CN103730409B - 半导体器件的制作方法、清洗方法和清洗系统 - Google Patents

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Abstract

一种半导体器件的制作方法、清洗方法和清洗系统。所述制作方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；在所述半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层的材料为多孔材料；在所述层间介质层上形成光刻胶图案；以所述光刻胶图案为掩模，刻蚀所述层间介质层，在所述层间介质层中形成至少暴露出部分所述铜金属层的通孔或沟槽；去除所述光刻胶图案；采用清洗液清洗所述通孔或沟槽后，对所述清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理；在所述通孔或沟槽中填充满金属材料，形成金属插塞或互连线。本发明可以改善TDDB特性，提高半导体器件的性能。

Description

半导体器件的制作方法、清洗方法和清洗系统
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体器件的制作方法、清洗方法和清洗系统。
背景技术
随着半导体集成电路技术的不断发展，半导体器件尺寸和互连结构尺寸不断减小，从而导致金属连线之间的间距在逐渐缩小，用于隔离金属连线之间的层间介质层也变得越来越薄，这样会导致金属连线之间可能会发生串扰。现在，通过降低金属连线层间的层间介质层的介电常数，可有效地降低这种串扰，且低K的层间介质层可有效地降低金属连线层间的电阻电容延迟（RC delay），因此，低K介电材料和超低K介电材料已越来越广泛地应用于互连工艺的层间介质层。由于空气是目前能获得的最低K值的材料（K=1.0），在层间介质层中形成空气隙或孔洞可以有效的降低介质层的K值。因此，为了进一步降低K值，层间介质层多采用多孔材料。
此外，在半导体电路中，半导体器件之间的信号传输需要高密度的金属互连线，利用铜工艺制作金属互连线可以降低互连线的RC延迟、改善电迁移等引起的可靠性问题，因此铜互连结构的应用越来越广泛。
在公开号为CN101996924A的中国专利申请中可以发现更多关于互连结构的形成方法。
现有技术在形成铜互连结构的过程中，在多孔的层间介质层中形成与互连线或金属插塞对应的沟槽或通孔时，需要在层间介质层上形成与沟槽或通孔对应的光刻胶图案。在形成沟槽或通孔之后，可以采用灰化方法去除所述光刻胶图案。由于在去除光刻胶图案之后，会在沟槽或通孔内残留影响半导体器件性能的聚合物（polymer）杂质，因此在沟槽或通孔中填充铜金属之前，需要采用清洗液（如：EKC溶液或ST250溶液）先对上述半导体器件进行湿法清洗，以去除所述聚合物。
由于湿法清洗中采用的清洗液成本比较高，因此需要重复使用。为了保证清洗的效果，可以在每次使用之后采用过滤器过滤去除其中的杂质。
但是，在对采用上述技术方案得到的半导体器件进行测试时，发现这些半导体器件容易发生与时间相关的介质击穿（time dependent dielectric breakdown，TDDB），最终影响器件的可靠性。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体器件的制作方法、清洗方法和清洗系统，可以改善TDDB特性，提高半导体器件的性能。
为解决上述问题，本发明提供了一种半导体器件的制作方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；
在所述半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层的材料为多孔材料；
在所述层间介质层上形成光刻胶图案；
以所述光刻胶图案为掩模，刻蚀所述层间介质层，在所述层间介质层中形成至少暴露出部分所述铜金属层的通孔或沟槽；
去除所述光刻胶图案；
采用清洗液清洗所述通孔或沟槽后，对所述清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理；
在所述通孔或沟槽中填充满金属材料，形成金属插塞或互连线。
为解决上述问题，本发明还提供了一种半导体器件的清洗方法，所述半导体器件包括半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；位于所述半导体衬底上的层间介质层，所述层间介质层的材料为多孔材料，所述层间介质层中包括至少暴露出部分所述铜金属层的通孔或沟槽，所述通孔或沟槽中包括光刻胶聚合物，采用清洗液清洗去除所述光刻胶聚合物之后，对所述清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理，处理后的清洗液用于清洗后续的半导体器件。
为解决上述问题，本发明还提供了一种半导体器件的清洗系统，包括：
清洗液提供装置，用于提供清洗液；
清洗腔，包括入口和出口，所述清洗液通过所述入口进入清洗腔，所述清洗腔用于对半导体器件进行清洗，所述半导体器件包括：半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；位于所述半导体衬底上的层间介质层，所述层间介质层的材料为低K或超低K的多孔材料；所述层间介质层中包括至少暴露出部分所述铜金属层的通孔或沟槽；
清洗液处理装置，用于对清洗所述半导体器件后的清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：在多孔的层间介质层中形成暴露出铜金属层的通孔或沟槽之后，为了去除通孔或沟槽中残留的聚合物而进行的清洗可能会使铜金属层中的铜离子进入清洗液，为了保证被重复使用的清洗液中的铜离子不会被多孔的层间介质层吸收，在去除清洗液中聚合物的同时，增加了去除清洗液中铜离子的步骤，从而可以保证被清洗半导体器件的TDDB性能不受影响，最终提高了半导体器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明一实施例中半导体器件的制作方法的流程示意图；
图2是图1中刻蚀层间介质层之前半导体器件的结构示意图；
图3是图1中刻蚀层间介质层之后半导体器件的结构示意图；
图4是本发明一实施例中半导体器件的清洗系统的结构示意图；
图5是本发明另一实施例中半导体器件的清洗系统的结构示意图；
图6是图1中沉积金属材料之后的结构示意图；
图7是图1中平坦化处理之后的结构示意图。
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，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有技术中当采用低K或超低K的多孔材料作为层间介质层，铜金属替代铝金属作为互连线或金属插塞时，得到的半导体器件的TDDB性能很差，但本领域技术人员未找到问题产生的原因。
发明人研究发现：上述半导体器件TDDB性能差是由于多孔的层间介质层中包括很多铜离子。具体地，因为铜离子的活性比较大，采用光刻工艺在层间介质层中形成沟槽或通孔，且去除光刻胶图案之后，在采用清洗液去除堆积在沟槽或通孔的底部和侧壁的聚合物时，清洗液会腐蚀暴露在外的铜金属层，从而使得清洗液中包含铜离子。由于清洗液需要重复使用，虽然每次使用之后或使用之前，会通过过滤处理去除清洗液中的聚合物杂质，但现有技术中本领域技术人员忽略了此时的清洗液中存在铜离子，因此随着清洗液被重复使用的次数增加，清洗液中的铜离子浓度越来越多。如：当清洗72片上述半导体器件之后，清洗液中铜离子的浓度为187.8ppb。又由于层间介质层材料为低K或超低K的多孔材料，因此层间介质层很容易吸收（absorb）清洗液中高浓度的铜离子，从而影响了层间介质层的性能，最终导致半导体器件的TDDB性能变差，影响了半导体器件的可靠性。
针对上述缺陷，本发明提供了一种半导体器件的制作方法和清洗系统，在采用清洗液清洗所述通孔或沟槽之后，不但对清洗液进行去除聚合物的处理，而且对清洗液进行去除铜离子的处理，从而在下次重复使用该清洗液时，至少可以保证该清洗液中不会包括大量的铜离子。当采用该清洗液清洗另一个上述半导体器件时，虽然在本次清洗中清洗液可能会腐蚀该半导体器件中暴露在外的铜金属层，从而使得清洗液中又带有铜离子，但是由于单次清洗中腐蚀的铜离子数量非常少，从而该半导体器件中的多孔的层间介质层很难会从清洗液中吸收捕获到铜离子，即使存在吸收捕获铜离子现象，那么由于清洗液中铜离子的含量本来就非常少，层间介质层能吸收的铜离子数量就会更少，那么微量的铜离子对层间介质层的影响就可以忽略不计，最终可以保证半导体器件的TDDB性能。
下面结合附图进行详细说明。
参考图1所示，本实施方式一实施例提供了一种半导体器件的制作方法，包括：
步骤S1，提供半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；
步骤S2，在所述半导体衬底上形成刻蚀停止层和层间介质层，所述层间介质层的材料为多孔材料；
步骤S3，在所述层间介质层上形成光刻胶图案；
步骤S4，以所述光刻胶图案为掩模，刻蚀所述层间介质层和刻蚀停止层，在所述层间介质层和刻蚀停止层中形成至少暴露出部分所述铜金属层的通孔；
步骤S5，去除所述光刻胶图案；
步骤S6，采用清洗液清洗所述通孔后，对所述清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理；
步骤S7，在所述通孔中依次填充阻挡层和籽晶层；
步骤S8，在所述籽晶层上形成填充满所述沟槽的金属材料；
步骤S9，进行平坦化处理，形成金属插塞。
本实施例通过增加对清洗液进行去除铜离子的步骤，从而可以保证在重复使用该清洗液清洗半导体器件的过程中，清洗液不会向多孔的层间介质层提供铜离子，最终可以提高半导体器件的可靠性。
参考图2所示，提供半导体衬底100。
本实施例中，所述半导体衬底100的材料为单晶硅或单晶硅锗，或者单晶掺碳硅；或者还可以包括其它的材料，本发明对此不做限制。
所述半导体衬底100中可以形成有器件结构（图中未示出），所述器件结构可以为半导体前段工艺中形成的器件结构，例如MOS晶体管等。
所述半导体衬底100中包括一个或多个铜金属层150，所述铜金属层150可以是互连线，也可以是金属插塞，即半导体衬底100中可以包括部分互连结构，其对于本领域技术人员是熟知的，在此不再赘述。
继续参考图2所示，在所述半导体衬底100上形成刻蚀停止层200。
所述刻蚀停止层200用于可以防止铜金属层150中材料的扩散。具体地，所述刻蚀停止层200的材料可以为氮化硅，其可以采用化学气相沉积工艺形成。
继续参考图2所示，在所述刻蚀停止层200上形成层间介质层300。
所述层间介质层300用于实现互连结构之间的绝缘，以减小RC延迟。
本实施例中所述层间介质层300可以是低K介质层（介电系数范围为3.9～2.8），所述低K介质层的材料可以为SiO2、SiOF、SiCOH、SiO、SiCO、SiCON中的一种或多种。所述层间介质层300还可以是超低K介质层（介电系数范围为2.2～2.8），所述超低K介质材料可以为黑金刚石（Black Diamond，BD）等。
所述层间介质层300可以采用化学气相沉积方法形成。为了进一步降低层间介质层300的介电常数，可以通过紫外线处理在层间介质层300中形成空气隙或空洞400，从而得到多孔的层间介质层300。
需要说明的是，所述多孔的层间介质层300还可以是利用甩胶技术（SOD）制备的多孔SiO2层或多孔高聚物层，也可以是利用电子回旋共振（ECR）等离子体制备的SiCOH薄膜，还可以是采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition）技术制备的硅基纳米多孔薄膜。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以直接在半导体衬底100上形成层间介质层300，从而省略形成刻蚀停止层200的步骤。
继续参考图2所示，在所述层间介质层300上形成光刻胶图案500。
所述光刻胶图案500与后续形成的通孔相对应，其具体形成工艺对于本领域技术人员是熟知的，在此不再赘述。
结合参考图3所示，以图2中所述光刻胶图案500为掩模，刻蚀所述层间介质层300和刻蚀停止层200至露出铜金属层150。
本实施例中可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀以在层间介质层300和刻蚀停止层200中形成通孔。在刻蚀所述层间介质层300和刻蚀停止层200中的过程中，刻蚀剂和被刻蚀的物质会产生聚合物600（包括光刻胶聚合物），堆积在所刻蚀的通孔底部和侧壁。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以先在层间介质层300上形成硬掩膜层，再在硬掩膜层上形成光刻胶图案500，对应地，先以光刻胶图案500为掩模刻蚀所述硬掩膜层，再刻蚀所述层间介质层300和刻蚀停止层200。
继续参考图3所示，去除图2中的光刻胶图案500。
本实施例中可以采用灰化工艺去除所述光刻胶图案500。在去除所述光刻胶图案500之后，可能会产生更多的聚合物600。
由于前面步骤中产生的聚合物600堆积在通孔的底部和侧壁。为了防止其对后续结构的制作或最终形成的集成电路的性能产生影响，需要在后续步骤进行之前进行去除在通孔的侧壁堆积的聚合物600的步骤。
本实施例中可以采用杜邦公司生产的EKC溶液或ATMI公司生产的ST250溶液作为清洗液，以去除所述聚合物600。
由于在清洗去除聚合物600时，清洗液可能会腐蚀铜金属层150，从而使得清洗液中会携带部分铜离子。为了能够重复使用所述清洗液，因此，本实施例中增加了去除铜离子的步骤。
本实施例可以先去除铜离子，再去除聚合物；也可以先去除聚合物，再去除铜离子；还可以同时去除铜离子和聚合物。
所述铜离子可以采用离子交换法去除。具体地，所述离子交换法可以采用交换树脂置换所述清洗液中的铜离子。
所述铜离子还可以采用吸附法去除。具体地，所述吸附法可以采用聚乙烯亚胺、活性炭或细菌电池中的一种或多种吸附所述清洗液中的铜离子。
所述聚合物的去除方法与现有技术相同，在此不再赘述。
在本发明的其他实施例中，还可以采用其它方式去除清洗液中的铜离子，其不限制本发明的保护范围。只要能去除所述清洗液中的聚合物和铜离子，就可以保证下次使用该清洗液清洗上述半导体器件时，不会影响半导体器件的TDDB性能。
参考图4，本实施方式一实施例提供了一种半导体器件的清洗系统，可以用于去除图3所示的聚合物600，且可以对清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理。所述清洗系统包括：
清洗液提供装置10，用于提供清洗液，包括：清洗液存储罐11，用于存储清洗液；开关12，连接清洗液存储罐11的出口，用于控制清洗液的流出；
清洗腔20，包括入口和出口，所述清洗液通过所述入口进入清洗腔20，待清洗的包括铜金属层和光刻胶聚合物的半导体器件放置在清洗腔20中，清洗液经过所述入口进入清洗腔20，对设置在清洗腔20中的半导体器件进行清洗，以去除所述聚合物，清洗后受污染的清洗液从所述出口流出；
清洗液处理装置30，设置在所述清洗腔20的出口和所述清洗液提供装置10之间，用于对从所述清洗腔20的出口流出的清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理，包括：吸附装置31，用于通过吸附工艺去除从清洗腔出口流出的清洗液中的所述铜离子；过滤器32，连接所述吸附装置32和清洗液存储罐11，用于过滤去除所述清洗液中的聚合物，且使过滤后的清洗液重新流回清洗液存储罐11，以实现清洗液的重复使用。
所述清洗液提供装置10中还可以包括泵（图中未示出），从而可以更好地使清洗液流入清洗腔20中。
本实施例中是在每次清洗结束之后就对清洗液进行处理。但在其他实施例中，还可以在使用清洗液进行清洗之前，对上次使用过的清洗液进行处理，即清洗液处理装置30设置在所述清洗液提供装置10和所述清洗腔20的入口之间，此时清洗后受污染的清洗液从所述出口流回所述清洗液提供装置10，而清洗液处理装置30对从清洗液提供装置10流出的受污染的清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理，以保证流入清洗腔20的清洗液中不包括铜离子和聚合物，从而保证清洗后半导体器件的性能。
此外，本实施例中先对清洗液进行去除铜离子的处理，然后再对清洗液进行过滤聚合物的处理。但在其他实施例中，还可以先对清洗液进行过滤聚合物的处理，再对清洗液进行去除铜离子的处理。
所述吸附装置31采用吸附工艺实现去除铜离子，其具体可以采用聚乙烯亚胺、活性炭或细菌电池中的一种或多种吸附所述清洗液中的铜离子。
所述过滤器32采用过滤方式去除所述聚合物，其具体可以采用活性炭等去除所述清洗液中的聚合物。
参考图5所示，本实施方式另一个实施例提供的半导体器件的清洗系统中，其与图4相比，所述清洗液处理装置40包括：
过滤器41，连接清洗腔20的出口，用于过滤去除所述清洗液中的聚合物；
离子交换装置42，连接所述过滤器41和清洗液存储罐11，用于通过离子交换工艺去除所述清洗液中的铜离子，且使处理后的清洗液重新流回清洗液存储罐11，以实现清洗液的重复利用。
本实施例先去除清洗液中的聚合物，再去除清洗液中的铜离子，且去除铜离子采用离子交换技术，所述离子交换法具体可以采用交换树脂置换所述清洗液中的铜离子，其余与图4所示实施例相同，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以将图4所示的过滤器32和吸附装置31集成为一体，也可以将图5所示的过滤器41和离子交换装置42集成为一体。
通过图4或图5所示的清洗系统在去除图3中所示的聚合物600的同时，还去除了清洗液中残存的聚合物和铜离子，处理后的清洗液用于清洗后续的半导体器件，使得清洗液能够被重复使用，且不影响半导体器件的可靠性。
继续参考图6所示，在所述层间介质层300和通孔中依次形成阻挡层700、籽晶层800和金属材料900。
所述阻挡层700可以防止铜原子向层间介质层300内扩散，且还可以提高后续填充的铜金属层与通孔侧壁的层间介质层300之间的粘附性。
所述阻挡层700的材料可以包括：钽、钛、氮化钽和氮化钛中的一种或多种组合，厚度范围可以包括：具体可以采用原子层沉积（ALD）、物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）工艺形成，其对于本领域技术人员是熟知的，在此不再赘述。
所述籽晶层800为后续铜金属层的沉积提供了导电层。
所述籽晶层800的材料可以为铜或铜合金，其厚度范围可以包括：具体可以采用溅射、原子层沉积、物理气相沉积或化学气相沉积工艺形成，其对于本领域技术人员是熟知的，在此不再赘述。
所述金属材料900可以为铜，其具体可以采用电镀（ECP）的方式形成。
最后参考图7所示，通过化学机械研磨进行平坦化处理，使阻挡层700的上表面、籽晶层800的上表面和金属材料900的上表面与层间介质层400的上表面齐平，形成金属插塞900a。
需要说明的是，以上是以形成金属插塞为例，本发明技术还可以应用于在多孔的层间介质层形成暴露出至少部分铜金属层的沟槽以得到互连线等，其不限制本发明的保护范围。
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 (16)

1.一种半导体器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；
在所述半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层的材料为多孔材料；
在所述层间介质层上形成光刻胶图案；
以所述光刻胶图案为掩模，刻蚀所述层间介质层，在所述层间介质层中形成至少暴露出部分所述铜金属层的通孔或沟槽；
去除所述光刻胶图案；
采用清洗液清洗所述通孔或沟槽后，对所述清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理，其中，处理后的清洗液用于清洗后续的半导体器件；
在所述通孔或沟槽中填充满金属材料，形成金属插塞或互连线。
2.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述去除铜离子的处理采用离子交换法实现。
3.如权利要求2所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述离子交换法采用交换树脂置换所述清洗液中的铜离子。
4.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述去除铜离子的处理采用吸附法实现。
5.如权利要求4所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述吸附法采用聚乙烯亚胺、活性炭或细菌电池中的一种或多种吸附所述清洗液中的铜离子。
6.一种半导体器件的清洗方法，所述半导体器件包括半导体衬底，所述半导体衬底中包括铜金属层；位于所述半导体衬底上的层间介质层，所述层间介质层的材料为多孔材料，所述层间介质层中包括至少暴露出部分所述铜金属层的通孔或沟槽，所述通孔或沟槽中包括光刻胶聚合物，其特征在于，采用清洗液清洗去除所述光刻胶聚合物之后，对所述清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理，处理后的清洗液用于清洗后续的半导体器件。
7.如权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述去除铜离子的处理采用离子交换法实现。
8.如权利要求7所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述离子交换法采用交换树脂置换所述清洗液中的铜离子。
9.如权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述去除铜离子的处理采用吸附法实现。
10.如权利要求9所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述吸附法采用聚乙烯亚胺、活性炭或细菌电池中的一种或多种吸附所述清洗液中的铜离子。
11.一种半导体器件的清洗系统，包括：清洗液提供装置，用于提供清洗液；清洗腔，包括入口和出口，连接所述清洗液提供装置，清洗液经过所述入口进入清洗腔，对设置在清洗腔中包括铜金属层和光刻胶聚合物的半导体器件进行清洗，清洗后受污染的清洗液从所述出口流回所述清洗液提供装置；其特征在于，所述清洗系统还包括：
清洗液处理装置，设置在所述清洗液提供装置和所述清洗腔的入口之间或者设置在所述清洗腔的出口和所述清洗液提供装置之间，用于对受污染的清洗液进行去除铜离子和聚合物的处理，且使处理后的清洗液进入清洗腔或清洗液提供装置。
12.如权利要求11所述的半导体器件的清洗系统，其特征在于，所述清洗液处理装置包括：
过滤器，用于去除所述清洗液中的聚合物；
吸附装置，用于通过吸附工艺去除所述清洗液中的铜离子。
13.如权利要求12所述的半导体器件的清洗系统，其特征在于，所述吸附装置采用聚乙烯亚胺、活性炭或细菌电池中的一种或多种吸附所述清洗液中的铜离子。
14.如权利要求11所述的半导体器件的清洗系统，其特征在于，所述清洗液处理装置包括：
过滤器，用于去除所述清洗液中的聚合物；
离子交换装置，用于通过离子交换工艺去除所述清洗液中的铜离子。
15.如权利要求14所述的半导体器件的清洗系统，其特征在于，所述离子交换装置采用交换树脂置换所述清洗液中的铜离子。
16.如权利要求12或15所述的半导体器件的清洗系统，其特征在于，所述清洗液处理装置集成为一体。
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