[发明专利]一种非通孔连接的铜互连方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种半导体中非通孔连接的铜互连方法。

背景技术

随着集成电路制造工艺的进步，互连部分对芯片整体性能（包括速度、面积、功耗、合格率和可靠性等）的影响越来越大。互连技术发展过程中的一个重要的进步，就是用铜取代铝作为金属连线。这一方面，是由铜的材料特性所决定，即铜的电阻率比铝更低，抗电迁移性能也更好。另一方面，铜互连采用的镶嵌工艺（亦称“大马士革”工艺）可以更好地与超低k值介质集成，满足技术进一步发展的需求。目前，90%以上的12寸集成电路生产线采用了铜互连工艺并一致采用镶嵌结构。

铜互连镶嵌工艺的主要工艺流程包括：在已形成的下层铜金属膜上，淀积金属层间膜；运用通孔、金属沟槽两张光刻版，通过光刻和刻蚀工艺，在金属层间膜上形成上层金属走线所需的沟槽，和连接上下层金属的通孔，称为双镶嵌结构（亦称“双大马士革”结构），其具体有沟槽优先、通孔优先、带硬掩模等各种实现方式；通过薄膜淀积和电镀工艺，将铜阻挡层、铜籽晶层和铜填充至已形成的通孔和沟槽中；通过研磨工艺，将层间膜上方的多余金属磨去，只留下沟槽和通孔中的铜，从而完成上一层铜连线及与下层铜的连通；重复上述工艺步骤，即可实现多层金属的叠加和互连。

铜互连镶嵌工艺的关键是形成双镶嵌结构，而这也是该工艺的最大的难点。随着线宽的缩小，光刻的工艺窗口已非常小，而无论先做通孔，还是先做沟槽，一旦完成刻蚀，就会形成形貌起伏，使得光刻工艺窗口进一步缩小甚至消失。为解决这一难点，目前双镶嵌工艺中，主要采用的集成方法包括：在第一步刻蚀后，采用填充材料将已形成的形貌平坦化，然后进行光刻工艺所需的涂胶、曝光和显影等步骤；第一步刻蚀只将较薄的一层金属硬掩模层（如氮化钛）刻开，仍保持较平坦的形貌，在第二步光刻后，将所需的沟槽和通孔一次刻蚀完成，称为all-in-one 刻蚀。现有集成方法的共同点是，为了保证光刻工艺的实施，通过增加工艺步骤，淀积额外材料（如填充材料，金属硬掩模层），并大幅提高刻蚀工艺能力（多种膜层、多种结构的刻蚀），最终实现双镶嵌结构。

可见，现有铜互连工艺中镶嵌式结构的非平面化特性对工艺造成了一定的负面影响，成为本领域技术人员需要解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种非通孔连接的铜互连方法，光刻和刻蚀工艺均在平面上完成，避免了镶嵌式结构（沟槽和通孔）的非平面化特性对工艺造成的负面影响，可提高工艺可控性。

本发明的非通孔连接的铜互连方法，其包括以下步骤：

步骤S01，提供衬底，形成下层铜金属层，并在形成的下层铜金属层上淀积一层介质膜；

步骤S02，通过光刻板进行光刻，使下层铜金属层需要与待形成的上层铜金属层连通的部分用光刻胶掩蔽，而不需要连通的部分则无光刻胶掩蔽；

步骤S03，通过刻蚀工艺，将无光刻胶掩蔽部分的介质膜刻开，然后去除光刻胶；

步骤S04，去除介质膜刻开部分处的下层铜金属层；

步骤S05，在上述步骤处理后的表面上淀积金属层间膜，并平坦化；

步骤S06，通过光刻板进行光刻，定义出具有沟槽的上层铜金属层的图形；

步骤S07，通过刻蚀工艺，去除上述上层铜金属层图形中沟槽处的金属层间膜和介质膜，露出需要与上层铜金属层连通的下层铜金属层，不需要连通的下层铜金属层上留有金属层间膜，然后去除光刻胶；

步骤S08，通过淀积和电镀工艺，在上述沟槽中形成上层铜金属层。

进一步地，该下层铜金属层厚度为100-500nm。

进一步地，该介质膜为氮化硅或氮氧化硅构成的通孔掩膜层，其厚度为10-50nm。

进一步地，步骤S02中所用光刻板为非通孔光刻板，光刻线宽为20-100nm。

进一步地，步骤S03是通过干法刻蚀，刻开介质膜，该干法刻蚀工艺所用的是含C、F的气体。较佳地，该含C、F的气体包括CF₄、CHF₃或C₄F₈中的一种或多种，且该气体还含有N₂、H₂、O₂或Ar中的一种或多种。

进一步地，步骤S04是通过刻蚀或腐蚀刻开下层铜金属层，刻开下层铜金属层的厚度为10-300nm，刻蚀或腐蚀的时间为25秒至30分钟，使用的是羟胺类（hydroxylamine）类有机溶剂。