CN117894751A - 厚金属层的刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种厚金属层的刻蚀方法，包括形成位于衬底之上的厚金属层；基于光刻胶图形，采用刻蚀工艺形成由厚金属层的上表面延伸至其内部的沟槽；采用湿法清洗工艺预清洗厚金属层的裸露表面；以及采用电化学工艺将聚合物自厚金属层的裸露表面脱附。本申请可采用电化学工艺，通过施加适当的电位使刻蚀所得的金属图形的表面电势升高，能够促进残留的聚合物自金属表面的化学脱附，同时使残留的聚合物于金属表面的吸附强度减弱，能够快速去除厚金属层表面残留的聚合物，而且工艺条件温和，不会产生明显的损伤，易于实现。

Description

厚金属层的刻蚀方法

技术领域

本申请属于集成电路制造技术领域，特别是涉及一种厚金属层的刻蚀方法。

背景技术

晶圆制造过程中，基于厚膜(thick-film)技术的集成电路由于其具有较低的电阻率、较高的热扩散系数以及可靠性，广泛应用于半导体工艺中。然而，与常规的金属层相比，基于厚金属层的金属连线制作工艺更为复杂，厚金属层的刻蚀过程中产生的非挥发性聚合物和刻蚀副产物容易堆积，影响产品晶圆的电学性能，还会导致刻蚀所得的金属图形表面粗糙度升高，增加后续钝化层的生长过程中的负载。现阶段，常用解决方法之一是通过重复执行湿法清洗工艺来提升聚合物的去处理中，但是此种方式会造成金属层的损伤。

图1a-图1b显示为基于厚金属层制作金属连线的现有工艺所得沟槽的侧壁的SEM图像，如图1a中虚框标示的，沟槽的侧壁粘附有聚合物，采用常规的湿法清洗工序不能完全去除上述的聚合物，由此造成部分的聚合物残留；另一方面，如图1b所示，聚合物的存在会导致金属腐蚀而生长出大面积的结晶，影响晶圆的保存，以及产品良率。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种厚金属层的刻蚀方法，厚金属层表面的刻蚀残留物无法完全去除而且去除过程易于造成损伤的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种厚金属层的刻蚀方法，包括：

形成位于衬底之上的厚金属层；

形成位于所述厚金属层之上的光刻胶层，通过光刻工艺于所述光刻胶层中定义出光刻胶图形；

基于所述光刻胶图形，采用刻蚀工艺形成由所述厚金属层的上表面延伸至其内部的沟槽，所述厚金属层的表面粘附有残留的聚合物；

采用湿法清洗工艺，预清洗所述厚金属层的裸露表面；

采用电化学工艺，将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附。

可选地，所述厚金属层的材质包含铝、铜中的一种或多种金属，所述厚金属层的厚度不低于2×10⁴埃。

可选地，所述采用湿法清洗工艺预清洗所述厚金属层的裸露表面的步骤，包括：使用包含H₂SO₄、H₂O₂以及HF的清洗液浸泡和/或刷洗刻蚀后的厚金属层。

可选地，所述预清洗所述厚金属层的裸露表面的步骤之后，包括：以所述厚金属层为阳极电极，惰性电极为阳极电极以及酸性溶液为电解液，于所述阴极电极与所述阳极电极之间施加直流电压，将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附。

可选地，所述阳极电极选自铂电极、金电极、石墨烯电极中的一种，所述电解液选自硫酸、硝酸中的一种。

可选地，所述采用电化学工艺将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附的步骤，包括：以浓度为1mol/L-4mol/L的H₂SO₄溶液为电解液，所述阴极电极与所述阳极电极之间施加电压值为3V-6V的直流电压，通过调整所述阳极电极和所述阳极电极的电位，控制所述聚合物自厚金属层裸露表面脱附的工艺时间。

可选地，所述形成所述沟槽的步骤之前，包括：形成位于所述厚金属层上的硬掩膜层；基于所述光刻胶图形刻蚀所述硬掩膜层，形成图形化的硬掩膜层。

可选地，所述刻蚀所述硬掩膜层的步骤，包括：对所述硬掩膜层进行过刻蚀，形成位于所述硬掩膜层中的刻蚀窗口以显露出厚金属层的表面，以及形成自所述厚金属层的显露表面向内的凹进。

可选地，所述刻蚀所述厚金属层的步骤，包括采用各向异性干法刻蚀工艺对所述厚金属层进行刻蚀，形成自所述厚金属层的上表面延伸至其内部的沟槽，至少所述沟槽的侧壁粘附有残留的聚合物，残留的所述聚合物包括光刻胶残留和碳氟类聚合物。

可选地，所述采用电化学工艺将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附的步骤之后，包括：用去离子水冲洗所述衬底，并且对所述衬底进行干燥处理；对所述厚金属层的表面进行钝化处理。

如上所述，本申请的厚金属层的刻蚀方法，具有以下有益效果：

本申请的厚金属层的刻蚀方法，采用电化学工艺，通过施加适当的电位使刻蚀所得的金属图形的表面电势升高，能够促进残留的聚合物自金属表面的化学脱附；另一方面，使残留的聚合物于金属表面的吸附强度减弱，利用电解液中定向的离子迁移促成聚合物的脱落，从而能够快速去除厚金属层表面残留的聚合物，而且工艺条件温和，不会产生明显的损伤，易于实现，于电解槽内同步执行多个晶圆的处理，有利于大规模生产应用，具有成本效益。

附图说明

图1a～图1b显示为基于厚金属层制作金属连线的现有工艺之后所得结构的扫描电子显微镜(SEM)图像；其中，图1a显示为刻蚀厚金属层之后侧壁附着有刻蚀副产物的SEM图像，图1b显示为刻蚀厚金属层之后刻蚀副产物所致的膜层损伤的SEM图像。

图2a～图2d显示为一种厚金属层的刻蚀方法的各阶段截面图；其中，

图2a示出了本申请实施例中形成厚金属层之后的截面图；

图2b示出了本申请实施例中刻蚀厚金属层之后的截面图；

图2c示出了本申请实施例中采用电化学工艺去除刻蚀副产物之后的截面图；

图2d示出了本申请实施例中形成钝化层之后的截面图。

图3示出了本申请实施例中使用电化学工作平台进行电化学脱附的工作原理图。

图4示出了本申请实施例中采用电化学工艺于不同工作电压下自厚金属层的表面脱附聚合物的量随时间变化的曲线图。

图5示出了根据本申请实施例中的厚金属层的刻蚀方法所得刻蚀表面的SEM图像。

元件标号说明：

100 衬底

102 厚金属层

104 沟槽

106 钝化层

110 硬掩膜层

102c 凹进

105r 聚合物

200 阳极电极

210 电解槽

220 阴极电极

240 参比电极

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本申请中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本申请的保护范围之内。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个组件或特征与其他组件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

如本文中所使用，术语“衬底”意指衬底本身或在其上形成有诸如分立器件之类元件的衬底表面。

除非在下文中特别指出，半导体器件的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成。半导体材料例如包括III-V族半导体，如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等，IV-IV族半导体，如碳化硅(SiC)等，II-VI族化合物半导体，如硫化镉(CdS)、碲化镉(CdTe)等，以及IV族半导体，如硅(Si)、锗(Ge)等。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。出于清晰显示的考虑，各图未依比例绘示，并且可能被简化，并未对所有的结构全部标示。一个实施例中的元件和特征可有利地用于其他实施例中而无需进一步详述。

本申请整体涉及但不限于沟槽填充相关的问题，沟槽可以意指位于衬底上方且设置于介质层中用于形成导电连接的孔、槽、间隙或类似特征，此处所称的“介质层”包括层间介质层、金属间介质层和/或类似的功能性介质层中。

为了降低刻蚀残留物的去除过程中厚金属层的损伤，本申请提供了一种厚金属层的刻蚀方法。

图2a-图2d显示为一种厚金属层的刻蚀方法的各阶段截面图。以下将结合图2a至图2d对本申请实施例提供的厚金属层的刻蚀方法的制作方法进行说明。

图2a示出了本申请实施例中形成厚金属层之后的截面图。如图2a所示，形成位于衬底上的厚金属层102。

该步骤中，形成位于衬底上的厚金属层102，衬底100内可设置有待连接的半导体器件，厚金属层102可形成用于电性引出，和/或半导体器件之间的电连接。

于一实施例中，在衬底100的上方沉积厚金属层102，厚金属层102的厚度不低于2×10⁴埃，特别是大于或等于3×10⁴埃。可通过例如是蒸镀、电镀或化学气相沉积的方式沉积厚金属层102，厚金属层102的材质包括但不限于，铝、铜或其他适于制作连接层的金属或合金材料，铝金属易于沉积和光刻，具有工艺实现上的优势。

在形成厚金属层102的步骤之后，形成位于厚金属层102上的硬掩膜层110，可通过例如是化学气相沉积(PECVD)工艺沉积硬掩膜层110。举例而言，硬掩膜层110可选用为氧化硅硬掩膜层、氮化硅硬掩膜层中的一种。

进一步地，在形成硬掩膜层110之后，图形化硬掩膜层110的步骤包括：采用例如旋涂法形成光刻胶层于硬掩膜层110上；依次执行曝光和显影等一系列光刻工艺，定义光刻胶图形；通过刻蚀工艺将光刻胶图形转移至硬掩膜层110中，形成图形化的硬掩膜层，以图形化的硬掩膜层作为图形掩膜执行后续的厚金属层的刻蚀步骤；随后，可通过灰化工艺将剩余的光刻胶图形去除。本实施例中，如图2a所示，图形化硬掩膜层的过程中，基于光刻胶图形对硬掩膜层110进行过刻蚀，形成位于硬掩膜层110中的刻蚀窗口以显露出厚金属层的表面，以及形成自厚金属层的显露表面向内的凹进102c，即刻蚀所得的端面终止于厚金属层102中。

图2b示出了本申请实施例中刻蚀厚金属层之后的截面图。如图2b所示，基于图形掩膜刻蚀厚金属层102。

该步骤中，以图形化的硬掩膜层中定义的窗口为掩膜，采用各向异性干法刻蚀工艺对厚金属层102进一步刻蚀，形成自厚金属层的上表面延伸至其内部的沟槽104，如图2b所示，所得的沟槽侧壁粘附有残留的聚合物105r。残留的聚合物105r可以是刻蚀副产物，其包括光刻胶残留和碳氟类聚合物，光刻胶残留主要是，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基丙烯酸甲酯(PDMA)。可使用相对于硬掩膜层具有刻蚀选择性的刻蚀气体执行厚金属层102的刻蚀，刻蚀气体包括Cl₂和BCl₃。本实施例中，各向异性干法刻蚀工艺可以是，例如等离子体刻蚀，或者反应离子刻蚀。

需要说明的是，在此图示以干法刻蚀形成金属图形为例对本申请进行具体说明，但是本申请并不局限于此，在保证所需的线形精度和侧壁形貌的前提下亦可采用湿法刻蚀形成金属图形。

图2c示出了本申请实施例中脱附聚合物之后的截面图。如图2c所示，采用电化学工艺将聚合物自厚金属层102的裸露表面脱附。

该步骤中，采用电化学工艺将聚合物105r自厚金属层的裸露表面脱附，具体步骤包括：以厚金属层为阳极电极、惰性电极为阴极电极以及酸性溶液为电解液，于阴极电极与阳极电极之间施加直流电压DC，以将聚合物105r自厚金属层的裸露表面脱附。在一实施例中，阳极电极选自铂电极、金电极、石墨烯电极中的一种，电解液选自硫酸、硝酸中的一种。

进一步地，将厚金属层102浸入电解液之前，可采用湿法清洗工艺预清洗厚金属层的裸露表面，具体步骤包括：使用包含H₂SO₄、H₂O₂以及HF的清洗液浸泡和/或刷洗衬底100，部分去除图形处理引入的颗粒或沾污。通过在执行电化学脱附聚合物之前引入一步预清洗工艺，可减少聚合物的附着量，由此可缩短后续电化学脱附的工艺时间。

一些实施例中，可采用电化学平台同步执行同一批次或不同批次的厚金属层的电化学脱附，本实施例中，使用电化学工作平台进行电化学脱附的工作原理图示出于图3中。如图3所示，电化学工作平台包括电解槽210、电极引线、以及控制器，对电极和参比电极240均设置电解槽210内，通过电极引线连接至直流功率源，对电极包括作为工作电极的阳极电极200和作为辅助电极的阴极电极220，参比电极240配置以监测阳极电极和阴极电极的电位变化；控制器可使用计算机程序控制直流电流施加的电压值、电极的定位操作、使用参比电极240确定阳极电极和阴极电极的电位，以及监测电解槽210内的工艺参量，包括pH值、电流密度以及反应时间。本实施例中，厚金属层设置成作为工作电极的阳极电极，铂电极设置成作为辅助电极的阴极电极以及H₂SO₄溶液为电解液，于阴极电极与阳极电极之间施加直流电压DC，其中，电极反应式可表示为式1。

H₂O→H⁺+OH^- 式1

一具体的实施例中，通过调整阳极电极与阳极电极的电位，改变电解槽内的电极密度，从而控制自厚金属层裸露表面完全脱附聚合物所需的时间。由于金属表面存在空穴缺陷，作为阳极电极的厚金属层处电位增加，会使聚合物在金属表面的吸附强度减弱，同时通过电解反应所产生的H⁺向阴极电极的迁移，促成聚合物自金属表面的脱落。考虑到电解效率以及副反应生成的HF对金属表面的损伤，优选地采用浓度为1mol/L-4mol/L的H₂SO₄溶液为电解液。

为了表明电化学方式去除刻蚀副产物的效果，分别采用浓度为2mol/L的H₂SO₄溶液为电解液，将主要含铝的厚金属层为阳极电极、铂电极为阴极电极，将阳极电极与阴极电极浸没于电解液中，分别于阴极电极与阳极电极之间施加电压值为1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V和8V的直流电压，并且维持阴极电极和阳极电极接入的电压值，由于聚合物自金属表面的脱附会引起监测到的电流密度变化，具体而言，随着厚金属层的表面电势升高聚合物易于发生氧化还原反应所致的化学脱附，而且通电过程中单位面积内自金属表面脱附聚合物的量越多监测到更大的电流密度，通过监测脱附过程中电流密度随时间的变化情况，分析得到不同工作电压下从厚金属层的表面脱附聚合物的量随时间变化的曲线图示出于图4。

由图4所示的脱附率可知，随着工作电压的增加，脱附速率明显增加，并且在工作电压为6V时脱附速率达到最高，在选定的直流电压3V-8V的电解条件下，聚合物的脱附率均在20min内达到80％以上，特别是在直流电压4V-8V的电解条件下，聚合物接近于完全脱落。

此外，根据电化学平台的监测结果，显示聚合物的脱附过程大致分成两个阶段：初始阶段和反应稳定阶段，在初始阶段会观察到一个较高的电流密度峰值，在反应稳定阶段电流密度会随时间的推移逐渐减小并趋于稳定状态，表明聚合物的脱附达到一个相对恒定的水平。

图2d示出了本申请实施例中对厚金属层进行钝化处理之后的截面图。

该步骤中，对厚金属层的表面进行钝化处理的步骤之前，包括：用去离子水冲洗衬底100，并且对衬底100进行干燥处理。干燥处理后的金属表面形貌示出于图5，由图5可见，脱附所得的厚金属层表面平整，未观察到额外的粘附物或杂质，无明显缺陷。

如图2d所示，对厚金属层的裸露表面进行钝化处理，形成覆盖厚金属层表面的钝化层106。在厚金属层主要为铝金属的示例中，在去除覆于金属表面的氧化层之后，采用含氮气体处理形氮化铝钝化层。

虽然本申请所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种厚金属层的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法包括：

形成位于衬底之上的厚金属层；形成位于所述厚金属层之上的光刻胶层，采用光刻工艺于所述光刻胶层中定义出光刻胶图形；

基于所述光刻胶图形，采用刻蚀工艺形成由所述厚金属层的上表面延伸至其内部的沟槽，所述厚金属层的表面粘附有残留的聚合物；

采用湿法清洗工艺，预清洗所述厚金属层的裸露表面；

采用电化学工艺，将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附。

2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于：所述厚金属层的材质包含铝、铜中的一种或多种金属，所述厚金属层的厚度不低于2×10⁴埃。

3.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述采用湿法清洗工艺预清洗所述厚金属层的裸露表面的步骤，包括：使用包含H₂SO₄、H₂O₂以及HF的清洗液浸泡和/或刷洗刻蚀后的厚金属层。

4.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述预清洗所述厚金属层的裸露表面的步骤之后，包括：以所述厚金属层为阳极电极，惰性电极为阳极电极以及酸性溶液为电解液，于所述阴极电极与所述阳极电极之间施加直流电压，将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附。

5.根据权利要求4所述的刻蚀方法，其特征在于：所述阳极电极选自铂电极、金电极、石墨烯电极中的一种，所述电解液选自硫酸、硝酸中的一种。

6.根据权利要求4或5所述的刻蚀方法，其特征在于，所述采用电化学工艺将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附的步骤，包括：以浓度为1mol/L-4mol/L的H₂SO₄溶液为电解液，所述阴极电极与所述阳极电极之间施加电压值为3V-6V的直流电压，通过调整所述阳极电极和所述阳极电极的电位，控制所述聚合物自厚金属层裸露表面脱附的工艺时间。

7.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述形成所述沟槽的步骤之前，包括：

形成位于所述厚金属层上的硬掩膜层；基于所述光刻胶图形刻蚀所述硬掩膜层，形成图形化的硬掩膜层。

8.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于,所述刻蚀所述硬掩膜层的步骤，包括：

对所述硬掩膜层进行过刻蚀，形成位于所述硬掩膜层中的刻蚀窗口以显露出厚金属层的表面，以及形成自所述厚金属层的显露表面向内的凹进。

9.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀所述厚金属层的步骤，包括采用各向异性干法刻蚀工艺对所述厚金属层进行刻蚀，形成自所述厚金属层的上表面延伸至其内部的沟槽，至少所述沟槽的侧壁粘附有残留的聚合物，残留的所述聚合物包括光刻胶残留和碳氟类聚合物。

10.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述采用电化学工艺将所述聚合物自厚金属层的裸露表面脱附的步骤之后，包括：用去离子水冲洗所述衬底，并且对所述衬底进行干燥处理；对所述厚金属层的表面进行钝化处理。