[发明专利]降低冗余金属耦合电容的沟槽优先双大马士革铜互连方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，更具体地说，本发明涉及一种降低冗余金属耦合电容的沟槽优先双大马士革铜互连方法。

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，受到铝的高电阻特性的限制，铜互连逐渐替代铝互连成为金属互连得主流。由于铜的干法刻蚀工艺不易实现，铜导线的制作方法不能像铝导线那样通过刻蚀金属层而获得。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。

大马士革镶嵌结构铜互连可以通过多种工艺方法实现。其中沟槽优先双大马士革工艺是实现金属导线和通孔铜填充一次成形的方法之一。图1A-1E展示了沟槽优先双大马士革工艺流程。在衬底硅片1上首先沉积低k值介质层2，在低k值介质层2上涂布第一光刻胶3(图1A)，通过第一光刻和第一次刻蚀以在低k值介质层2中形成金属槽6结构(图1B)。在低k值介质层2上涂布第二光刻胶5(图1C)。通过第二光刻和第二次刻蚀在金属槽6结构上形成通孔4结构(图1D)。继续后续的金属沉积和金属化学机械研磨完成导线金属7和通孔金属8填充(图1E)。

在金属层化学机械研磨工艺中，为了达到均匀的研磨效果，要求硅片上的金属图形密度尽可能均匀。而产品设计的金属图形密度常常不能满足化学机械研磨均匀度要求。解决的方法是在版图的空白区域填充冗余金属15（图1F）来使版图图形密度均匀化。冗余金属提高了图形密度的均匀度，但是不可避免地引入了额外的金属间的耦合电容。为了减少额外的耦合电容带给器件的负面影响，在设计冗余金属填充时要尽可能减少冗余金属的填充数量。

电容可以由下列公式计算：

C=ϵ0ϵrsd]]>

其中，ε₀为真空介电常数；ε_r为介质介电常数；s为相对的金属面积；d为的金属间距离。由上述公式可见，减少金属的相对面积和增加金属间距离可以减小电容。也就是说，减小冗余金属的体积可以减小由于添加冗余金属而引入的额外的金属间的耦合电容。

减小冗余金属的传统方法需要在大马士革工艺阶段引入额外的光掩模或者额外的硬掩模薄膜，两种途径均需要额外的工艺步骤，延长了制作时间，增加了制作成本。

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。双重图形(double patterning)成形技术作为解决这个技术难题的主要方法被大量研究并被广泛应用于制作32纳米以下技术节点的密集线阵列图形。图2A–2E图示了双重图形成形技术制作密集线阵列图形的过程。在需要制作密集线阵列图形的衬底硅片1上，沉积衬底膜9和硬掩膜10，然后涂布第一光刻胶3(图2A)，曝光、显影、刻蚀后，在硬掩膜10中形成第一光刻图形11(图2B)，其线条和沟槽的特征尺寸比例为1:3。在此硅片上涂布第二光刻胶5(图2C)，曝光和显影后在第二光刻胶5膜中形成第二光刻图形12(图2D)，其线条和沟槽的特征尺寸比例也是1:3，但其位置与第一光刻图形11交错。继续刻蚀在衬底硅片上形成与第一光刻图形11交错的第二光刻图形12(图2E)。第一光刻图形11与第二光刻图形11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。