通孔优先铜互连制作方法
专利名称：通孔优先铜互连制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造工艺，且特别涉及通孔优先铜互连制作方法。
背景技术：
随着半导体芯片的集成度不断提高，晶体管的特征尺寸不断缩小。进入到130纳米技术节点之后，由于受到铝的高电阻特性的限制，铜互连技术逐渐替代铝互连成为金属互连的主流。由于铜硬度较大，干法刻蚀工艺不易实现，制作铜导线无法像制作铝导线那样通过刻蚀金属层而实现。现在广泛采用的铜导线的制作方法是称作大马士革工艺的镶嵌技术。大马士革工艺镶嵌结构的铜互连可以通过多种工艺方法实现。其中，通孔优先的双大马士革工艺是实现通孔和金属导线铜填充一次成形的方法之一。在该工艺中，参考图1，首先，在衬底硅片101上沉积具有低介电系数(k)值的介质层102，并在该低k值的介质层102上涂布第一光刻胶103 ;接着，参考图2，通过第一光刻和刻蚀，在上述低k值介质层102中形成通孔104结构；接下来，参考图3，在该低k值介质层102上涂布第二光刻胶105 ；接着，参考图4，通过第二光刻和刻蚀，在上述低k值介质层102的通孔104结构上形成金属槽106结构。最后，参考图5，继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨等工艺，以完成导线金属107和通孔金属108的填充。在器件尺寸微缩进入到32纳米技术节点后，单次光刻曝光无法满足制作密集线阵列图形所需的分辨率，继而双重图形(double patterning)成形技术被大量研究并广泛应用于制作32纳米以下技术节点的密集线阵列图形。在该双重图形成形技术中，首先，参考图6，在需要制作密集线阵列图形的衬底硅片201上，沉积衬底膜209和硬掩膜210，然后涂布第一光刻胶203 ;参考图7，通过曝光、显影、刻蚀后，在硬掩膜210中形成第一光刻图形211，其中，线条和沟槽的特征尺寸比例为1:3。接着，参考图8，在硅片201上涂布第二光刻胶205，并参考图9，通过曝光和显影，在第二光刻胶205膜中形成第二光刻图形212，其中，线条和沟槽的特征尺寸比例也是1:3，但位置与第一光刻图形211交错。参考图10，继续刻蚀在衬底硅片201上形成与第一光刻图形211交错的第二光刻图形212。第一光刻图形211与第二光刻图形211的组合组成了目标线条和沟槽特征尺寸比例为1:1的密集线阵列图形。然而，由于双重图形成形工艺过程中需要进行两次光刻和刻蚀，即光刻一刻蚀一光刻一刻蚀，其成本远远大于传统的单次曝光成形技术。此外，应用双重图形成形技术实现通孔优先双大马士革金属互联工艺时，必须分别进行通孔光刻一通孔刻蚀沟槽光刻沟槽刻蚀,既增加了工艺成本,也减少了生产产出量。
发明内容
本发明提供了一种通孔优先铜互连制作方法，通过减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，从而降低制作成本以及提高产能。
为了实现上述技术目的，本发明提出一种通孔优先铜互连制作方法，其中包括在衬底硅片上沉积介质层，并在所述介质层上涂布第一光刻胶，以及在所述第一光刻胶中形成通孔结构，所述第一光刻胶能够形成硬膜；在同一显影机台内，在所述第一光刻胶图形上涂布多胺化合物使得所述第一光刻胶中的通孔结构固化，并在所述第一光刻胶表面形成隔离膜；在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述步骤所形成的隔离膜不溶于所述第二光刻胶，并在所述第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构；通过刻蚀，将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中；继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，以完成导线金属和通孔金属填充。可选的，所述介质层具有低介电常数。可选的，所述第一光刻胶和所述第二光刻胶的抗刻蚀能力比大于等于I. 5 :1。可选的，所述第一光刻胶米用含娃烧基、娃烧氧基和笼形娃氧烧之一或组合的光刻胶。可选的，生成隔离膜之后，通过酸性溶液对多余的多胺化合物进行处理，然后用去离子水去除。可选的，所述酸性溶液可为聚丙烯酸、聚异丁烯酸、聚乙烯基磺酸、烷基羧酸、芳基羧酸、烷基磺酸、芳基磺酸之一或其组合。相较于现有技术，本发明通孔优先铜互连制作方法利用可形成硬膜的光刻胶材料，减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，并且将通孔刻蚀和沟槽刻蚀两道工序结合成一道工序，不仅大大地减少了制作成本，还有效地提高了产能。
图I至图5为现有通孔优先双大马士革工艺制作过程中器件的剖面示意图；图6至图10为现有双重图形成形技术制作密集线阵列图形过程中器件的剖面示意图；图11为本发明通孔优先铜互连制作方法实施方式的流程示意图；图12至图18为本发明通孔优先铜互连制作方法一种具体实施方式
过程中器件的剖面示意图。
具体实施例方式下面将结合具体实施例和附图，对本发明通孔优先铜互连制作方法进行详细阐述。参考图11，本发明提供了一种通孔优先铜互连制作方法，包括步骤SI，在衬底硅片上沉积介质层，并在所述介质层上涂布第一光刻胶，以及在所述第一光刻胶中形成通孔结构，所述第一光刻胶能够形成硬膜；步骤S2，在同一显影机台内，在所述第一光刻胶图形上涂布多胺化合物使得所述第一光刻胶中的通孔结构固化，并使所述多胺化合物与所述第一光刻胶表面反应，从而在所述第一光刻胶表面形成隔离膜；步骤S3，在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述步骤所形成的隔离膜不溶于所述第二光刻胶，并在所述第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构；步骤S4,通过刻蚀，将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中；步骤S5，继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，以完成导线金属和通孔金属填充。在本发明通孔优先铜互连制作方法的一种具体实施方式
中，参考图12，首先，在衬底娃片301上沉积介质层302,该介质层302具有低介电常数。接着，在该介质层302上涂布可形成硬膜的第一光刻胶303。其中，所述第一光刻胶303的抗刻蚀能力比大于等于I. 5: I。在具体实施例中，所述第一光刻胶303可采用例如，含娃烧基(silyl)、娃烧氧基(siloxyl)和笼形娃氧烧(silsesquioxane)之一或组合的光刻胶。接着，参考图13，通过曝光和显影，在该第一光刻胶303中形成通孔结构304。接着，参考图14，在同一显影机台内，在第一光刻胶303上涂布多胺化合物使得第一光刻胶303中的通孔结构304固化，并使得所述多胺化合物与第一光刻胶303表面产生反应，以形成隔离膜313，该隔离膜313不溶于后续涂布的第二光刻胶。生成隔离膜313之后，可通过酸性溶液对多余的多胺化合物进行处理，然后再用去离子水去除。其中，所述酸性溶液可为聚丙烯酸、聚异丁烯酸、聚乙烯基磺酸、烷基羧酸、芳基羧酸、烷基磺酸、芳基磺酸之一或其组合，也可采用其它对多胺化合物进行处理从而能够将其去除的有机溶液。接着，参考图15，在固化后的第一光刻胶303上涂布第二光刻胶305。其中，所述第二光刻胶305的抗刻蚀能力比大于等于I. 5: I。接着，参考图16，通过曝光和显影工艺，在所述第二光刻胶305中形成沟槽结构306，所述沟槽结构306位于所述通孔结构304的上层。接着，参考图17，通过刻蚀工艺，将所述通孔结构304和沟槽结构306转移到介质层302中。最后，参考图18，继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，完成导线金属307和通孔金属308的填充。相较于现有技术，本发明采用了可形成硬膜的光刻胶材料作为第一光刻胶，并在第一光刻胶表面通过涂布多胺化合物并形成隔离膜的方式，减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，有效地将通孔刻蚀和沟槽刻蚀两道工序结合成一道工序，不仅大大地减少了制作成本，还有效地提高了产能。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，包括 在衬底硅片上沉积介质层，并在所述介质层上涂布第一光刻胶，以及在所述第一光刻胶中形成通孔结构，所述第一光刻胶能够形成硬膜； 在同一显影机台内，在所述第一光刻胶图形上涂布多胺化合物使得所述第一光刻胶中的通孔结构固化，在所述第一光刻胶表面形成隔离膜； 在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述步骤所形成的隔离膜不溶于该第二光刻胶，并在所述第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构； 将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中； 继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，以完成导线金属和通孔金属填充。
2.如权利要求I所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述介质层具有低介电常数。
3.如权利要求I所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述第一光刻胶和所述第二光刻胶的抗刻蚀能力比大于等于I. 5 :1。
4.如权利要求3所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述第一光刻胶采用含硅烷基、硅烷氧基和笼形硅氧烷之一或组合的光刻胶。
5.如权利要求I所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，先用酸性溶液对多余的多胺化合物进行处理，再用去离子水去除。
6.如权利要求5所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述酸性溶液为聚丙烯酸、聚异丁烯酸、聚乙烯基磺酸、烷基羧酸、芳基羧酸、烷基磺酸、芳基磺酸之一或其组合。
全文摘要
一种通孔优先铜互连制作方法，包括在衬底上沉积介质层，以及在该介质层上涂布能够形成硬膜的第一光刻胶，并在该第一光刻胶中形成通孔结构；在该第一光刻胶图形上涂布多胺化合物以固化所述通孔结构，并在该第一光刻胶表面形成隔离膜；在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述隔离膜不溶于该第二光刻胶，在该第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构；将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中；继续后续的导线金属和通孔金属填充。本发明利用可形成硬膜的光刻胶材料，减少了一步刻蚀步骤，大大地减少了制作成本，有效地提高了产能。
文档编号H01L21/768GK102931135SQ20121045187
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者毛智彪 申请人:上海华力微电子有限公司
技术领域：
本发明涉及半导体制造工艺，且特别涉及通孔优先铜互连制作方法。
背景技术：
随着半导体芯片的集成度不断提高，晶体管的特征尺寸不断缩小。进入到130纳米技术节点之后，由于受到铝的高电阻特性的限制，铜互连技术逐渐替代铝互连成为金属互连的主流。由于铜硬度较大，干法刻蚀工艺不易实现，制作铜导线无法像制作铝导线那样通过刻蚀金属层而实现。现在广泛采用的铜导线的制作方法是称作大马士革工艺的镶嵌技术。大马士革工艺镶嵌结构的铜互连可以通过多种工艺方法实现。其中，通孔优先的双大马士革工艺是实现通孔和金属导线铜填充一次成形的方法之一。在该工艺中，参考图1，首先，在衬底硅片101上沉积具有低介电系数(k)值的介质层102，并在该低k值的介质层102上涂布第一光刻胶103 ;接着，参考图2，通过第一光刻和刻蚀，在上述低k值介质层102中形成通孔104结构；接下来，参考图3，在该低k值介质层102上涂布第二光刻胶105 ；接着，参考图4，通过第二光刻和刻蚀，在上述低k值介质层102的通孔104结构上形成金属槽106结构。最后，参考图5，继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨等工艺，以完成导线金属107和通孔金属108的填充。在器件尺寸微缩进入到32纳米技术节点后，单次光刻曝光无法满足制作密集线阵列图形所需的分辨率，继而双重图形(double patterning)成形技术被大量研究并广泛应用于制作32纳米以下技术节点的密集线阵列图形。在该双重图形成形技术中，首先，参考图6，在需要制作密集线阵列图形的衬底硅片201上，沉积衬底膜209和硬掩膜210，然后涂布第一光刻胶203 ;参考图7，通过曝光、显影、刻蚀后，在硬掩膜210中形成第一光刻图形211，其中，线条和沟槽的特征尺寸比例为1:3。接着，参考图8，在硅片201上涂布第二光刻胶205，并参考图9，通过曝光和显影，在第二光刻胶205膜中形成第二光刻图形212，其中，线条和沟槽的特征尺寸比例也是1:3，但位置与第一光刻图形211交错。参考图10，继续刻蚀在衬底硅片201上形成与第一光刻图形211交错的第二光刻图形212。第一光刻图形211与第二光刻图形211的组合组成了目标线条和沟槽特征尺寸比例为1:1的密集线阵列图形。然而，由于双重图形成形工艺过程中需要进行两次光刻和刻蚀，即光刻一刻蚀一光刻一刻蚀，其成本远远大于传统的单次曝光成形技术。此外，应用双重图形成形技术实现通孔优先双大马士革金属互联工艺时，必须分别进行通孔光刻一通孔刻蚀沟槽光刻沟槽刻蚀,既增加了工艺成本,也减少了生产产出量。
发明内容
本发明提供了一种通孔优先铜互连制作方法，通过减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，从而降低制作成本以及提高产能。
为了实现上述技术目的，本发明提出一种通孔优先铜互连制作方法，其中包括在衬底硅片上沉积介质层，并在所述介质层上涂布第一光刻胶，以及在所述第一光刻胶中形成通孔结构，所述第一光刻胶能够形成硬膜；在同一显影机台内，在所述第一光刻胶图形上涂布多胺化合物使得所述第一光刻胶中的通孔结构固化，并在所述第一光刻胶表面形成隔离膜；在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述步骤所形成的隔离膜不溶于所述第二光刻胶，并在所述第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构；通过刻蚀，将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中；继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，以完成导线金属和通孔金属填充。可选的，所述介质层具有低介电常数。可选的，所述第一光刻胶和所述第二光刻胶的抗刻蚀能力比大于等于I. 5 :1。可选的，所述第一光刻胶米用含娃烧基、娃烧氧基和笼形娃氧烧之一或组合的光刻胶。可选的，生成隔离膜之后，通过酸性溶液对多余的多胺化合物进行处理，然后用去离子水去除。可选的，所述酸性溶液可为聚丙烯酸、聚异丁烯酸、聚乙烯基磺酸、烷基羧酸、芳基羧酸、烷基磺酸、芳基磺酸之一或其组合。相较于现有技术，本发明通孔优先铜互连制作方法利用可形成硬膜的光刻胶材料，减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，并且将通孔刻蚀和沟槽刻蚀两道工序结合成一道工序，不仅大大地减少了制作成本，还有效地提高了产能。
图I至图5为现有通孔优先双大马士革工艺制作过程中器件的剖面示意图；图6至图10为现有双重图形成形技术制作密集线阵列图形过程中器件的剖面示意图；图11为本发明通孔优先铜互连制作方法实施方式的流程示意图；图12至图18为本发明通孔优先铜互连制作方法一种具体实施方式
过程中器件的剖面示意图。
具体实施例方式下面将结合具体实施例和附图，对本发明通孔优先铜互连制作方法进行详细阐述。参考图11，本发明提供了一种通孔优先铜互连制作方法，包括步骤SI，在衬底硅片上沉积介质层，并在所述介质层上涂布第一光刻胶，以及在所述第一光刻胶中形成通孔结构，所述第一光刻胶能够形成硬膜；步骤S2，在同一显影机台内，在所述第一光刻胶图形上涂布多胺化合物使得所述第一光刻胶中的通孔结构固化，并使所述多胺化合物与所述第一光刻胶表面反应，从而在所述第一光刻胶表面形成隔离膜；步骤S3，在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述步骤所形成的隔离膜不溶于所述第二光刻胶，并在所述第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构；步骤S4,通过刻蚀，将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中；步骤S5，继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，以完成导线金属和通孔金属填充。在本发明通孔优先铜互连制作方法的一种具体实施方式
中，参考图12，首先，在衬底娃片301上沉积介质层302,该介质层302具有低介电常数。接着，在该介质层302上涂布可形成硬膜的第一光刻胶303。其中，所述第一光刻胶303的抗刻蚀能力比大于等于I. 5: I。在具体实施例中，所述第一光刻胶303可采用例如，含娃烧基(silyl)、娃烧氧基(siloxyl)和笼形娃氧烧(silsesquioxane)之一或组合的光刻胶。接着，参考图13，通过曝光和显影，在该第一光刻胶303中形成通孔结构304。接着，参考图14，在同一显影机台内，在第一光刻胶303上涂布多胺化合物使得第一光刻胶303中的通孔结构304固化，并使得所述多胺化合物与第一光刻胶303表面产生反应，以形成隔离膜313，该隔离膜313不溶于后续涂布的第二光刻胶。生成隔离膜313之后，可通过酸性溶液对多余的多胺化合物进行处理，然后再用去离子水去除。其中，所述酸性溶液可为聚丙烯酸、聚异丁烯酸、聚乙烯基磺酸、烷基羧酸、芳基羧酸、烷基磺酸、芳基磺酸之一或其组合，也可采用其它对多胺化合物进行处理从而能够将其去除的有机溶液。接着，参考图15，在固化后的第一光刻胶303上涂布第二光刻胶305。其中，所述第二光刻胶305的抗刻蚀能力比大于等于I. 5: I。接着，参考图16，通过曝光和显影工艺，在所述第二光刻胶305中形成沟槽结构306，所述沟槽结构306位于所述通孔结构304的上层。接着，参考图17，通过刻蚀工艺，将所述通孔结构304和沟槽结构306转移到介质层302中。最后，参考图18，继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，完成导线金属307和通孔金属308的填充。相较于现有技术，本发明采用了可形成硬膜的光刻胶材料作为第一光刻胶，并在第一光刻胶表面通过涂布多胺化合物并形成隔离膜的方式，减少了双大马士革金属互连的工艺中的刻蚀步骤，有效地将通孔刻蚀和沟槽刻蚀两道工序结合成一道工序，不仅大大地减少了制作成本，还有效地提高了产能。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，包括 在衬底硅片上沉积介质层，并在所述介质层上涂布第一光刻胶，以及在所述第一光刻胶中形成通孔结构，所述第一光刻胶能够形成硬膜； 在同一显影机台内，在所述第一光刻胶图形上涂布多胺化合物使得所述第一光刻胶中的通孔结构固化，在所述第一光刻胶表面形成隔离膜； 在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述步骤所形成的隔离膜不溶于该第二光刻胶，并在所述第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构； 将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中； 继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨工艺，以完成导线金属和通孔金属填充。
2.如权利要求I所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述介质层具有低介电常数。
3.如权利要求I所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述第一光刻胶和所述第二光刻胶的抗刻蚀能力比大于等于I. 5 :1。
4.如权利要求3所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述第一光刻胶采用含硅烷基、硅烷氧基和笼形硅氧烷之一或组合的光刻胶。
5.如权利要求I所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，先用酸性溶液对多余的多胺化合物进行处理，再用去离子水去除。
6.如权利要求5所述的通孔优先铜互连制作方法，其特征在于，所述酸性溶液为聚丙烯酸、聚异丁烯酸、聚乙烯基磺酸、烷基羧酸、芳基羧酸、烷基磺酸、芳基磺酸之一或其组合。
全文摘要
一种通孔优先铜互连制作方法，包括在衬底上沉积介质层，以及在该介质层上涂布能够形成硬膜的第一光刻胶，并在该第一光刻胶中形成通孔结构；在该第一光刻胶图形上涂布多胺化合物以固化所述通孔结构，并在该第一光刻胶表面形成隔离膜；在固化后的第一光刻胶上涂布第二光刻胶，其中，上述隔离膜不溶于该第二光刻胶，在该第二光刻胶中形成位于所述通孔结构上方的沟槽结构；将所述通孔结构和所述沟槽结构转移到所述介质层中；继续后续的导线金属和通孔金属填充。本发明利用可形成硬膜的光刻胶材料，减少了一步刻蚀步骤，大大地减少了制作成本，有效地提高了产能。
文档编号H01L21/768GK102931135SQ20121045187
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者毛智彪 申请人:上海华力微电子有限公司
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