CN105990224A - 改善绝缘层与金属扩散阻挡层的交界面性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层的交界面性能的方法，可应用于绝缘层中制备金属结构的工艺中，通过在绝缘层中进行刻蚀工艺后，对保留的绝缘层进行硅修复工艺，以有效的改善进行上述刻蚀工艺时对绝缘层中的碳造成的巨大损失，同时还能保持绝缘层表面的疏水特性，进而改善绝缘层与金属阻挡层之间的黏结性能，保持绝缘层介电常数的稳定，以减小最终制备器件产品的漏电流，提高产品的良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层的交界面性能的方法。
背景技术
在半导体器件制备过程中，于介质层中制备金属结构时，由于金属(如铝(Al)等)易扩散(diffusion)至介质层(尤其是多孔的低介电常数(porous low k)、超低介电常数的介质层(ultra low-k，简称ULK))中，进而导致漏电(leakage)问题，故需要在介质层与金属之间设置阻挡薄膜(barrier film)，以避免金属扩散至介质层中。
传统的工艺中，于介质层上进行刻蚀工艺形成填充金属的凹槽结构时，为了避免金属扩散至介质层中，需要先于介质层暴露的表面覆盖一金属扩散阻挡层后，再将金属充满上述的凹槽结构；但是，现有的刻蚀工艺如干法刻蚀和/或湿法刻蚀均会对保留的介质层造成一定的损伤，进而会大大影响介质层的绝缘、漏电流等性能，致使最终制备器件达不到工艺需求。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供了一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，可应用于绝缘层中制备金属结构(如金属互连线、电极等)，所述方法包括：
提供一设置有含硅绝缘层的半导体结构；
刻蚀部分所述含硅绝缘层，以形成凹槽；
采用硅化物对所述含硅绝缘层暴露的表面进行硅修复工艺，以修复所述含硅绝缘层在进行所述刻蚀时受到的损伤；
制备一金属扩散阻挡层覆盖所述含硅绝缘层暴露的表面后，沉积金属充满所述凹槽。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述硅修复工艺包括：
采用硅烷浸泡所述含硅绝缘层暴露的表面后，对所述含硅绝缘层暴露的表面进行氦等离子处理工艺及紫外光固化工艺。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述方法还包括：
在3～8torr的压力条件下，采用流量为100～5000sccm的硅烷浸泡所述含硅绝缘层暴露的表面。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述方法还包括：
在3～8torr的压力条件下，采用500～1000w的功率、100～5000sccm的流量对所述含硅绝缘层暴露的表面进行所述氦等离子处理工艺。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述方法还包括：
在500～1000w的功率条件下，采用200～400nm波长的紫外线进行所述紫外光固化工艺。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述刻蚀工艺包括采用氨气等离子和/或氢气等离子和/或氦气等离子进行的干法刻蚀工艺。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述含硅绝缘层的介电常数小于2.7。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述含硅绝缘层的材质为硅氧化物。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述半导体结构还包括设置于所述含硅绝缘层之上的掩膜层。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述方法还包括：
对所述掩膜层进行图案化工艺后，以图案化的掩膜层为掩膜，对所述含硅绝缘层进行所述刻蚀工艺。
上述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其中，所述半导体结构还包括层间介质层和金属层；
所述层间介质层设置于所述金属层之上，所述含硅绝缘层设置于所述层间介质层之上；
其中，所述刻蚀工艺停止在所述金属层的上表面，以于所述层间介质层及所述硅绝缘层中形成所述凹槽。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请提出的一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层的交界面性能的方法，可应用于绝缘层(如低k介电常数介质层、超低k介电常数介质层)中制备金属结构(如金属互连线、电极等)的工艺中，通过在对绝缘层(如硅氧化物层等)进行刻蚀工艺(如湿法刻蚀和/或干法刻蚀)后，对保留的绝缘层进行硅修复工艺，能够有效的改善进行上述刻蚀工艺时对绝缘层中的碳造成的巨大损失，同时还能保持绝缘层表面的疏水特性，进而改善绝缘层与金属阻挡层之间的黏结性能，保持绝缘层介电常数的稳定，以减小最终制备器件产品的漏电流，提高产品的良率。
附图说明
图1～5是本申请实施例中改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法的流程结构示意图。
具体实施方式
本申请一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，可应用于绝缘层(如具有低介电常数(low k)、超低介电常数(ultra low-k)的介质层)中制备金属结构(如金属互连线、电极等)，且该绝缘层的材质可为含硅的绝缘材料(如硅氧化物即可为SiO2等)。
由于在含碳绝缘层(即绝缘的介质层)中制备金属结构时，需要刻蚀制备的含碳绝缘层形成凹槽结构(该凹槽结构可以贯穿上述的介质层，也可停留在介质层中)，而无论采用湿法刻蚀(wet etch process)或干法(dry)刻蚀，甚至是前期进行的光刻工艺(litho)等，均会对刻蚀后保留的含碳绝缘层暴露的表面(即因刻蚀工艺而暴露的表面)造成一定程度的损伤(如降低介质层与金属扩散阻挡层(PVD barrier)之间的黏附力(worse adhesion capability))，尤其是在多孔的低介电常数(k小于2.7)含碳绝缘层中进行刻蚀工艺时，造成的损伤更为严重。例如，采用氢气等离子体(H2 plasma)、氦气等离子(He plasma)和/或氨气等离子体(NH3 plasma)对多孔地介电常数材料(porouslow-k)的介质层进行干法(dry)刻蚀工艺后，会对上述介质层的保留部分造成巨大的碳损失(huge carbon depletion)，同时还将上述保留部分暴露表面从疏水性改变为亲水性(change the low-k surfacefrom hydrophobic to hydrophilic)，进而会导致介质层在进行后续工艺(如CMP)时吸收水汽，进而增大介质层的介电常数和漏电流(inducemoisture uptake into the low-k material during the CMP process,andresults in the increase of the k value and leakage current)。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明；图1～5是本申请实施例中改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法的流程结构示意图；如图1～5所示：
首先，在半导体衬底11的上表面按照从下至上顺序依次制备NDC层12、层间介质层(inital)13、超低介电常数介质层(ULK，如k小于2.2的多孔氧化硅材料层)14、HMBD层15、HMTEOS层16、TiN层17和屏蔽氧化层(screen oxide)18；其中，半导体衬底11可为多层结构，如在该半导体衬底11位于顶部表面(即与NDC层12接触的表面)部分可设置有金属结构如电极延伸结构等，以用于后续在超低介电常数介质层14中制备的金属结构连接，即如图1所示的结构(NDC层12和层间介质层13可作为半导体衬底11与超低介电常数介质层14之间的介质层，HMTEOS层16、TiN层17和屏蔽氧化层18可作为超低介电常数介质层14的掩膜层)。
其次，在图1所示结构暴露的表面上旋涂光刻胶，经曝光、显影后，形成具有互连线图形(本实施例中仅以制备金属互连线为例进行详细说明，但其并不能用于限定本申请的保护范围，本领域技术人员可基于本实施例的基础，进行适应性的改变即可应用于诸如制备电极等金属结构的制备过程中)的光阻(图中未标示)，并以该光阻为掩膜进行图案化工艺(Litho)，即依次刻蚀屏蔽氧化层18、TiN层17、HMTEOS层16、HMBD层15、超低介电常数介质层14、层间介质层13和NDC层12，并停止在半导体衬底11的上表面，进而形成互连凹槽10，即图2所示的结构(屏蔽氧化层18在上述的图案化工艺中会被去除掉)；由于超低介电常数介质层14的材质比较疏松，且一般为含碳的材质，在进行上述刻蚀工艺(湿法刻蚀或干法刻蚀，甚至是Litho工艺)时会对超低介电常数介质层14的表面(即互连凹槽10所暴露的超低介电常数介质层14的表面)造成巨大碳损失，会使得该部分的表面与后续制备的金属扩散阻挡层之间的黏附性大大降低，同时使得该表面从疏水性改变为亲水性，而亲水性会使得该部分的表面在后续的工艺中吸收水汽，在进一步降低其与金属扩散阻挡层之间黏附性(worse adhesion capability for PVD barrier)的同时，还会增大超低介电常数介质层14的介电常数，进而导致漏电流的增大。
之后，对超低介电常数介质层14在上述刻蚀工艺中所受到的损伤进行修复，具体的可参见图3所示，先采用硅烷对图2所示的结构(超低介电常数介质层14暴露的表面)进行浸泡后(SiH4 soak)，以对上述的碳损失进行修复(Si imputing to surface of ULK)；再对超低介电常数介质层14暴露的表面依次进行氦等离子处理工艺(Heplasma treating)及紫外光固化工艺(UV cure treating)19，以将超低介电常数介质层14暴露的表面转变为疏水性，以有效避免由于超低介电常数介质层14暴露的表面具有亲水性吸水而增大介电常数，进而导致严重漏电流现象的发生。
优选的，可在3～8torr(如3torr、5torr、7torr或8torr等)的压力条件下，采用流量为100～5000sccm(如100sccm、2000sccm、4000sccm或5000sccm等)的硅烷浸泡超低介电常数介质层14暴露的表面。
优选的，可在3～8torr(如3torr、4torr、6torr或8torr等)的压力条件下，采用500～1000w(如500w、700w、900w或1000w等)的功率、100～5000sccm(如100sccm、1000sccm、3000sccm或5000sccm等)的流量对超低介电常数介质层14暴露的表面进行上述的氦等离子处理工艺。
优选的，可在500～1000w(如500w、600w、800w或1000w等)的功率条件下，采用200～400nm(如200nm、300nm或400nm等)波长的紫外线对超低介电常数介质层14暴露的表面进行上述的紫外光固化工艺。
最后，在图3所示结构的基础上，可制备(如采用物理气相沉积工艺(PVD))金属扩散阻挡层20覆盖互连凹槽10的侧壁及底部表面，形成如图4所示的结构后，继续金属填充工艺，以形成充满互连凹槽10的金属层21(其材质可为铝、铜、钨等)，即如图5所示的结构。
优选的，上述的硅烷浸泡工艺、氦等离子处理工艺及紫外光固化工艺19可在对超低介电常数介质层14进行的每一步的刻蚀工艺之后进行，也可在形成互连凹槽10之后进行，只要确保在制备金属扩散阻挡层20前对超低介电常数介质层14因刻蚀而暴露的表面进行修复，使得其保持原有的特性即可。
综上，由于采用了上述技术方案，本申请提出的本申请提出的一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，应用于在绝缘层(如低k介电常数介质层、超低k介电常数介质层)中制备金属结构(如金属互连线、电极等)，通过采用硅烷浸泡、He等离子及UV处理在刻蚀工艺中形成多孔介质层暴露的表面，能够有效的修复介质层在刻蚀工艺中因损失碳及表面疏水性改变，而造成的介质层介电常数的不稳定及其与后续制备的金属扩散阻挡层黏附性降低等缺陷，进而在提高器件性能的同时，增大了产品良率。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各中变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (11)
1.一种改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一设置有含硅绝缘层的半导体结构；
刻蚀部分所述含硅绝缘层，以形成凹槽；
采用硅化物对所述含硅绝缘层暴露的表面进行硅修复工艺，以修复所述含硅绝缘层在进行所述刻蚀时受到的损伤；
制备一金属扩散阻挡层覆盖所述含硅绝缘层暴露的表面后，沉积金属充满所述凹槽。
2.根据权利要求1所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述硅修复工艺包括：
采用硅烷浸泡所述含硅绝缘层暴露的表面后，对所述含硅绝缘层暴露的表面进行氦等离子处理工艺及紫外光固化工艺。
3.根据权利要求2所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在3～8torr的压力条件下，采用流量为100～5000sccm的硅烷浸泡所述含硅绝缘层暴露的表面。
4.根据权利要求2所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在3～8torr的压力条件下，采用500～1000w的功率、100～5000sccm的流量对所述含硅绝缘层暴露的表面进行所述氦等离子处理工艺。
5.根据权利要求2所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在500～1000w的功率条件下，采用200～400nm波长的紫外线进行所述紫外光固化工艺。
6.根据权利要求1所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述刻蚀工艺包括采用氨气等离子和/或氢气等离子和/或氦气等离子进行的干法刻蚀工艺。
7.根据权利要求1所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述含硅绝缘层的介电常数小于2.7。
8.根据权利要求1所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述含硅绝缘层的材质为硅氧化物。
9.根据权利要求1所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述半导体结构还包括设置于所述含硅绝缘层之上的掩膜层。
10.根据权利要求9所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述掩膜层进行图案化工艺后，以图案化的掩膜层为掩膜，对所述含硅绝缘层进行所述刻蚀工艺。
11.根据权利要求9所述的改善绝缘层与金属扩散阻挡层交界面性能的方法，其特征在于，所述半导体结构还包括层间介质层和金属层；
所述层间介质层设置于所述金属层之上，所述含硅绝缘层设置于所述层间介质层之上；
其中，所述刻蚀工艺停止在所述金属层的上表面，以于所述层间介质层及所述硅绝缘层中形成所述凹槽。
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