CN101764059B - 双镶嵌结构的形成方法及沟槽形成方法 - Google Patents

双镶嵌结构的形成方法及沟槽形成方法 Download PDF

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Abstract

一种双镶嵌结构的形成方法，其中包含的去除部分覆盖所述第一介质层的第二介质层和部分深度的所述第一介质层的步骤包括：以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1。可减少形成于所述双镶嵌结构内包含的沟槽侧壁上的凹陷的产生；本发明还提供了一种沟槽形成方法，可减少形成于所述沟槽的侧壁上的凹陷的产生。

Description

双镶嵌结构的形成方法及沟槽形成方法
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的形成方法及沟槽形成方法。
背景技术
在集成电路设计和制造过程中，随着铜在芯片性能方面取得明显的优势，铜互连线逐渐取代铝金属化成为集成电路互连技术发展的新趋势。由于应用常规的等离子体刻蚀工艺，不易使铜形成图形，且干法刻蚀铜时，在它的化学反应期间不产生挥发性的副产物，因此，通常采用双镶嵌工艺形成铜互连线，即，首先，如2003年7月9日公布的公开号为“CN1428839A”的中国专利申请以及2005年7月5日公开的公告号为“US6913994”的美国专利中所公开的，具体地，在形成于基底上的介质层中形成具有通孔和沟槽的双镶嵌结构；继而，形成覆盖所述双镶嵌结构的粘接层；最后，形成覆盖所述粘接层并填充所述双镶嵌结构的铜。
实际生产中，形成所述双镶嵌结构的步骤包括：如图1所示，在基底10上形成第一介质层20及贯穿所述第一介质层20的通孔30；如图2所示，形成覆盖所述第一介质层20并填充所述通孔30的第二介质层40；如图3所示，在所述第二介质层40上形成图形化的抗蚀剂层50，暴露所述第二介质层40的部分表面，所述部分表面包含填充所述通孔30的所述第二介质层40的表面；如图4所示，以所述图形化的抗蚀剂层50为掩模，利用氟氮气体去除部分覆盖所述第一介质层20的第二介质层40和部分深度的所述第一介质层20；如图5所示，去除剩余的所述抗蚀剂层50和所述第二介质层40。
然而，实际生产发现，应用上述工艺形成铜互连线时，形成于所述双镶嵌结构的顶端的铜结构疏松，易于在后续研磨过程中造成缺失，形成金属损失缺陷(metal damage defect)；如何减少所述金属损失缺陷的产生成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。当前，业界在对所述金属损失缺陷进行分析时发现，如图6所示，在填充铜之前形成的沟槽60的侧壁62上多存在凹陷64，通常，业内将所述金属损失缺陷的产生原因归结于所述凹陷的产生，由此，如何减少所述凹陷的产生成为本发明解决的主要问题。
发明内容
本发明提供了一种双镶嵌结构的形成方法，可减少形成于所述双镶嵌结构内包含的沟槽侧壁上的凹陷的产生；本发明提供了一种沟槽形成方法，可减少形成于所述沟槽的侧壁上的凹陷的产生。
本发明提供的一种双镶嵌结构的形成方法，所述双镶嵌结构包括贯穿介质层的通孔及与所述通孔对准的沟槽，所述介质层形成于基底上；其中，形成所述沟槽的步骤包括：以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1。
可选地，所述氟碳气体的氟碳比小于所述氟氮气体的氟氮比；可选地，所述氟氮气体为NF3；可选地，所述氟碳气体为CH2F2；可选地，所述第一介质层材料为低介电常数材料；可选地，所述第二介质层材料为抗反射层材料；可选地，所述第二刻蚀气体中还包括O2；可选地，所述第二刻蚀气体中还包括Ar。
本发明提供的一种沟槽形成方法，对介质层执行刻蚀操作以去除部分深度的所述介质层后形成所述沟槽，其中，去所述执行刻蚀操作的步骤包括：以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1。
可选地，所述氟碳气体的氟碳比小于所述氟氮气体的氟氮比；可选地，所述氟氮气体为NF3；可选地，所述氟碳气体为CH2F2；可选地，所述介质层材料为低介电常数材料；可选地，所述第二刻蚀气体中还包括O2；可选地，所述第二刻蚀气体中还包括Ar。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
上述技术方案提供的双镶嵌结构的形成方法，通过在形成所述沟槽时，引入以包含氟碳比小于4∶1的氟碳气体的第二刻蚀气体执行的第二刻蚀操作，以在刻蚀过程的后段在形成的侧壁上附着更多的聚合物以作为所述侧壁的保护层，可减少所述侧壁上凹陷的产生；
上述技术方案提供的沟槽形成方法，通过在形成所述沟槽时，引入以包含氟碳比小于4∶1的氟碳气体的第二刻蚀气体执行的第二刻蚀操作，以在刻蚀过程的后段在形成的侧壁上附着更多的聚合物以作为所述侧壁的保护层，可减少所述侧壁上凹陷的产生。
附图说明
图1-图5为说明现有技术中形成双镶嵌结构的流程的结构示意图；
图6为现有技术中在填充铜之前形成的沟槽的结构图片；
图7-图12为说明本发明第一实施例中形成双镶嵌结构的流程的结构示意图；
图13为应用本发明第一实施例形成的沟槽的结构图片。
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，应用传统工艺形成铜互连线时，形成于双镶嵌结构的顶端的铜结构疏松，易于在后续研磨过程中造成缺失，形成金属损失缺陷；而在对所述金属损失缺陷进行分析时发现，在填充铜之前形成的沟槽的侧壁上存在凹陷，通常，业内将所述金属损失缺陷的产生原因归结于所述凹陷的产生，由此，如何减少所述凹陷的产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，产生所述凹陷的原因在于：实践中，通常采用刻蚀工艺在介质层(掺杂的氧化硅或低介电常数材料，如，BPSG或BD[black diamond])中形成所述双镶嵌结构，在刻蚀过程中采用的刻蚀气体通常为NF3，而NF3在被离子化后，可提供较多的含F的等离子体以执行刻蚀操作，且在刻蚀过程中产生的副产物(如聚合物)较少，且由于所述双镶嵌结构的顶端形成有尖角，实践发现，在所述尖角处更易于形成聚合物的堆积，使得原本已经较少的聚合物又多形成于所述尖角处，而在所述双镶嵌结构的侧壁上仅形成有很少的聚合物，由于形成于所述双镶嵌结构的侧壁上的聚合物将在后续刻蚀过程中作为保护层，以防止刻蚀操作损伤所述侧壁(即，在所述侧壁上形成凹陷)，由此，形成于所述侧壁上的聚合物的减少，将降低其在后续刻蚀过程中对所述侧壁的保护作用，使得后续刻蚀操作易于损伤所述侧壁。
由此，本发明的发明人分析后提出，在上述刻蚀过程的后段，换用可产生更多聚合物的刻蚀气体执行刻蚀操作，成为减少甚至消除双镶嵌结构侧壁凹陷的指导方向。
本发明的发明人提供了一种双镶嵌结构的形成方法，通过在形成所述双镶嵌结构包含的沟槽时，引入以包含氟碳比小于4∶1的氟碳气体的第二刻蚀气体执行的第二刻蚀操作，以在刻蚀过程的后段在形成的侧壁上附着更多的聚合物以作为所述侧壁的保护层，可减少所述侧壁上凹陷的产生。
需说明的是，本文件内，所述第一刻蚀操作意指利用包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行的刻蚀操作，而不限制执行所述刻蚀操作的次数；所述第二刻蚀操作意指利用包含氟碳气体的第二刻蚀气体执行的刻蚀操作，也不限制执行所述刻蚀操作的次数；具体地，所述第二刻蚀操作可包括分别利用CH2F2和CHF3作为刻蚀气体执行的两次刻蚀操作；换言之，所述第一刻蚀操作与所述第二刻蚀操作仅用以区分在刻蚀过程的不同阶段选择的刻蚀气体有所不同(当然，毫无疑义地，选择的刻蚀气体不同，刻蚀工艺的具体参数不同)。
此外，本文件内，与所述通孔对准的沟槽意指，在填充所述通孔和沟槽以获得第n-1接触孔和第n金属层中一图形后(n大于或等于1)，所述图形通过所述接触孔与第n-1金属层连通。
作为本发明的第一实施例，形成所述双镶嵌结构的具体步骤包括：
首先，如图7所示，在基底100上形成第一介质层120及贯穿所述第一介质层120的通孔140；
在衬底(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后，形成基底100。
此外，在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后，进而沉积第一层间介质层(即金属前介质层，PMD)，继续在所述第一层间介质层内形成第一层通孔及第一金属层后，仍可形成基底100；或者，在沉积第一层间介质层后，继续形成第一层通孔(via)及沟槽(trench)、并向所述通孔及沟槽填充第一金属层后，仍可形成基底100。
可扩展地，在沉积第N-1层间介质层后，继续形成第N-1层通孔及第N-1金属层后，形成基底100；或者，在沉积第N-1层间介质层后，继续形成第N-1层通孔及沟槽、并向所述通孔及沟槽填充第N-1金属层后，仍可形成基底100。显然，所述层间介质层的数目N可为任意自然数，如1、3、5、7或9等，所述层间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。所述衬底包含但不限于包括元素的硅材料，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)。
可采用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)、SACVD(亚常压化学气相淀积)或LPCVD(低压化学气相淀积)等传统工艺形成所述第一介质层120。所述第一介质层120可为低介电常数材料，所述低介电常数材料包括但不限于黑钻石(Black Diamond，BD)或coral中的一种。所述介质层材料也可包含但不限于未掺杂的二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氟硅玻璃(FSG)或具有低介电常数材料中的一种或其组合。
所述双镶嵌结构为：为在所述介质层120中形成互连线而预先去除部分介质层材料后在所述介质层120中形成的缺失结构。术语“镶嵌”意指：先刻蚀所述介质层120以在其中形成缺失结构、再在所述缺失结构中填充金属材料的工艺。所述双镶嵌结构既包含先形成通孔140(via)、再形成沟槽(trench)后获得的结构；也包含先形成沟槽、再形成通孔140后获得的结构。
随后，如图8所示，形成覆盖所述第一介质层120并填充所述通孔140的第二介质层160。
所述第二介质层160可为抗反射涂层(ARC)，如制程中常用的BARC(底抗反射涂层)；可采用旋涂工艺形成所述抗反射涂层。所述抗反射涂层既利于优化后续抗蚀剂层的图形化操作，又利于保护预先形成的通孔(以通孔优先制程为例)的侧壁在刻蚀沟槽的过程中不受损伤。
而后，如图9所示，在所述第二介质层160上形成图形化的抗蚀剂层180，所述图形化的抗蚀剂层180暴露所述第二介质层160的部分表面，所述部分表面包含填充所述通孔140的所述第二介质层160的表面。
形成所述抗蚀剂层180包含所述抗蚀剂层180的涂覆、烘干等操作，可采用旋涂工艺涂覆所述抗蚀剂层180，相关工艺可应用各种传统的方法，应用的所述抗蚀剂层180可选用任何可应用于半导体制程中的抗蚀剂材料，如，所述抗蚀剂层180可为ArF光刻胶。
再后，以所述图形化的抗蚀剂180层为掩模，去除覆盖所述第一介质层120的第二介质层160和部分深度的所述第一介质层120；可采用刻蚀工艺执行所述去除操作；其中，如图10所示，以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；图10中虚线所示为产品要求的沟槽深度，即，所述第一刻蚀操作仅为沟槽刻蚀过程的前段；如图11所示，以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1。
具体地，所述氟氮气体为NF3；所述第一刻蚀气体中还可包括辅助气体Ar和He，以利于刻蚀反应均匀地进行；实践中，执行第一刻蚀操作选用的工艺条件可包括：NF3的流量范围为10sccm-50sccm，如20sccm、30sccm或40sccm；Ar的流量范围为100sccm-500sccm，如200sccm、300sccm或400sccm；He的流量范围为100sccm-500sccm，如200sccm、300sccm或400sccm；反应功率范围为100W-500W，如200W、300W或400W；反应压力范围为20mTorr-50mTorr，如30mTorr、40mTorr；反应持续时间为10s-100s，如30s、50s或80s。在第一实施例中，选取的工艺条件为NF3的流量为20sccm；Ar的流量为300sccm；He的流量为300sccm；反应功率为400W；反应压力30mTorr；反应持续时间为50s。
所述氟碳气体为CH2F2；所述第二刻蚀气体中还可包括辅助气体Ar和O2，以利于刻蚀反应均匀地进行；实践中，执行第二刻蚀操作选用的工艺条件可包括：CH2F2的流量范围为10sccm-50sccm，如20sccm、30sccm或40sccm；Ar的流量范围为100sccm-500sccm，如200sccm、300sccm或400sccm；O2的流量范围为100sccm-500sccm，如200sccm、300sccm或400sccm；反应功率范围为100W-500W，如200W、300W或400W；反应压力范围为20mTorr-50mTorr，如30mTorr、40mTorr；反应持续时间为10s-100s，如30s、50s或80s。在第一实施例中，选取的工艺条件为CH2F2的流量为20sccm；Ar的流量为300sccm；O2的流量为300sccm；反应功率为400W；反应压力30mTorr；反应持续时间为50s。
最后，如图12所示，去除剩余的所述抗蚀剂层180和所述第二介质层160；可采用氧气灰化方法去除所述抗蚀剂层180和第二介质层160。实践中，应用上述实施例形成的双镶嵌结构如图13所示，可见，形成的沟槽200的侧壁220的垂直度较好，基本不存在凹陷。
需说明的是，作为本发明的其他实施例，所述氟碳气体还可为CHF3；此外，优选地，所述氟碳气体的氟碳比小于所述氟氮气体的氟氮比。具体地，所述氟氮气体为NF3时，其氟氮比为3∶1；则在第二刻蚀过程中选择的氟碳气体的氟碳比最好小于3∶1，如可为2∶1或1∶1；即，所述氟碳气体还可为CH3F；降低氟碳比利于增加刻蚀过程中附着于沟槽侧壁上的聚合物的数量，利于减小所述侧壁上凹陷的产生。
此外，本发明的发明人还提供了一种沟槽形成方法，对介质层执行刻蚀操作以去除部分深度的所述介质层后形成所述沟槽；其中，去除部分深度的所述介质层的步骤包括：以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1。通过在除部分深度的所述介质层时，引入以包含氟碳比小于4∶1的氟碳气体的第二刻蚀气体执行的第二刻蚀操作，以在刻蚀过程的后段在形成的侧壁上附着更多的聚合物以作为所述侧壁的保护层，可减少所述侧壁上凹陷的产生。
所述介质层材料可为低介电常数材料，如BD；所述氟氮气体可为NF3；所述氟碳气体为CH2F2；所述第一刻蚀气体中还可包括辅助气体Ar和He，所述第二刻蚀气体中还可包括辅助气体Ar和O2，以利于刻蚀反应均匀地进行；作为本发明的其他实施例中，执行所述第一刻蚀操作时选取的工艺条件为NF3的流量为20sccm；Ar的流量为300sccm；He的流量为300sccm；反应功率为400W；反应压力30mTorr；反应持续时间为50s；，执行所述第二刻蚀操作时选取的工艺条件为CH2F2的流量为20sccm；Ar的流量为300sccm；O2的流量为300sccm；反应功率为400W；反应压力30mTorr；反应持续时间为50s。
所述氟碳气体还可为CHF3；此外，优选地，所述氟碳气体的氟碳比小于所述氟氮气体的氟氮比。具体地，所述氟氮气体为NF3时，其氟氮比为3∶1；则在第二刻蚀过程中选择的氟碳气体的氟碳比最好小于3∶1，如可为2∶1或1∶1；即，所述氟碳气体还可为CH3F；降低氟碳比利于增加刻蚀过程中附着于沟槽侧壁上的聚合物的数量，利于减小所述侧壁上凹陷的产生。
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 (14)

1.一种双镶嵌结构的形成方法，所述双镶嵌结构包括贯穿介质层的通孔及与所述通孔对准的沟槽，所述介质层形成于基底上；其特征在于，去除部分深度的所述介质层形成所述沟槽的步骤包括：
以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；
以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1，以在刻蚀过程的后段在形成的沟槽侧壁上附着更多的聚合物以作为所述侧壁的保护层，减少所述侧壁上凹陷的产生；所述第一刻蚀操作与所述第二刻蚀操作仅用以区分在刻蚀过程的不同阶段选择的刻蚀气体有所不同。
2.根据权利要求1所述的双镶嵌结构的形成方法，其特征在于：所述氟碳气体的氟碳比小于所述氟氮气体的氟氮比。
3.根据权利要求1所述的双镶嵌结构的形成方法，其特征在于：所述氟氮气体为NF3。
4.根据权利要求1所述的双镶嵌结构的形成方法，其特征在于：所述氟碳气体为CH2F2。
5.根据权利要求1所述的双镶嵌结构的形成方法，其特征在于：所述介质层材料为低介电常数材料。
6.根据权利要求1所述的双镶嵌结构的形成方法，其特征在于：所述第二刻蚀气体中还包括O2。
7.根据权利要求1所述的双镶嵌结构的形成方法，其特征在于：所述第二刻蚀气体中还包括Ar。
8.一种沟槽形成方法，对介质层执行刻蚀操作以去除部分深度的所述介质层后形成所述沟槽，其特征在于，所述执行刻蚀操作以去除部分深度的所述介质层的步骤包括：
以包含氟氮气体的第一刻蚀气体执行第一刻蚀操作；
以包含氟碳气体的第二刻蚀气体顺序执行第二刻蚀操作，其中，所述氟碳气体的氟碳比小于4∶1，以在刻蚀过程的后段在形成的沟槽侧壁上附着更多的聚合物以作为所述侧壁的保护层，减少所述侧壁上凹陷的产生；所述第一刻蚀操作与所述第二刻蚀操作仅用以区分在刻蚀过程的不同阶段选择的刻蚀气体有所不同。
9.根据权利要求8所述的沟槽形成方法，其特征在于：所述氟碳气体的氟碳比小于所述氟氮气体的氟氮比。
10.根据权利要求8所述的沟槽形成方法，其特征在于：所述氟氮气体为NF3。
11.根据权利要求8所述的沟槽形成方法，其特征在于：所述氟碳气体为CH2F2。
12.根据权利要求8所述的沟槽形成方法，其特征在于：所述介质层材料为低介电常数材料。
13.根据权利要求8所述的沟槽形成方法，其特征在于：所述第二刻蚀气体中还包括O2。
14.根据权利要求8所述的沟槽形成方法，其特征在于：所述第二刻蚀气体中还包括Ar。
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