CN100517605C - 镶嵌结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种镶嵌结构的制造方法，包括：提供一半导体基底；在所述半导体基底上形成介质层；在所述介质层上旋涂光刻胶层，并图形化形成开口图案；刻蚀所述开口图案底部的介质层，在所述介质层中形成开口；通过氧气等离子体灰化去除所述光刻胶层。本发明方法能够减小在去除所述介质层上的光刻胶时离子轰击对所述介质层的轰击损伤，提高击穿电压和器件的稳定性。

Description

镶嵌结构的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种镶嵌结构的制造方法。

背景技术

随着半导体工艺线宽的日益减小，业界选用铜代替铝作为后段的互连材料，相应的选用低介电常数材料作为绝缘材料，由于铜难以刻蚀且极易扩散，业界引入镶嵌工艺，克服难以刻蚀的缺点，并引入阻挡层阻挡铜在低介电常数材料中的扩散。专利申请号为02106882.8的中国专利公开了一种镶嵌工艺，图1至图4为所述公开的镶嵌工艺的制造方法剖面示意图。

如图1所示，提供一具有金属导线层的基底100，所述金属导线层材质可以是铜。在所述基底100上形成第一介质层102，所述第一介质层102用于覆盖基底100中的金属导线层的铜表面，以避免所述铜表面曝露于空气中或其它腐蚀性化学制程中，其形成的方法为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，其厚度为30至100nm。

在所述第一介质层102上形成第二介质层104，所述第二介质层104为低介电常数材料。在所述第二介质层104上形成一抗反射层106，所述抗反射层106可以是有机或无机材料。在所述抗反射层106上形成一光刻胶层108，通过曝光显影形成连接孔开口图案110。

如图2所示，以所述光刻胶层108为罩幕，通过刻蚀将所述连接孔开口图案110转移到所述第二介质层104中形成连接孔110a，所述连接孔110a底部露出所述第一介质层102表面。

如图3所示，通过灰化和湿法清洗去除所述光刻胶层108和抗反射层106。

在所述连接孔110a中和第二介质层104上旋涂光刻胶并形成沟槽图案，然后通过刻蚀将所述沟槽图案转移到所述第二介质层104中，形成如图4所示的沟槽112。如图5所示，通过刻蚀移除所述连接孔110a底部的第一介质层102。并去除所述形成有沟槽图案的光刻胶。

在所述沟槽112和连接孔110a中填充导电材料例如铜即形成铜镶嵌结构。

上述镶嵌结构的制造工艺中，包含有两步去除光刻胶的步骤，即在形成所述连接孔110a后和形成所述沟槽112后。去除光刻胶的方法为灰化和湿法清洗，其主要步骤为：首先对所述半导体基底表面的光刻胶进行第一步等离子体灰化，等离子体气体为氧气，并添加辅助气体氩气，其中氧气流量为200sccm，氩气的流量为500sccm，产生所述等离子体的射频源功率为300w，环境压力为20mT，等离子体灰化的时间为10s；接着对所述半导体基底表面的光刻胶进行第二步等离子体灰化，本步骤中等离子体气体为氧气，流量为400sccm，射频源功率为300w，环境压力为15mT，时间为20s；然后，用浓硫酸和双氧水的混合溶液进行湿法清洗，以去除光刻胶的残渣。

在铜作为互连金属的镶嵌结构中，介质层为低介电常数的材料，其硬度相对较小，在用上述方法去处光刻胶过程中，等离子体的离子轰击会对金属间介质层造成损伤，从而造成所述金属间介质层的击穿电压降低，器件的稳定性下降。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种镶嵌结构的制造方法，以解决现有镶嵌结构制造工艺中在去除光刻胶时造成介质层损伤的问题。

为达到上述目的，本发明提供的一种镶嵌结构的制造方法，包括：提供一半导体基底；在所述半导体基底上形成介质层；在所述介质层上旋涂光刻胶层，并图形化形成开口图案；刻蚀所述开口图案底部的介质层，在所述介质层中形成开口；通过氧气等离子体灰化去除所述光刻胶层。

产生所述氧气等离子体的氧气的流量为400至800sccm。

产生所述氧气等离子体的射频源功率为200至400W，偏置功率为300至500W。

所述氧气等离子体环境的压力为10至30mT。

所述氧气等离子体灰化的时间为10至30s。

该方法还包括用氢氟酸、氨水和极性有机溶剂的混合溶液进行湿法清洗的步骤。

所述介质层为氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、黑钻石中的一种或其组合。

该方法进一步包括：在旋涂光刻胶之前在所述介质层上形成抗反射层。

该方法进一步包括：在所述开口中填充金属材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明方法通过氧气等离子体灰化来去除所述介质层上的光刻胶层，产生所述氧气等离子体的氧气的流量较大，提高了灰化速度，缩短了高能离子对介质层表面的轰击时间，且大的氧气流量有助于减少或消除在介质层表面的光刻胶残留；另外所述氧气等离子体环境压力较低，并引入偏置功率，以减轻氧气等离子体对介质层表面的轰击，减小离子轰击对所述介质层的损伤，有助于保持介质层的击穿电压，从而提高了形成的器件的稳定性。

附图说明

图1至图5为现有一种镶嵌结构的制造工艺各步骤相应的结构的剖面示意图；

图6为本发明镶嵌结构的制造方法的实施例的流程图；

图7至图16为本发明镶嵌结构的制造方法的实施例的各步骤相应的结构的剖面示意图。

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。

在本发明镶嵌结构的制造工艺中通过氧气等离子体灰化去除形成于低介电常数介质层上的光刻胶层，氧气的流量较大，压力较低，以减轻或消除在氧气等离子体灰化过程中的离子轰击对介质层的损伤，保持介质层的击穿电压，从而提高形成的器件的稳定性。

图6为本发明镶嵌结构的制造工艺的实施例的流程图。

如图6所示，首先，提供一半导体基底，在所述半导体基底中形成有导电层(S100)。所述半导体基底可以是多晶硅、单晶硅、非晶硅、绝缘层上硅(SOI)、砷化稼、硅锗化合物等材料，所述导电层材料可以是铜、铝、钛、氮化钛、钨中的一种或其组合。

在所述半导体基底上形成阻挡层，在所述阻挡层上形成介质层(S110)；所述阻挡层包括氮化硅、碳氮硅化合物、氧氮硅化合物中的一种或其组合。所述阻挡层的形成方法为物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积、高密度等离子体化学气相沉积、原子层沉积中的一种。所述介质层为黑钻石、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种或其组合。形成所述介质层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积中的一种。

在所述介质层上旋涂光刻胶层，并通过曝光显影形成开口图案，所述开口图案底部露出所述介质层表面(S120)。

以所述光刻胶层为刻蚀掩模层，刻蚀所述开口图案底部的介质层，在所述介质层中形成开口(S130)；所述开口底部露出所述阻挡层，继续刻蚀所述开口底部的阻挡层，以去除所述开口底部的阻挡层，本实施例中所述开口为沟槽和/或连接孔。

在所述介质层中形成开口后，将所述带有光刻胶层的半导体基底置于氧气等离子体环境中，通过氧气等离子体灰化去除所述光刻胶层(S140)。所述氧气等离子体的环境的压力为10至30mT，产生所述氧气等离子体的氧气的流量为400至800sccm，射频源功率为200至400W，偏置功率为300至500W；本实施例中所述氧气流量为600sccm，射频源功率为300W，偏置功率为400W，通过射频能量使得氧气分子分解为氧原子，所述氧原子很快与所述光刻胶层中的碳、氢发生化学反应，生成CO、CO2，H2O，并通过排气系统抽走。所述氧气等离子体灰化的时间为10至30s，通过氧气等离子体灰化可去除所述介质层上的光刻胶层。进一步的，通过氢氟酸、氨水和极性有机溶剂的混合溶液对所述介质层表面进行湿法清洗，去除光刻胶残留。在所述介质层中的开口中填充金属材料例如铜即形成互连线。

本发明方法通过氧气等离子体灰化来去除所述介质层上的光刻胶层，产生所述氧气等离子体的氧气的流量较大，提高了灰化速度，缩短了高能离子对介质层表面的轰击时间，且大的流量氧气有助于减少或消除在介质层表面的光刻胶残留；另外所述氧气等离子体环境压力较低，并引入偏置功率，以减轻氧气等离子体对介质层表面的轰击，减小离子轰击对所述介质层的损伤，有助于保持介质层的击穿电压，从而提高了形成的器件的稳定性。

下面以双镶嵌结构为例对本发明镶嵌结构的制造方法进行详细描述，需要说明的是，本发明方法也适用于单镶嵌结构。图7至图16为本发明镶嵌结构的制造方法的实施例的各步骤相应的结构的剖面示意图。

步骤一，如图7所示，提供一半导体基底200，在所述半导体基底200中形成有器件层和导电层200b。所述半导体基底200可以是多晶硅、单晶硅、非晶硅、绝缘层上硅(SOI)、砷化稼、硅锗化合物等材料，所述器件层可以是金属氧化物半导体晶体管。所述导电层200b材料可以是铜、铝、钛、氮化钛、钨中的一种或其组合。

步骤二，如图8所示，首先，对所述具有器件层的半导体基底200进行等离子体表面预处理。通过等离子体表面预处理可以减少或消除基底表面的污染物，改善所述半导体基底200表面材质的性质，增强后续工艺形成的阻挡层和所述半导体基底200表面的粘附性。

在完成对所述半导体基底200表面的等离子体预处理后，在所述半导体基底200表面上沉积一阻挡层202。沉积所述阻挡层202的方法为物理气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、高密度等离子体化学气相沉积、原子层沉积中的一种。所述阻挡层202为氮化硅、氮硅氧化合物、掺氮碳化硅中的一种或其组合，沉积所述阻挡层202的反应气体为氨气、硅烷、TEOS、二氯二氢硅、氧化二氮、氮气中的一种或其组合。沉积的阻挡层202厚度为20至80nm。

如图9所示，在所述阻挡层202上形成介质层204。所述介质层204为黑钻石、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃中的一种或其组合。形成所述介质层204的方法为物理气相沉积或化学气相沉积。所述介质层204可以是一层或多层。

形成所述介质层204后，需要在所述介质层204中形成沟槽和/或连接孔，本实施例以形成沟槽和连接孔，且先形成连接孔后形成沟槽的情况为例进行说明。

步骤三，如图10所示，在所述介质层204上旋涂抗反射层206，在所述抗反射层206上旋涂第一光刻胶层208，通过曝光显影等工艺形成第一开口图案210。

步骤四，如图11所示，以所述第一光刻胶层208为阻挡材料，刻蚀所述抗反射层206和介质层204，在所述介质层204中形成连接孔210a，所述连接孔210a底部露出所述阻挡层202表面。

步骤五，如图12所示，在所述介质层204中形成开口后，将所述带有第一光刻胶层208的半导体基底至于氧气等离子体环境中，通过氧气等离子体灰化去除所述第一光刻胶层208和抗反射层206。所述氧气等离子体的环境的压力为10至30mT，产生所述氧气等离子体的氧气的流量为400至800sccm，射频源功率为200至400W，偏置功率为300至500W；本实施例中所述氧气流量为600sccm，射频源功率为300W，偏置功率为400W，通过射频能量使得氧气分子分解为氧原子，所述氧原子很快与光刻胶中的碳、氢发生化学反应，生成CO、CO2，H2O，并通过排气系统被抽走。所述氧气等离子体灰化的时间为10至30s，通过氧气等离子体的灰化可去除所述介质层上的光刻胶层。进一步的，通过氢氟酸、氨水和极性有机溶剂的混合溶液对所述介质层表面进行湿法清洗，去除光刻胶残留。

步骤六，如图13所示，在所述连接孔210a中和介质层204上旋涂牺牲层212，所述牺牲层212可以是光刻胶、抗反射材料等。在所述牺牲层212上旋涂第二光刻胶层214，并曝光显影生成第二开口图案216。

步骤七，如图14所示，通过刻蚀将所述沟槽图案216转移到所述介质层204中形成沟槽216a，去除所述第二光刻胶层214和牺牲层212。去除所述第二光刻胶层214的方法和去除所述第一光刻胶层208的方法相同。如图15所示，刻蚀所述连接孔210a底部的阻挡层202至所述导电层200b表面露出。如图16所示，在所述连接孔210a和沟槽216a中填充金属材料，例如铜，形成铜的镶嵌结构。

本发明方法通过氧气等离子体灰化来去除所述介质层上的光刻胶层，且本发明中产生所述氧气等离子体的氧气的流量较大，可提高灰化速度，缩短高能离子对介质层表面的轰击时间，且大流量的氧气有助于减少或消除在介质层表面的光刻胶残留；另外所述氧气等离子体环境压力较低，并引入偏置功率，以减轻氧气等离子体对介质层表面的轰击，减小离子轰击对所述介质层的损伤，有助于保持介质层的击穿电压，从而提高了形成的器件的稳定性。

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 (8)

1、一种镶嵌结构的制造方法，包括：

提供一半导体基底；

在所述半导体基底上形成介质层；

在所述介质层上旋涂光刻胶层，并图形化形成开口图案；

刻蚀所述开口图案底部的介质层，在所述介质层中形成开口；

通过氧气等离子体灰化去除所述光刻胶层；其中

产生所述氧气等离子体的氧气的流量为400至800sccm；执行氧气等离子体灰化时偏置功率为300至500W。

2、如权利要求1所述的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：产生所述氧气等离子体的射频源功率为200至400W。

3、如权利要求1所述的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：所述氧气等离子体环境的压力为10至30mT。

4、如权利要求1所述的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：所述氧气等离子体灰化的时间为10至30s。

5、如权利要求1所述的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该方法还包括用氢氟酸、氨水和极性有机溶剂的混合溶液进行湿法清洗的步骤。

6、如权利要求1所述的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：所述介质层为氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼硅玻璃、硼磷硅玻璃、黑钻石中的一种或其组合。

7、如权利要求1所述的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该方法进一步包括：在旋涂光刻胶之前在所述介质层上形成抗反射层。

8、如权利要求1所属的镶嵌结构的制造方法，其特征在于：该方法进一步包括：在所述开口中填充金属材料。

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