CN103646921B - 双大马士革结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双大马士革结构的制造方法，其包括半导体结构上形成沟槽；形成沟槽两侧的通孔；刻蚀沟槽下低介电常数层的边缘，形成小尺寸斜面；刻蚀沟槽下的部分低介电常数层，并打开通孔，形成双大马士革结构，且使斜面尺寸变大。本发明通过预处理形成具有小尺寸斜面的低介电常数层边缘，随后进一步刻蚀以增大斜面尺寸，最终得到大尺寸斜面，本发明提高了双大马士革结构后续物理气相沉积（PVD）金属阻挡层（TaN、Ta）和铜籽晶层的沉积能力，并提高了半导体元器件的可靠性性能。

Description

双大马士革结构的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种双大马士革结构的制造方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，半导体器件特征尺寸越来越小，半导体后段铜制程取代了铝制程，低介电常数材质（如硅、氧、碳、氢元素组成的SiOCH的黑钻石（blackdiamond，BD）、氮掺杂的碳化硅（NdopedSiC，NDC）等）取代了传统氧化硅成为主流工艺。在铜双大马士革制备工艺中，由于低介电常数材质的多孔率、材质疏松等特性，使其内在击穿强度明显低于传统的氧化硅材质，其可靠性性能明显不及传统氧化硅。因此，对刻蚀低介电常数材质的双大马士革结构提出更高的要求。
研究表明，双大马士革结构的可靠性与斜面（Chamfer）的尺寸和形貌强相关。图1和图2是现有双大马士革结构中斜面的两种基本形貌。图1是圆弧型斜面91，这种刻蚀工艺需要较高的聚合物保护斜面的形貌，使其表面光滑，但所得斜面尺寸比较小，而且不利于后续PVD淀积金属阻挡层（TaN、Ta）和铜籽晶层。图2中的是斜边型斜面92，相对于圆弧型斜面，此种斜面能够获得相对较大的尺寸，且便于后续物理气相沉积（PVD）金属阻挡层（TaN、Ta）和铜籽晶层；但随着特征尺寸的减小，以及对工艺要求的不断提高，此斜面仍不足以完全符合工艺要求，以保证元器件的可靠性性能。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有大尺寸斜面（Chamfer）的双大马士革结构的制造方法，以提高后续物理气相沉积（PVD）金属阻挡层（TaN、Ta）和铜籽晶层的沉积能力，并提高半导体元器件的可靠性性能。
本发明提供一种双大马士革结构的制造方法，其包括以下步骤：
步骤S01，提供一半导体结构，其自下而上依次具有阻挡层、低介电常数层、金属掩膜层和顶层；
步骤S02，在该半导体结构之上依次涂覆第一抗反射层和第一光刻胶，图案化该第一光刻胶，以形成沟槽图形；
步骤S03，依次刻蚀去除该沟槽图形内的第一抗反射层、顶层、金属掩膜层和部分低介电常数层，之后去除该第一光刻胶，形成沟槽；
步骤S04，在步骤S03得到的半导体结构之上涂覆第二抗反射层和第二光刻胶，图形化该第二光刻胶，以形成沟槽两侧的通孔图形；
步骤S05，依次刻蚀去除该通孔图形内的第二抗反射层、顶层、金属掩膜层和部分低介电常数层，之后去除该第二光刻胶，形成沟槽两侧的通孔；
步骤S06，通过干法刻蚀，预处理该沟槽下低介电常数层的边缘，形成小尺寸斜面；
步骤S07，以金属掩膜层为掩膜，刻蚀沟槽下的部分低介电常数层，并打开通孔，形成双大马士革结构，且使斜面尺寸变大。
进一步地，步骤S07中刻蚀沟槽下的部分低介电常数层达到沟槽深度要求的30-70%，且步骤S07之后还包括：步骤S08，通过干法刻蚀，继续处理该沟槽下低介电常数层的斜面，使斜面尺寸继续变大；步骤S09，以金属掩膜层为掩膜，刻蚀沟槽下的部分低介电常数层以达到沟槽深度要求，使斜面尺寸进一步变大，并得到大尺寸斜面。
进一步地，步骤S06中干法刻蚀是使用含有CF4和Ar的混合气体。
进一步地，步骤S06所用的CF4流量为80-120标准立方厘米/分钟；所用的Ar流量为80-120标准立方厘米/分钟；在刻蚀反应腔体内进行的压力为50-80毫托；在刻蚀反应腔体内的时间为10-30秒；所用的高频功率为200-400瓦，低频功率为200-400瓦。
进一步地，步骤S08中干法刻蚀是使用含有CF4和Ar的混合气体。
进一步地，步骤S08所用的CF4流量为80-120标准立方厘米/分钟；所用的Ar流量为80-120标准立方厘米/分钟；在刻蚀反应腔体内进行的压力为50-80毫托；在刻蚀反应腔体内的时间为10-30秒；所用的高频功率为200-400瓦，低频功率为200-400瓦。
进一步地，步骤S03中是刻蚀去除1-20%厚度的低介电常数层。
进一步地，步骤S05中是刻蚀去除后保留10-30%厚度的低介电常数层。
进一步地，步骤S03、步骤S05、步骤S07和步骤S09的刻蚀介质是含有CXHY的气体。
进一步地，步骤S03的刻蚀介质含有C2H4，步骤S05的刻蚀介质含有C4F8和CH2F2，步骤S07的刻蚀介质含有C4F8，步骤S09的刻蚀介质含有CF4和C4F8。
进一步地，步骤S03的刻蚀介质还含有Cl2、O2、Ar，步骤S05的刻蚀介质还含有N2、Ar，步骤S07的刻蚀介质还含有O2、N2、Ar，步骤S09的刻蚀介质还含有Ar。
进一步地，该顶层是二氧化硅、该金属掩膜层是TiN，该低介电常数层是BD、该阻挡层是NDC，它们通过化学气相沉积或物理气相沉积依次沉积，该抗反射层的材质可以是BARC（BottomAnti-ReflectiveCoating，底部抗反射层）。
本发明提出了一种双大马士革结构的制造方法，通过预处理形成具有小尺寸斜面的低介电常数层边缘，随后进一步刻蚀以增大斜面尺寸，最终得到大尺寸斜面，本发明提高了双大马士革结构后续物理气相沉积（PVD）金属阻挡层（TaN、Ta）和铜籽晶层的沉积能力，并提高了半导体元器件的可靠性性能。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1是现有双大马士革结构中斜面的第一种基本形貌；
图2是现有双大马士革结构中斜面的第二种基本形貌；
图3a至3i是本发明第一实施例各步骤的结构示意图。
具体实施方式
第一实施例
请参阅图3a至图3i，本实施例的双大马士革结构的制造方法，其包括以下步骤。
步骤S01，提供一半导体结构，其自下而上依次通过化学气相沉积工艺（CVD）沉积NDC阻挡层11、BD低介电常数层12、TiN金属掩膜层13和二氧化硅顶层14，如图3a所示。
步骤S02，在该半导体结构之上依次涂覆第一抗反射层15和第一光刻胶16，图案化该第一光刻胶16，以形成沟槽图形，如图3a所示。
其中，该沟槽图形是朝与纸面相垂直的方向延伸的。
步骤S03，依次刻蚀去除该沟槽图形内的第一抗反射层15、顶层14、金属掩膜层13和10%厚度的低介电常数层12，之后去除该第一光刻胶16，形成沟槽2，如图3b所示。
其中，该沟槽2是朝与纸面相垂直的方向延伸的一段凹形槽。本步骤中，刻蚀介质选用50Cl2/20O2/10C2H4/200Ar（组分中数字代表体积份数，下同）。
步骤S04，在步骤S03得到的半导体结构之上涂覆第二抗反射层17和第二光刻胶18，图形化该第二光刻胶18，以形成沟槽两侧的通孔图形，如图3c所示。
其中，该通孔图形是图3c中从上而下延伸的。
步骤S05，依次刻蚀去除该通孔图形内的第二抗反射层17、顶层14、金属掩膜层13和部分低介电常数层12，保留20%厚度的低介电常数层12，之后去除该第二光刻胶18，形成沟槽两侧的通孔3，如图3d所示，图中虚线为沟槽2的底面。
本步骤中，刻蚀介质选用5C4F8/5CH2F2/300N2/300Ar。
其中，该通孔3是图3d中从上而下延伸的。图3e是沿图3d中A-A方向的剖面图，可以看到，步骤S05之后，沟槽2两侧为通孔3，露出了矩形的低介电常数层121。
步骤S06，通过使用含有CF4和Ar的混合气体进行干法刻蚀，预处理该沟槽2下低介电常数层121的边缘，形成小尺寸的第一斜面41，如图3f所示。
其中，本步骤中所用的CF4流量为100标准立方厘米/分钟；所用的Ar流量为100标准立方厘米/分钟；在刻蚀反应腔体内进行的压力为60毫托；在刻蚀反应腔体内的时间为20秒；所用的高频功率为300瓦，低频功率为300瓦。
步骤S07，以金属掩膜层13为掩膜，刻蚀沟槽2下的部分低介电常数层121，并打开通孔3，形成双大马士革结构，且使第一斜面41尺寸变大，形成第二斜面42，如图3g所示。
本步骤中，刻蚀介质选用50C4F8/25O2/100N2/1000Ar。
通过步骤S06形成的小尺寸斜面，在步骤S07中刻蚀整个低介电常数层121，包括刻蚀斜面，就可以使斜面尺寸变大。
本实施例中，为了进一步增大斜面的尺寸，以提高后续沉积能力，使器件可靠性更高，本实施例的步骤S07中刻蚀沟槽2下的部分低介电常数层121达到沟槽深度要求的50%，且步骤S07之后还包括：
步骤S08，通过使用含有CF4和Ar的混合气体进行干法刻蚀，继续处理该沟槽2下低介电常数层121的第二斜面42，使第二斜面42斜率增加，尺寸继续变大，形成第三斜面43，如图3h所示；
其中，本步骤中所用的CF4流量为100标准立方厘米/分钟；所用的Ar流量为100标准立方厘米/分钟；在刻蚀反应腔体内进行的压力为60毫托；在刻蚀反应腔体内的时间为20秒；所用的高频功率为300瓦，低频功率为300瓦。
步骤S09，以金属掩膜层13为掩膜，刻蚀沟槽2下的部分低介电常数层121以达到沟槽深度要求，使第三斜面43的斜率进一步增加，尺寸进一步变大，并得到最终的大尺寸第四斜面44，如图3i所示。
本步骤中，刻蚀介质选用50CF4/300Ar/10C4F8。

Claims (12)

1.一种双大马士革结构的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S01，提供一半导体结构，其自下而上依次具有阻挡层、低介电常数层、金属掩膜层和顶层；
步骤S02，在该半导体结构之上依次涂覆第一抗反射层和第一光刻胶，图案化该第一光刻胶，以形成沟槽图形；
步骤S03，依次刻蚀去除该沟槽图形内的第一抗反射层、顶层、金属掩膜层和部分低介电常数层，之后去除该第一光刻胶，形成沟槽；
步骤S04，在步骤S03得到的半导体结构之上涂覆第二抗反射层和第二光刻胶，图形化该第二光刻胶，以形成沟槽两侧的通孔图形；
步骤S05，依次刻蚀去除该通孔图形内的第二抗反射层、顶层、金属掩膜层和部分低介电常数层，之后去除该第二光刻胶，形成沟槽两侧的通孔；
步骤S06，通过干法刻蚀，预处理该沟槽下低介电常数层的边缘，形成小尺寸斜面；
步骤S07，以金属掩膜层为掩膜，刻蚀沟槽下的部分低介电常数层，并打开通孔，形成双大马士革结构，且使斜面尺寸变大。
2.根据权利要求1所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S07中刻蚀沟槽下的部分低介电常数层达到沟槽深度要求的30-70％，且步骤S07之后还包括：步骤S08，通过干法刻蚀，继续处理该沟槽下低介电常数层的斜面，使斜面尺寸继续变大；步骤S09，以金属掩膜层为掩膜，刻蚀沟槽下的部分低介电常数层以达到沟槽深度要求，使斜面尺寸进一步变大，并得到大尺寸斜面。
3.根据权利要求2所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S06中干法刻蚀是使用含有CF4和Ar的混合气体。
4.根据权利要求3所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S06所用的CF4流量为80-120标准立方厘米/分钟；所用的Ar流量为80-120标准立方厘米/分钟；在刻蚀反应腔体内进行的压力为50-80毫托；在刻蚀反应腔体内的时间为10-30秒；所用的高频功率为200-400瓦，低频功率为200-400瓦。
5.根据权利要求2所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S08中干法刻蚀是使用含有CF4和Ar的混合气体。
6.根据权利要求5所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S08所用的CF4流量为80-120标准立方厘米/分钟；所用的Ar流量为80-120标准立方厘米/分钟；在刻蚀反应腔体内进行的压力为50-80毫托；在刻蚀反应腔体内的时间为10-30秒；所用的高频功率为200-400瓦，低频功率为200-400瓦。
7.根据权利要求2所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S03中是刻蚀去除1-20％厚度的低介电常数层。
8.根据权利要求5所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S05中是刻蚀去除后保留10-30％厚度的低介电常数层。
9.根据权利要求2所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S03、步骤S05、步骤S07和步骤S09的刻蚀介质是含有CXHY的气体。
10.根据权利要求9所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S03的刻蚀介质含有C2H4，步骤S05的刻蚀介质含有C4F8和CH2F2，步骤S07的刻蚀介质含有C4F8，步骤S09的刻蚀介质含有CF4和C4F8。
11.根据权利要求10所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：步骤S03的刻蚀介质还含有Cl2、O2、Ar，步骤S05的刻蚀介质还含有N2、Ar，步骤S07的刻蚀介质还含有O2、N2、Ar，步骤S09的刻蚀介质还含有Ar。
12.根据权利要求1至11任一项所述的双大马士革结构的制造方法，其特征在于：该顶层是二氧化硅、该金属掩膜层是TiN，该低介电常数层是黑钻石层、该阻挡层是NDC，它们通过化学气相沉积或物理气相沉积依次沉积。
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