CN103515295B

CN103515295B - 通孔的处理方法

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Publication number: CN103515295B
Application number: CN201210214164.5A
Authority: CN
Inventors: 刘焕新; 袁竹根; 胡春周
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: CN103515295A

Abstract

一种通孔的处理方法，包括：提供通孔，所述通孔用作金属互连，其形成在层间介质层及位于层间介质层上的氮化钛层内，所述通孔由干法刻蚀形成；利用EKC溶液清洗所述通孔；在EKC溶液清洗后，利用臭氧去离子水回刻所述通孔边缘的氮化钛层，以将所述通孔的开口拓宽；在进行所述回刻后，利用HF酸清洗所述通孔。由于采用臭氧去离子水溶液把所述通孔的开口拓宽，避免了原来EKC和具有氧化性双氧水混合的处理方式中发生的PH值突然降低而引起的双氧水对下层铜的氧化带来的损害。本发明的整个处理方法效果稳定，工艺可控，不容易带来不良效果。

Description

通孔的处理方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺制程领域，尤其涉及一种改善金属互连结构性能的方法。

背景技术

随着超大规模集成电路（ULSI）的发展，半导体器件的特征尺寸不断缩小，线宽变窄，导致互连线之间阻容耦合增大，从而使得信号传送延时、干扰噪声增强和功率耗散增大，器件频率受到抑制。这些问题，已经成为发展高速、高密度、低功耗和多功能集成电路的瓶颈。采用低介电常数（Low k）介质材料或超低介电常数（U Low k）介质材料代替传统SiO₂介质（k≈4）作为层间介质材料是降低互连延迟、串扰和能耗的重要手段。

而Low k介质材料（k为3.0~2.5）或者U Low k介质材料（k小于2.0）一般为有机材料或者多孔介质材料，其机械强度较小，作为层间介质层会在层间介质层中的开口两侧往两边凹陷进去，如图1所示，在半导体衬底300上形成有Low k介质材料或者U Low k介质材料构成的层间介质层100，层间介质层100上形成有作为硬掩膜层的氮化钛层120。在氮化钛层120和层间介质层100中刻蚀形成有若干开口，图中以其中一个开口40为例来诠释。如图1中所示，在层间介质层100中的开口40的两壁分别朝两侧凹陷进去，使得开口40呈现两头小，中间大的形状。若开口40为接触孔或者通孔，需要在开口40中填充金属阻挡层，再填充铜。在关键尺寸缩小到很小以后，在开口40中沉积金属阻挡层125时会发生如图2所示的现象：金属阻挡层125在开口40的顶端会发生两边的金属阻挡层125进一步缩小开口40的顶端，严重时甚至会发生两端的金属阻挡层125会桥连（over-hang）在一起的情况。这样阻碍了后续金属铜的填充效果，最终对器件的性能带来非常不好的影响。

为了解决这个问题，现有的方式是通过在湿法刻蚀的溶液里进行“拉后”（pull-back）处理，所述pull-back的处理是把开口40顶上的氮化钛层120往两端退后几纳米，如图3所示。这样，在形成金属阻挡层125时，开口40的顶端就不会出现桥连（over-hang）的现象了，如图4所示。对于前述结构来说，所述“拉后”（pull-back）的方式为利用杜邦公司售出的先进半导体铜制程方面所用的蚀刻后残余物清洗液EKC和双氧水的混合溶液进行。这样的方法中，不需要增加别的试剂和工艺，EKC溶液能够提供双氧水去除氮化钛所需要的较高PH值的环境，去除开口40处在前面刻蚀过程中产生的聚合物（polymer）和上述“拉后”（pull-back）处理可以同时进行。可是，在实际生产过程中前述方法的效果并不稳定。

发明内容

发明人发现，上述问题出现的原因在于：双氧水和EKC溶液混合一段时间后，PH值会突然降低很多，使得双氧水刻蚀氮化钛层的效果变差。更为严重的是，在PH值降低后的双氧水和EKC溶液混合液的环境中，双氧水会把下层层间介质层中暴露出来的铜给氧化掉生成氧化铜，并且很快的反应掉大部分甚至全部的下层层间介质层中的铜，严重影响器件的性能，也为整个工艺过程带来较大的成本损失。

本发明的目的是提供一种作为金属互连的通孔的处理方法，使得其后续填充金属的效果更好。

为实现上述目的，本发明提供一种通孔的处理方法，包括：

提供通孔，所述通孔用作金属互连，其形成在层间介质层及位于层间介质层上的氮化钛层内，所述通孔由干法刻蚀形成；

利用EKC溶液清洗所述通孔；

在EKC溶液清洗后，利用臭氧去离子水回刻所述通孔边缘的氮化钛层，以将所述通孔的开口拓宽；

在进行所述回刻后，利用HF酸清洗所述通孔。

可选的，所述利用HF酸清洗通孔后，在所述通孔内形成金属阻挡层，然后填充入铜。

可选的，所述利用EKC溶液清洗所述通孔的步骤包括：将所述通孔在温度25~40℃下浸泡在所述EKC溶液中2分钟，然后利用去离子水清洗，再在氮气环境下干燥。

可选的，所述EKC溶液为杜邦EKC575溶液。

可选的，所述层间介质层为低K介质材料层或超低K介质材料层。

可选的，所述通孔的孔径小于等于45nm。

可选的，所述层间介质层形成在下层金属层上，所述下层金属层中具有铜互连结构，所述通孔暴露出下一层金属层中的铜互连结构。

可选的，所述臭氧去离子水中臭氧在室温下的含量为35ppm~85ppm。

可选的，所述HF酸清洗所述通孔的步骤在室温下进行，所述HF酸由质量比浓度为49%的HF水溶液和去离子水以1:1000的体积比混合而成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于采用臭氧去离子水把所述通孔的开口拓宽，臭氧去离子水溶液对氮化钛层的刻蚀与PH值环境无关，不需要EKC溶液提供较高的PH值环境，也避免了EKC和具有氧化性双氧水混合发生的PH值突然降低的现象，从而避免了双氧水对下层铜的氧化带来的损害。整个处理方法效果稳定，工艺可控，不容易带来不良效果。

附图说明

图1为低K层间介质层中的开口的结构示意图；

图2为图1中的结构形成金属阻挡层后开口被缩小的示意图；

图3、图4为通过“拉后”（pull-back）的方式解决图2所示的问题的示意图；

图5为本发明实施例中的方法所处理的半导体结构的示意图；

图6至图8为本发明的实施例中对所述半导体结构的处理的示意图；

图9为在经过图6至图8的处理后的半导体结构上形成金属阻挡层的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

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。

提供如图5所示的半导体结构，其包括下层金属互连层中的下层层间介质层100和下层金属层250，还包括上层金属互连层中的层间介质层110、层间介质层110上的氮化钛层120，以及通过干法刻蚀在氮化钛层120以及层间介质层110中形成的通孔40，通孔40连通至下层金属层250，故在通孔40的底部部分暴露所述下层金属层250。所述下层金属层250为铜。通孔40下半部还堆积有干法刻蚀产生的聚合物（polymer）20。

图6所示为本发明中对所述半导体结构的处理，其包括：

步骤S1：利用杜邦EKC溶液清洗所述通孔；

这里的EKC溶液为杜邦公司生产的先进半导体铜制程方面所用的蚀刻后残余物清洗液，其具有较好的去除聚合物（polymer）20的效果。EKC溶液主要是由以胺类为主的剥除剂（amine-based stripper）、有机溶剂、抑制腐蚀剂（corrosion inhibitor）和水所组成，这里的胺类主要是羟胺（hydroxylamine，HDA）。在本实施例中采用EKC-575去除聚合物（polymer）20。具体操作为：将所述通孔40在温度25~40℃下浸泡在EKC-575溶液中2min，然后利用去离子水清洗以去除残留的EKC-575溶液，再在氮气环境下干燥。这样处理后的效果如图7所示，通孔40下半部堆积的聚合物（polymer）20（参图5）被去除，通孔40底部完全暴露出下层金属层250的铜。

步骤S2：利用臭氧去离子水回刻所述通孔边缘的氮化钛层，以将所述通孔的开口拓宽；

利用臭氧去离子水（DIO₃）对氮化钛层120进行“拉后”（pull-back）处理，效果如图8中所示，通孔40开口两侧处的氮化钛层120各自向两边拓宽一些。优选的，DIO₃中臭氧的含量为35ppm~85ppm。在本实施例中，通孔40的径宽为45nm及其以下规格，需要把通孔40顶端的氮化钛层120“拉后”（pull-back）进2nm，采用臭氧含量为85ppm的DIO₃。氮化钛层120去除速率为9.1A/min，即经过2min可以实现“拉后”（pull-back）的工艺目标。

步骤S3：利用HF酸清洗所述通孔。

在步骤S2中，臭氧去离子水依然对通孔40的底部部分暴露的所述下层金属层250有些微的氧化作用，但是DIO₃对铜的氧化速率非常的慢，远远不及EKC和双氧水混合溶液的对铜的氧化速率，其只在铜的表面生成很薄的一层氧化铜。这一薄层氧化铜可以采用HF酸清洗。

本步骤中采用的HF酸为稀释的HF去离子水溶液（质量浓度为49%的HF溶液和去离子水的体积比为1:1000），所述HF酸清洗所述通孔在室温下进行。

经过步骤S1到步骤S3的处理，通孔40底部暴露的下层金属层250也没有被氧化产生的氧化铜和刻蚀产生的聚合物（polymer）覆盖而影响后续工艺中形成金属层的连通效果。在氮化钛层120、层间介质层110和其中的开口上形成金属阻挡层也不会发生桥连（over-hang）的问题，如图9所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种通孔的处理方法，其特征在于，包括：

利用杜邦EKC575溶液清洗所述通孔；

在杜邦EKC575溶液清洗后，利用臭氧去离子水回刻所述通孔边缘的氮化钛层，以将所述通孔的开口拓宽；

在进行所述回刻后，利用HF酸清洗所述通孔。

2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述利用HF酸清洗通孔后，在所述通孔内形成金属阻挡层，然后填充入铜。

3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述利用杜邦EKC575溶液清洗所述通孔的步骤包括：将所述通孔在温度25～40℃下浸泡在所述杜邦EKC575溶液中2分钟，然后利用去离子水清洗，再在氮气环境下干燥。

4.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述层间介质层为低K介质材料层或超低K介质材料层。

5.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述通孔的孔径小于等于45nm。

6.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述层间介质层形成在下层金属层上，所述下层金属层中具有铜互连结构，所述通孔暴露出下一层金属层中的铜互连结构。

7.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述臭氧去离子水中臭氧在室温下的含量为35ppm～85ppm。

8.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述HF酸清洗所述通孔的步骤在室温下进行，所述HF酸由质量比浓度为49％的HF水溶液和去离子水以1:1000的体积比混合而成。