CN100521071C - 一种半导体器件的制造方法及在这种方法中使用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体器件(10)的制造方法，该半导体器件(10)具有衬底(1)和包含至少一个半导体元件的半导体主体(11)，其中，在该元件形成后，形成一个分层的结构，该分层的结构包含至少一个电绝缘层(2)或一个导电层(3)，其中，借助于图案化的光刻胶层(4)和刻蚀工艺在层结构中形成孔，其中，在刻蚀工艺过程中，在半导体主体(11)的表面上形成残留物，并且其中，在刻蚀工艺之后，通过利用含氧化合物的处理，光刻胶层(4)被灰化，之后，该表面接受利用包含用水稀释的酸溶液并加热到高于室温的温度的清洗剂的清洗操作，从而导致形成的残留物被去除。根据本发明，选择硫酸作为用于清洗剂的酸。

Description

一种半导体器件的制造方法及在这种方法中使用的装置

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，该半导体器件具有衬底和包含至少一个有源半导体元件的半导体主体，其中，在半导体元件形成后，设置一个分层的结构，该分层结构包含至少一个电绝缘层或一个导电层，其中，通过图案化的光刻胶层和刻蚀工艺在该分层的结构中形成孔，其中，在刻蚀工艺过程中，在半导体主体的表面形成残留物，其中，在刻蚀工艺之后，通过用含氧化合物的处理，光刻胶层灰化，之后，用含酸在水中稀释的溶液并加热到高于室温的清洗剂来清洗该表面，其结果是从该表面除去形成的残留物。孔可以形成，例如在绝缘层，作为所谓的过孔或作为到键合焊盘的孔。孔的形成过程也可能包含将施加的导电层，例如金属层的一部分除去，在这种情况下，导电层的保留的部分形成，例如，连接导体。这种方法的优点是：使用的清洗剂相对便宜，使用安全，并且在处理时，对环境的负荷很小。

本发明还涉及在这种方法中使用的装置。

背景技术

从2000年10月24日公布的公布号为US 6,136,767的美国专利说明书中获知了开篇中提到的那种类型的方法。在所述文件中，对一种方法进行了描述，其中，在电连接区域，如金属填充的过孔形成之后，通过利用如氧气处理的灰化来除去刻蚀工艺中使用的光刻胶层。然而，在此处理后，不需要的有机或无机特性的残留物留在了半导体主体表面上。在所述专利说明书中，提出了利用包含用水稀释的醋酸和磷酸溶液的清洗剂来清洗该表面。根据所述说明书，磷酸极适合去除无机残留物，而醋酸特别适合去除有机残留物。对两种酸来说，典型的适合的浓度大约是占体积的5％。在清洗操作过程中，适合的操作温度大约为30～45℃。特别是，该方法适合于生产工艺的所谓BEOL(＝back-end of line生产线的后端)阶段，其中，在通过一个或多个电绝缘无机层和一个或多个导电层的分层结构在半导体主体中形成实际上通常对所谓的IC表现为大量的晶体管的形式的半导体元件之后，形成通常为金属的连接导体或连接区域，例如所谓的键合焊盘。

特别在大规模量产的情况下，已知方法的不足之处在于：它仍然相当昂贵，并且对环境施加一定的负荷。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种方法，该方法对于去除残留物特别有效，并且，除了便宜以外，还几乎不对环境施加任何负荷。

为了达到此目的，在开篇中提到的这种类型的方法，根据本发明，其特征在于：硫酸被选作清洗剂中的酸。

令人惊讶地发现，用水稀释的硫酸溶液，在升高的温度下：一方面非常有效地去除在刻蚀过程中形成的且在灰化抗刻蚀层后保留在表面上的残留物；而另一方面，大多数在连接区域用作导体的金属，如铝或铝合金，或钛(氮化物)，基本上在此工艺中不受影响而被保留。这是令人惊讶地，尤其，考虑到在1997年12月31日公开号为WO 97/50019的PCT专利说明书中所声称的事实(见第1页)，即，与之相反地，硫酸或其混合物在BEOL阶段以浓缩的形式是适合的，因为如果水浓度低的话，浓缩的酸，如硫酸，对金属是不腐蚀的。然而，在根据本发明的方法中，使用的溶液是用水高度稀释的硫酸溶液。所发现的适合的浓度为按重量计算在0.01％～10％的范围之间。在按重量计算0.5～5％的范围之间获得好的结果，例如，按重量计算2.5％的浓度。由于硫酸的比重大约为2g/cm³，这对应于大约1％的体积浓度。这意味着，由于只使用极少量的酸就足以获得好的结果，因此，根据本发明的方法是非常便宜的且对环境有利的。由于硫酸钙基本上不溶解并随后沉淀，因此可以通过添加优选为相当量的钙离子来容易地净化作为该方法的结果而产生的废物。一个简单的过滤工序就足以分离形成的硫酸钙和水。在使用醋酸的已知方法中，这是不可能的，因为醋酸的无机盐仅仅充分溶解在水中。如果氢氧化钙用作钙离子的来源，则进一步可能同时以简单的方式使酸度达到近似中性值。

另外，本发明还基于这样的认识，即，无机电介质，如氧化硅、氮化硅和氮氧化硅，对于矿物酸有极好的抵抗力，除了HF(氢氟酸)以外。然而，根据本发明的方法也可以被有利地应用，如果有机电介质存在于将要制造的半导体器件中。

因此，在根据本发明的方法的优选实施例中，使用仅用硫酸和(软化)水的清洗剂。对于除了硫酸和软化水外还包含过氧化氢的清洗剂，这样的清洗剂有一个优点，即，其基本上不腐蚀经常用作所谓的衬垫(liner)和/或抗反射涂层的Ti和/或TiN层。为了这些目的，Ti和/或TiN层可以被布置在作为互连层的铝或铝合金层之下和/或之上。可选择地，或者此外，Ti和/或TiN层可以被布置在作为过孔或插头(plug)的铝或铝合金层的周围。对Ti和/或TiN这些层中任何的腐蚀可能导致故障电子器件，并因此会降低产量。

除硫酸和软化水外不含过氧化氢的清洗剂相对于除硫酸和软化水外含过氧化氢的清洗剂的另一个优点是，前者可以去除掉相对厚的残留物层。

在另一个有利的实施例中，使用除了低浓度的硫酸和水之外还含有磷酸的清洗剂，优选地，磷酸的重量浓度(weight concentration)也相当低。依赖于环境，这使得可以实现更好的结果，同时成本价及对环境的负荷保持为较低；毕竟，在上述利用钙离子的处理中，磷酸盐离子以磷酸钙的形式沉淀，磷酸钙象硫酸钙一样，(基本上)不溶解在水中。被验证适合的磷酸浓度按重量计算为0.01％～5％的范围之间，且优选按重量计算为0.1％～1％之间。由于磷酸的比重也大约是2g/cm³，这也意味着体积浓度非常低。

本发明的方法中，清洗工艺优选是在室温，即20℃和60℃之间的范围内的温度下进行。使用30～45℃之间的温度已经获得非常好的结果。适宜的处理时间是2～30分钟，并依赖于形成的连接区域的特性：对于金属线，优选的处理时间是2～5分钟，对于过孔是10～30分钟，而对于所谓的键合焊盘则是2～15分钟。

在另一个更有利的实施例中，在使用以硫酸为基础或以硫酸和磷酸为基础的清洗剂的清洗步骤后，用热软化水处理清洗剂。已经发现，如果水足够热的话，在抗蚀层灰化后留下的残留物也可以用软化水被大量地去除。在特定的情况下，硫酸可以被省去。为了这个目的，证实适合的温度是60～90℃之间，优选在70～75℃之间。通过所述措施的组合，可以稍稍减少所需的总的清洗时间。用软化水来冲洗在本质上是已知的并且被广泛应用，然而，使用的软化水是在室温下的。由于利用硫酸或硫酸和磷酸的处理必须在升高的温度下进行，所述利用热软化水的冲洗从能量的角度来看，可以很容易地被执行。另外，由于在清洗操作之后用冷软化水冲洗已经是习惯性的，因此，所述冲洗操作并不意味着附加的步骤。

在一个根据本发明的方法的特别有吸引力的改型中，所述使用清洗剂的清洗步骤之后继之以使用软化水的冲洗步骤，而且这个包含清洗步骤和冲洗步骤的顺序，被重复多次。对于冲洗步骤，优选使用环境温度的软化水。清洗-冲洗顺序重复的次数优选在2～4之间。令人惊讶地，已经发现这样的方法，一方面，会给出卓越的清洗结果，而另一方面，其花费的总的时间量可以非常少。例如，执行用加热到45摄氏度的稀释的硫酸的清洗步骤30～60秒，优选地为30秒，继之以执行使用室温的软化水的冲洗步骤20秒，如果所述的清洗-冲洗循环被重复2～4次，在一些情况中甚至是5次或更多次，例如一直到7次之多，则，上述过程被验证在所述方面非常适宜。如果经过4次之后的结果并不令人满意，那么可能有利的是增加用稀释的硫酸的清洗步骤的持续时间，和/或提高清洗剂的温度。在另一些情况中，使用加热到45摄氏度的稀释硫酸的清洗步骤执行60～240秒，如120秒。

优选地，产生在刻蚀工艺期间形成的灰化残留物和用清洗剂清洗之间的时间小于48小时，如24小时或更少。发明者已经了解灰化后的残留物可以改变它们的可去除特性，即去除的容易性。当灰化后的残留物经受相对潮湿的气氛时，这个改变可能特别显著。

本发明的方法被证明对清洗一种半导体器件是非常适合的，在该半导体器件中，电气连接以钨填充的过孔而形成，在该过孔的上侧，通过含铝的导线(conductor track)来接触，该导线使部分钨不被覆盖。令人惊讶地发现，在其中钨也被暴露给清洗剂的这种情况下，所述钨基本上不被腐蚀。换句话说，作为钨腐蚀的现象被削减。由于在现今的IC(＝集成电路)工艺中尺寸变得越来越小，以导线完全覆盖钨的方式来将导线放置在用钨填充的过孔上变得基本上不可能，因此，这是一个特别重要的优点。

附图说明

本发明的这些及其它的方面将参照以下描述的实施例来说明，且通过参照以下描述的实施例的说明，本发明的这些及其它方面将显而易见。

在附图中：

图1至3是在用本发明的方法制造的连续阶段中，与半导体器件，如IC的厚度方向成直角的图解剖面视图；

图4至6是在利用本发明的方法的改型制造的连续阶段中，与半导体器件，如IC的厚度方向成直角的图解剖面视图；以及

图7至9是在利用本发明的方法的另一个改型制造的连续阶段中，与半导体器件，如IC的厚度方向成直角的图解剖面视图；

图10是本发明的装置的图解描述。

这些图并没有按照比例绘制，而且为了清楚起见，一些尺寸，如在厚度方向上的尺寸被放大了。在不同的图中，相应的区域或部分只要可能，都通过相同的附图标记来表示。

具体实施方式

图1至3是在利用本发明的方法制造的连续阶段中，与半导体器件，如IC的厚度方向成直角的图解剖面视图。器件10(见图1)包含衬底1和半导体主体11，没有分别示出，它们例如由硅制成。在半导体主体11中，例如在一个或多个外延的硅层中，优选地按通常的方式形成大量半导体元件，如晶体管。然后，在半导体主体11的表面上，通过如热氧化或CVD(＝化学汽相淀积)工艺设置例如二氧化硅的绝缘层2。随后例如通过汽相淀积或溅射为所述绝缘层设置了铝(或铝-铜-合金)层3，所述铝(或铝-铜-合金)层3可以覆盖有或不覆盖Ti或TiN或TiW或它们的组合的薄层。所述层3，利用通过光刻法形成图形的光刻胶层4来设置所期望的图形。在图形之外(见图2)，铝层3通过如等离子刻蚀而被去除。结果，残留物6在半导体主体11的表面形成。接着，光刻胶层4例如通过氧气等离子被灰化。在所述工艺中，光刻胶层被大部分去除，但是在刻蚀过程中形成的有机和/或无机残留物6留在半导体主体11的表面上。形成的残留物6不仅可以覆盖铝层3的侧面，而且也可以覆盖所述层3的上侧(的一部分)。

根据本发明，在本例中，通过使用在软化水中包含按重量计算2.5％的硫酸的清洗剂来去除这些残留物6。清洗步骤在具有静态槽(static bath)的所谓的湿式工作台机台内，在45℃下执行2分钟。SEM(＝Secondary Electron Emission二次电子发射)纪录显示(见图3)，在清洗步骤后，几乎没有任何残留物留在半导体主体11的表面上。这些结果相当于或者甚至更好于，那些为了进行对比而用基于儿茶酚或羟胺的商用清洗剂执行的清洗步骤的结果。在另一个实施例中，使用包含按重量计算5％的硫酸和按重量计算0.5％的磷酸的清洗剂。而且在这个例子中，温度为45℃，而处理时间为2分钟。图1中所示的图案化的铝可以是，例如，一根导线。所提到的结果涉及导线。在键合焊盘的处理中可以得到相似的结果。在那种情况下，图案化的铝(铜)层3设置有以氮化硅层形式的所谓的抗刮擦保护，其没有在图中示出。所述氮化硅层利用抗蚀剂图案设置了孔，其也没有示出，之后，即在抗蚀剂灰化后，净化步骤如上所述被执行。稀释的硫酸溶液的处理时间在湿式工作台上大概是5～15分钟，在所谓的喷射工具上大概是8分钟，而对于稀释的硫酸和磷酸的混合剂，处理时间大概是5分钟。在所有的情况下，存在的铝或铝-铜，在清洗步骤后不会或至少几乎不被腐蚀，这意味着关键尺寸保持完好。

图4至图6是在利用本发明的方法的改型制造的连续阶段中，与半导体器件10，如IC的厚度方向成直角的图解剖面视图。图4示出一个IC，其中形成一个所谓的过孔，其用在使用所谓多层互连技术的Ic的制造中。在此改型中，例如，第一绝缘层2形成在半导体主体11上，而第一金属层3，例如Al，Al(Cu)或W设置在所述绝缘层上。第二金属层3A，例如Ti，设置在所述第一金属层上。第二绝缘层2A设置在所述第二金属层上。接下来，通过光刻法来将抗蚀剂层4图案化，所述抗蚀剂层4在将要形成过孔的位置上有一个孔。接着(见图5)，孔5通过刻蚀工艺形成，在刻蚀工艺中绝缘层2A被局部去除，且抗蚀剂层4作为掩膜。结果，形成残留物6，其覆盖孔5的侧面。接着，抗蚀剂层4被灰化，且之前形成的残留物6还可能覆盖在部分绝缘层2A上。接下来，执行如上所述的有关第一个例子的清洗步骤。对于稀释的硫酸溶液，以及对稀释的硫酸和磷酸溶液来说，处理时间大概为15分钟。在喷射工具中，处理时间可以减少为例如5分钟。处理温度，同样在此例中，对两个溶液都是45℃。而且在此例中(见图6)发现，残留物已经被完全去除。接下来，通过用图中未示出的金属插头填充过孔5使制造继续，其能够与另一个导体层形成电连接，这也没有在图中示出，该导体层将在后面的阶段设置。

图7至图9是在利用本发明的方法的另一个改型制造的连续阶段中，与半导体器件，如IC厚度方向成直角的图解剖面视图。实际上，本改型构成了关于图4至6讨论的制造中的另一个阶段。在孔5形成后(见图7)，它的壁用阻挡层覆盖，例如用钛或氮化钛层3A，然后孔5用钨3B填充，导致了过孔的形成。接下来，涂敷铝或铝-铜层3C，并以抗蚀剂图案4覆盖。随后(见图8)，通过等离子刻蚀工艺，铝层3C被局部地去除。其结果是，形成残留物6，该残留物在接下来抗蚀剂层4灰化之后，可能还部分存在于铝层3上。由于本例中的IC 10的最小尺寸近似为0.35μm，在实践中，不太容易使图案化的铝3C完全覆盖钨插头3B。

在抗蚀剂图案4被灰化后，再一次执行清洗步骤，类似于上面讨论的对铝导线形成后的清洗。同样，在此例中(见图9)，关于抗蚀剂4灰化后留下的残留物6的去除，并且还关于铝或铝-铜不被腐蚀的事实，可以得到优异的结果。令人吃惊地发现，在本例中，暴露给清洗步骤的钨插头3B也保持基本上未被腐蚀，而如果使用商用清洗剂则不会是这种情况。换句话说，钨腐蚀被抵消。

在上述所有的情况下，清洗步骤可以有利地与用热，即60～90℃的软化水的清洗-冲洗步骤相结合。于是，在实践中，酸清洗操作的处理时间可能通常比上述时间短。利用例如70～75℃的软化水得到了好的结果。在给出的例子中，IC的制造被继续，当然，是以通常的方式。如上所述，键合焊盘的形成通常对应于最后的阶段。然后，通常是同时大量制造的单独的半导体主体10利用分离技术，如切割，来获得，在这之后它们适合做最后的装配。

还注意到，在所有上述的情况中，清洗步骤之后继之以利用优选为环境温度的软化水的冲洗步骤，将该操作重复多次是有益处的。例如，执行用加热到45摄氏度的稀释的硫酸的清洗步骤30～60秒，优选为30秒，接着是20秒的利用室温的软化水的冲洗步骤，如果该循环重复2～4次，则被验证是非常适宜的。这导致了在相对短的总处理时间内的很好的清洁。

本发明并不局限于这里所描述的例子，并且在本发明的范围内，许多变化和修改对本领域的技术人员来说都是可能的。例如，注意到该方法可以特别有利地应用于所谓的喷射工具。在所述喷射工具中，清洗步骤被比较迅速地执行。这样的器件也特别适合一种改型，其中“酸”清洗步骤与利用热软化水的清洗步骤相结合。

还注意到，在本发明的范围内，还可以应用例子中使用的材料以外的材料。对上述的或其他材料也可以应用不同的淀积技术，如外延、CVD(＝化学汽相淀积)、溅射和汽相淀积。代替干刻蚀法，有时也可使用湿化学刻蚀技术，或者相反。尽管根据本发明的方法尤其适合于IC的制造，但它也可以有利地应用在分立半导体器件的制造中。

在图10中示出的、本发明的方法中使用的装置100包括具有浓硫酸如98％的硫酸水溶液的容器101；和软化水供给源(supply)102。混合单元103，如低流动提取计量器(low-flow pick-up meter)，被连接到容器101和供给源102，使其能混合由容器101提供的硫酸和由供给源102提供的软化水。由此获得的清洗剂被提供给清洗台104，该清洗台可以是湿式工作台工具或喷射工具。操作时，清洗台104容纳半导体主体11和由混合单元103提供的清洗剂。清洗台104设置成使半导体主体11和清洗剂接触，由此实现半导体主体11的清洁。

在实施例中，混合单元103被设置成专门(exclusively)混合硫酸和软化水。优选地，混合单元103设置成把按重量计算0.01％～10％的硫酸且优选按重量计算0.5～5％的硫酸与软化水相混合。

Claims (26)

1、一种制造具有衬底(1)和包含至少一个有源半导体元件的半导体主体(11)的半导体器件(10)的方法，其中，在该半导体元件形成后，设置一个分层的结构，该分层的结构包含至少一个电绝缘层(2)或一个导电层(3)，其中，通过图案化的光刻胶层(4)和刻蚀工艺在该分层的结构中形成孔，其中，在所述刻蚀工艺过程中，在所述半导体主体(11)的表面形成残留物(6)，其中，在所述刻蚀工艺之后，借助于含氧化合物的处理，所述光刻胶层(4)被灰化，之后，利用包含以水稀释的酸溶液且被加热到20-60℃之间的温度的清洗剂来清洗所述半导体主体(11)的表面，其结果，形成的所述残留物(6)从该表面去除，其特征在于：选择硫酸用于该清洗剂中的酸，选择的硫酸浓度按重量计算在0.01～10％之间，其中选择仅是硫酸和软化水的溶液用于所述稀释的酸溶液，或其中选择硫酸和磷酸在软化水中的溶液用于所述稀释的酸溶液。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：选择的磷酸浓度按重量计算在0.01～5％之间。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：选择的磷酸浓度按重量计算在0.1～1％之间。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：选择的硫酸浓度按重量计算在0.5～5％之间。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于：将温度选择在30～45℃之间。

6、如权利要求1至5中的任何一项所述的方法，其特征在于：该清洗步骤执行2～30分钟。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：利用所述清洗剂的所述清洗步骤后继之以利用软化水的冲洗步骤，并且如此的清洗后接着冲洗的循环被连续地重复多次。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于：清洗步骤接着冲洗步骤的所述循环被重复2～4次。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过利用热的软化水冲洗所述半导体主体来完成所述清洗步骤，所述热的软化水的温度在60～90℃范围内。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述热的软化水的温度在70～75℃范围内。

11、如权利要求1至5中的任何一项所述的方法，其特征在于：所述清洗步骤在喷射工具中执行。

12、如权利要求7至10中的任何一项所述的方法，其特征在于：所述清洗步骤在喷射工具中执行。

13、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分层的结构由至少一个电绝缘层和至少一个金属层组成，并且通过该金属层形成所述半导体元件的电连接。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于：电连接以填充钨(3B)的过孔(5)的形式形成；该过孔的上侧通过含铝或含铝-铜的导线(3C)被连接；该导线留下部分的钨(3B)没有被覆盖。

15、一种在制造具有衬底(1)和包含至少一个有源半导体元件的半导体主体(11)的半导体器件(10)的方法中使用的装置，其中，在该半导体元件形成后，设置一个分层的结构，该分层的结构包含至少一个电绝缘层(2)或一个导电层(3)，其中，通过图案化的光刻胶层(4)和刻蚀工艺在该分层的结构中形成孔，其中，在所述刻蚀工艺过程中，在所述半导体主体(11)的表面形成残留物(6)，其中，在所述刻蚀工艺之后，借助于含氧化合物的处理，所述光刻胶层(4)被灰化，所述的装置包括：

具有浓硫酸的容器；

软化水的供给源；

混合单元，用于混合由所述容器提供的硫酸和由所述供给源提供的软化水，从而得到清洗剂；以及

清洗台，用于容纳所述半导体主体(11)和所述清洗剂，该清洗台被设置成使所述半导体主体(11)与所述清洗剂接触，

其中利用包含以水稀释的酸溶液且被加热到20-60℃之间的温度的清洗剂来清洗所述半导体主体(11)的表面，其结果，形成的所述残留物(6)从该表面去除，其特征在于：选择硫酸用于该清洗剂中的酸，选择的硫酸浓度按重量计算在0.01～10％之间，其中选择仅是硫酸和软化水的溶液用于所述稀释的酸溶液。

16、如权利要求15所述的装置，其特征在于：选择的硫酸浓度按重量计算在0.5～5％之间。

17、如权利要求15所述的装置，其特征在于：将温度选择在30～45℃之间。

18、如权利要求15至17中的任何一项所述的装置，其特征在于：该清洗步骤执行2～30分钟。

19、如权利要求15所述的装置，其特征在于：半导体主体(11)的表面用所述清洗剂清洗，然后用软化水冲洗，并且如此的清洗后接着冲洗的循环被连续地重复多次。

20、如权利要求19所述的装置，其特征在于：清洗步骤接着冲洗步骤的所述循环被重复2～4次。

21、如权利要求15所述的装置，其特征在于：通过利用热的软化水冲洗所述半导体主体来完成所述清洗，所述热的软化水的温度在60～90℃范围内。

22、如权利要求21所述的装置，其特征在于：所述热的软化水的温度在70～75℃范围内。

23、如权利要求15至17中的任何一项所述的装置，其特征在于：所述清洗步骤在喷射工具中执行。

24、如权利要求19至22中的任何一项所述的装置，其特征在于：所述清洗步骤在喷射工具中执行。

25、如权利要求15所述的装置，其特征在于：所述分层的结构由至少一个电绝缘层和至少一个金属层组成，并且通过该金属层形成所述半导体元件的电连接。

26、如权利要求25所述的装置，其特征在于：电连接以填充钨(3B)的过孔(5)的形式形成；该过孔的上侧通过含铝或含铝-铜的导线(3C)被连接；该导线留下部分的钨(3B)没有被覆盖。

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