CN102496598A - 一种去除铜互连中阻挡层残留的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种去除铜互连中阻挡层残留的方法，包括以下步骤：在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和第一介质层，采用大马士革工艺形成第一铜互连；在上述结构表面依次沉积第二刻蚀停止层和第二介质层；形成贯穿第二介质层和第二刻蚀停止层的通孔或沟槽；在上述结构表面沉积阻挡层，采用化学电镀方法形成金属层；化学机械研磨去除第二介质层上的金属层；刻蚀去除第二介质层上的阻挡层，形成第二铜互连。本发明利用阻挡层对介质层的高刻蚀选择比，采用各向异性干法刻蚀完全去除阻挡层，使得存在碟形凹陷的铜互连上做后续的铜互连不存在阻挡层残留，提高了刻蚀停止层与介质层的粘黏性，同时提高晶圆的电学性能。

Description

一种去除铜互连中阻挡层残留的方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种去除铜互连中阻挡层残留的方法。
背景技术
随着集成电路特征尺寸的缩少，工作频率的提高，半导体行业开始在芯片制造中使用电阻率更小的铜来代替铝作为金属互连线。但由于铜互连线不能使用干刻蚀技术，所以主要通过化学机械研磨(CMP)技术来去除多余的铜，以形成导线。
在化学机械研磨技术中，晶圆通过晶圆承载结构(polish head)被压在盛有研磨液(slurry)的抛光垫上。晶圆在压力、相对速度、温度等可控的条件下相对抛光垫运动。研磨液中的化学物质氧化和刻蚀晶圆表面，而研磨液中悬浮的颗粒通过机械方式对晶圆表面进行研磨。在这两种方式的共同作用下去除晶圆表面的物质，获得所需的平坦表面。
大马士革铜互连技术，工艺如下：先在衬底上沉积介质层，再刻蚀介质层形成通孔或沟槽，在通孔或沟槽内溅射淀积金属势垒层和铜的籽晶层，利用电镀工艺进行通孔或沟槽的填充淀积，形成金属层，最后通过化学机械平坦化方式去除介质层上的金属层，形成铜互连。
在电镀形成铜层的过程中，通孔或沟槽上的铜层和介质层上的铜层会存在明显的高度差，在化学机械研磨去除介质层上的铜层中也会对通孔或沟槽内的铜层有一定的去除速度。在介质层上的铜层去除干净时，通孔或沟槽内的铜层也会有一定量被去除。在对介质层上铜层进行化学机械研磨后铜层和介质层存在高度差，使得铜互连存在碟形缺陷(Dishing Defect)，在大线宽尺寸的铜互连中所述碟形凹陷尤其明显。
所述碟形凹陷在后续铜互连的制作过程易造成刻蚀停止层的残留，影响器件的性能，现以两层铜互连线的大马士革制造技术为例，介绍碟形缺陷影响后一金属层化学机械研磨后出现阻挡层残留的形成过程。
如图1a所示，在衬底100上依次沉积第一刻蚀停止层200和第一介质层201，采用大马士革工艺形成第一铜互连202，所述第一铜互连202与第一介质层201之间存在高度差h1；即上述结构表面呈碟形凹陷。
如图1b所示，在上述结构表面沉积第二刻蚀停止层300和第二介质层301，上述第一铜互连碟形凹陷被保持下来，在第二介质层301上也呈碟形凹陷。
如图1c所示，刻蚀第二介质层301和第二刻蚀停止层300停留在第一介质层201上，形成通孔或沟槽302。
如图1d所示，在上述结构表面沉积阻挡层303，采用化学电镀方法形成金属层304；所述阻挡层303的材料为钽或者钽化合物。
然后，化学机械研磨去除第二介质层301上的金属层304和阻挡层303，所述化学机械研磨分为两个阶段：第一阶段如图1e所示，去除第二介质层301上的金属层304，停止在阻挡层303上；第二阶段去除第二介质层301上的阻挡层303，停止在第二介质层301上，得到图1f所示的第二铜互连305。
但是在化学机械研磨的第二阶段后仍有阻挡层303残留，原因如下：在第一铜互连202上制造第二铜互连305时，第一铜互连202存在碟形凹陷，在上述结构表面依次沉积第二刻蚀停止层300和第二介质层301，在第二介质层淀积过程中，保持上述形貌即在第二介质层301上仍存在碟形凹陷。然而在采用大马士革工艺形成第二铜互连305时，采用化学机械研磨去除第二介质层301上的金属层304和阻挡层303，凹陷处的阻挡层303将难以被去除，最终会造成阻挡层303残留。
残留的阻挡层303在后续铜互连的制作中，降低了刻蚀停止层与介质层的粘黏性，在后续刻蚀工艺中易造成刻蚀停止层剥落，同时残留的阻挡层影响晶圆的电学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种去除铜互连中阻挡层残留的方法，以提高刻蚀停止层与介质层的粘黏性，降低刻蚀停止层剥落，提高晶圆的电学性能。
本发明的技术解决方案是一种去除铜互连中阻挡层残留的方法，包括以下步骤：
在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和第一介质层，采用大马士革工艺形成第一铜互连；
在上述结构表面依次沉积第二刻蚀停止层和第二介质层；
形成贯穿第二介质层和第二刻蚀停止层的通孔或沟槽；
在上述结构表面沉积阻挡层，采用化学电镀方法形成金属层；
化学机械研磨去除第二介质层上的金属层；
刻蚀去除第二介质层上的阻挡层，形成第二铜互连。
作为优选：所述化学机械研磨去除第二介质层上的金属层的步骤中还包括采用柠檬酸溶液进行表面清洗，采用旋转式甩干方法进行干燥。
作为优选：所述刻蚀去除第二介质层上的阻挡层的步骤还包括采用柠檬酸溶液进行表面清洗，采用旋转式甩干方法进行干燥。
所述柠檬酸溶液的体积比为50∶1-100∶1。
作为优选：所述刻蚀去除第二介质层上的阻挡层采用XeF2气体各向异性干法刻蚀。
作为优选：所述各向异性干法刻蚀阻挡层对介质层的刻蚀选择比为50∶1-80∶1。
作为优选：所述第一铜互连表面存在凹陷，所述凹陷的深度大于50纳米。
作为优选：所述阻挡层的材料为钽或者钽化合物。
作为优选：所述阻挡层的厚度为100埃-300埃。
作为优选：所述第一刻蚀停止层的材料为氮化硅，所述第一介质层的材料为氧化硅。
作为优选：所述第二刻蚀停止层的材料为氮化硅，第二介质层的材料为氧化硅。
与现有技术相比，本发明利用阻挡层对介质层的高刻蚀选择比，采用各向异性干法刻蚀完全去除阻挡层，使得存在碟形凹陷的铜互连上做后续的铜互连时不会存在阻挡层残留，提高了刻蚀停止层与介质层的粘黏性，刻蚀停止层在后续刻蚀工艺中不易剥落，同时提高晶圆的电学性能。
附图说明
图1a-1f是现有技术碟形凹陷造成刻蚀停止层残留的制作过程中各个工艺步骤的剖面图。
图2是本发明去除铜互连中阻挡层残留的方法的制作流程图。
图3a-3f是本发明去除铜互连中阻挡层残留的方法制作过程中各个工艺步骤的剖面图。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图2示出了本发明去除铜互连中阻挡层残留的方法的制作流程图。
请参阅图2所示，在本实施例中，一种去除铜互连中阻挡层残留的方法，包括以下步骤：
在步骤401中，如图3a所示，在衬底100上依次沉积第一刻蚀停止层200和第一介质层201，采用大马士革工艺形成第一铜互连202，所述第一铜互连202与第一介质层201之间存在高度差h1，即第一铜互连表面存在碟形凹陷，所述高度差h1是指第一铜互连202表面碟形凹陷的最大深度。所述第一铜互连与第一介质层之间存在的高度差h1大于50纳米。所述第一刻蚀停止层200的材料为氮化硅，所述第一介质层201的材料为氧化硅；
在步骤402中，如图3b所示，在上述结构表面依次沉积第二刻蚀停止层300和第二介质层301，第一铜互连202碟形凹陷被保持下来，在第二介质层301上也呈碟形凹陷，该碟形凹陷的最大深度为h1，h1大于50纳米。所述第二刻蚀停止层300的材料为氮化硅，所述第二介质层301的材料为氧化硅；
在步骤403中，如图3c所示，刻蚀第二介质层301和第二刻蚀停止层300停留在第一介质层201，形成通孔或沟槽302，所述通孔或沟槽也可以贯穿第二介质层301和第二刻蚀停止层300连通第一铜互连202；
在步骤404中，如图3d所示，在上述结构表面沉积阻挡层303，采用化学电镀方法形成金属层304，所述阻挡层303的材料为钽或者钽化合物，所述阻挡层303的厚度为100埃-300埃；
在步骤405中，如图3e所示，化学机械研磨去除第二介质层301上的金属层304；所述化学机械研磨去除第二介质层301上的金属层304的步骤中还包括采用柠檬酸溶液进行表面清洗，采用旋转式甩干方法进行干燥，所述柠檬酸溶液的体积比为50∶1-100∶1。
在步骤406中，如图3f所示，刻蚀去除第二介质层301上的阻挡层303，形成第二铜互连305，所述刻蚀去除第二介质层301上的阻挡层303采用XeF2气体各向异性干法刻蚀，所述各向异性干法刻蚀阻挡层对第二介质层的刻蚀选择比为50∶1-80∶1。所述刻蚀去除第二介质层301上的阻挡层303的步骤还包括采用柠檬酸溶液进行表面清洗，采用旋转式甩干方法进行干燥，所述柠檬酸溶液的体积比为50∶1-100∶1。
本发明利用阻挡层对介质层的高刻蚀选择比，采用各向异性干法刻蚀完全去除阻挡层，使得存在碟形凹陷的铜互连上做后续的铜互连不存在阻挡层残留，提高了刻蚀停止层与介质层的粘黏性，降低了刻蚀停止层在后续刻蚀工艺中剥落，同时提高了晶圆的电学性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次沉积第一刻蚀停止层和第一介质层，采用大马士革工艺形成第一铜互连；
在上述结构表面依次沉积第二刻蚀停止层和第二介质层；
形成贯穿第二介质层和第二刻蚀停止层的通孔或沟槽；
在上述结构表面沉积阻挡层，采用化学电镀方法形成金属层；
化学机械研磨去除第二介质层上的金属层；
刻蚀去除第二介质层上的阻挡层，形成第二铜互连。
2.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述化学机械研磨去除第二介质层上的金属层的步骤中还包括采用柠檬酸溶液进行表面清洗，采用旋转式甩干方法进行干燥。
3.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述刻蚀去除第二介质层上的阻挡层的步骤还包括采用柠檬酸溶液进行表面清洗，采用旋转式甩干方法进行干燥。
4.根据权利要求2或3所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述柠檬酸溶液的体积比为50∶1-100∶1。
5.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述刻蚀去除第二介质层上的阻挡层采用XeF2气体各向异性干法刻蚀。
6.根据权利要求5所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述各向异性干法刻蚀阻挡层对第二介质层的刻蚀选择比为50∶1-80∶1。
7.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述第一铜互连表面存在凹陷，所述凹陷的深度大于50纳米。
8.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述阻挡层的材料为钽或者钽化合物。
9.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述阻挡层的厚度为100埃-300埃。
10.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述第一刻蚀停止层的材料为氮化硅，所述第一介质层的材料为氧化硅。
11.根据权利要求1所述的去除铜互连中阻挡层残留的方法，其特征在于：所述第二刻蚀停止层的材料为氮化硅，所述第二介质层的材料为氧化硅。
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