CN103545163A - 具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法，包括：将半导体结构置于等离子体处理腔室内，通入第一气体，其包括轰击气体，使第一气体产生第一等离子体，利用第一等离子体对半导体结构进行脱氟处理或脱氯处理；通入第二气体，使其产生第二等离子体，利用第二等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。通过脱氟处理或脱氯处理，防止氟残留或氯残留与半导体结构中的相应层发生反应，阻止半导体结构受到腐蚀。考虑到进行脱氟处理或脱氯处理之后半导体结构中可能会存在少量氯残留或氟残留，可对半导体结构进行表面钝化处理以在半导体结构表面形成钝化层，防止具有氟残留或氯残留的半导体结构与水分接触，进而避免了在半导体结构中形成晶体缺陷。

Description

具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域，特别是涉及一种具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法。
背景技术
在半导体刻蚀工艺中常常会利用一些含氟的刻蚀气体或含氯的刻蚀气体，含氟气体会电离出氟离子（F-），含氯气体会电离出氯离子（Cl-），氟离子及氯离子会与半导体结构中的相应层发生反应从而达到刻蚀的目的。刻蚀完成之后，半导体结构中会有氟残留或氯残留，所述氟残留或氯残留会给半导体结构带来诸多不利的影响：如腐蚀半导体结构、在半导体结构表面形成晶体缺陷（crystal defect）等等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是对具有氟残留或氯残留的半导体结构进行处理，以消除氟残留或氯残留给半导体结构带来的不利影响。
为解决上述问题，本发明提供了一种具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法，包括：
将半导体结构置于等离子体处理腔室内，向等离子体处理腔室中通入第一气体，所述第一气体包括轰击气体，使所述第一气体产生第一等离子体，利用所述第一等离子体对半导体结构进行脱氟处理或脱氯处理；
进行所述脱氟处理或脱氯处理之后，向等离子体处理腔室中通入第二气体，使所述第二气体产生第二等离子体，利用所述第二等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。
可选地，所述轰击气体包括Ar。
可选地，所述脱氟处理或脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
可选地，所述第一气体还包括反应气体，所述反应气体包括H2。
可选地，所述脱氟处理或脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，H2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
可选地，所述第二气体包括CH4及N2。
可选地，所述表面钝化处理的工艺参数包括：CH4的流量为20sccm～500sccm，N2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
可选地，所述半导体结构包括暴露在所述第一等离子体及第二等离子体下的铝垫。
可选地，所述半导体结构包括暴露在所述第一等离子体及第二等离子体下的铝垫，利用CH4及N2进行所述表面钝化处理之前，向等离子体处理腔室中通入O2，使O2产生等离子体，利用由O2产生的等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。
可选地，利用由O2产生的等离子体对半导体结构进行表面钝化处理的工艺参数包括：O2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
可选地，所述半导体结构包括暴露在所述第一等离子体及第二等离子体下的图形化氮化钛层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法包括：将半导体结构置于等离子体处理腔室内，向等离子体处理腔室中通入第一气体，第一气体包括轰击气体，使第一气体产生第一等离子体，利用第一等离子体对半导体结构进行脱氟处理或脱氯处理；然后，向等离子体处理腔室中通入第二气体，使第二气体产生第二等离子体，利用第二等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。通过脱氟处理或脱氯处理，防止氟残留或氯残留与半导体结构中的相应层发生反应，阻止半导体结构受到腐蚀。考虑到进行脱氟处理或脱氯处理之后半导体结构中可能会存在少量氯残留或氟残留，可对半导体结构进行表面钝化处理以在半导体结构表面形成钝化层，防止具有氟残留或氯残留的半导体结构与水分接触，进而避免了在半导体结构中形成晶体缺陷。
附图说明
图1是本发明中对具有氟残留或氯残留的半导体结构进行处理的流程图；
图2是本发明的一个实施方式中一种半导体结构的剖视图；
图3是本发明的另一个实施方式中一种半导体结构的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分，而不是其全部。根据这些实施例，本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式，都属于本发明的保护范围。
图1是本发明中对具有氟残留或氯残留的半导体结构进行处理的流程图，如图1所示，具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法包括：
步骤S1：将半导体结构置于等离子体处理腔室内，向等离子体处理腔室中通入第一气体，第一气体包括轰击气体，使第一气体产生第一等离子体，利用第一等离子体对半导体结构进行脱氟处理或脱氯处理；
步骤S2：向等离子体处理腔室中通入第二气体，使第二气体产生第二等离子体，利用第二等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。
下面结合两个具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
实施方式一
如图2所示，半导体结构10包括半导体衬底11、形成在半导体衬底11上的介电层12、形成在介电层12上的图形化金属层13及形成在图形化金属层13和介电层12上的钝化层（passivation layer）14，图形化金属层13用作焊盘（bonding pad），钝化层14中具有暴露出部分图形化金属层13的开口141。
在一个实施例中，图形化金属层13的材料包括铝或铝铜合金，称这种图形化金属层13为铝垫（Al pad）。在介电层12上形成铝垫13时，首先在介电层12上形成一层铝层（未图示），然后，在铝层上形成图形化光刻胶层，接着，利用干法刻蚀去除未被图形化光刻胶层覆盖的铝层，形成图形化的铝层，即为铝垫13。铝层的刻蚀气体通常为含氯气体，如BCl3、CCl4、SiCl4、Cl2，之所以选择含氯气体作为铝层的刻蚀气体是因为其刻蚀产物为挥发性气体，容易从刻蚀腔室中抽走。然而，刻蚀形成铝垫13之后，铝垫13中会有氯残留16。
钝化层14的材料通常为氧化硅，在钝化层14中形成开口141时，首先，在钝化层14上形成图形化光刻胶层，接着，利用干法刻蚀去除未被图形化光刻胶层覆盖的钝化层14。钝化层14的刻蚀气体通常为含氟气体，如CF4、SF6，之所以选择含氟气体作为钝化层14的刻蚀气体是因为其具有良好的刻蚀选择比及各向异性性能。然而，刻蚀形成暴露出部分铝垫13的开口141之后，铝垫13中会有氟残留17。
氯残留16会与铝垫13发生反应并生成AlCl3，当铝垫13与水分接触时，会发生以下的自循环反应：化学反应（1）的生成物Al(OH)3会分解成Al2O3及H2O，从而在铝垫13表面形成晶体缺陷（crystal defect），这种晶体缺陷的主要成分是Al2O3·nH2O，影响了铝垫13的焊接性能，另外，化学反应（1）的生成物HCl能与铝垫13发生反应，以致铝垫13受到腐蚀；化学反应（2）的生成物AlCl3又可以作为反应物继续与水发生化学反应（1），如此循环反应。
AlCl3+3H2O→Al(OH)3+3HCl（1）
2Al+6HCl→2AlCl3+3H2（2）
氟残留17会与铝垫13发生反应并生成AlF3，当铝垫13与水分接触时，会发生以下的自循环反应：化学反应（3）的生成物Al(OH)3会分解成Al2O3及H2O，从而在铝垫13表面形成晶体缺陷（crystal defect），这种晶体缺陷的主要成分是Al2O3·nH2O，影响了铝垫13的焊接性能，另外，化学反应（3）的生成物HF能与铝垫13发生反应，以致铝垫13受到腐蚀；化学反应（4）的生成物AlF3又可以作为反应物继续与水发生化学反应（3），如此循环反应。
AlF3+3H2O→Al(OH)3+3HF（3）
2Al+6HF→2AlF3+3H2（4）
为消除氯残留16及氟残留17给铝垫13带来上述的不利影响，需去除铝垫13中的氯残留16及氟残留17。
为去除半导体结构10中的氯残留16及氟残留17，将半导体结构10置于等离子体处理腔室（未图示）内，然后，向等离子体处理腔室中通入第一气体，使第一气体产生第一等离子体，在第一等离子体的作用下，对半导体结构10进行脱氟处理及脱氯处理。对半导体结构10进行脱氟处理及脱氯处理的机理是：第一气体包含一种或多种（两种或以上）气体，且第一气体至少包含一种轰击气体，所述轰击气体不能与氯残留16及氟残留17发生反应，当轰击气体被等离子体化之后，产生的等离子体可对氯残留16及氟残留17进行物理轰击，以将氯残留16及氟残留17从暴露在第一等离子体下的铝垫13中去除。当轰击气体的相对分子质量较大时，脱氟处理及脱氯处理的效果更好。在一个实施例中，所述轰击气体包括Ar。在其它实施例中，所述轰击气体可包括其它不能与氯残留16及氟残留17发生反应并能对氯残留16及氟残留17进行物理轰击的气体。
除了需包括轰击气体之外，所述第一气体还可包括反应气体，所述反应气体可与氯残留16发生反应，并生成一种容易被所述轰击气体去除的含氯分子，同时，所述反应气体可与氟残留17发生反应，并生成一种容易被所述轰击气体去除的含氟分子。在一个实施例中，所述反应气体包括H2，这样，反应气体可与氯残留16发生反应并生成HCl，同时，反应气体可与氟残留17发生反应并生成HF，HCl及HF很容易被所述轰击气体去除。在其它实施例中，所述反应气体还可包括其它能与氯残留16及氟残留17发生反应的气体。
在一个实施例中，所述第一气体包括Ar，所述脱氟处理及脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
在另一实施例中，所述第一气体包括Ar及H2，所述脱氟处理及脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，H2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
如前所述，当具有氯残留16或氟残留17的铝垫13与水分接触时，铝垫13的表面会形成晶体缺陷，考虑到进行所述脱氟处理或脱氯处理之后半导体结构10中可能会存在少量氯残留16或氟残留17，为防止铝垫13与水分接触，可对半导体结构10进行表面钝化处理。对半导体结构10进行表面钝化处理的机理是：向等离子体处理腔室中通入第二气体，使第二气体产生第二等离子体，第二等离子体与暴露在第二等离子体下的铝垫13发生反应并在铝垫13表面形成钝化层，防止铝垫13与水分接触。
在一个实施例中，所述第二气体包括CH4及N2。由CH4及N2产生的等离子体可在铝垫13表面形成一层碳氮钝化层，所述碳氮钝化层可防止铝垫13与水分接触。利用CH4及N2进行所述表面钝化处理的工艺参数包括：CH4的流量为20sccm～500sccm，N2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
在另一个实施例中，利用CH4及N2进行所述表面钝化处理之前，可向等离子体处理腔室中通入O2，由O2产生的等离子体可对铝垫13进行氧化处理，以在铝垫13表面形成氧化膜，所述氧化膜相当于一层钝化层，可防止铝垫13与水分接触。经过两次表面钝化处理之后，铝垫13表面能形成更为致密的钝化层，减小了铝垫13与水分接触的概率。利用O2进行所述表面钝化处理的工艺参数包括：O2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
需说明的是，当本实施例中的铝垫以其它结构形式存在于半导体结构中时，也可利用上述方法对具有氟残留或氯残留的半导体结构进行处理，以去除半导体结构中的氟残留或氯残留，并在铝垫表面形成钝化层，防止具有氟残留或氯残留的铝垫与水分接触。
实施方式二
如图3所示，半导体结构20包括：半导体衬底21、形成在半导体衬底21上的介电层22及形成在介电层22上的图形化氮化钛层23，图形化氮化钛层23中形成有开口231，介电层22中形成有沟槽221及与沟槽221连通的通孔222。半导体结构20实际上是一种在制作大马士革结构过程中的结构，图形化氮化钛层23用作金属硬掩模（metal hard mask）以定义介电层22中沟槽221的位置。
在介电层22上形成图形化氮化钛层23时，首先在介电层22上形成一层氮化钛层（未图示），然后，在氮化钛层上形成图形化光刻胶层，接着，利用干法刻蚀去除未被图形化光刻胶层覆盖的氮化钛层，形成图形化氮化钛层23,图形化氮化钛层23中形成有开口231。氮化钛层的刻蚀气体通常为含氯气体及含氟气体，如BCl3、Cl2、CHF3，之所以选择含氯气体及含氟气体作为氮化钛层的刻蚀气体是因为其刻蚀产物为挥发性气体，容易从刻蚀腔室中抽走，且具有良好的刻蚀选择比及各向异性性能。然而，刻蚀形成图形化氮化钛层23之后，图形化氮化钛层23中会有氯残留24及氟残留25。
在介电层22中形成沟槽221时，以图形化氮化钛层23为掩模，利用干法刻蚀去除未被图形化氮化钛层23覆盖的介电层22，以在介电层22中形成沟槽221。介电层22的刻蚀气体通常为含氟气体，如CF4，之所以选择含氟气体作为介电层的刻蚀气体是因为其具有良好的刻蚀选择比及各向异性性能。然而，刻蚀形成沟槽221之后，图形化氮化钛层23中会有氟残留25。
当具有氯残留24及氟残留25的图形化氮化钛层23与水分接触时，会在图形化氮化钛层23表面形成晶体缺陷（crystal defect），这种晶体缺陷为颗粒状物质，且所述颗粒状物质会不断生长，影响了产品的良率及可靠性。
为消除氯残留24及氟残留25给半导体结构20带来上述的不利影响，需去除半导体结构20中的氯残留24及氟残留25。
为去除半导体结构20中的氯残留24及氟残留25，将半导体结构20置于等离子体处理腔室（未图示）内，然后，向等离子体处理腔室中通入第一气体，使第一气体产生第一等离子体，在第一等离子体的作用下，对半导体结构20进行脱氟处理及脱氯处理。对半导体结构20进行脱氟处理及脱氯处理的机理是：第一气体包含一种或多种（两种或以上）气体，且第一气体至少包含一种轰击气体，所述轰击气体不能与氯残留24及氟残留25发生反应，当轰击气体被等离子体化之后，产生的等离子体可对氯残留24及氟残留25进行物理轰击，以将氯残留24及氟残留25从暴露在第一等离子体下的图形化氮化钛层23中去除。当轰击气体的相对分子质量较大时，脱氟处理及脱氯处理的效果更好。在一个实施例中，所述轰击气体包括Ar。在其它实施例中，所述轰击气体可包括其它不能与氯残留24及氟残留25发生反应并能对氯残留24及氟残留25进行轰击的气体。
除了需包括轰击气体之外，所述第一气体还可包括反应气体，所述反应气体可与氯残留24发生反应，并生成一种容易被所述轰击气体去除的含氯分子，同时，所述反应气体可与氟残留25发生反应，并生成一种容易被所述轰击气体去除的含氟分子。在一个实施例中，所述反应气体为H2，这样，反应气体可与氯残留24发生反应并生成HCl，同时，反应气体可与氟残留25发生反应并生成HF，HCl及HF很容易被所述轰击气体去除。在其它实施例中，所述反应气体还可包括其它能与氯残留24及氟残留25发生反应的气体。
在一个实施例中，所述第一气体包括Ar，所述脱氟处理及脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
在另一实施例中，所述第一气体包括Ar及H2，所述脱氟处理及脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，H2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
如前所述，当具有氯残留24或氟残留25的图形化氮化钛层23暴露在水分中时，图形化氮化钛层23的表面会形成不断生长的颗粒状物质，考虑到进行所述脱氟处理或脱氯处理之后半导体结构20中可能会存在少量氯残留24或氟残留25，为防止图形化氮化钛层23与水分接触，可对半导体结构20进行表面钝化处理。对半导体结构20进行表面钝化处理的机理是：向等离子体处理腔室中通入第二气体，使第二气体产生第二等离子体，第二等离子体与暴露在第二等离子体下的图形化氮化钛层23发生反应并在图形化氮化钛层23表面形成钝化层，防止图形化氮化钛层23与水分接触。
在一个实施例中，所述第二气体包括CH4及N2。由CH4及N2产生的等离子体可在图形化氮化钛层23表面形成一层碳氮钝化层，所述碳氮钝化层可防止图形化氮化钛层23与水分接触。利用CH4及N2进行所述表面钝化处理的工艺参数包括：CH4的流量为20sccm～500sccm，N2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
需说明的是，当本实施例中的氮化钛层以其它结构形式存在于半导体结构中时，也可利用上述方法对具有氟残留或氯残留的半导体结构进行处理，以去除半导体结构中的氟残留或氯残留，并在氮化钛层表面形成钝化层，防止具有氟残留或氯残留的氮化钛层与水分接触。
需强调指出的是，本发明中所述具有氟残留和/或氯残留的半导体结构并不能仅仅局限于上述实施例所提到的半导体结构，只要半导体结构在制作过程中具有氟残留和/或氯残留，都可利用本发明对半导体结构进行处理，以去除半导体结构中的氟残留和/或氯残留，并在半导体结构的表面形成钝化层，防止具有氟残留和/或氯残留的半导体结构与水分接触，消除了氟残留和/或氯残留给半导体结构带来的不利影响。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法包括：将半导体结构置于等离子体处理腔室内，向等离子体处理腔室中通入第一气体，第一气体包括轰击气体，使第一气体产生第一等离子体，利用第一等离子体对半导体结构进行脱氟处理或脱氯处理；然后，向等离子体处理腔室中通入第二气体，使第二气体产生第二等离子体，利用第二等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。通过脱氟处理或脱氯处理，防止氟残留或氯残留与半导体结构中的相应层发生反应，阻止半导体结构受到腐蚀。考虑到进行脱氟处理或脱氯处理之后半导体结构中可能会存在少量氯残留或氟残留，可对半导体结构进行表面钝化处理以在半导体结构表面形成钝化层，防止具有氟残留或氯残留的半导体结构与水分接触，进而避免了在半导体结构中形成晶体缺陷。
上述通过实施例的说明，应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明，并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此，本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例，其保护范围应由所附的权利要求书来界定。

Claims (11)

1.一种具有氟残留或氯残留的半导体结构的处理方法，其特征在于，包括：
将半导体结构置于等离子体处理腔室内，向等离子体处理腔室中通入第一气体，所述第一气体包括轰击气体，使所述第一气体产生第一等离子体，利用所述第一等离子体对半导体结构进行脱氟处理或脱氯处理；
进行所述脱氟处理或脱氯处理之后，向等离子体处理腔室中通入第二气体，使所述第二气体产生第二等离子体，利用所述第二等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轰击气体包括Ar。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述脱氟处理或脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一气体还包括反应气体，所述反应气体包括H2。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述脱氟处理或脱氯处理的工艺参数包括：Ar的流量为20sccm～500sccm，H2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二气体包括CH4及N2。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述表面钝化处理的工艺参数包括：CH4的流量为20sccm～500sccm，N2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
8.根据权利要求2至7任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体结构包括暴露在所述第一等离子体及第二等离子体下的铝垫。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述半导体结构包括暴露在所述第一等离子体及第二等离子体下的铝垫，利用CH4及N2进行所述表面钝化处理之前，向等离子体处理腔室中通入O2，使O2产生等离子体，利用由O2产生的等离子体对半导体结构进行表面钝化处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，利用由O2产生的等离子体对半导体结构进行表面钝化处理的工艺参数包括：O2的流量为20sccm～500sccm，压强为5mTorr～200mTorr，功率为100W～1500W。
11.根据权利要求2至7任一项所述的方法，其特征在于，所述半导体结构包括暴露在所述第一等离子体及第二等离子体下的图形化氮化钛层。
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