CN102148187A - 一种去除开尔文通孔的蚀刻残余物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种去除开尔文通孔的蚀刻残余物的方法，属于半导体集成电路芯片制造工艺领域。本发明方法是在介质层蚀刻开尔文(Kelvin)通孔的制程结束后，在上部金属互连层形成之前，首先使用有机化学品ST250去除Kelvin通孔的蚀刻残余物；然后使用浓度合适的稀氢氟酸溶液去除Kelvin通孔的部分介质层等离子体损伤，以将Kelvin通孔内径修正到符合关键尺寸的标准。本发明方法可以彻底去除残留在Kelvin通孔内壁及其衬底和表面的残余物。本发明方法简单易行，极大地提高了Kelvin通孔处蚀刻残余物的去除能力。

Description

一种去除开尔文通孔的蚀刻残余物的方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片制造工艺技术领域，具体涉及芯片制造工艺的后段制程中，金属互连层间介质上的Kelvin通孔的蚀刻残余物去除。
背景技术
随着集成电路(Integrate Circuit，简称IC)芯片设计与制造工艺的迅猛发展，IC芯片的设计尺寸缩减得越来越小，这种芯片减薄要求使得芯片制造工艺面临诸多挑战，同时也给金属互连层之间层间介质上通孔的蚀刻残余物去除带来困扰。在半导体IC芯片制造工艺中，两个金属互连层之间由层间介质分隔开来，两个金属互连层之间的电连接通常由通孔来完成。而在形成上部金属互连层之前，需要在层间介质上形成通孔。
由于通孔的形成通常是用含氟蚀刻剂蚀刻而成，在蚀刻过程中，蚀刻剂与层间介质以及下部金属互连层的金属材料之间的反应离子以及反应物会残留下来，在通孔处(也即通孔的下部金属互连层衬底、通孔内壁以及通孔上端口周边的层间介质表面)留下反应残余物和/或溅射残余物等蚀刻残余物，称之为通孔的蚀刻残余物。在晶圆片后段制程(Back-End-of-Line，简称BEOL)中，通孔处蚀刻残余物的去除仍然是IC芯片制作的关键工艺之一。如果通孔处残余物去除不彻底或衬底受损，会对IC芯片的电阻率、漏电流和良率有重大影响。
当IC制造工艺处于前期关键尺寸的宽线宽时代时，晶圆片金属互连层层间介质上的通孔(Via)和金属沟槽(Metal Trench)尺寸相对较大，通常可以采用有机化学品去除通孔蚀刻后的残余物。然而，当IC制造技术发展到窄线宽时代后，目前已使用无机化学品稀氢氟酸溶液(Dilute HydrogenFluoride，简称DHF)来去除通孔的蚀刻残余物并修正部分介质层的等离子体损坏。
随着线宽技术的不断提高，往往需要在金属互连层的层间介质上蚀刻一些Kelvin结构的金属通孔，这些通孔称为Kelvin通孔，而将蚀刻Kelvin通孔过程中形成的蚀刻残余物称之为Kelvin通孔的蚀刻残余物。这类Kelvin通孔的蚀刻残余物并不能采用现在普遍采用的DHF溶液并进行有效去除。图1示出了在第二金属层(M2)的层间介质上蚀刻了9个测试Kelvin通孔后，这9个测试通孔在晶圆片上的位置分布截面图。如图中所示，分别用1-9个数字标号标注出各个通孔在晶圆片上的位置。图2是对应着图1的1-9个M2Kelvin通孔在经DHF去除蚀刻残余物后的SEM图像。而图3则是对应着图2中B处通孔8经DHF去除蚀刻残余物后仍残留有蚀刻残余物的通孔8的放大SEM图。从图2和图3可以看出，经DHF去除蚀刻残余物后，通孔内壁和其下部金属互连层仍然有蚀刻残余物残留下来，这些蚀刻残余物的存在会导致这些Kelvin通孔的电阻变高。结合图1和图2还可以看出，分布在晶圆片中心区域(对应着图1中标号为5的通孔A处)之外的所有通孔上几乎都有蚀刻残余物存在。
现有技术中应用DHF溶液对金属互连层层间介质上Kelvin通孔的蚀刻残余物进行去除的方法不仅不能有效去除蚀刻残余物，还会带来如下不足：由于DHF的浓度是影响介质蚀刻速率的关键参数，如果DHF溶液的浓度过大，很难控制沟槽或通孔(包括Kelvin通孔)关键尺寸的修正。这就导致现有技术中使用DHF来去除通孔的蚀刻残余物存在很大的局限性。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种去除Kelvin通孔的蚀刻残余物去除方法，本发明方法在Kelvin通孔蚀刻后和形成上部金属互连层之前，首先使用一种有机化学品ST250进行蚀刻残余物去除，然后再使用DHF进一步进行蚀刻残余物去除，从而彻底去除金属互连层间通孔处蚀刻残余物。
本发明的第一方案是：
一种去除金属互连层间通孔处蚀刻残余物的方法，包括：第一步ST250处理阶段，其用有机化学品ST250溶液去除开尔文通孔的蚀刻残余物，所述有机化学品ST250溶液是用水稀释的原ST250溶液，原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为58％-62％，所述处理阶段的处理条件为：处理时间为60-90秒，处理温度为38℃-42℃；第二步稀氢氟酸溶液处理阶段，使用稀氢氟酸溶液去除开尔文通孔部分介质层的等离子体损伤，以修正开尔文通孔的关键尺寸，其中，所述稀氢氟酸溶液是用水将氢氟酸溶液稀释而成，所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶250至1∶500，所述处理阶段的处理条件为：处理时间为20-40秒，处理温度为室温。
本发明的第二方案是如第一方案所述的方法，其中，所述ST250处理阶段的处理条件为：处理时间为65秒；原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为60％；以及，处理温度为40℃。
所述ST250处理阶段的处理条件为：处理时间为90秒；所述有机化学品原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为58％；以及，处理温度为38℃。
所述稀氢氟酸溶液处理阶段的处理条件为：处理时间为25秒；所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶300；以及，处理温度为室温。
所述稀氢氟酸溶液处理阶段的处理条件为：处理时间为35秒；所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶340；以及，处理温度为室温。
所述稀氢氟酸溶液处理阶段的处理条件为：处理时间为40秒；所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶380；以及，处理温度为室温。
根据本发明的去除Kelvin通孔的蚀刻残余物的方法，通过控制处理时间、稀释比率和处理温度，可以有效地去除金属互连层层间介质上Kelvin通孔的蚀刻残余物。
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。
图1示出了在M2的层间介质上蚀刻9个测试Kelvin通孔后这9个测试通孔在晶圆片上的位置分布截面图，图中用1-9九个数字标注出了晶圆片上的通孔位置；
图2是对应着图1的1-9个M2 Kelvin通孔经DHF去除蚀刻残余物后的SEM图像；
图3是对应着图2中B位置处M2 Kelvin通孔8经DHF去除蚀刻残余物后仍残留有蚀刻残余物的通孔8的放大SEM图；
图4是根据本发明方法的Kelvin通孔的蚀刻残余物去除方法流程图；
图5是根据本发明方法的去除对应于图2的1-9个M2 Kelvin通孔的蚀刻残余物之后的SEM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。在其他的例子中，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。
本发明揭示了在金属互连层层间介质上蚀刻通孔的制程结束后，去除Kelvin通孔的蚀刻残余物的方法。Kelvin通孔的蚀刻残余物通常残留在通孔下部的金属互连层衬底、通孔内壁和通孔上端口周边的层间介质表面。本发明方法首先使用有机化学品ST250溶液进行Kelvin通孔的蚀刻残余物去除，然后使用浓度合适的稀氢氟酸溶液去除Kelvin通孔的部分介质层的等离子体损伤以修正通孔内径尺寸使之达到关键尺寸(Critical Diameter，简称CD)的标准，从而有效去除Kelvin通孔的蚀刻残余物。参看图4所示的根据本发明方法的Kelvin通孔的蚀刻后残余物去除方法，具体工作流程分如下两个步骤进行：
第一步：进行ST250处理，其用有机化学品ST250溶液去除Kelvin通孔的蚀刻残余物。具体地，用水对原ST250溶液进行稀释，原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为58％-62％，然后用稀释后的ST250溶液去除Kelvin通孔的蚀刻残余物，其处理条件为：处理时间为60-90秒；处理温度为38℃-42℃。
在一个实施例中，所述ST250处理阶段的处理条件为：处理时间为65秒，原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为60％，处理温度为40℃。在另一个实施例中，所述ST250处理阶段的处理条件为：处理时间为90秒，原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为58％，处理温度为38℃。
在一个实施例中，所用的原ST250溶液是购自美国ATMI公司的市售有机化学品ATMI ST250。
第二步：进行稀氢氟酸处理阶段。使用稀氢氟酸溶液去除Kelvin通孔部分介质层的等离子体损伤，以修正Kelvin通孔的关键尺寸。具体地，用水对氢氟酸溶液进行稀释，氢氟酸溶液与水的稀释体积比为(1∶250)-(1∶500)，然后用稀释后这种非常稀的氢氟酸溶液去除Kelvin通孔的蚀刻残余物，其处理步骤在以下条件下进行：处理时间为20-40秒，处理温度为室温。其中，所用的氢氟酸溶液是市售49％质量的氢氟酸溶液。
在一个实施例中，处理条件为：处理时间为25秒；氢氟酸溶液与水的体积稀释比为1∶300；以及，处理温度为室温。在又一个实施例中，处理时间为35秒；氢氟酸溶液与水的体积稀释比为1∶340；以及，处理温度为室温。在另一个优选实施例中，处理时间为40秒；氢氟酸溶液与水的体积稀释比为1∶380；以及，处理温度为室温。
经过以上两步进行Kelvin通孔的蚀刻残余物去除，本发明方法可以有效去除金属互连层层间介质上的Kelvin通孔的蚀刻残余物。图5是根据本发明方法的去除对应于图2的1-9个M2 Kelvin通孔的蚀刻残余物之后的SEM图。从图5中可以看出，在经过ST250处理步骤和稀氢氟酸处理步骤处理后，对应于图示位置的Kelvin通孔的蚀刻后残余物已经去除干净。
本发明方法，不仅可以去除金属互连层间介质上的Kelvin通孔的蚀刻残余物，而且还可以适用于金属阻碍层、其他类型的金属层通孔以及键合焊盘等蚀刻后残余物的去除。
在一个对比例中，按照与本发明方法相反的顺序进行Kelvin通孔的蚀刻残余物去除，即首先进行稀氢氟酸溶液处理，然后再进行ST250处理，结果发现蚀刻失败。
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 (6)

1.一种去除开尔文通孔的蚀刻残余物的方法，包括：
第一步ST250处理阶段，其用有机化学品ST250溶液去除开尔文通孔的蚀刻残余物，所述有机化学品ST250溶液是用水稀释的原ST250溶液，原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为58％-62％，所述处理阶段的处理条件为：处理时间为60-90秒，处理温度为38℃-42℃；
第二步稀氢氟酸溶液处理阶段，使用稀氢氟酸溶液去除开尔文通孔部分介质层的等离子体损伤，以修正开尔文通孔的关键尺寸，其中，所述稀氢氟酸溶液是用水将氢氟酸溶液稀释而成，所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶250至1∶500，所述处理阶段的处理条件为：处理时间为20-40秒，处理温度为室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ST250处理阶段的处理条件为：处理时间为65秒；原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为60％；以及，处理温度为40℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ST250处理阶段的处理条件为：处理时间为90秒；原ST250溶液占所述有机化学品ST250溶液的体积百分比为58％；以及，处理温度为38℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀氢氟酸溶液处理阶段的处理条件为：处理时间为25秒；所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶300；以及，处理温度为室温。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀氢氟酸溶液处理阶段的处理条件为：处理时间为35秒；所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶340；以及，处理温度为室温。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀氢氟酸溶液处理阶段的处理条件为：处理时间为40秒；所述氢氟酸溶液与水的稀释体积比为1∶380；以及，处理温度为室温。
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