CN1241806A - 无后侵蚀地构图导线的工艺及用于该工艺的设备 - Google Patents
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Abstract
通过光刻及随后的干法腐蚀构图铝－铜合金层(13),在干法腐蚀期间生长了含氯化铝的腐蚀残余物侧壁15,这会引起铝－铜合金线(13a/13b/13c)的后束侵蚀,其中侧壁(15)暴露于含离子水蒸汽的气体混合物中,以便氢离子和/或氢氧根与氯化铝反应,从而将氯化铝转变成铝和/或氢氧化铝,及被汽化到真空中的盐酸。
Description
本发明涉及用于制造半导体器件的构图技术，特别涉及通过光刻及随后的腐蚀构图导线的工艺及用于这种工艺的设备。
半导体集成电路器件中引入了多层布线结构，在各电路元件间传输电信号。许多不同的导电材料可用于导线。AlCu合金很受制造者的欢迎。可以用单层AlCu合金实现一导线，另一导线具有含AlCu合金层的层叠结构。该AlCu合金层可以与Ti层、TiN层、TiW层或TiN和Ti的复合层形成层叠结构。
这些导电材料通常利用溅射技术和/或化学汽相淀积法淀积，此后，通过光刻技术及随后的腐蚀将导电层构图成导线。图1A和1B展示了将导电层构图成导线的典型例子。
用绝缘层2覆盖硅衬底1。在绝缘层2的整个表面上淀积AlCu合金，并在绝缘层2上形成AlCu合金层3。在AlCu合金层3的上表面上散布光刻胶溶液，并烘烤，以形成光刻胶层。从光刻掩模将导线的构图图像传递到光刻胶层上，在光刻胶层上形成潜像。将潜像显影，在AlCu合金层3上留下光刻胶腐蚀掩模4，如图1A所示。
将所得结构放置于干法腐蚀系统(未示出)的腐蚀室内，并抽空腐蚀室。在腐蚀室中引入腐蚀气体，使之含有由BCl3表示的三氯化硅、氯或Cl2及另一种含卤素的气体如CF4或CHF3。光刻胶腐蚀掩模4允许从腐蚀气体产生的物质去掉AlCu合金层3的暴露部分，结果，由AlCu合金层3形成导线3a/3b/3c，如图1B所示，腐蚀残余物在干法腐蚀期间淀积在导线/光刻胶腐蚀掩模3a/3b/3c/4的侧表面上，形成侧壁5。腐蚀残余物是一种含光刻胶碎片和铝与氯间的反应产物如AlCl3的混合物。
干法腐蚀完成后，在氧等离子体中灰化光刻胶，从所得结构上去掉光刻胶腐蚀掩模4。然而，侧壁5会部分留在导线3a/3b/3c的侧面上。
尽管侧壁5不会使这些物质将导线3a/3b/3c弄尖，但腐蚀残余物会引起后侵蚀，即，一种由于制造工艺完成后的侵蚀造成的导线3a/3b/3c的老化退化。如果腐蚀残余物留在导线3a/3b/3c上，将发生侵蚀，导线3a/3b/3c将会发生断连和短路。这种侵蚀通过以下反应式进行：
氯产生了腐蚀残余物，因此，氯化物引起了所不希望的后侵蚀。然而，制造者不能通过等离子体灰化去掉侧壁5。为此，制造者通常要去除如氯等残余卤素。在以下说明书中，针对后侵蚀的处理称为“抗后侵蚀”。
抗后侵蚀的第一现有技术处理利用由含氢原子的气体即水蒸汽或醇蒸汽产生的等离子体。侧壁5暴露于等离子体中。等离子体消除所得结构中的残余卤素。然而，几乎不能从侧壁5上去掉氯化铝或将之转化成不会引起后侵蚀的另一种化合物。
这样，现有技术的工艺含干法腐蚀、抗后侵蚀处理和等离子灰化等步骤。制造者分别或者同时进行抗后侵蚀处理和等离子灰化。换言之，存在三种组合。第一种程序是首先进行抗后侵蚀处理，然后是等离子灰化。第二种程序与第一种程序相反，即等离子体灰化后进行抗后侵蚀处理。第三种程序是同时进行抗后侵蚀处理和等离子灰化。
第二现有技术的抗后侵蚀处理是在等离子体灰化后暴露于水蒸汽中。考虑通过以下现象从所得结构中去除残余卤素。
然而，存在着现有技术工艺中光刻胶腐蚀掩模4的去除和抗后侵蚀处理效果的折衷。换言之，如果现有技术的抗后侵蚀处理在得到好的抗后侵蚀效果的条件下进行，则光刻胶碎片容易残留在导线3a/3b/3c上。另一方面，如果加强等离子灰化，则现有技术的处理抗后侵蚀的效果不明显。
这种折衷是由于光刻胶的性质改变造成的。抗后侵蚀处理越长，抗后侵蚀效果越好。然而，水蒸汽/醇产生的等离子体仅仅得到极低的灰化速率。这种情况下，如果光刻胶腐蚀掩模长时间暴露于等离子体或水蒸汽中，则光刻胶的性质发生改变，被硬化。结果，光刻胶腐蚀掩模4在等离子体中几乎不灰化，光刻胶碎片容易留在导线3a/3b/3c上。由此看来，第二种程序和第二现有技术处理比第一种程序更令人满意。然而，在等离子灰化期间卤素限制在侧壁5上，几乎不能从侧壁5上去除。这意味着卤素原子保留在侧壁上，导线3a/3b/3c仍留在侵蚀环境中。
第三种程序是第一种程序和第二种程序的折衷方案。然而，第三种程序的抗后侵蚀效果较差，并且光刻胶腐蚀掩模4不能很好地去除。第三种程序中固有的另一问题是工艺条件的最佳化。如果制造者延长暴露于等离子体的时间，则工艺条件偏向于抗后侵蚀效应。然而，会发生过度灰化。另一方面，如果制造者使工艺条件限制过灰化，则抗后侵蚀效果不充分。
所以，现有技术工艺中抗后侵蚀效果和很好地去除光刻胶掩模4不能兼容。
因此，本发明的主要目的是提供一种构图工艺，能够有效地抗后侵蚀，而且去除光刻胶掩模不困难。
本发明另一主要目的是提供一种适用于该构图工艺的设备。
为达到该目的，本发明提出将卤化物转化为不引起后侵蚀的另一化合物。
根据本发明的一个方面，提供一种构图目标层的工艺，该工艺包括以下步骤：a)制备具有覆盖着由光刻胶构成的腐蚀掩模的目标层的半导体结构，b)将该半导体结构暴露于含卤素的腐蚀剂中，以便将目标层形成为部分被含光刻胶碎片和卤化物的腐蚀残余物偶然层(unintentionallayers)覆盖的图形，c)将在步骤b)得到的结构暴露于含离子水蒸汽的气体混合物中，其中至少存在H+和OH-中的一种，以便卤化物与H+和OH-中的至少一种反应，d)灰化光刻胶，以从步骤c)所得结构上去除腐蚀掩模。
根据本发明的另一方面，提供一种构图目标层的设备，该设备包括：限定第一室的隔离壁，其中有等离子体发生器、用于安装半导体晶片的晶片台及加热晶片台上的半导体晶片的温度调节器；与第一室相连的真空发生器，用于在第一室中产生真空；汽化器，用于产生含至少具有H+和OH-中一种的离子水蒸汽的气体混合物，并将所述气体混合物提供到第一室；气体供应系统，用于将含氧化成分的气体提供到用于等离子灰化的第一室。
利用以下结合附图的说明，可以更清楚地理解该工艺和设备的特点及优点，其中：
图1A和1B是展示现有技术构图工艺的剖面图；
图2A-2D是展示本发明形成导线的工艺的剖面图；
图3A和3B是展示以低灰化速率等离子体灰化后残留在导线上的侧壁的剖面图；
图4是展示衬底温度和灰化速率间关系的曲线图；
图5是展示衬底的合理温度分布的曲线图；
图6是展示引入到本发明的设备中的处理室设置的示意平面图；
图7是展示其中一个处理室的内部的局部切除的侧视图。
构图工艺
图2A-2D展示了实现本发明的工艺。该工艺从制备硅晶片11开始。尽管图中未示出，但在硅晶片11上形成有如晶体管等电路元件。在硅晶片11上淀积一种绝缘材料，形成层间绝缘层12。层间绝缘层12可由氧化硅构成。在层间绝缘层12的整个表面上淀积铝-铜合金，构成导电层13。可以利用溅射技术淀积铝铜合金。
随后，在导电层13上散布光刻胶溶液，并烘烤，以便用光刻胶层覆盖导电层13。从光刻掩模(未示出)将导线的图形图像传递到光刻胶层，通过该图形传递在光刻胶层上形成潜像。显影潜像，将光刻胶层形成光刻胶腐蚀掩模14，如图2A所示。
将所得结构放置于干法腐蚀系统(未示出)的腐蚀室。从腐蚀室中抽空空气，并在腐蚀室中引入腐蚀气体。这种情况下，腐蚀气体含BCl2和Cl2。腐蚀气体还可以含有表示为CH4-xFx的氟碳氢。
干法腐蚀系统在腐蚀室中产生等离子体，利用由腐蚀气体产生的物质腐蚀掉导电层13的暴露部分。结果，将导电层13构图成导线13a/13b/13c。尽管所述物质选择性去掉了导电层13，但腐蚀残留物仍粘附在导线/光刻胶腐蚀掩模13a/13b/13c/14的侧表面上，形成侧壁15，如图2B所示。腐蚀残留物含有光刻胶碎片和一种卤化物。这种情况下，腐蚀气体含氯作为卤素，导电层由铝铜合金构成。氯与铝反应，卤化物为AlCl3。如结合现有技术工艺所述的，氯化铝会引起后侵蚀。
随后，在真空中加热所得结构，并暴露于含离子水的气体中。离子水蒸汽是通过喷射离子水、加热离子水或通过超声振动汽化产生的，并至少含有H+和OH-中的一种。汽化的离子水透过侧壁15之间的窄间隙，侧壁15暴露于H+和/或OH-中，H+和/或OH-与氯化铝按以下反应式反应，并将氯化铝转变成铝或氢氧化铝。
将HCl汽化，从侧壁15中去掉。最后从真空室抽空HCl。
离子水可以喷射到一种载体气体中，产生含氢离子和氢氧根的水蒸汽。可以采用各种加热器加热离子水蒸汽，汽化器可以是加湿器的一部分。
尽管侧壁15暴露于由水或醇产生的等离子体中，但等离子体不会将氯化铝转变成铝和/或氢氧化铝。
随后，将所得结构放置于等离子灰化系统的灰化室中。在灰化室中产生真空，并向灰化室供应氧化气体。氧化气体可以含氧、臭氧或它们的气体混合物。任何一种氧化气体都可用于等离子体灰化，只要这种氧化气体能够灰化光刻胶便可。在灰化室中产生等离子体，将光刻胶腐蚀掩模14灰化去掉，如图2D所示。
优选以高灰化速率进行等离子体灰化。是因为氧等离子体能有效地去除光刻胶中作为CO或CO2的碳。如果灰化速率低，等离子体灰化后侧壁15会留在导线13a/13b/13c上，如图3A所示。侧壁15容易破裂，侧壁15的碎片会留在导线13a/13b/13c上，如图3B所示。侧壁15的碎片会给导线13a/13b/13c带来麻烦。另一方面，在灰化速率高时，侧壁15上的光刻胶碎片与光刻胶腐蚀掩模14一起灰化，减少了侧壁15。因而，导线13a/13b/13c没有因侧壁15碎片造成的麻烦。
本发明人研究了高速率灰化的条件，发现衬底温度对灰化速率影响极大。本发明人测量了不同衬底温度下的灰化速率，绘出了灰化速率与衬底温度的曲线图。图4展示了衬底温度与灰化速率间的关系。横轴表示衬底温度，纵轴表示灰化速率。灰化速率的比例是任意的。在衬底温度降低到约170-180℃时，灰化速率急剧下降。另一方面，光刻胶腐蚀掩模14在270℃左右迅速碳化，不发生灰化。本发明人得出结论，衬底温度在220-250℃的灰化速率高。
本发明人还研究了抗后侵蚀处理和等离子体灰化的温度分布，发现了如图5所示的温度分布。具体说，图2B所示的所得结构从例如50℃的起始温度开始向着200到250℃的目标温度升温，并在从起始温度升到目标温度期间暴露于含离子水蒸汽的气体中。起始温度优选为50℃-100℃。将温度梯度调节到使所得结构在30-70秒达到目标温度。在所得结构达到目标温度时，开始等离子体灰化，通过灰化去掉光刻胶腐蚀掩模14。本发明人证实，光刻胶腐蚀掩模14被很好地灰化，暴露于这种气体中可有效地抗后侵蚀。
上述工艺程序是令人满意的，因为等离子体灰化持续到抗后侵蚀处理，没有损失时间。因而提高了生产率。
本发明人计算了本发明的工艺。首先，淀积铝-铜合金，在铝-铜合金层13上形成光刻胶腐蚀掩模14。通过以下条件下的干法腐蚀构图铝-铜合金。
腐蚀室压力：8毫乇
衬底温度：40℃
腐蚀气体：Cl2/70sccm，BCl3/40sccm，CHF3/8sccm
电源功率：1200W
偏置功率：130W
腐蚀室保持在3乇，以750sccm向腐蚀室提供离子水蒸汽。在离子水蒸汽提供给腐蚀室的同时，将硅晶片11在30-70秒的时间周期内从40℃升高到220℃。
在硅晶片11达到220℃时，在以下条件下灰化去掉光刻胶腐蚀掩模14。
腐蚀室压力：2乇
硅晶片：220℃
反应剂气体：O2/3000sccm，N2/200sccm
微波功率：1000W
灰化后，本发明人通过显微镜观察导线13a/13b/13c，证实已很好地去除了光刻胶腐蚀掩模14和侧壁15。
随后，将导线13a/13b/13c放置于大气中一段时间。本发明人通过显微镜观察导线13a/13b/13c。然而，导线13a/13b/13c没有因后侵蚀而被损伤。
本发明人完成了以半导体晶片11为基础的半导体器件，并测试该半导体晶片。没有发任何故障，证实了导线13a/13b/13c既未断连，也未短路。
从上述说明应理解，含离子水蒸汽的气体有效地将卤化铝转变成铝和/或氢氧化铝，防止了导线13a/13b/13c的后侵蚀。暴露于这种气体中不影响等离子体灰化。设备
现参见图6，实现本发明的设备具有隔离壁21，隔离壁21限定了操纵室22a、处理室22b/22c/22d/22e、装载锁定室22f及卸载锁定室22g。处理室22b/22c/22d/22e、装载锁定室22f及卸载锁定室22g排列在操纵室22a周围。该设备还包括抽空系统23、腐蚀气供应系统24、灰化气体供应系统25、抗后侵蚀处理系统26、加热器/冷却器27(见图7)和等离子体发生器28(见图7)。尽管图中未示出，但在气体供应系统24/25、抽空系统23和加热器/冷却器27中分别引入了流量控制器、压力控制器及温度控制器。
操纵室22a中有自动装置29，用于在室22b-22g间移动晶片。装载锁定室22将操纵室22a与外界隔开，晶片从外部装入装载锁定室22f。抽空系统23从装载锁定室22f抽空空气，保持装载锁定室22f与操纵室22a相同。处理室22b-22e用于干法腐蚀、抗后侵蚀处理和灰化。这种情况下，处理室22b/22c用于干法腐蚀，处理室22d/22e用于干法腐蚀、抗后侵蚀处理和等离子体灰化。卸载锁定室22g也将操纵室22a与外界隔开，通过卸载锁定室22g将晶片传输到外部。在将晶片传输到外部之前，在卸载锁定室22g中引入空气，此后抽空系统23在卸载锁定室22g中产生真空。
当晶片在操纵室22a和处理室22b-22e之间传输时，抽空系统23使操纵室22a中的真空与处理室22b-22e中的真空相同，自动装置29从装载锁定室22f将晶片传送到操纵室22a，从操纵室22a传送到处理室22b-22e中的一个，从该处理室传送到另一处理室，从该处理室传送到控制到，并从操纵室22a传送到卸载锁定室22g。
现在参见图7，处理室22d/22e用石英钟罩31封闭，并与抽空系统23、腐蚀气体供应系统24(图7示未示出)、灰化气体供应系统25(图7中也未示出)及抗后侵蚀处理系统26相连。等离子体发生器28具有磁控管28a，磁控管28a通过波导28b与处理室22d相连。尽管图7中未示出，但提供与处理室22d有关的线圈筒，产生磁场，在等离子体发生器28中还引入有射频功率源。晶片台30设置在处理室22d中，晶片32放置在晶片台30上。加热器/冷却器27提供给晶片32，用于控制晶片32的温度。抗后侵蚀处理系统26具有汽化器26a，例如超声波振动器，离子水通过该超声波振动器汽化。等离子体发生器28在处理室中产生等离子体33，干法腐蚀和灰化利用等离子体发生器28进行。
处理室22d/22e用于干法腐蚀、抗后侵蚀处理和等离子体灰化，并可用于本发明该处理。在处理室22d/22e中依次对晶片进行干法腐蚀、抗后侵蚀处理和等离子体灰化，制造者通过利用本发明的设备提高了生产率。
尽管已展示和介绍了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员应理解，在不脱离本发明精神实质和范围的情况下可以对其作出变化和改形。
铝-铜合金层可以与和/或在例如钛层、氮化钛层或钛-钨层等另一类导电层上层叠。
在上述实施例中，含氯腐蚀气体用于干法腐蚀。然而，已知有许多腐蚀气体，一般都是含卤素气体。卤素会产生卤化物，卤化物进而会引起后侵蚀。为此，本发明不限于含氯腐蚀气体及铝-铜合金。
Claims (16)
1.一种构图目标层的工艺，包括以下步骤：
a)制备具有所述目标层(13)的半导体结构(11/12/13)，所述目标层(13)上覆盖着由光刻胶构成的腐蚀掩模(14)；
b)将所述半导体结构(11/12/13)暴露于含卤素的腐蚀剂中，以便使所述目标层形成为被含所述光刻胶碎片和卤化物的腐蚀残余物偶然层(15)部分覆盖的图形(13a/13b/13c)；
c)进行抗后侵蚀处理；及
d)灰化所述光刻胶，以便从所述步骤c)所得结构上去除所述腐蚀掩模(14)，
其特征在于，将所述步骤b)的所得结构暴露于含离子水蒸汽的气体混合物中，其中至少存在H+和OH-中的一种，以便在所述抗侵蚀处理中所述卤化物与H+和OH-中的至少一种反应。
2.根据权利要求1的工艺，其中所述腐蚀剂是含所述卤素的腐蚀气体。
3.根据权利要求2的工艺，其中所述卤素是氯化物，所述目标层(13)由铝-铜合金构成。
4.根据权利要求3的工艺，其中所述腐蚀残余物含表示为AlCl3的氯化铝，所述H+和OH-中的至少一种通过以下反应式与所述氯化铝反应：
5.根据权利要求1的工艺，其中所述离子水蒸汽是利用选择于喷射至少具有H+和OH-中一种的离子水、加热所述离子水、和通过超声波振动汽化所述离子水中一种技术产生的。
6.根据权利要求3的工艺，其中所述腐蚀气体含BCl3和Cl2。
7.根据权利要求6的工艺，其中所述腐蚀气体还含有表示为CH4-xFx的氟碳氢。
8.根据权利要求1的工艺，其中所述所得结构在所述步骤d)暴露于由含氧化成分的气体产生的等离子体。
9.根据权利要求8的工艺，其中所述氧化成分选自氧、臭氧及含氧和臭氧的混合物。
10.根据权利要求8的工艺，其中在所述步骤d)在200-250℃间加热所述所得结构。
11.根据权利要求1的工艺，其中在步骤c)所述所得结构暴露于所述气体混合物期间，将所述所得结构从起始温度加热到目标温度。
12.根据权利要求11的工艺，其中所述步骤d)在所述所得结构达到所述目标温度时开始。
13.根据权利要求11的工艺，其中所述起始温度和所述目标温度分别为50-100℃和200-250℃，从所述起始温度到所述目标温度的时间周期为30-70秒。
14.一种构图目标层的设备，包括：
限定第一室(22d/22e)的隔离壁(21)，其中有等离子体发生器(28)、用于安装半导体晶片(32)的晶片台(30)及加热所述晶片台上的所述半导体晶片(32)的温度调节器(27)；
真空发生器(23)，用于产生真空；及
气体供应系统(25)，供应含有用于等离子体灰化的氧化成分的气体，
其特征在于，所述真空发生器和所述供应系统与所述第一室(22d/22e)相连，及
还具有汽化器(26)，连接到所述第一室(22d/22e)，用于将含至少具有H+和中OH-一种的离子水蒸汽的气体混合物提供到所述第一室。
15.根据权利要求14的设备，其中所述隔离壁(21)还限定用于从外部装载所述半导体晶片(32)的第二室(22f)、用于将所述半导体晶片卸载到所述外部的第三室(22g)、及可与所述第一室、所述第二室和所述第三室相连并具有在其间传送所述半导体晶片操纵器(29)的第四室(22a)。
16.根据权利要求15的设备，还包括另一气体供应系统(24)，用于向所述第一室(22d/22e)供应腐蚀气体。
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