CN112863999B - 刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于半导体技术领域，具体地涉及一种半导体器件刻蚀方法。所述刻蚀方法包括：提供衬底，所述衬底上形成有刻蚀停止层和位于所述刻蚀停止层上的介质层，所述介质层中形成有经刻蚀工艺形成的通孔，所述通孔结构表面包括所述刻蚀工艺中残留的含氟基团；使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团；对所述通孔进行第二清洗；对所述通孔进行第三清洗。本申请提供的一种半导体器件刻蚀方法，在刻蚀所述介质层形成通孔后，使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团，可以避免所述含氟基团溶于酸性或中性溶液后对刻蚀停止层造成缺口，从而改善器件的可靠性。

Description

刻蚀方法
技术领域
本申请属于半导体技术领域，具体地涉及一种半导体器件的刻蚀方法。
背景技术
刻蚀工艺是半导体制造工艺，微电子集成电路制造工艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的步骤，用于对晶圆上的材料层进行刻蚀以形成特点的图形结构。所谓刻蚀，实际上狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉需要除去的部分。随着微制造工艺的发展，广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。
在刻蚀工艺中，AIN材料经常被用作刻蚀停止层来保护不需要刻蚀的材料层。然而在一些常规刻蚀工艺中，使用含有碳氟化合物的刻蚀气体刻蚀后，会在刻蚀出的通孔中残留有含氟基团，这些含氟基团在后续的常规化学清洗工艺中会溶解于酸性或中性的清洗溶液中，腐蚀AIN刻蚀停止层，形成较大的缺口，导致不良的电迁移，影响器件的可靠性。
因此，有必要开发新的刻蚀工艺，来减小对刻蚀停止层造成的缺口，从而改善器件的可靠性。
发明内容
本申请提供一种半导体器件刻蚀方法，可以减小对刻蚀停止层造成的缺口，从而改善器件的可靠性。
本申请提供一种半导体器件刻蚀方法，包括：提供衬底，所述衬底上形成有刻蚀停止层和位于所述刻蚀停止层上的介质层，所述介质层中形成有经刻蚀工艺形成的通孔，所述通孔表面包括所述刻蚀工艺残留的含氟基团；使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团；对所述通孔进行第二清洗；对所述通孔进行第三清洗。
在本申请的一些实施例中，形成所述通孔的方法包括：使用包括碳氟化合物的刻蚀气体刻蚀所述介质层至暴露所述刻蚀停止层，所述的刻蚀停止层材料包括AIN。
在本申请的一些实施例中，在所述第一清洗，第二清洗以及第三清洗后，都分别包括进行干燥的步骤。
在本申请的一些实施例中，所述碱性溶液的pH值大于7小于等于10。
在本申请的一些实施例中，所述碱性溶液包括浓度为10-100mg/L的氨水溶液。
在本申请的一些实施例中，所述第一清洗的时间为10-60秒。
在本申请的一些实施例中，所述介质层的材料为低介电常数材料，所低介电常数材料的介电常数K小于3.9。
在本申请的一些实施例中，所述介质层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
在本申请的一些实施例中，所述第二清洗所用的清洗液包括去离子水，羟胺，有机酸，氟化铵，氨水。
在本申请的一些实施例中，所述第三清洗的清洗溶液包括去离子水或异丙醇。
本申请提供的一种半导体器件刻蚀方法，在刻蚀所述介质层形成通孔后，使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团，可以避免所述含氟基团溶于酸性或中性溶液后对刻蚀停止层造成缺口，从而改善器件的可靠性。
附图说明
以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本公开的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
图1为常规刻蚀工艺完成后半导体器件的结构示意图。
图2至图4为本申请实施例所述刻蚀方法各步骤的结构示意图。
具体实施方式
以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。
图1为常规刻蚀工艺完成后半导体器件的结构示意图。参考图1所示，常规刻蚀工艺中，首先在衬底100上形成刻蚀停止层110和介质层120，然后使用含有碳氟化合物的刻蚀气体刻蚀所述介质层120至暴露所述刻蚀停止层110形成通孔130，然而此时会在刻蚀出的通孔130中残留有含氟基团，这些含氟基团在随后执行的化学清洗工艺中会溶解于酸性或中性的清洗溶液中。尤其在所述刻蚀停止层110材料包括AIN材料时，所述清洗液会腐蚀所述AIN材料形成的刻蚀停止层110，形成如图1中所示的较大的缺口140，造成后续形成的半导体器件不良的电迁移，影响器件的可靠性。为了解决上述问题，本申请发明人研究出新的半导体器件刻蚀方法，在刻蚀完成后先用碱性溶液清洗所述通孔去除含氟基团，再进行化学清洗，可以避免所述含氟基团溶于酸性或中性溶液后对刻蚀停止层造成的缺口，从而改善器件的可靠性。
图2至图4为本申请实施例所述刻蚀方法各步骤的结构示意图。下面结合附图对本申请实施例所述的一种半导体器件刻蚀方法进行详细描述。
本申请实施例提供一种半导体器件刻蚀方法，包括：提供衬底100，所述衬底100上形成有刻蚀停止层110和位于所述刻蚀停止层110上的介质层120，所述介质层120中形成有经刻蚀工艺形成的通孔130，所述通孔130结构表面包括所述刻蚀工艺中残留的含氟基团；使用碱性溶液对所述通孔130进行第一清洗，去除残留的含氟基团；对所述通孔130进行第二清洗；对所述通孔130进行第三清洗。
参考图2，所述衬底100为半导体衬底，所述半导体衬底可以为硅衬底，还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，或者为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。
在本申请的一些实施例中，所述衬底上还可以形成有金属互连层，所述金属互连层的材料可以包括钨、钴、铜、钌、钼。
继续参考图2，所述刻蚀停止层110用于在刻蚀工艺中保护不需要刻蚀的部分材料层，阻止刻蚀溶液腐蚀过深。氮化铝是电绝缘体，介电性能良好，本申请选取氮化铝(AIN)层作为所述刻蚀停止层，相比传统的刻蚀停止层材料(例如氮化硅)，所述AIN材料和介质层材料的刻蚀选择比更高，因此所述AIN层能够更好地起到刻蚀停止的作用。同时所述AIN层还可以改善电迁移，从而将刻蚀停止层的应用范围提高到10nm以下的技术节点。
继续参考图2，所述介质层120为需要被刻蚀的材料层。
在本申请的一些实施例中，所述介质层的材料为低介电常数材料，所低介电常数材料的介电常数K小于3.9。
在本申请的一些实施例中，所述介质层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
参考图3所示，所述介质层120中形成有经刻蚀工艺形成的通孔130，所述通孔130结构表面包括所述刻蚀工艺中残留的含氟基团。
在本申请的一些实施例中，形成所述通孔130的方法包括：使用包括碳氟化合物的刻蚀气体刻蚀所述介质层120至暴露所述刻蚀停止层110，所述的刻蚀停止层110材料包括AIN。
在本申请的一些实施例中，所述刻蚀为等离子体刻蚀工艺，使用的刻蚀设备为等离子刻蚀机。等离子刻蚀，是干法刻蚀中最常见的一种形式，其原理是暴露在电子区域的气体形成等离子体，由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体，从而形成了等离子或离子，电离气体原子通过电场加速时，会释放足够的力量与表面驱逐力紧紧粘合材料或蚀刻表面。
进行等离子体蚀刻工艺的设备包括反应室、电源、真空部分。器件送入被真空泵抽空的反应室；气体被导入并与等离子体进行交换；等离子体在器件表面发生反应，反应的挥发性副产物被真空泵抽走。等离子体刻蚀工艺实际上便是一种反应性等离子工艺。
然而，刻蚀完成后，所述通孔130结构表面会包含所述刻蚀工艺中残留的含氟基团。在常规刻蚀工艺中，刻蚀完成后，会对所述通孔130进行常规化学清洗，去除残留含氟基团，这些含氟基团就会溶解于酸性或中性的清洗溶液中，腐蚀AIN刻蚀停止层110，形成较大的缺口，导致不良的电迁移，影响器件的可靠性。因此，本申请的方案中，刻蚀完成后，要先去除所述含氟基团后再进行常规化学清洗，并且，所述去除含氟基团的工艺不能对所述通孔130以及刻蚀停止层造成新的损伤。
继续参考图3，使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团。
在本申请的一些实施例中，所述第一清洗的方法为喷洒清洗。具体为，使用喷头向所述通孔130中喷洒所述碱性清洗溶液，待所述清洗溶液与所述含氟基团反应，去除所述含氟基团。所述喷洒清洗的工艺可以更加均匀的去除所述通孔中以及刻蚀停止层表面残留的含氟基团，并且节约第一清洗的清洗液用量，节约成本，减少对环境的影响。
在本申请的一些实施例中，所述碱性溶液的pH值大于7小于等于10，例如7.5，8，8.5，9，9.5等。所述碱性溶液的碱性不能太强，否则所述碱性溶液本身可能也会腐蚀所述半导体器件。
在本申请的一些实施例中，所述碱性溶液包括氨水溶液。
在本申请的一些实施例中，所述氨水溶液中，氨水的浓度为10-100mg/L，例如20mg/L，30mg/L，50mg/L，80mg/L，90mg/L等。所述氨水的浓度不能太低，否则无法去除多余的含氟基团；所述氨水的浓度也不能过高，否则会造成浪费。
在本申请的一些实施例中，所述第一清洗的时间为10-60秒，例如20秒，35秒，43秒，50秒，65秒等。所述清洗时间要控制在适当地范围，使所述清洗溶液与所述含氟基团充分反应，以达到最好的清洗效果。
通过调整所述第一清洗的清洗溶液浓度，清洗溶液PH值以及清洗时间等，可以完全去除所述残留的含氟基团，并不会所述通孔以及刻蚀停止层造成进一步的损伤。
在本申请的一些实施例中，在每次进行清洗后，还包括进行干燥的步骤。例如，在本申请的一些实施例中，进行所述第一清洗后，还需要对所述半导体器件进行第一干燥，以去除多余的清洗溶液以及其他残留物，避免影响后续的其他工艺步骤。
在本申请的一些实施例中，所述第一干燥为吹干。在本申请的一些实施例中，所述第一干燥还可以包括甩干或烘干。
参考图4，对所述通孔130进行第二清洗，进一步去除第一清洗工艺以及之前的刻蚀工艺中可能产生的其他化学残留物。在本申请的一些实施例中，所述第二清洗所用的溶液包括去离子水，羟胺，有机酸，氟化铵，氨水等。
在本申请的一些实施例中，所述第二清洗的方法为喷洒清洗。具体为，使用喷头向所述通孔130中喷洒去离子水清洗10-120秒，例如20秒，30秒，46秒，70秒，85秒，96秒，110秒，115秒等。去除可能的化学残留物。在执行所述第二清洗的工艺中，还可以包括旋转所述喷头或者所述衬底的工艺，以实现彻底清洗。
在本申请的一些实施例中，进行所述第二清洗后，还需要对所述半导体器件进行第二干燥，以去除多余的清洗溶液以及其他残留物，避免影响后续的其他工艺步骤。
在本申请的一些实施例中，所述第二干燥为吹干。在本申请的一些实施例中，所述第二干燥还可以包括甩干或烘干。
对比图4与图1中所述刻蚀停止层110缺口的大小，可以发现，相比于常规刻蚀工艺，本申请实施例所述刻蚀方法中，由于已经去除了所述通孔130结构表面残留的含氟基团，在进行所述第二清洗后，清洗溶液对所述AIN刻蚀停止层造成的缺口明显减小，改善了器件的可靠性。
继续参考图4，对所述通孔130进行第三清洗。
在本申请的一些实施例中，所述第三清洗使用的液体为去离子水或异丙醇。
在本申请的一些实施例中，所述第三清洗的方法为喷洒清洗。具体为，使用喷头向所述通孔130中喷洒所述去离子水或异丙醇清洗10-120秒，例如20秒，25秒，36秒，50秒，70秒，85秒，96秒，110秒，115秒等。去除化学残留物，其中，使用异丙醇清洗对所述器件不会有损伤，但成本更高，具体地可以根据需要选择合适的清洗液体。在执行所述第三清洗的工艺中，还可以包括旋转所述喷头或者所述衬底的工艺，以实现彻底清洗。
在本申请的一些实施例中，进行所述第三清洗后，还需要对所述半导体器件进行第三干燥，以去除多余的清洗溶液以及其他残留物，避免影响后续的其他工艺步骤。采用所述去离子水或者异丙醇作为清洗溶液，可以在后续的第三干燥步骤中尽快使所述去离子水或者异丙醇从衬底表面挥发，不留下清洗溶液残留。
在本申请的一些实施例中，所述第三干燥为吹干。在本申请的一些实施例中，所述第三干燥还可以包括甩干或烘干。
本申请提供的一种半导体器件刻蚀方法，在刻蚀所述介质层形成通孔后，使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团，可以避免所述含氟基团溶于酸性或中性溶液后对刻蚀停止层造成缺口，从而改善器件的可靠性。
综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。
应当理解，本实施例使用的术语″和/或″包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作″连接″或″耦接″至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件″上″时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语″直接地″表示没有中间元件。还应当理解，术语″包含″、″包含着″、″包括″和/或″包括着″，在此使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本发明的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标志符在整个说明书中表示相同的元件。
此外，通过参考作为理想化的示例性图示的截面图示和/或平面图示来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

Claims (8)

1.一种刻蚀方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底上形成有刻蚀停止层和位于所述刻蚀停止层上的介质层，所述的刻蚀停止层材料包括AIN，所述介质层中形成有经刻蚀工艺形成的通孔，所述通孔表面包括所述刻蚀工艺残留的含氟基团；
使用碱性溶液对所述通孔进行第一清洗，去除残留的含氟基团，所述碱性溶液包括浓度为10-100mg/L的氨水溶液，所述第一清洗的方法为喷洒清洗；
对所述通孔进行第二清洗，去除第一清洗工艺以及之前的刻蚀工艺中产生的其他化学残留物，所述第二清洗所用的清洗液包括有机酸或氟化铵，在进行所述第二清洗后，清洗溶液对所述刻蚀停止层造成的缺口减小；
对所述通孔进行第三清洗。
2.如权利要求1所述刻蚀方法，其特征在于，形成所述通孔的方法包括：使用包括碳氟化合物的刻蚀气体刻蚀所述介质层至暴露所述刻蚀停止层。
3.如权利要求1所述刻蚀方法，其特征在于，在所述第一清洗后，第二清洗以及第三清洗后，都分别包括进行干燥的步骤。
4.如权利要求1所述刻蚀方法，其特征在于，所述碱性溶液的pH值大于7小于等于10。
5.如权利要求1所述刻蚀方法，其特征在于，所述第一清洗的时间为10-60秒。
6.如权利要求1所述刻蚀方法，其特征在于，所述介质层材料的介电常数小于3.9。
7.如权利要求6所述刻蚀方法，其特征在于，所述介质层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
8.如权利要求1所述刻蚀方法，其特征在于，所述第三清洗的清洗液包括去离子水或异丙醇。
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