求15的互联结构，其中所述介电材料是结构的上部介电材 料，且所述介电材料位于分隔所述介电材料与另一种介电材料的介电盖的表 面上。
19. 权利要求15的互联结构，其中所述至少一个导电性填装的通孔和 所述至少一个导电性填装的线包括选自以下的导电性材料多晶硅、导电性 金属、包括至少一种导电性金属的合金、导电性金属硅化物及其组合。
20. 权利要求19的互联结构，其中所述导电性材料包括Cu、 W、 Al或 AlCu。
全文摘要
本发明提供使用能够通过利用预先制造的硬掩模图案来安置在特定位置的自组装嵌段共聚物，形成用于下一代半导体技术的包括纳米级如亚光刻的线和通孔的互联结构的方法。本发明的方法提供线自对准于孔的互联结构。
文档编号H01L21/768GK101165874SQ200710181170
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月12日 优先权日2006年10月19日
发明者李伟健, 杨海宁 申请人:国际商业机器公司