CN104979275A - 接触插塞的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种接触插塞的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成介质层；在所述介质层内形成贯穿其厚度的接触孔；在90℃～100℃的温度条件下对所述接触孔进行修复处理；在所述修复处理之后，对所述接触孔进行湿法清洗；采用导电材料填充满所述接触孔。所述接触插塞的形成方法能够提高接触插塞的质量。

Description

接触插塞的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种接触插塞的形成方法。

背景技术

在集成电路制造过程中，为了将位于半导体衬底上的CMOS等半导体器件与上层的金属互连层连接，一般需要在第一层金属互连层与半导体器件层之间的金属前介质层（Inter-metal Dielectric，IMD）中蚀刻形成接触孔，然后在接触孔中填充钨、铝或铜等（金属）导电材料以形成接触插塞（contact）。

现有接触插塞的形成方法通常包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有器件层，所述器件层上具有刻蚀停止层（etch stop layer），所述刻蚀停止层上具有金属前介质层（Inter-metal Dielectric，IMD）；在所述金属前介质层上形成图案化的掩膜层，例如无定形碳（amorphous carbon），再以所述掩膜层为掩模依次蚀刻所述金属前介质层和刻蚀停止层，形成接触孔，所述接触孔暴露所述器件层有源区表面的金属硅化物层，在形成接触孔之后，通常需要进行行蚀刻后处理（Post Etch Treatment，PET）步骤，蚀刻后处理作用是修复并减少金属前介质层在蚀刻过程中受到的损伤，并且使金属前介质层表面致密化，提高金属前介质层对潮湿环境等的耐受能力；在蚀刻后处理之后，通常还会对接触孔进行湿法清洗处理，最后在接触孔中形成接触插塞。

然而，现有方法形成的接触插塞中易出现接触不良的问题，导致接触插塞的质量下降。

为此，需要一种新的接触插塞的形成方法，以防止接触插塞出现接触不良的情况。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种接触插塞的形成方法，以防止接触插塞出现接触不良的情况，从而提高接触插塞的质量。

为解决上述问题，本发明提供一种接触插塞的形成方法，包括：

提供基底；

在所述基底上形成介质层；

在所述介质层内形成贯穿其厚度的接触孔；

在90℃～100℃的温度条件下对所述接触孔进行修复处理；

在所述修复处理之后，对所述接触孔进行湿法清洗；

采用导电材料填充满所述接触孔。

可选的，形成所述接触孔和进行所述修复处理在不同反应腔室中进行。

可选的，在进行所述湿法清洗处理之后，且在填充所述接触孔之前，所述方法还包括：对所述接触孔进行紫外光照处理或者烘烤处理。

可选的，所述修复处理采用的气体包括氮气，或者包括氮气和氢气。

可选的，所述修复处理采用的偏置功率为50w～100w，气体流量为200sccm～400sccm，反应腔室的压强范围为100mTorr～120mTorr。

可选的，采用CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、C₄F₈或者C₅F₈中的至少一种作为反应气体蚀刻所述介质层。

可选的，采用导电材料填充满所述接触孔形成接触插塞包括：采用氩气的真空溅射方法形成扩散阻挡层。

可选的，在进行所述修复处理之后，且在进行所述湿法清洗之前，所述接触孔经历2.5h～3.5h的停留时间。

可选的，形成接触孔包括：

在所述介质层上形成掩膜层；

在所述掩膜层上形成介质抗发射层；

在所述介质抗发射层上形成图案化的光刻胶层；

以所述图案化的光刻胶层为掩模，蚀刻所述介质抗发射层和掩膜层，直至形成位于所述介质抗发射层和掩膜层中的开口，所述开口暴露所述介质层表面；

沿所述开口蚀刻介质层和所述刻蚀停止层形成所述接触孔。

可选的，所述掩膜层的材料包括无定形碳。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案采用在90℃～100℃的温度条件下，对形成的接触孔进行修复处理，在90℃～100℃的温度条件下，形成接触孔过程产生的聚合物中氟的扩散能力显著提高，达到能够从聚合物中分解出来的水平，因而在90℃～100℃的温度条件下能够使氟从聚合物中分解并挥发掉，防止氟在后续湿法清洗过程中与接触孔底部的金属硅化物层反应，进而防止因金属硅化物层表面被破坏而引起与后续形成的接触插塞接触不良，即金属硅化物层与接触插塞的接触面电阻特性被改善，提高接触插塞的质量。同时，所述修复处理利用离子轰击效应使介质层表面致密化，明显减少介质层受到的损伤，使介质层免受潮湿环境等侵害，提高接触插塞的可靠性。

进一步，在对接触孔进行湿法清洗之后，且在对接触孔进行填充之前，对接触孔进行紫外光照处理或者烘烤处理，从而去除湿法清洗过程中在接触孔表面留下的水分，提高接触孔的质量，从而进一步提高后续形成的接触插塞的质量。

附图说明

图1至图4是本发明实施例所提供的接触插塞的形成方法各步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有接触插塞中易出现接触不良的问题，导致接触插塞的质量下降。经过分析发现，出现这种情况原因如下：现有接触插塞的形成方法在蚀刻所述金属前介质层和刻蚀停止层形成接触孔时，会在接触孔的侧壁形成含氟（F-based）聚合物（polymer）等副产物，而现有蚀刻后处理步骤无法去除聚合物中的氟，导致在后续湿法清洗处理过程中，氟与有源区表面的金属硅化物层反应，破坏金属硅化物层表面，最终导致后续形成的接触插塞与金属硅化物层接触不良。

需要特别说明的是，在完成蚀刻后处理步骤之后，通常需要在等待约3小时的停留时间（Q-time），然后进行湿法清洗处理步骤，并且由于通常生产过程中，各批次产品连续生产，停留时间必须严格控制。因此，如果选择在湿法清洗处理之前采用其它工艺步骤去除接触孔形成过程中产生的副产物，势必需要缩短停留时间，从而给接触孔的质量带来不利影响。

为此，本发明提供一种新的接触插塞的形成方法，所述形成方法提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有器件层、刻蚀停止层和介质层，并依次蚀刻所述介质层和刻蚀停止层形成接触孔，之后在90℃～100℃的温度条件下对所述接触孔进行修复处理，形成在接触孔产生的聚合物分解并挥发掉氟，从而防止氟在后续湿法清洗过程中与接触孔底部的金属硅化物层反应，从而保证所形成的接触插塞与金属硅化物层接触良好，即金属硅化物层与接触插塞的接触面电阻特性被改善，提高接触插塞的质量。同时，所述修复处理利用离子轰击效应使介质层表面致密化，明显减少介质层受到的损伤，使介质层免受潮湿环境等侵害，提高接触插塞的可靠性。

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

本发明实施例提供一种接触插塞的形成方法，请结合参考图1至图4。

请参考图1，所述接触插塞的形成方法首先提供基底（未示出），所述基底包括半导体衬底和位于半导体衬底上的多层结构，具有的，所述多层结构可以包括器件层（未示出）。

本实施例中，所述半导体衬底可以为硅、绝缘体上硅（SOI）或Ge等元素半导体晶片，或者GaAs、GaP或蓝宝石等化合物半导体晶片。

本实施例中，所述器件层可以包括CMOS器件或DRAM器件，所述器件层的有源区（源区、漏区和栅极）表面具有金属硅化物层（未示出），作为接触插塞与源区、漏区或栅极之间的欧姆接触层，所述金属硅化物层可以用于降低接触插塞和有源区之间的串联电阻。

本实施例中，在所述基底上形成刻蚀停止层110，并在所述刻蚀停止层110上形成介质层120。

本实施例中，刻蚀停止层110覆盖于整个器件层上面。刻蚀停止层110的材料可以为氮化硅（SiN）或者碳氮化硅（SiCN），刻蚀停止层110可以作为后续蚀刻的停止层。

本实施例中，介质层120可以为金属前介质层。介质层120的材料可以为黑钻石（BD）材料、碳掺杂氧化硅、有机硅酸盐玻璃（OSG）、氟硅玻璃（FSG）或者磷硅玻璃（PSG）中的任意一种，其中，黑钻石材料可通过类似于涂覆光刻胶层的旋涂法或化学气相沉积法来形成，因而易于与现有的半导体制造工艺兼容。介质层120可以采用化学气相沉积法制造，例如等离子辅助化学气相沉积法（PECVD）或高密度等离子辅助化学气相沉积法（HDP-CVD）。

请继续参考图1，在介质层120上形成掩膜层130。

本实施例中，掩膜层130的材料可以为无定形碳，无定形碳具有较好的平整化性能，能够形成表面平整的膜层，为后续蚀刻提供较好的掩模作用。

请继续参考图1，在掩膜层130上形成介质抗发射层140。

本实施例中，介质抗发射层140可以为无机材料，介质抗发射层140可以采用化学气相沉积法形成。相对于（有机）底部抗反射层而言，使用介质抗发射层140更加节省成本。

请继续参考图1，在介质抗发射层140上形成图案化的光刻胶层150。

本实施例中，可以采用旋转涂胶法形成均匀覆盖介质抗发射层140的光刻胶层150，而后在90℃至100℃的温度条件下进行30s软烘，以去除光刻胶中的溶剂，提高光刻胶层150的粘附性，之后再经过曝光和显影工艺对光刻胶层150进行图案化，形成具有第一开口151的光刻胶层150。

请参考图2，以图1所示图案化的光刻胶层150为掩模，蚀刻介质抗发射层140和掩膜层130，直至形成位于介质抗发射层140和掩膜层130中的第二开口141，第二开口141暴露部分介质层120的上表面。

本实施例中，可以采用各向异性的反应离子刻蚀（RIE）或者高密度等离子体（HDP）对介质抗发射层140和掩膜层130进行蚀刻。

请参考图3，沿图2所示第二开口141蚀刻介质层120和刻蚀停止层110形成贯穿介质层120厚度的接触孔111，接触孔111暴露器件层有源区表面上的金属硅化物层（未示出）。

本实施例中，可以采用CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、C₄F₈或者C₅F₈中的至少一种作为反应气体蚀刻介质层120和刻蚀停止层110。

本实施例中，蚀刻贯穿介质层120和刻蚀停止层110可以采用一次等离子体刻蚀工艺完成，也可以采用两次以上的等离子体刻蚀工艺完成。

当采用一次等离子体刻蚀工艺完成时，其中一种程式可以为：选用等离子体型刻蚀设备，刻蚀设备腔体压强为10mTorr至50mTorr，顶部射频功率为200w至500w，底部射频功率为150w至300w，采用C₄F₈作为反应气体，并且C₄F₈的流量可以为10sccm至50sccm，气体中还可以加入CO、O₂和Ar等，CO的流量可以为100sccm至200sccm，O₂的流量可以为10sccm至50sccm，Ar的流量可以为300sccm至600sccm。另一种程式可以为：选用等离子体型刻蚀设备，刻蚀设备腔体压强约80mTorr，气体包括流量约为40sccm的CH2F2，流量约为20sccm的O₂，以及流量约为100sccm的Ar。

在形成接触孔111的过程中，介质层120会受到损伤。这是因为，介质层120通常较之于传统的介质层更易于出现损伤，并且k值越低则越容易受损，而这种损伤几乎是不可避免的。介质层120如果受损，则会变得容易吸水或者易于与其他工艺污染物反应，而改变介质层120的电学特性，从而导致介质层120的k值增大，并因而失去其低k的优势。

此外，在对介质层120进行蚀刻之后，通常会采用包含O₂、H₂O或CO₂等气体作为灰化剂来去除蚀刻后残留的光刻胶层等。由于黑钻石等常用低k材料中含有碳元素和氢元素，并且k值越低则碳元素和氢元素的含量越高，这些元素又容易与灰化剂中的氧元素发生反应生成气态产物，因而在介质层120中会形成碳耗尽层（即受损层），从而致使最终形成的半导体器件的电学性能变差。为此，在形成接触孔111之后，必须对接触孔111进行修复处理。

请继续参考图3，在90℃～100℃的温度条件下对接触孔111进行修复处理。

前面已经提到，在形成接触孔111的过程中，所述刻蚀工艺会在接触孔111的底部和侧壁形成含氟副产物，主要是含氟聚合物（未示出），这主要是因为形成接触孔111采用的反应气体通常必须采用含有氟碳化合物（CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、C₄F₈或者C₅F₈等）。因此，修复处理除了修复介质层120受到损伤之外，还需要清除这些含氟副产物。

需要特别说明的是，现有方法通常都是在20℃～40℃的条件下对接触孔111进行蚀刻后处理。现有蚀刻后处理选择在20℃～40℃温度条件下进行有三个原因：第一，现有蚀刻后处理的步骤通常紧跟在蚀刻形成接触孔111的步骤之后，两个步骤通常在同一个设备中进行，通常两个步骤采用同样的温度范围，而蚀刻形成接触孔111的步骤采用的温度为20℃～40℃；第二，随着半导体器件尺寸的缩小，业界普遍的认识是，在蚀刻后处理时，适宜选择在较低温度下进行，以便形成的接触孔111底部关键尺寸（CD）不会受热扩张，从而始终保持一种缩小的状态以保证器件尺寸不受影响，因此，现已采用的蚀刻后处理温度范围甚至已经降低至0℃，即蚀刻后处理的温度范围从20℃～40℃扩展到0℃～40℃，并且此温度范围的扩展通常是通过增加额外的冷凝设备达到的；第三，由于第一和第二点的原因，现有用于形成接触孔111的刻蚀设备的最适宜操作温度也通常为20℃～40℃。

然而，经过分析和实验经证实，在20℃～40℃的温度条件下进行蚀刻后处理，容易出现所得到的接触插塞接触不良。进一步研究发现，接触插塞接触不良的原因是：在形成接触孔111过程中，产生了含氟副产物（主要是含氟聚合物），这些含氟聚合物覆盖在接触孔111的底部和侧壁（主要是侧壁），由氟的负电性很强，因此，在后续的湿法清洗过程中，含氟聚合物中的氟会与接触孔111底部的金属硅化物层反应，进而导致金属硅化物层表面受到破坏，而一旦金属硅化物层表面受到破坏，就会造成最终形成的接触插塞与金属硅化物层接触不良，引起接触插塞的质量下降。

为此，本实施例特别选择在90℃～100℃的温度条件下对接触孔111进行修复处理，所述修复处理亦即刻蚀后处理。本实施例中，在90℃～100℃的温度条件下，氟在聚合物中的扩散性能显著提高，并且达到能够从含氟聚合物易分解出来的水平，因此氟会从聚合物中分解出来，并形成挥发气体而被完全清除。而如果温度低于90℃，通常，含氟聚合物无法分解出氟，因此聚合物中的氟无法被清除，而如果温度高于100℃，相应的设备和半导体器件可能受到不良影响，导致设备受损和半导体器件性能下降等不利因素的产生。

本实施例中，可以采用氮气（或者氮气和氢气的混合气体）作用反应气体进行修复处理。氮气（或者氮气和氢气的混合气体）对接触孔表面具有较好的修复能力。

本实施例中，修复处理采用的偏置功率可以为50w～100w，气体的流量可以为200sccm～400sccm，反应腔室的压强范围可以为100mTorr～120mT，而选择的温度可以为90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃或者100℃。

本实施例中，修复处理能够使接触孔111侧壁的底部的含氟聚合物中的氟被分解去除，从而防止氟与金属硅化物层反应，进而防止金属硅化物层表面受到破坏，保护接触插塞与金属硅化物层接触良好，提高接触插塞的质量。同时，修复处理能够使介质层120的表面致密化，从而形成致密表面层，使介质层120中的损伤明显减少，从而保护介质层120免受潮湿环境或者其他工艺污染物的侵害。

本实施例中，为了实现升温修复处理，可以在不同的反应设备内进行接触孔111的形成步骤和所述修复处理步骤，以保证修复处理能够将温度升高至90℃～100℃，并且防止接触孔111形成过程中的残留等离子在修复处理阶段破坏本实施例修复处理的有效进行。

但当然，出于晶圆产出量（Wafer Per Hour，WPH）考虑，也可以在同一反应设备内，通过调整后续阶段的温度至90℃～100℃，直接进行修复处理。

需要说明的是，本实施例通过升高温度的方法进行修复处理，不会影响任何工艺时间，因此，能够保证在修复处理与湿法清洗之间，仍然保持有足够的停留时间，具体的，所述停留时间仍然可以保持在2.5h至3.5h，从而保证后续的湿法清洗顺利进行。并且，升高温度的方法进行修复处理，由于温度仅升高到90℃～100℃，经实验，其并不会导致接触孔（底部关键尺寸）扩张，也不会引起其它任何不良的副作用。

除此之外，本实施例通过所述修复处理，还可以同时提高暗电压对比(darkvoltage contrast，DVC)，并且形成的接触孔轮廓更加完好，有利于后续导电材料的高质量填充。

请继续参考图3，在修复处理之后，对接触孔111进行湿法清洗。

本实施例中，可以采用DHF和EKC湿法清洗接触孔111表面。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。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）。具体操作可以为：将所述接触孔111在温度25℃～40℃下浸泡在EKC-575溶液中约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。在湿法清洗之后，接触孔111表面覆盖的（不含氟的）聚合物被去除，接触孔111底部完全暴露出表面完好的金属硅化物层。

请继续参考图3，对接触孔111进行紫外光照处理或者烘烤处理。

本实施例中，在对接触孔111进行湿法清洗之后，可以对接触孔111进行紫外光照处理或者烘烤处理，从而去除湿法清洗过程中在接触孔111表面留下的水分，提高接触孔111的质量，从而进一步提高后续形成的接触插塞的质量。

请参考图4，在接触孔111表面形成扩散阻挡层160，并采用导电材料填充满接触孔111形成接触插塞170。

本实施例中，可以采用氩气的真空溅射方法形成扩散阻挡层160。扩散阻挡层160可以为单层结构或者多层叠加的结构。扩散阻挡层160可以用于提高后续形成的接触插塞170与介质层120之间粘附性能，并阻止后续的形成的接触插塞170与介质层120中的硅反应。

事实上，前面所述提高接触插塞与金属硅化物层之间的接触性能，实际上直接提高的是扩散阻挡层160与金属硅化物层之间的接触性能，由于本实施例中，金属硅化物层表面完好，因此，扩散阻挡层160能够与扩散阻挡层160形成良好的欧姆接触。

本实施例中，具体的，可以通过真空溅射工艺在接触孔111表面形成阻挡籽晶层（barrier seed layer），阻挡籽晶层的材料可以为Ta和TaN的至少其中之一。氩气的真空溅射方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。但是所述氩气可以选择较小的压强，以减小各形成材料的材料损失（materialloss）。

本实施例中，所述导电材料可以选自铝、银、铬、镍、钯、钼、钛、钽或者铜，或者选自铝、银、铬、镍、钯、钼、钛、钽或者铜的合金。

由于铜具有高熔点、低电阻系数及高抗电子迁移的能力，本实施例中导电材料以铜为例进行说明。具体的，可以采用电镀工艺形成铜的接触插塞170。具体的工艺过程可以为：电镀液选用CuSO₄溶液，Cu²⁺浓度为30g/L至50g/L，并且在此溶液中加入多种无机和有机添加剂，无机添加剂为氯离子，其浓度为40mg/L至60mg/L，有机添加剂包含加速剂、抑止剂和平坦剂，电镀的电流可以为4.5安培至45安培。

本实施例所提供的接触插塞的形成方法中，在蚀刻形成接触孔111之后，通过提高修复处理所采用的温度至90℃～100℃，从而在修复处理过程中，接触孔111形成过程中产生的聚合物分解并挥发掉氟，从而防止氟在后续湿法清洗过程中与接触孔111底部的金属硅化物层反应，从而保证所形成的接触插塞170与金属硅化物层接触良好，即金属硅化物层与接触插塞170的接触面电阻特性被改善，提高接触插塞170的质量。同时，所述修复处理利用离子轰击效应使介质层120表面致密化，明显减少介质层120受到的损伤，使介质层120免受潮湿环境等侵害，提高接触插塞170的可靠性。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种接触插塞的形成方法，其特征在于，包括：

提供基底；

在所述基底上形成介质层；

在所述介质层内形成贯穿其厚度的接触孔；

在90℃～100℃的温度条件下对所述接触孔进行修复处理；

在所述修复处理之后，对所述接触孔进行湿法清洗；

采用导电材料填充满所述接触孔。

2.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，形成所述接触孔和进行所述修复处理在不同反应腔室中进行。

3.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，在进行所述湿法清洗处理之后，且在填充所述接触孔之前，所述方法还包括：对所述接触孔进行紫外光照处理或者烘烤处理。

4.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，所述修复处理采用的气体包括氮气，或者包括氮气和氢气。

5.如权利要求3所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，所述修复处理采用的偏置功率为50w～100w，气体流量为200sccm～400sccm，反应腔室的压强范围为100mTorr～120mTorr。

6.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，采用CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F、C₄F₈或者C₅F₈中的至少一种作为反应气体蚀刻所述介质层。

7.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，采用导电材料填充满所述接触孔形成接触插塞包括：采用氩气的真空溅射方法形成扩散阻挡层。

8.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，在进行所述修复处理之后，且在进行所述湿法清洗之前，所述接触孔经历2.5h～3.5h的停留时间。

9.如权利要求1所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，形成接触孔包括：

在所述介质层上形成掩膜层；

在所述掩膜层上形成介质抗发射层；

在所述介质抗发射层上形成图案化的光刻胶层；

以所述图案化的光刻胶层为掩模，蚀刻所述介质抗发射层和掩膜层，直至形成位于所述介质抗发射层和掩膜层中的开口，所述开口暴露所述介质层表面；

沿所述开口蚀刻介质层和所述刻蚀停止层形成所述接触孔。

10.如权利要求9所述的接触插塞的形成方法，其特征在于，所述掩膜层的材料包括无定形碳。