CN100468207C - 去除刻蚀残留物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去除刻蚀残留物的方法包括：提供一半导体衬底；在衬底上形成功能层，在所述功能层表面形成掩膜层；图案化所述掩膜层；干法刻蚀所述功能层以形成所需图形并采用气体喷流去除刻蚀残留物；湿法清洗去除刻蚀残留物。本发明的另一种去除刻蚀残留物的方法在刻蚀所述功能层以形成所需图形之后先利用湿法去除刻蚀残留物；然后采用灰化方法去除刻蚀残留物；最后进行灰化后的清洗。本发明的刻蚀残留物去除方法对刻蚀后聚合物残留物有很好的去除效果，而且能够抗止光刻胶去除后的残留物再沉积，很好地解决了由于被去除残留物的再沉积而引起的例如堵塞通孔等问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种刻蚀工艺后光刻胶残留物质的清除方法。
背景技术
光刻工艺是芯片制造技术中用得最频繁、最关键的技术之一，凡是半导体元件、光电器件等，都需要用光刻工艺将所需元件的基本组成单元和线路的掩膜图形转移到衬底表面的光刻胶图形上，例如晶片或玻璃基板上。通常光刻的基本工艺包括涂胶、曝光和显影等三大步骤。涂胶工艺的目的是在晶片表面建立薄而均匀、并且没有缺陷的光刻胶膜。曝光是通过曝光灯或其他辐射光源将掩膜上图形转移到光刻胶涂层上。晶片曝光后，器件或电路的图形被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图形显影。显影技术被设计成使之把完全一样的掩膜板图案复制到光刻胶上。光刻胶暴露在光线下会有一个聚合的过程，它会导致光刻胶聚合在显影液中分解。显影后掩膜板的图案就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。在刻蚀后图案就会被永久地转移到晶片的表层。刻蚀就是通过光刻胶暴露区域来去掉晶片最表层的工艺。刻蚀工艺主要分为湿法和干法刻蚀，两种方法的主要目的是将光刻掩膜板上的图形精确地转移到晶片的表面。目前大规模集成电路的精细图形主要采用干法刻蚀。干法刻蚀包括等离子体刻蚀、离子束刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)。
在干法刻蚀的等离子刻蚀中一个不希望的影响是聚合物(polymer)沉积在刻蚀图案的边侧或表面，聚合物来自光刻胶和光刻胶经刻蚀后残留的付产物。刻蚀之后，图案成为晶片最表层永久的一部分。作为刻蚀阻挡层的光刻胶层及其付产物就不再需要了，而需要从表面去掉。有许多不同的化学品被用于去除工艺。对它们的选择依据晶片表面(在光刻胶层下)、产品考虑、光刻胶极性和光刻胶状态。一系列不同的工艺:湿法刻蚀、干法刻蚀和离子注入后，晶片表面的光刻胶都需要去掉。根据先前工艺的不同会有不同程度的困难。高温硬烘烤、等离子体刻蚀的残留物和聚合物以及由离子注入导致的硬壳都会对光刻胶去除带来困难。申请号为03823216.2的中国专利公开了一种能除去残留光刻胶的组合物。在制造集成电路的制程中，有时需要选择性蚀刻半导体表面。在通孔、金属线和沟槽形成过程中，反应离子蚀刻(RIE)越来越成为选择用于图案转移的方法。例如，复杂半导体器件如高级DRAMS和微处理器(需要多层后端线路互连配线)通过RIE来制造通孔和沟槽结构，然后向沟槽内填充金属Cu。透过中间电介体层，通孔用于使一级硅、硅化物或金属配线和另一级的配线接触。沟槽结构用于形成金属线结构。所述RIE工艺通常会留下复杂混合物的光刻胶残留物(PR)，包括再溅射的氧化物材料以及来自用于平板印刷术限定通孔、介电质和凹槽结构的光致抗蚀剂和抗反射涂层材料的可能的有机材料。
图1A至图1C为说明现有晶片表面图案形成过程的剖面图。利用图1A～图1C所示的金属图案(metal pattern)制造工艺剖面图说明现有技术清除残留物质的方法。如1A所示，首先在形成有若干半导体元件(图未显示)的半导体衬底10上形成绝缘层12，用来覆盖上述半导体衬底10。接下来，形成扩散阻挡层(diffusion barrier)14，接着利用例如化学汽相沉积法(CVD)在上述阻挡层14的表面形成一电介质层16，然后在上述电介质层16表面沉积一复合层作为抗反射层18(anti-reflection coating；ARC)。此外，标号20代表利用传统的光刻技术(photolithography)形成的光刻胶图案((photoresist pattern)。之后，请参照图1B与图1C，去除未被光刻胶图案20遮蔽的抗反射层18、电介质层16与阻挡层14，直到露出上述绝缘层12为止。此时得到外形轮廓有些许变化的光刻胶图案20a。然后，将半导体衬底10(晶片)移至有机溶剂槽，或直接移至去离子水槽(deionized water tank)，亦即以湿法清洗的方式剥除光刻胶图案20。然后在16a之间的沟槽中填充金属，例如铜。由于光刻胶图案20的材料与上述蚀刻的环境特性，通常在图案16a上还会有去除的光刻胶聚合物再沉积在晶片表面从而形成光刻胶残留物20a。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种去除刻蚀残留物的方法，在干法刻蚀形成所需图形后，利用射频电源产生偏压，导入适当的反应气体形成气体喷流(flush)对刻蚀残留物进行冲刷，然后再利用湿式清洗晶片表面的工艺步骤，此方法有效地去除刻蚀后残留的物质。
为达到上述目的，本发明提供的一种去除刻蚀残留物的方法，包括:
提供一半导体衬底；
在衬底上形成功能层，在所述功能层表面形成掩膜层；
图案化所述掩膜层；
干法刻蚀所述功能层以形成所需图形并采用气体喷流去除刻蚀残留物；
湿法清洗去除刻蚀残留物。
所述气体为氧气(O2)。
所述氧气的流量为10～2000sccm。
形成氧气喷流气体的反应室内的压力为0.1～1000mT，喷流去除时间为0～90S。
所述气体为氧气(O2)和氦气(He)的混合气体。
所述氧气的流量为10～2000sccm，所述氦气的流量为10～5000sccm。
形成氧气(O2)和氦气(He)的混合气体喷流气体的反应室内部压力为0.1～1000mT，时间为0～90S。
所述功能层包括氧化层、电介质层和抗反射层。
本发明的另一个目的在于提供一种去除刻蚀残留物的方法，在干法刻蚀形成所需图形后，先利用湿法清洗晶片表面的刻蚀残留物，再采用气体灰化(ashing)方法去除刻蚀残留物，然后进行灰化后清洗，此方法亦能够有效地去除刻蚀后残留的物质。
为达到上述目的，本发明提供的另一种去除刻蚀残留物的方法，包括:
提供一半导体衬底；
在衬底上形成功能层，在所述功能层表面形成掩膜层；
图案化所述掩膜层；
刻蚀所述功能层以形成所需图形；
湿法去除刻蚀残留物；
采用灰化方法去除刻蚀残留物；
灰化后清洗。
所述灰化气体为氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体。
所述氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体中氢气所占流量比为5％～50％。
所述气体灰化刻蚀的射频偏置功率为100W～500W，反应时间为5S～120S。
所述功能层包括氧化层、电介质层和抗反射层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
本发明在利用湿法去除刻蚀后的光刻胶聚合物残留物，即利用有机去除剂进行表面清洗后，通入氧气O2或氧气O2和氦气He的混合气体，利用射频偏压产生气体喷流，利用气体喷流对晶片表面残留的聚合物进行进一步的冲刷去除处理，然后再利用有机溶剂进行清洗。本发明的另一种方法是在湿法去除刻蚀后的光刻胶聚合物后利用氮气N2和氢气H2的混合气体对残留物进行灰化处理，随后再进行灰化后清洗。本发明的方法能够彻底去除晶片表面刻蚀后的聚合残留物，而且不会改变晶片表面的CD。由于等离子气体对晶片表面残留物的去除反应维持在很短的时间、很低的压力和温度下进行的，因此不会影响晶片表面低介电常数材料膜层的介电常数值。
此外，由于本发明的方法在采用氧气O2或氧气O2和氦气He的混合气体喷流进行表面去除刻蚀后聚合物残留物时，还具有表面处理的作用，能够将晶片表面的低介电常数氧化膜层的憎水性表面转换为亲水性表面。由于被去除的聚合物残留物是很难在亲水性的表面再沉积的，因此在等离子去除工艺中被去除的残留物在后续的清洗过程中不会再沉积在晶片表面的沟槽或通孔中。本发明的刻蚀残留物去除方法对刻蚀后聚合物残留物有很好的去除效果，而且能够抗止光刻胶去除后的残留物再沉积，很好地解决了由于被去除残留物的再沉积而引起的其他例如堵塞通孔等问题，避免了传统工艺中产生片状沉积聚合物剥落导致污染芯片与腔体的危险。
附图说明
图1A至图1C为说明现有晶片表面图案形成过程的剖面图；
图2A至图2E为说明本发明去除刻蚀残留物方法的晶片表面图案形成过程剖面图；
图3为本发明去除刻蚀残留物方法第一实施例的流程图；
图4为本发明去除刻蚀残留物方法第二实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明去除刻蚀残留物的方法可被广泛地应用到半导体制造工艺中许多不同的金属或非金属层材质蚀刻工艺后的光刻胶移除工艺。在此本发明通过较佳实施例来说明本发明方法，本领域内的普通技术人员应熟知许多的步骤是可以改变的，金属层材料及反应所产生的沉积物也可替换，这些一般的替换无疑地亦不脱离本发明的精神及保护范围。
本发明的蚀刻后移除光刻胶残留物方法的第一实施例是在干法蚀刻步骤后增加一高压气体喷流冲刷刻蚀残留物的步骤，然后再利用湿法清洗晶片表面，可以完全去除附着在衬底表面图案上的有机与无机沉积物与金属残留物，缩短传统湿法移除光刻胶工艺所需的时间。首先提供一具有半导体器件的的半导体衬底，然后在其上依序形成有一金属导体层及一图案化光刻胶层；随后以图案化光刻胶层为光刻掩膜对金属导体层进行蚀刻，形成所需要的图形。然后，对该半导体衬底进行刻蚀残留物的去除。首先射频偏压产生高压气体喷流，对刻蚀残留物进行冲刷，然后对衬底表面再做适当的湿法清洗。本发明的刻蚀残留物去除方法对刻蚀后残留物有很好的去除效果，而且能够抗止去除后的再沉积的问题，避免了传统工艺中产生片状沉积聚合物剥落导致污染芯片与腔体的危险。
图2A至图2D为根据本发明优选实施例说明晶片表面图案形成过程的剖面图。下面利用图2A～2D所示的晶片表面图案形成过程的剖面图更详细地说明本发明清除残留物质的方法。如图2A所示，首先提供一形成有若干半导体元件(图中未示出)的半导体基底100，然后，利用化学气相淀积的方式(chemical vapor deposition CVD)形成绝缘保护层120，用来覆盖上述半导体基底100。然后，再次利用CVD法形成扩散阻档层(diffusion barrier)140；接着利用溅镀或CVD法在上述阻挡层140的表面形成电介质层160，然后在上述电介质层160表面沉积一抗反射层180(anti-reflection coating ARC)。在接下来的工艺步骤中，利用光刻技术(photolithography)形成的光刻胶图案并且光刻胶图案200设置在欲形成金属图案的位置。
随后，如图2B所示，利用各向异性干蚀刻法，在氯气或氯化硼等气氛中，刻蚀未被光致抗蚀剂图案200遮蔽的抗反射层180、电介质层160和阻挡层140，直到露出上述绝缘层120为止。此时得到所需图案160a，以及外形轮廓与上述图案相同的的光刻胶图案200a。然后，采用湿法清洗工艺，利用有机溶剂(例如CLK-888)去除光刻胶图案200a。随后在图案160a之间的沟槽中填充金属铜以形成金属互连。然而由于光刻胶图案200a材料的粘稠特性，加上前述气氛气体与金属及水气产生反应，而形成一种有机聚合物，这种聚合物以片状沉积聚合物的形式剥落再沉积在晶片表面，从而形成如图2C所示的光刻胶残留物质300。
在本发明的去除刻蚀残留物方法的第一实施例中，为了去除刻蚀残留物质300，在干法刻蚀电介质层图案160a之后采用就地表面处理的方法马上去除刻蚀残留物，然后再利用湿法清洗彻底去除刻蚀残留物。具体做法是，在低压的环境下将待刻蚀半导体衬底(晶片)移至反应室的真空容器内。反应室的真空容器内设置有导电性隔壁板，导电性隔壁板将真空容器内部隔离为两个空间，一个空间内部形成为配置了高频电极的喷流气体生成空间、另一个空间为处理空间，半导体衬底放置在处理空间，其内部配置有承载衬底的衬底保持机构。上述导电性隔壁板具有使喷流气体生成空间和成膜处理空间连通的多个贯通孔，并且具有与喷流气体生成空间隔离，且通过多个扩散孔与成膜空间连通的内部空间。在干法刻蚀完成之后，将O2通入喷流气体生成空间，导入的流量为10～2000sccm，本实施例为200sccm；将压力控制在0.1～1000mtorr，本实施例为10mtorr；处理时间为0～90S，本实施例处理大约10秒钟。利用高频电极提供高频电压，在喷流气体生成空间中使O2电离生成高压高速气体喷流。本发明采用300W的射频((radio frequency RF)电源产生射频偏压(bias)，增加离子轰击(ion bombardment)效果，以在短时间内冲刷刻蚀残留物，随后再利用化学试剂湿法清洗，达到彻底去除刻蚀残留物质300的目的。
本发明的去除刻蚀残留物的方法也可以在反应室内同时通入氧气O2和氦气(He)的混合气体。此时氧气导入流量为10～2000sccm，本实施例为18sccm、氦气的导入流量为10～5000sccm，本实施例为250sccm，将压力控制在0.1～1000mtorr，本实施例为100mtorr，处理时间为0～90S，本实施例处理大约10秒钟。
在上述去除刻蚀残留物的过程中，采用氧气O2或氧气O2和氦气He的混合气体的高压喷流气体去除刻蚀后聚合物残留物时，氧气O2或氧气O2和氦气He的混合气体还具有对衬底表面氧化层120进行处理的作用，能够将晶片表面的低介电常数氧化膜层的憎水性表面转换为亲水性表面，且不改变其介电常数值。由于被去除的聚合物残留物是很难在亲水性的表面再沉积的，因此在等离子去除工艺中被去除的残留物在后续的清洗过程中不会再沉积在晶片表面的沟槽或通孔中。
如前所述，现有的去除刻蚀残留物的方法是在形成金属图案160a之后，采用湿法去除外形轮廓与上述图案相同的的光刻胶图案200a，利用有机溶剂(例如CLK-888)去除光刻胶图案200a。然而由于光刻胶图案200a材料的粘稠特性，加上前述气氛气体与金属及水气产生反应，而形成一种有机聚合物，这种聚合物以片状沉积聚合物的形式剥落再沉积在晶片表面，从而形成如图2C所示的光刻胶残留物质300。
为了清除此残留物质300，本发明的去除刻蚀残留物方法的第二实施例在利用有机溶剂(例如CLK-888)去除光刻胶后，采用氮气N2和氢气H2的混合气体对光刻胶残留物300进行灰化去除，最后进行灰化后的清洗。在低压的环境下将半导体衬底放置在反应室真空容器内的处理空间。反应室的真空容器内设置有导电性隔壁板，导电性隔壁板将真空容器内部隔离为两个空间，一个空间内部形成为配置了高频电极的等离子体生成空间、另一个空间为处理空间，其内部配置有承载衬底的衬底保持机构。将反应气体氮气N2和氢气H2的混合气体通入反应室，其中氢气H2所占的流量比为5％～50％，本实施例采用20％。将压力控制在0.1～1000mTorr，本实施例为10mtorr，处理时间根据残留物的多少可以设置在5～120S之间，例如30S、60S和90S。利用高频电极提供高频电压，本发明采用100W～500W的频率范围，例如150W的射频((radio frequency RF)电源产生偏压(bias)，利用反应气体对残留物进行灰化处理达到彻底去除上述含有聚合物质的残留物质300的目的。经过上述等离子体与残留物的反应，残留物质300被完全地去除，后续仅需要利用ST-250等去除聚合物的化学试剂对晶片表面进行灰化的清洗即可。
图3为本发明去除刻蚀残留物方法第一实施例的流程图。在本实施例中，在半导体衬底上形成包括氧化层、电介质层和抗反射层的功能层；在所述功能层表面形成光刻胶层；利用掩膜光刻等工艺图案化所述光刻胶层；干法刻蚀所述功能层以形成所需图形之后；利用高压气体喷流冲刷刻蚀残留物；然后再采用湿法清洗晶片表面彻底去除刻蚀残留物。其中的气体可以为氧气(O2)，氧气的流量为10～2000sccm。还可以为氧气(O2)和氦气(He)的混合气体。其中所述氧气的流量为10～2000sccm，所述氦气的流量为10～5000sccm。
图4为本发明去除刻蚀残留物方法第二实施例的流程图。在本实施例中，在半导体衬底上形成包括氧化层、电介质层和抗反射层的功能层；在所述功能层表面形成光刻胶层；利用掩膜光刻等工艺图案化所述光刻胶层；干法刻蚀所述功能层以形成所需图形之后；首先采用湿法去除刻蚀残留物；然后利用灰化的方法去除刻蚀残留物；最后实施灰化后的清洗。其中灰化气体为氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体。氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体中氢气所占比例为5％～50％。
本发明虽然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，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1、一种去除刻蚀残留物的方法，包括:
提供一半导体衬底；
在衬底上形成功能层，在所述功能层表面形成光刻胶层；
图案化所述光刻胶层；
干法刻蚀所述功能层以形成所需图形，去除光刻胶图案；
采用气体喷流去除刻蚀后聚合物残留物，所述气体为氧气或氧气和氦气；
湿法清洗去除刻蚀残留物。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述氧气的流量为10～2000sccm。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于:形成氧气喷流气体的反应室内的压力为0.1～1000mTorr，喷流去除时间为0～90S。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述氧气的流量为10～2000sccm，所述氦气的流量为10～5000sccm。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于:形成氧气(O2)和氦气(He)的混合气体喷流气体的反应室内部压力为0.1～1000mTorr，时间为0～90S。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述功能层包括氧化层、电介质层和抗反射层。
7、一种去除刻蚀残留物的方法，包括:
提供一半导体衬底；
在衬底上形成功能层，在所述功能层表面形成光刻胶层；
图案化所述光刻胶层；
刻蚀所述功能层以形成所需图形，去除光刻胶图案；
湿法去除刻蚀残留物；
采用灰化方法去除刻蚀后聚合物残留物，灰化气体为氮气和氢气的混合气体；
灰化后清洗。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于:所述氮气(N2)和氢气(H2)的混合气体中氢气所占流量比为5％～50％。
9、如权利要求7所述的方法，其特征在于:气体灰化刻蚀的射频偏置功率为100W～500W，反应时间为5S～120S。
10、如权利要求7所述的方法，其特征在于:所述功能层包括氧化层、电介质层和抗反射层。
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| PB01 | Publication | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING INTERNATIONAL (BEIJING |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20111116 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Co-patentee after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation Patentee after: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation Address before: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Patentee before: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation |
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Granted publication date: 20090311 Termination date: 20190430 |
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