CN101393887A

CN101393887A - 双镶嵌结构形成方法

Info

Publication number: CN101393887A
Application number: CNA2007100463164A
Authority: CN
Inventors: 蔡明�; 刘明源
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: CN101393887B

Abstract

一种双镶嵌结构形成方法，通过对形成第一镶嵌图形后的半导体基底执行高密度等离子体氧化操作，可减少由于图形化部分刻蚀停止层而产生的碱性成分的含量，继而，可减少所述碱性成分扩散至后续第二抗反射层表层的含量，进而，可减少抗蚀剂中毒现象的发生；或者，通过对已形成第二抗反射层的半导体基底执行氧化操作，可减少由于图形化部分刻蚀停止层而产生的碱性成分扩散至后续第二抗反射层表层的含量，进而，可减少抗蚀剂中毒现象的发生。

Description

双镶嵌结构形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种双镶嵌结构形成方法。

背景技术

随着集成电路向深亚微米尺寸发展，器件尺寸的缩小使得金属导线的电阻值上升，同时寄生电容效应变得愈发严重。近年来，通过在集成电路中制作具有高可靠度和低成本的内连线，即使用低介电常数的介电层及低电阻值的金属材料的双镶嵌工艺，来降低金属导线的电阻值及器件内的寄生电容效应。

以通孔优先(via first)方式为例，当前，形成双镶嵌结构的步骤包括：如图1所示，提供半导体基底10，所述半导体基底10具有顺序形成的刻蚀停止层20和介质层30；如图2所示，在所述介质层30上顺序形成第一抗反射层40和具有第一图形52的抗蚀剂层50；如图3所示，以所述具有第一图形52的抗蚀剂层50为掩膜，顺序图形化所述第一抗反射层40、介质层30和部分刻蚀停止层20，以形成第一镶嵌图形32；如图4所示，去除具有第一图形52的抗蚀剂层50和第一抗反射层40；如图5所示，在已形成第一镶嵌图形32的半导体基底10上顺序形成第二抗反射层60和具有第二图形72的抗蚀剂层70；如图6所示，以所述具有第二图形72的抗蚀剂层70为掩膜，顺序图形化所述第二抗反射层60和介质层30，以形成第二镶嵌图形34；如图7所示，去除具有第二图形72的抗蚀剂层70、第二抗反射层60以及所述第二抗反射60层覆盖的刻蚀停止层20。

但是，实际生产发现，如图8所示，应用此方法形成的具有第二图形72的抗蚀剂层70的图案间通常具有聚合物块状凸起及/或侧壁结构缺陷80，继而导致后续形成的沟槽图形偏离设计尺寸，业界通常将此现象归结为抗蚀剂层中毒现象引起的。

如何减少抗蚀剂层中毒现象的发生，历来为业界所重视。通常，通过形成阻挡层，继而利用所述阻挡层阻止介质层与抗蚀剂的直接接触，以控制抗蚀剂中毒现象的发生。详见2005年8月17日公开的公告号为“CN1215551C”以及2006年10月11日公开的公告号为“CN1279603C”的中国专利。即现有方法中为阻止抗蚀剂中毒现象的发生，通常需引入附加工艺及结构，致使器件结构复杂化。

发明内容

本发明提供了一种双镶嵌结构形成方法，可减少抗蚀剂层中毒现象的发生。

本发明提供的一种双镶嵌结构形成方法，包括：

提供半导体基底，所述半导体基底具有顺序形成的刻蚀停止层和介质层；

在所述介质层上顺序形成第一抗反射层和具有第一图形的抗蚀剂层；

以所述具有第一图形的抗蚀剂层为掩膜，顺序图形化所述第一抗反射层、介质层和部分刻蚀停止层，以形成第一镶嵌图形；

去除具有第一图形的抗蚀剂层和第一抗反射层；

对已形成第一镶嵌图形的半导体基底执行高密度等离子体氧化操作；

在已经历所述氧化操作的半导体基底上顺序形成第二抗反射层和具有第二图形的抗蚀剂层；

以所述具有第二图形的抗蚀剂层为掩膜，顺序图形化所述第二抗反射层和介质层，以形成第二镶嵌图形；

去除具有第二图形的抗蚀剂层、第二抗反射层以及所述第二抗反射层覆盖的刻蚀停止层。

可选地，所述刻蚀停止层材料包含氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳氧化硅中的一种或其组合；可选地，在形成第二抗反射层后，形成具有第二图形的抗蚀剂层之前，还包含氧化操作；可选地，所述氧化操作在氧气气氛下进行；可选地，RF解离功率范围为0W；可选地，氧气的流速范围为200～300sccm。

本发明提供的一种双镶嵌结构形成方法，包括：

去除具有第一图形的抗蚀剂层和第一抗反射层；

在已形成第一镶嵌图形的半导体基底上形成第二抗反射层；

对已形成第二抗反射层的半导体基底执行氧化操作；

在已经历氧化操作的半导体基底上形成具有第二图形的抗蚀剂层；

可选地，所述刻蚀停止层材料包含氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳氧化硅中的一种或其组合；可选地，所述氧化操作在氧气气氛下进行；可选地，所述氧化操作利用高密度等离子体化学气相淀积工艺进行；可选地，RF解离功率范围为0W；可选地，氧气的流速范围为200～300sccm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的双镶嵌结构形成方法，通过在第一镶嵌图形形成之后、第二抗反射层形成之前，增加高密度等离子体氧化步骤，以减少图形化部分所述刻蚀停止层时产生的碱性气体的含量，继而减少扩散到第二抗反射层中的碱性成分的含量，进而使减少抗蚀剂中毒现象的发生成为可能；

本发明提供的双镶嵌结构形成方法的可选方式，通过在第二抗反射层形成之后，具有第二图形的抗蚀剂层形成之前，增加氧化步骤，以减少图形化部分所述刻蚀停止层时产生的碱性成分扩散到第二抗反射层中的含量，进而使减少抗蚀剂中毒现象的发生成为可能；

本发明提供的双镶嵌结构形成方法，通过在第二抗反射层形成之后，具有第二图形的抗蚀剂层形成之前，增加氧化步骤，以减少图形化部分所述刻蚀停止层时产生的碱性成分扩散到第二抗反射层中的含量，进而使减少抗蚀剂中毒现象的发生成为可能。

附图说明

图1为说明现有方法中半导体基底的结构示意图；

图2为说明现有方法中在半导体基底上顺序形成第一抗反射层和具有第一图形的抗蚀剂层后的结构示意图；

图3为说明现有方法中在半导体基底上形成第一镶嵌图形后的结构示意图；

图4为说明现有方法中具有第一镶嵌图形的半导体基底的结构示意图；

图5为说明现有方法中在已形成第一镶嵌图形的半导体基底上顺序形成第二抗反射层和具有第二图形的抗蚀剂层后的结构示意图；

图6为说明现有方法中在半导体基底上形成第二镶嵌图形后的结构示意图；

图7为说明现有方法中具有第二镶嵌图形的半导体基底的结构示意图；

图8为说明利用现有方法形成双镶嵌结构时产生的抗蚀剂中毒缺陷的结构示意图；

图9为说明本发明第一实施例的形成双镶嵌结构的流程示意图；

图10为说明本发明实施例的半导体基底的结构示意图；

图11为说明本发明实施例的在半导体基底上顺序形成第一抗反射层和具有第一图形的抗蚀剂层后的结构示意图；

图12为说明本发明实施例的在半导体基底上形成第一镶嵌图形后的结构示意图；

图13为说明本发明实施例的具有第一镶嵌图形的半导体基底的结构示意图；

图14为说明本发明第一实施例的经历高密度等离子体氧化过程的具有第一镶嵌图形的半导体基底的结构示意图；

图15为说明本发明第一实施例的在已形成第一镶嵌图形的半导体基底上顺序形成第二抗反射层和具有第二图形的抗蚀剂层后的结构示意图；

图16为说明本发明第一实施例的在半导体基底上形成第二镶嵌图形后的结构示意图；

图17为说明本发明第一实施例的具有第二镶嵌图形的半导体基底的结构示意图；

图18为说明本发明第二实施例的在已形成第一镶嵌图形的半导体基底上形成第二抗反射层后的结构示意图；

图19为说明本发明第二实施例的经历氧化过程的形成有第二抗反射层后的半导体基底的结构示意图；

图20为说明本发明第二实施例的形成具有第二图形的抗蚀剂层后的结构示意图。

具体实施方式

尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于具有本发明优势的本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实际生产发现，在双镶嵌制程中，完成第一镶嵌图形后，在形成具有第二镶嵌图形的抗蚀剂层时，通常存在抗蚀剂中毒现象，如何减少所述抗蚀剂中毒现象的发生，成为本发明解决的主要问题。

本发明的发明人分析后认为，导致所述抗蚀剂中毒现象发生的原因在于：在形成第一镶嵌图形时，通常需在图形化介质层后，再过刻蚀部分刻蚀停止层，以优化第一镶嵌图形的图形化效果；但是，通常，所述刻蚀停止层材料为氮化硅(SiN)或碳掺杂的氮化硅(SiCN)，形成所述刻蚀停止层的材料中包含氨气等碱性物质，使形成的所述刻蚀停止层中包含不饱和胺基，如NH-或NH₂-等；形成所述第一镶嵌图形后，通常需在具有所述第一镶嵌图形的基底上形成第二抗反射层，继而在所述第二抗反射层上形成具有第二镶嵌图形的抗蚀剂层；具有第二镶嵌图形的抗蚀剂层通过所述抗蚀剂层的曝光操作形成，即通过去除曝光后的第二镶嵌图形内的抗蚀剂层，形成具有第二镶嵌图形的抗蚀剂层；由于，所述不饱和胺基呈碱性，且所述不饱和胺基易在所述第二抗反射层内形成扩散，而曝光后的抗蚀剂层呈酸性，扩散至所述第二抗反射层表面的不饱和胺基将中和部分曝光后的抗蚀剂层，而改变所述抗蚀剂层的曝光图形，进而导致抗蚀剂层图形偏离设计值。

本发明的发明人分析后认为，减少扩散至第二抗反射层表面的碱性成分的含量成为减小抗蚀剂中毒现象发生的指导方向。

本发明的发明人经历分析与实践后，提供了一种双镶嵌结构形成方法，可减少双镶嵌制程中抗蚀剂中毒现象的发生。

如图9所示，应用本发明提供的方法，形成双镶嵌结构的步骤包括：提供半导体基底，所述半导体基底具有顺序形成的刻蚀停止层和介质层；在所述介质层上顺序形成第一抗反射层和具有第一图形的抗蚀剂层；以所述具有第一图形的抗蚀剂层为掩膜，顺序图形化所述第一抗反射层、介质层和部分刻蚀停止层，以形成第一镶嵌图形；去除具有第一图形的抗蚀剂层和第一抗反射层；对已形成第一镶嵌图形的半导体基底执行高密度等离子体氧化操作；在已经历所述氧化操作的半导体基底上顺序形成第二抗反射层和具有第二图形的抗蚀剂层；以所述具有第二图形的抗蚀剂层为掩膜，顺序图形化所述第二抗反射层和介质层，以形成第二镶嵌图形；去除具有第二图形的抗蚀剂层、第二抗反射层以及所述第二抗反射层覆盖的刻蚀停止层。

应用本发明提供的方法，形成双镶嵌结构的具体步骤包括：

步骤901：如图10所示，提供半导体基底100，所述半导体基底100具有顺序形成的刻蚀停止层200和介质层300。

在半导体衬底(substrate)上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、继而形成栅极结构及源区和漏区、进而顺序沉积刻蚀停止层和第一介质层(即金属前介质层，PMD)后，形成半导体基底。

此外，在半导体衬底上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离、继而形成栅极结构及源区和漏区、进而顺序沉积刻蚀停止层和第一介质层后，继续形成第一层通孔和沟槽及第一金属层；继而，沉积第二介质层后，仍可形成半导体基底。

可扩展地，在沉积第N-1介质层后，继续形成第N-1层通孔和沟槽及第N-1金属层后，继续沉积第N介质层后，形成半导体基底。

显然，所述半导体基底中包含的介质层的数目N可为任意自然数，如1、3、5、7或9等，所述半导体基底中包含的介质层的具体数目根据产品要求确定。

所述金属前介质层覆盖所述栅极结构及源区和漏区，并填满位于所述栅极结构间的线缝；所述栅极结构包含栅极、环绕栅极的侧墙及栅氧化层。所述栅极结构还可包含覆盖所述栅极和侧墙的阻挡层。

所述半导体衬底包含但不限于包括半导体元素的硅材料，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)。

所述刻蚀停止层200材料包含氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳氧化硅中的一种或其组合。上述阻挡层可作为所述刻蚀停止层。

所述介质层300包含二氧化硅(USG)、掺杂的二氧化硅，如硼硅玻璃

(BSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)及氟硅玻璃(FSG)，

以及低介电常数材料，如BD、coral。

形成所述刻蚀停止层200和所述介质层300的工艺应用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)及低压化学气相淀积(LPCVD)中的一种。

步骤902：如图11所示，在所述介质层300上顺序形成第一抗反射层320和具有第一图形342的抗蚀剂层340。

实践中，形成所述具有第一图形342的抗蚀剂层340的过程包含抗蚀剂层的涂覆、烘干、光刻、曝光及检测等步骤，相关工艺可应用各种传统的方法，应用的所述抗蚀剂层可选用任何可应用于半导体制程中的抗蚀剂材料，在此均不再赘述。

所述抗反射层320材料可包含DUO(Deep Ultraviolet AbsorbingOxide，深紫外光吸收氧化物)。形成所述抗反射层320的方法可采用旋涂工艺。

对于通孔优先的双镶嵌结构形成方式，所述第一图形342为通孔图形；对于沟槽优先的双镶嵌结构形成方式，所述第一图形342为沟槽图形。

步骤903：如图12所示，以所述具有第一图形342的抗蚀剂层340为掩膜，顺序图形化所述第一抗反射层320、介质层300和部分刻蚀停止层200，以形成第一镶嵌图形302。

所述第一镶嵌图形302即在所述介质层内形成的第一图形342。

步骤904：如图13所示，去除具有第一图形342的抗蚀剂层340和第一抗反射层320。

可利用氧气灰化法去除所述抗蚀剂层340和第一抗反射层320。

步骤905：如图14所示，对已形成第一镶嵌图形302的半导体基底执行高密度等离子体氧化操作。

本发明的发明人认为，在形成第一镶嵌图形302过程中涉及图形化部分刻蚀停止层200的操作，由于所述刻蚀停止层200的材料组成中多包含氮化物，而形成所述氮化物的反应物多包含碱性成分(胺基)，所述碱性成分在经历图形化部分刻蚀停止层200的操作后，易暴露于所述刻蚀停止层200表面，继而，在后续形成第二抗反射层360和具有第二图形382的抗蚀剂层380时，所述碱性成分易经由所述第二抗反射层360扩散而导致所述抗蚀剂层380具有的第二图形382偏离设计值，即所述碱性成分易造成抗蚀剂中毒现象的发生；为去除图形化部分刻蚀停止层200时产生的碱性成分，可对已形成第一镶嵌图形302的半导体基底100执行氧化操作，以降低后续经由所述第二抗反射层360扩散的碱性成分的含量，进而减少抗蚀剂中毒现象的发生。

所述氧化操作在氧气气氛下进行。由于形成第一镶嵌图形302操作使得部分刻蚀停止层200表面得以暴露，因此氧气需经由具有一定深宽比的第一镶嵌图形302方可到达所述刻蚀停止层200表面；为更好地降低暴露于所述刻蚀停止层200表面的碱性成分的含量，所述氧化操作利用高密度等离子体(HDP)化学气相淀积工艺进行。经历所述氧化操作后获得表面具有减少的胺基的半导体基底102、介质层202和刻蚀停止层304。

涉及的工艺参数包括：反应腔内压力范围为1～10mTorr；顶部RF功率范围为7000～9000W；侧向RF功率范围为7000～9000W；RF解离(Bias)功率为0W，可减少所述氧化操作对已形成第一镶嵌图形302的半导体基体的损伤；反应腔内温度范围为300～500摄氏度；反应腔内内冷却环中压力范围为8～12毫米汞柱(torr)，优选为10torr；反应腔内外冷却环中压力范围为10～14毫米汞柱(torr)，优选为12torr；氧气的流速范围为200～300sccm。

步骤906：如图15所示，在已经历所述氧化操作的半导体基底102上顺序形成第二抗反射层360和具有第二图形382的抗蚀剂层380。

所述抗反射层360材料可包含DUO(Deep Ultraviolet AbsorbingOxide，深紫外光吸收氧化物)。形成所述抗反射层360的方法可采用旋涂工艺。形成所述具有第二图形382的抗蚀剂层380的过程包含抗蚀剂层的涂覆、烘干、光刻、曝光及检测等步骤，相关工艺可应用各种传统的方法，应用的所述抗蚀剂层可选用任何可应用于半导体制程中的抗蚀剂材料。

对于通孔优先的双镶嵌结构形成方式，所述第二图形382为沟槽图形；对于沟槽优先的双镶嵌结构形成方式，所述第二图形382为通孔图形。

步骤907：如图16所示，以所述具有第二图形382的抗蚀剂层380为掩膜，顺序图形化所述第二抗反射层360和介质层304，以形成第二镶嵌图形306。

所述第二镶嵌图形306即在所述介质层304内形成的第二图形382。

步骤908：如图17所示，去除具有第二图形382的抗蚀剂层380、第二抗反射层360以及所述第二抗反射层360覆盖的刻蚀停止层202。

可利用氧气灰化法去除所述抗蚀剂层380和第二抗反射层360。可选用四氟化碳(CF₄)去除所述刻蚀停止层360。

特别地，对已形成第二抗反射层360的半导体基底102执行氧化操作，可进一步减少经由图形化部分刻蚀停止层202时产生并扩散至所述第二抗反射层360表层的碱性成分的含量，进而，可进一步减少抗蚀剂中毒现象的发生。

作为可选方式，在形成第二抗反射层后，形成具有第二图形的抗蚀剂层之前，仍可执行氧化操作；所述氧化操作在氧气气氛下进行。所述氧化操作仍可采用高密度等离子体化学气相淀积工艺进行。

涉及的工艺参数包括：反应腔内压力范围为1～10mTorr；RF功率范围为7000～9000W；RF解离(Bias)功率为0W，可减少所述氧化操作对已形成第一镶嵌图形的半导体基体的损伤；反应腔内温度范围为300～500摄氏度；反应腔内内冷却环中压力范围为8～12毫米汞柱(torr)，优选为10torr；反应腔内外冷却环中压力范围为10～14毫米汞柱(torr)，优选为12torr；氧气的流速范围为200～300sccm。

此外，对已形成第二抗反射层的半导体基底执行氧化操作，可减少经由图形化部分刻蚀停止层时产生并扩散至所述第二抗反射层表层的碱性成分的含量，仍可使减少抗蚀剂中毒现象的发生成为可能。

应用本发明提供的方法，形成双镶嵌结构的步骤包括：提供半导体基底，所述半导体基底具有顺序形成的刻蚀停止层和介质层；在所述介质层上顺序形成第一抗反射层和具有第一图形的抗蚀剂层；以所述具有第一图形的抗蚀剂层为掩膜，顺序图形化所述第一抗反射层、介质层和部分刻蚀停止层，以形成第一镶嵌图形；去除具有第一图形的抗蚀剂层和第一抗反射层；如图18所示，在已形成第一镶嵌图形302的半导体基底100上形成第二抗反射层360；如图19所示，对已形成第二抗反射层360的半导体基底100执行氧化操作；如图20所示，在已经历氧化操作的半导体基底102上形成具有第二图形382的抗蚀剂层380；以所述具有第二图形的抗蚀剂层为掩膜，顺序图形化所述第二抗反射层和介质层，以形成第二镶嵌图形；去除具有第二图形的抗蚀剂层、第二抗反射层以及所述第二抗反射层覆盖的刻蚀停止层。

所述氧化操作在氧气气氛下进行。所述氧化操作仍可采用高密度等离子体化学气相淀积工艺进行。涉及的工艺参数包括：反应腔内压力范围为1～10mTorr；RF功率范围为7000～9000W；RF解离(Bias)功率为0W，可减少所述氧化操作对已形成第一镶嵌图形的半导体基体的损伤；反应腔内温度范围为300～500摄氏度；反应腔内内冷却环中压力范围为8～12毫米汞柱(torr)，优选为10torr；反应腔内外冷却环中压力范围为10～14毫米汞柱(torr)，优选为12torr；氧气的流速范围为200～300sccm。

需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据产品要求及工艺条件确定。

尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。

Claims

1.一种双镶嵌结构形成方法，其特征在于，包括:

去除具有第一图形的抗蚀剂层和第一抗反射层；

2.根据权利要求1所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:所述刻蚀停止层材料包含氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳氧化硅中的一种或其组合。

3.根据权利要求1所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:在形成第二抗反射层后，形成具有第二图形的抗蚀剂层之前，还包含氧化操作。

4.根据权利要求1或3所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:所述氧化操作在氧气气氛下进行。

5.根据权利要求4所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:RF解离功率范围为0W。

6.根据权利要求4所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:氧气的流速范围为200～300sccm。

7.一种双镶嵌结构形成方法，其特征在于，包括:

去除具有第一图形的抗蚀剂层和第一抗反射层；

在已形成第一镶嵌图形的半导体基底上形成第二抗反射层；

对已形成第二抗反射层的半导体基底执行氧化操作；

8.根据权利要求7所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:所述刻蚀停止层材料包含氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或碳氧化硅中的一种或其组合。

9.根据权利要求7所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:所述氧化操作在氧气气氛下进行。

10.根据权利要求9所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:所述氧化操作利用高密度等离子体化学气相淀积工艺进行。

11.根据权利要求9或10所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:RF解离功率范围为0W。

12.根据权利要求9或10所述的双镶嵌结构形成方法，其特征在于:氧气的流速范围为200～300sccm。