CN108389797B - 一种金属互连结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属互连结构的制备方法，其包括有提供具有互连线的下方介质层；在下方介质层上依次形成富含氮的蚀刻终止检测层、多孔层间介质层、低K缓冲层、金属硬掩模层；在所述金属硬掩模层上形成具有开口图案的光刻胶层，并且开口的截面的宽度大于互连线的截面宽度；对金属硬掩模层和低K缓冲层进行刻蚀，形成开口结构；以开口结构为掩模对多孔层间介质层进行飞秒激光刻蚀；通过检测，当刻蚀到所述富含氮的蚀刻终止检测层时，采用第三刻蚀，并在刻蚀过程中通入氢气还原气体；在暴露出下方的所述互连线之后，持续通入氢气并对下方介质层进一步的过刻蚀，形成开口结构；在开口结构中依次形成阻挡层、晶种层和金属层，形成金属互连结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体互连结构的制备方法，特别是涉及一种具有多孔的低K或超低K层间介质层的半导体互连结构制备方法。
背景技术
半导体集成电路技术的飞速发展不断对互连技术发展提出新的要求。目前，在半导体制造的后段工艺中，为了连接各个部件构成的集成电路，通常使用具有相对高导电率的金属材料，但随着半导体器件的尺寸不断收缩，互连结构变得越来越窄，从而导致互连电阻越来越高。铜借助于其优异的导电性，铜互连技术已广泛应用于90nm和65nm的技术节点的工艺中。
在现有形成铜布线或铜互连的过程中，通过刻蚀绝缘介质层形成沟槽或通孔，然后在沟槽或者通孔中填充铜导电材料。然而由于金属连线之间的空间逐渐缩小，因此，用于隔离金属连线之间的绝缘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不利的相互作用或串扰。现已研究发现，降低用于隔离金属连线层的绝缘介质层的介电常数(K)，可以有效降低这种串扰，同时，降低层间介质层材料的K值还可以有效降低互连的电阻电容延迟效应(RC delay)。
然而，低K或超低K绝缘介质材料的使用对于半导体制造工艺提出来新的要求，一方面，为了获得低K材料或超低K材料，降低材料的K值，通常使用的材料为多孔材料，然而多孔材料的机械强度偏低，这就导致在刻蚀通孔或沟槽过程中，绝缘介质层容易受到破坏，另一方面，多孔的绝缘介质层容易受到外界材料的渗入，而造成污染，降低材料的可靠性。已有学着研究指出，可以通过额外的“封堵”工艺，将刻蚀多孔介质层时暴露在外部的“开放的”孔结构形成密闭的结构，以防止在形成互连结构时金属杂质容易进入孔中的缺陷，然而额外的工艺不仅造成了成本的增加，还容易对刻蚀形成的通孔或沟槽的形貌改变，导致最终形成的互连结构效果并不是很理想；并且通常情况下，在层间介质层形成的通孔或沟槽下方对应有其他的互连线结构，在刻蚀时，容易对下方的互连线结构造成损伤，同时，在通孔或沟槽中填充的金属(通常为铜)与下方的互连层之间在沉积或热处理步骤中，引发的应力作用容易发生剥离，使填充在通孔或沟槽内的金属与下方的互连线之间的接触不好，这些都会对半导体器件的稳定性和可靠性造成很大的影响。
鉴于上述问题，需要提供一种具有多孔的低K或者超低K的层间介质层的互连结构的制备方法，一方面要减少对层间介质层的损害或污染，同时还要防止对下方的互连线结构的损伤。
发明内容
本发明内容部分中引入一系列简化形式的概念，这将在具体实施部分进行详细的说明。
本发明解决的技术问题是提供一种具有多孔的层间介质层的半导体结构的制备方法，防止在制备过程中对层间介质层的损害或污染，并防止对下方的互连线结构造成损伤，同时增加层间介质层中填充的金属与下方互连线之间的牢固性，并且无需额外的对多孔的层间介质层的“封堵”步骤，减少成本，提高半导体器件的稳定性和可靠性。
为解决上述问题，本发明提供了一种具有半导体互连结构的制备方法，其包括有如下步骤：步骤S1：提供具有互连线的下方介质层；步骤S2：在下方介质层上依次形成富含氮的蚀刻终止检测层、多孔层间介质层、低K缓冲层、金属硬掩模层；步骤S3：在所述金属硬掩模层上形成具有开口图案的光刻胶层，其中所述开口图案对准下方的所述互连线结构，并且开口的截面的宽度大于互连线的截面宽度；步骤S4：以所述光刻胶的所述开口图案为掩模，对下方的所述金属硬掩模层和所述低K缓冲层进行第一刻蚀，形成第一开口结构；步骤S5：以所述第一开口结构为掩模对下方的所述多孔层间介质层进行第二刻蚀，所述第二刻蚀采用的是飞秒激光刻蚀，所述飞秒激光在刻蚀所述多孔层间介质层时，通过对暴露的孔结构的局部熔化使暴露的所述孔结构密封；步骤S6：通过检测，当刻蚀到所述富含氮的蚀刻终止检测层时，采用第三刻蚀，并在刻蚀过程中通入氢气还原气体；步骤S7：在暴露出下方的所述互连线之后，持续通入氢气并对所述的下方介质层进一步的过刻蚀，最终获得多孔层间介质层中的第二开口结构；步骤S8：在所述第二开口结构中依次形成阻挡层、晶种层和金属层，形成金属互连结构。
进一步的，其中所述光刻胶的厚度约为250-300nm，所述金属硬掩模层的厚度约为15-20nm，所述层间介质层的厚度约为200-300nm。
进一步的，其中的第一刻蚀为氧等离子体刻蚀，第三刻蚀为氮等离子体刻蚀，并且所述第三刻蚀的源功率大于所述第一刻蚀的源功率。
进一步的，其中的所述氧等离子体刻蚀采用的是二氧化碳等离子体刻蚀，其中的所述氮等离子体刻蚀采用的是氨等离子体刻蚀。
进一步的，其中的所述步骤S4中的形成所述开口结构之后还包括有去除剩余所述光刻胶的步骤。
进一步的，其中的所述步骤S8之后，还包括有平坦化的步骤，并最终在平坦化金属层时去除金属硬掩模层和低K缓冲层。
进一步的，其中的所述持续通入氢气的时间为1-10min，并且其中对下方层间介质层过刻蚀的量约为1-20nm。
进一步的，其中的所述的下方介质层的所述互连线为铜互连线，所述低K缓冲层为多孔的二氧化硅。
进一步的，多孔层间介质层为低K或者超低K材料。
进一步的，所述富含氮的蚀刻终止检测层的为含氮的氧化硅。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益的技术效果：
1、具有超短脉冲时间(通常为10-15m/s)的飞秒激光，具有超强的高聚焦能力，飞秒激光可以将其能量全部快速准确的集中在很小的作用区域中，在刻蚀时能够快速准确的刻蚀，并且很少产生副作用，刻蚀完之后无需清洗去除残余物的工序，飞秒激光在刻蚀时产生的高温对暴露的多孔结构的边缘处的层间介质层进行熔化，熔化的层间介质层可以将暴露的打开的孔结构进行封堵，也就是在刻蚀过程中就对开口的孔结构进行了密闭的处理，而无需采用额外的步骤；
2、选用第一刻蚀的源功率值小于第三刻蚀的源功率值，可以防止在以光刻胶开口为掩模进行刻蚀的过程中，高功率的刻蚀步骤导致的光刻胶开口边缘在离子轰击作用下会发生变形，而影响后续的开口形貌，同时，在第三刻蚀步骤中，以具有金属硬掩模的开口为掩模，其材质比光刻胶要硬，高功率的刻蚀不会对开口的形貌造成变形，并且高功率的刻蚀步骤会缩短刻蚀时间；
3、为了防止互连线表面的氧化，并且将可能形成在互连线表面的氧化层进行还原，在互连线层露出前的刻蚀采用氮等离子体的第三刻蚀，而不是氧等离子体刻蚀，并且通入氢气进行还原，在露出互连线之后，持续通入氢气，即使在前序步骤中互连线表面具有氧化层(通常为氧化铜)，通入的氢气将其还原为铜，并且在刻蚀形成第二开口结构过程中，对下方介质层进行过刻蚀，在互连线周围形成有凹槽结构，在填充互连金属时，互连金属填充在凹槽内，形成的互连金属“包裹”下方的互连线，不仅增大了接触面积，而且提高了接触的牢固性，以提高稳定性和可靠性。
综上，该方法不仅可以减少制备工序，并且可以提高半导体器件的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中的半导体互连结构制备的流程示意图；
图2-10是本发明实施例中半导体互连结构的制备方法的剖面示意图，其中附图7a所示的为采用传统的干法刻蚀时沟槽的开口处暴露的“开放的”孔结构，图7b所示的为本发明中采用飞秒激光刻蚀时沟槽开口处的孔结构的“密封”状态。
具体实施方式
在下文的描述中，结合附图和实施例对本发明提出的半导体互连结构的制备方法做进一步的详细的说明，通过具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰的辅助说明本发明实施例的目的。在实施例中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
请参考附图1所示的本发明的制备流程示意图，该制备方法包括有以下工艺步骤：
步骤S1：提供具有互连线的下方介质层；
步骤S2：在下方介质层上依次形成富含氮的蚀刻终止检测层、多孔层间介质层、低K缓冲层、金属硬掩模层；
步骤S3：在所述金属硬掩模层上形成具有开口图案的光刻胶层，其中所述开口图案对准下方的所述互连线结构，并且开口的截面的宽度大于互连线的截面宽度；
步骤S4：以所述光刻胶的所述开口图案为掩模，对下方的所述金属硬掩模层和所述低K缓冲层进行第一刻蚀，形成第一开口结构；
步骤S5：以所述第一开口结构为掩模对下方的所述多孔层间介质层进行第二刻蚀，所述第二刻蚀采用的是飞秒激光刻蚀，所述飞秒激光在刻蚀所述多孔层间介质层时，通过对暴露的孔结构的局部熔化使暴露的所述孔结构密封；
步骤S6：通过检测，当刻蚀到所述富含氮的蚀刻终止检测层时，采用第三刻蚀，并在刻蚀过程中通入氢气还原气体；
步骤S7：在暴露出下方的所述互连线之后，持续通入氢气并对所述的下方介质层进一步的过刻蚀，最终获得多孔层间介质层中的第二开口结构；
步骤S8：在所述第二开口结构中依次形成阻挡层、晶种层和金属层，形成金属互连结构。
具体的形成工艺步骤，请参照附图2-10所示，其为本发明的具有多孔的层间介质层的半导体互连结构的制备方法的剖面示意图。
首先，如图2所示，提供具有互连线2的下方介质层1，在下方介质层1下方还可以包括有基板结构，基板结构可以为本领域中常见的半导体基板，如硅基板或者SOI基板结构，下方介质层1可以为氧化硅、氮氧化硅、黑钻石或甲基硅酸盐化合物等绝缘材料形成，下方介质层内的互连线2可以为铜互连线，互连线2的形成方式为本领域中常见的形成方式，在此不再赘述。
然后如图3所示，在所述下方介质层1上形成富含氮的蚀刻终止检测层3，蚀刻终止检测层3覆盖在下方介质层1上，并且覆盖互连线2。其中的富含氮的蚀刻终止检测层的材质为含氮的氧化硅，其中的富含氮的蚀刻终止检测层的形成工艺可以采用化学气相沉积沉积工艺，在沉积过程中通入氮气或氨气，以提高氧化硅中的氮含量，以区别于后续形成的物质中(如后续形成的层间介质层)的氮含量，以便于后续在刻蚀步骤中便于检测。
接着如图4所示，在富含氮的蚀刻终止检测层3上依次形成多孔的层间介质层4、低K缓冲层5、金属硬掩模层6。其中的多孔的层间介质层4为低K或者超低K的材料，低K或者超低K层间介质层的材料可以为介电常数值(K值)为2.2-2.9的硅基高分子材料，如HSQ、MSQ等，还可以为多孔的SiLK，形成低K或超低K的层间介质层的方法可以为旋涂工艺，形成的层间介质层的厚度为200-300nm。在形成层间介质层4之后，在层间介质层4上形成低K缓冲层5，低K缓冲层的材料可以为多孔的二氧化硅，其与下方的层间介质层具有良好的接触性能，并且与上方的金属硬掩模层也具有良好的接触性能，其形成在金属硬掩模层和层间介质层之间，可以起到缓冲过渡以及提高粘附性的作用。在低K缓冲层5上形成有金属硬掩模层6，金属硬掩模层6的厚度为15-20nm，其中的低K缓冲层和金属硬掩模层均可以采用CVD或者PVD的方法形成，金属硬掩模可以采用TaN、TiN或Ti等材质。
接着如图5所示，在金属硬掩模层6上涂覆光刻胶层，经过曝光显影工艺，形成具有开口图案的光刻胶层7，其中所述开口图案对准下方的互连线结构，并且开口的截面的宽度大于互连线的截面宽度，开口的宽度可以比互连线截面宽度宽1-50nm，具有开口图案的光刻胶层7的厚度可以为250-300nm。
接着以光刻胶层7为掩模，对下方的金属硬掩模层6和低K缓冲层进行第一刻蚀，如图6所示，第一刻蚀采用第一源功率的氧等离子体刻蚀，其中的氧等离子体刻蚀为二氧化碳等离子体刻蚀，金属硬掩模层6和低K缓冲层5上形成第一开口，在形成第一开口结构之后，还包括有去除剩余的光刻胶的步骤。
接着是对多孔的层间介质层的刻蚀步骤，如图7a所示，是采用现有的干法刻蚀的示意图，在采用干法刻蚀(通常为等离子体刻蚀)在多孔层间介质层中形成开口时，开口两侧的层间介质层(图7a中的虚线部分)在刻蚀时，由于多孔的层间介质层中通常会具有很多的孔结构，而在刻蚀形成开口时，同样会对孔结构进行刻蚀，也就是如放大的部分中刻蚀边界处会形成有很多具有开口暴露的孔结构(其中的内部为层间介质层的内部，对其内部的形貌并没有示出)，而这些打开的孔结构在后续的清洗步骤和沉积步骤中会残留有很多杂质，这些杂质会在后续的高温工艺中进入到层间介质层中，对多孔的层间介质层的介电常数产生很大的影响，而最终影响器件的性能。
而本发明采用的是飞秒激光的刻蚀工艺，该飞秒激光不同于传统的干法刻蚀(采用等离子体进行轰击待刻蚀的表面)，飞秒激光具有超短脉冲时间(通常为10-15m/s)，具有超强的高聚焦能力，其可以将其能量全部快速准确的集中在很小的作用区域中，在刻蚀时能够快速准确的刻蚀，并且很少产生副作用，刻蚀完之后无需清洗去除残余物的工序；飞秒激光在刻蚀时产生的高温对暴露的多孔结构的边缘处的层间介质层进行熔化，熔化的层间介质层可以将暴露的打开的孔结构进行封堵，也就是在刻蚀过程中就对开口的孔结构进行了密闭的处理，而无需采用额外的步骤，如图7b所示的结构，在刻蚀之后其放大结构为刻蚀的边界处，对打开的孔结构进行了一定的封堵；
接着如图8所示，在刻蚀多孔的层间介质层形成开口之后，通过检测，当刻蚀到所述富含氮的蚀刻终止检测层时，则停止飞秒激光刻蚀，采用氮等离子体进行第三刻蚀，并在刻蚀过程中通入氢气还原气体，由于蚀刻终止检测层3为富含氮的材料，在刻蚀的排除气中检测到大量的含氮物质(金属硬掩模层和层间介质层都是不含氮的物质，即使有氮也是很少量的)也就是刻蚀到蚀刻终止检测层，氮等离子体刻蚀采用的是氨等离子体刻蚀。选用第三刻蚀的源功率值大于第一刻蚀的源功率值，可以防止在以光刻胶开口为掩模进行刻蚀的过程中，高功率的刻蚀步骤导致的光刻胶开口边缘在离子轰击作用下会发生变形，而影响后续的开口形貌，同时，在第三刻蚀步骤中，以具有金属硬掩模的开口为掩模，其材质比光刻胶要硬，高功率的刻蚀不会对开口的形貌造成变形，并且高功率的刻蚀步骤会缩短刻蚀时间。在刻蚀过程中通入氢气，主要是防止暴露出互连线之后，刻蚀腔室内残余的氧会对铜互连线氧化，并且在暴露出下方的所述互连线之后，持续通入氢气，最终获得层间介质层中的开口结构，持续通入氢气的时间为1-10min，持续通入氢气主要是将在在前序步骤中不可避免的将铜互连线表面上氧化的氧化层进行还原，以减小铜互连线的电阻；并且在刻蚀形成第二开口结构过程中，对下方介质层进行过刻蚀，在互连线周围形成有凹槽结构，如图9所示；然后在形成的第二开口结构中依次形成阻挡层、晶种层和金属层，如图10所示(其中的阻挡层和晶种层在图10中未示出)，填充的互连金属层会填充在凹槽内，进而“包裹”下方的互连线，不仅增大了接触面积，而且提高了接触的牢固性，其中的金属层的材料可以为铜，阻挡层为TiN。
在填充金属层之后，对形成的金属采用平坦化步骤，并最终在平坦化金属层时去除金属硬掩模层和低K缓冲层，以形成互连结构。
综上，该方法具有形成的多孔层间介质层的半导体互连结构不仅可以减少制备工序，无需额外的多暴露的打开的孔结构进行“封堵”的步骤，并且可以防止金属互连线表面的氧化，同时能够提高互连金属和下方的金属互连线之间的接触面积并提高两者的接触牢固性，提高半导体器件的稳定性和可靠性。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外，本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以作出更多的变形和修改，这些变形和修改均落在本发明所要保护的范围内。本发明的保护范围由所属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (7)
1.一种金属互连结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供具有互连线的下方介质层；
步骤S2：在下方介质层上依次形成富含氮的蚀刻终止检测层、多孔层间介质层、低K缓冲层、金属硬掩模层；
步骤S3：在所述金属硬掩模层上形成具有开口图案的光刻胶层，其中所述开口图案对准下方的所述互连线结构，并且开口的截面的宽度大于互连线的截面宽度；
步骤S4：以所述光刻胶的所述开口图案为掩模，对下方的所述金属硬掩模层和所述低K缓冲层进行第一刻蚀，形成第一开口结构；
步骤S5：以所述第一开口结构为掩模对下方的所述多孔层间介质层进行第二刻蚀，所述第二刻蚀采用的是飞秒激光刻蚀，所述飞秒激光在刻蚀所述多孔层间介质层时，通过对暴露的孔结构的局部熔化使暴露的所述孔结构密封；
步骤S6：通过检测，当刻蚀到所述富含氮的蚀刻终止检测层时，采用第三刻蚀，并在刻蚀过程中通入氢气还原气体；其中的第一刻蚀为二氧化碳等离子体刻蚀，第三刻蚀为氨等离子体刻蚀，并且所述第三刻蚀的源功率大于所述第一刻蚀的源功率；
步骤S7：在暴露出下方的所述互连线之后，持续通入氢气并对所述的下方介质层进一步的过刻蚀，最终获得多孔层间介质层中的第二开口结构；其中的所述持续通入氢气的时间为1-10min，并且其中对下方层间介质层过刻蚀的量为1-20nm；
步骤S8：在所述第二开口结构中依次形成阻挡层、晶种层和金属层，形成金属互连结构。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中所述光刻胶的厚度为250-300nm，所述金属硬掩模层的厚度为15-20nm，所述层间介质层的厚度为200-300nm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中的所述步骤S4中的形成所述开口结构之后还包括有去除剩余所述光刻胶的步骤。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中的所述步骤S8之后，还包括有平坦化的步骤，并最终在平坦化金属层时去除金属硬掩模层和低K缓冲层。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中的所述的下方介质层的所述互连线为铜互连线，所述低K缓冲层为多孔的二氧化硅。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多孔层间介质层为低K或者超低K材料。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述富含氮的蚀刻终止检测层为含氮的氧化硅。
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