CN102136451A - 形成金属互连的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种形成金属互连的方法，所述方法包括：在前端器件层上依次形成层间介电层、第一阻挡层、金属层和第二阻挡层；对所述第二阻挡层、所述金属层和所述第一阻挡层进行刻蚀，以露出所述金属层的侧壁；对所述金属层进行冷凝处理和光照射处理，并通入氧化性气体，以在所述侧壁上形成钝化层。根据本发明的方法，能够有效解决由于对铝金属进行刻蚀而引入的氯对金属互连结构的腐蚀问题，避免了因腐蚀而导致的断线现象的发生，从而保证了金属互连的电学性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺，尤其涉及一种防止金属互连结构腐蚀的方法。
背景技术
在集成电路(Integrated-Circuit，IC)的制造技术中，器件主体完成后，依据电路布局设计，采用金属薄膜或多晶硅制成的连线将电信号传输到芯片的不同部分，这种传导电信号的金属薄膜或多晶硅被称作互连。通过互连结构，将器件内不同部分，或各个器件之间做适当的连接。互连也可被用作芯片上器件和整个封装之间普通的金属连接。铝在集成电路中是最广泛被使用的一种互连金属，它已经被使用了近三十年，因为铝具有诸多优点，所以到目前为止，大部分的集成电路还是以铝作为金属互连材料。铝的优点在于铝的电阻系数比大部分金属的电阻系数低，因此导电性能良好；铝能够很容易与硅和二氧化硅反应，加热形成氧化铝，因此促进了铝与硅以及二氧化硅之间的附着；铝能和硅形成良好的欧姆接触；铝易于加工，合金温度较低；以及铝金属的沉积技术和刻蚀技术较为成熟。上述优点使得在制作多种金属互连线时，铝还是很受重视的。
图1A-1B是现有技术形成铝互连结构的剖视图。如图1A所示，首先，在形成了金属层间介电层(IMD)101的前端器件层100上，形成第一阻挡层102，利用溅射等方法在第一阻挡层102的表面上形成铝金属层103，在铝金属层103表面上形成第二阻挡层104。其中阻挡层的材料可以是钛(Ti)/氮化钛(TiN)等，所述第一阻挡层和第二阻挡层的作用是用来防止互连线中的金属原子沿电子运动方向迁移而引起的电迁移效应，该电迁移效应可能会引起IC中的互连线在工作过程中产生断路或短路，从而引起IC失效。接着，在第二阻挡层104上依次涂敷抗反射涂层和光刻胶，并利用曝光显影等工艺形成具有图案的光刻胶层105。
然后，如图1B所示，以光刻胶层105为掩膜对第二阻挡层、金属层和第一阻挡层进行刻蚀。现有技术中通常通入氯气或含氯气体作为刻蚀剂，利用低压等离子体放电，将氯气或含氯气体等离子体化。然后等离子体与表面材料发生反应，从而对铝金属进行刻蚀，即利用氯气与铝的反应来生成具有挥发性的铝的氯化物(AlyClx)，然后通过真空气泵将AlyClx连同腔内未发生反应的氯气和其它气体一起抽走。但仍会有少量的氯残留在刻蚀腔室内，加上AlyClx的化学性质十分活泼，很容易与空气中的水反应，而形成聚合物。该聚合物将会和氯反应生成氯的聚合物，因此残留的氯会以两种形式存在，即具有悬挂键的游离态和与聚合物结合的聚合态。其中氯的聚合物附着在铝金属层的侧壁上，如图1B所示。接着，在剥离腔室内利用氧气形成的等离子体去除光刻胶层105。然后，在冷凝腔室中对去除光刻胶的结构层进行冷却。最后，清洗去除结构层表面的残留物，完成铝金属互连。
然而，残留的氯会对铝产生腐蚀，该腐蚀会导致金属互连断线现象的发生。在现有技术的光刻胶剥离工艺期间，可以通过腔室中的水蒸气除去部分氯气，即氯气会与剥离腔内的水蒸气发生化学反应，生成氧气和氯化氢气体，从腔中扩散出去，从而去除在铝金属层的侧壁表面上具有悬挂键的氯。但是，在铝表面与聚合物结合的氯，就很难通过上述方法去除。虽然可以在光刻胶的剥离工艺之后，通过对晶片进行湿法清洗来去除氯的聚合物，但是在通过湿法清洗去除氯的聚合物之前，铝金属表面已经受到了腐蚀。
因此，需要一种方法，能够有效解决由于对铝金属进行刻蚀而引入的氯对金属互连结构的腐蚀问题，以便避免因腐蚀而导致的断线现象的发生，从而保证金属互连的电学性能。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了解决金属互连的腐蚀问题，本发明提供了一种形成金属互连的方法，所述方法包括：在前端器件层上依次形成层间介电层、第一阻挡层、金属层和第二阻挡层；对所述第二阻挡层、所述金属层和所述第一阻挡层进行刻蚀，以露出所述金属层的侧壁；对所述金属层进行冷凝处理和光照射处理，并通入氧化性气体，以在所述侧壁上形成钝化层。
根据本发明的另一方面，其中所述刻蚀步骤的刻蚀剂为氯气或含氯气体。
根据本发明的另一方面，其中所述金属层是铝金属层。
根据本发明的另一方面，其中所述钝化层为氧化铝层。
根据本发明的另一方面，其中所述照射灯是紫外灯、深紫外灯或极紫外灯。
根据本发明的另一方面，其中所述氧化性气体包括臭氧、氧气或其它含氧气体中的一种或几种。
根据本发明的另一方面，其中所述氧化性气体是臭氧。
根据本发明的另一方面，其中所述臭氧的流速为500～5000sccm。
根据本发明的另一方面，其中所述照射灯的照射时间大于或等于20秒，小于或等于冷凝腔室内的工艺时间与通过机械臂将晶片从冷凝腔室转移到外界的时间之差。
根据本发明的方法，能够有效解决由于对铝金属进行刻蚀而引入的氯对金属互连结构的腐蚀问题，避免了因腐蚀而导致的断线现象的发生，从而保证了金属互连的电学性能。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1A-1B是现有技术形成铝互连结构的剖视图；
图2A-2D是根据本发明形成铝互连结构的工艺流程中各个步骤的剖视图；
图3是根据本发明形成铝互连结构的工艺流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其它的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是如何在未增加工艺时间的情况下，通过在冷凝腔室中设置照射灯同时通入氧化性气体来解决金属腐蚀问题的。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其它实施方式。
为了避免刻蚀后残留的氯对铝金属互连的腐蚀作用，本发明提出了在冷凝腔室中使用照射灯并通入氧化性气体，以在金属互连结构表面形成钝化膜来防止腐蚀的方法。参照图2A至图2D，示出了根据本发明形成铝互连结构的工艺流程中各个步骤的剖视图。
首先，如图2A所示，在形成了金属层间介电层(IMD)201的前端器件层200上，利用溅射等方法形成第一阻挡层202，第一阻挡层的材料可以是钛(Ti)/氮化钛(TiN)等。然后，利用溅射等方法在第一阻挡层202的表面上形成铝金属层203，在铝金属层203表面上利用溅射等方法形成第二阻挡层204，第二阻挡层的材料可以是钛(Ti)/氮化钛(TiN)等。所述第一阻挡层和第二阻挡层是用来抑制互连线中的金属原子沿电子运动方向迁移而引起的电迁移效应，该电迁移效应可能会引起IC中的互连线在工作过程中产生断路或短路，从而引起IC失效。接着，在第二阻挡层204的表面上涂敷抗反射涂层和光刻胶，并进行曝光显影等工艺，最终形成具有图案的光刻胶层205。
然后，如图2B所示，在刻蚀腔室内，以具有图案的光刻胶层205为掩膜对第二阻挡层、金属层和第一阻挡层进行干法刻蚀。通常通入氯气或含氯气体作为刻蚀剂，利用低压等离子体放电，将氯气或含氯气体等离子体化。然后等离子体与表面材料发生反应，从而对铝金属进行刻蚀，即利用氯气与铝发生反应来生成具有挥发性的铝的氯化物(AlyClx)，然后通过真空气泵将AlyClx连同腔内未反应的氯气和其它气体一起抽走。除此之外，还可以加入一些卤化物，如三氯化硼(BCl3)和三氟甲烷(CHF3)等等，通过这些卤化物易与环境中的氧和水反应的特性，吸收腔内的水气和氧气。
接着，如图2C所示，在剥离腔室内，采用干法或湿法去除光刻胶。本发明采用的是干法去胶，向剥离腔室中通入氧气，利用氧气产生的等离子体对光刻胶进行剥离。
然后，如图2D所示，在冷凝腔室内，设置照射灯进行光照射处理，同时通入氧化性气体。照射灯包括紫外(UV)灯、深紫外(DUV)灯或极紫外(EUV)灯等，只要可以产生使金属铝和氧化性气体发生反应生成钝化层的光的灯都包含在本发明的保护范围内。氧化性气体可以包括臭氧(O3)、氧气(O2)或其它含氧气体等中的一种或几种，优选的氧化性气体是臭氧。本发明使用的照射灯是紫外灯，其中紫外灯的照射时间大于或等于约20秒，小于或等于冷凝腔室内的工艺时间与通过机械臂将晶片从冷凝腔室转移到外界(晶片盒)的时间之差。本发明选择的氧化性气体为臭氧，其中臭氧的流速约为500～5000sccm，其中，sccm是标准状态下，也就是1个大气压、25摄氏度下每分钟1立方厘米(1cm3/min)的流量。紫外灯照射可以产生紫外光，在紫外光的作用下，臭氧与金属铝发生化学反应，在侧壁表面生成致密的氧化铝(Al2O3)层，其反应方程式如下：
2Al+O3→Al2O3
生成的氧化铝附着在侧壁表面上，形成一层良好的钝化层206，这样就将残留在腔室内以游离态和聚合态两种形式存在的氯都与金属铝隔开，从而保护金属铝免受腐蚀。最后，通过湿法清洗就可以去除结构层表面的聚合物和其它残留物，从而完成铝金属互连。
与传统工艺相比，根据本发明实施例的方法未增加任何工艺时间，只是在冷凝腔室中设置照射灯，并通入氧化性气体，以便在侧壁上直接形成致密的钝化层，从而达到保护金属铝免受刻蚀工艺之后残留在腔室内的氯腐蚀的目的。
图3是根据本发明形成铝互连结构的工艺流程图。
执行步骤301，在形成了金属层间介电层的前端器件层上，依次形成第一阻挡层、铝金属层和第二阻挡层，第一阻挡层和第二阻挡层的材料可以是钛/氮化钛等。接着，在第二阻挡层上涂敷抗反射涂层和光刻胶，并进行曝光显影等工艺形成具有图案的光刻胶层。
执行步骤302，在刻蚀腔室内，以具有图案的光刻胶层为掩膜对第二阻挡层、金属层和第一阻挡层进行干法刻蚀。通常通入氯气或含氯气体，用低压等离子体放电，将氯气或含氯气体等离子体化。等离子体与表面材料发生反应，然后对铝金属进行刻蚀，即利用氯气与铝的反应来生成具有挥发性的铝的氯化物，然后通过真空气泵将铝的氯化物连同腔内的其它气体一起抽走。
执行步骤303，在剥离腔室内，采用干法或湿法去除光刻胶。本发明采用的是干法去胶，即向剥离腔室中通入氧气，利用氧气产生的等离子体对光刻胶进行剥离。
执行步骤304，在冷凝腔室内，用紫外灯照射产生紫外光，也可采用除深紫外光或极紫外光等。同时通入氧化性气体，例如臭氧、氧气或其它含氧气体。优选的氧化性气体是臭氧，流速约为500～5000sccm。其中紫外灯的照射时间大于或等于约20秒，小于或等于冷凝腔室内的工艺时间与通过机械臂将晶片从冷凝腔室转移到外界(晶片盒)的时间之差。在紫外光照射的作用下，臭氧在侧壁表面与金属铝发生化学反应，生成致密的氧化铝钝化层，从而保护金属铝免受腐蚀。
执行步骤305，通过湿法清洗就可以去除结构层表面的聚合物和其它残留物，从而完成铝金属互连。
根据本发明所述的铝金属互连结构可以应用于多层互连布线中任意一层，以及最后一层布线工艺。因此，这里所述的术语前端器件层可以指前端有源器件，也可以指前端互连布线层。此外，虽然上述的特定实施例已经使用了铝金属，但是本发明并不限于此或任何其它的导电材料的使用。各种不同的材料具有由氯气刻蚀而引起的腐蚀问题，都将落入本发明的保护范围内。例如，本发明的可选实施例可以被用于除铝金属之外的导电金属，包括但不限于铝、铝-铜合金以及金。
根据如上所述的实施例制造的具有良好金属互连结构的半导体器件可应用于多种集成电路(IC)中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式DRAM逻辑集成电路(掩埋式DRAM)或任意其它电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (10)
1.一种形成金属互连的方法，所述方法包括：
在前端器件层上依次形成层间介电层、第一阻挡层、金属层和第二阻挡层；
对所述第二阻挡层、所述金属层和所述第一阻挡层进行刻蚀，以露出所述金属层的侧壁；
对所述金属层进行冷凝处理和光照射处理，并通入氧化性气体，以在所述侧壁上形成钝化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述刻蚀步骤的刻蚀剂为氯气或含氯气体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属层是铝金属层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述钝化层为氧化铝层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述光照射处理照射的光选自紫外光、深紫外光或极紫外光。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化性气体包括臭氧、氧气或其它含氧气体中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述氧化性气体是臭氧。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述臭氧的流速为500～5000sccm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述照射时间大于或等于20秒，小于或等于冷凝腔室内的工艺时间与通过机械臂将晶片从冷凝腔室转移到外界的时间之差。
10.一种根据权利要求1所述的方法制造的电子设备，其中所述电子设备选自个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机和数码相机。
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