專利名稱：一種金屬互連層刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造方法，特別涉及一種金屬互連層刻蝕方法。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體集成電路(IC)制造主要在硅襯底的晶片(wafer)器件面上生長半導(dǎo)體器件并進(jìn)行互連。半導(dǎo)體器件制作在器件層中，以金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET) 器件為例，MOSFET器件的主要結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)、源極、漏極和柵極，其中，所述有源區(qū)位于硅襯底中，所述柵極位于有源區(qū)上方，所述柵極兩側(cè)的有源區(qū)分別進(jìn)行離子注入后形成源極和漏極，所述柵極下方具有導(dǎo)電溝道，所述柵極和導(dǎo)電溝道之間有柵極電介質(zhì)層。根據(jù) MOSFET器件的工作原理，必須通過對MOSFET的源極、柵極和漏極分別施加不同的電壓實(shí)現(xiàn) MOSFET器件的導(dǎo)通和關(guān)閉，因此在MOSFET器件的主要結(jié)構(gòu)制作完成后，還要在器件層中制作鎢(W)接觸(Contact，CT)和鎢栓塞(plug)，將MOSFET器件的各部分相互電連接，完成 MOSFET器件的器件層工藝。
在MOSFET器件所在 的器件層制作完畢后，還要在器件層之上制作金屬互連層，由金屬互連層為NOSFET器件之間的信號傳輸提供物理保證。金屬互連層的制作稱為金屬互連層工藝(BEOL)?，F(xiàn)有技術(shù)中，BEOL通常是指在金屬間電介質(zhì)(MD)中刻蝕通孔(via)和溝槽(trench)并在其中填充金屬形成金屬連線和金屬襯墊(metal pad),其中，IMD用于 metal pad和金屬連線在金屬互連層中的電絕緣，由金屬連線將不同MOSFET器件的柵極、 源極或者漏極連接到同一 metal pad。
現(xiàn)有技術(shù)的金屬互連層制作工藝是先在器件層的鎢CT或者鎢栓塞上方依次沉積 liner和MD，liner采用氮化硅材料，作為刻蝕通孔的刻蝕停止層，典型的MD是富硅二氧化硅(SRO)層(用來避免金屬互連層中的氟離子往下滲入半導(dǎo)體器件層)、摻有氟離子的硅玻璃(HDP-FSG)層、離子體增強(qiáng)型摻有氟離子的硅玻璃(PE-FSG)層和二氧化硅組成的多層介質(zhì)的組合。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展IMD更傾向于采用低介電系數(shù)(low-k)介質(zhì),例如含碳原子二氧化娃或者黑鉆石(Black Diamond,BD)。同時,在刻蝕通孔和溝槽的過程中也普遍開始采用金屬硬掩膜技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)中將位于鎢CT和鎢栓塞之上，與金屬鎢直接形成電連接的金屬互連層稱為第一金屬互連層。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法步驟流程圖，結(jié)合圖2 圖6所示的現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕的結(jié)構(gòu)簡化剖面示意圖，說明現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的具體步驟。
步驟1、圖2為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟I的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，在晶片器件面的鎢CT 200 (或者鎢栓塞)上方依次沉積襯墊 (liner)層 201 和 IMD 202 ；
本步驟中，liner層201作為MD 202中刻蝕通孔刻蝕停止層，通常是氮化硅或者碳化硅；本實(shí)施例中的MD 202是BD。
步驟2、圖3為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟2的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示,在IMD 202上方依次沉積正娃酸乙酯(tetraethyl orthosilicate, TE0S)層和TiN金屬層后，在TiN金屬層上涂覆第一光刻膠(PR)后光刻形成第一光刻圖案，以第一光刻圖案為掩膜刻蝕TiN金屬層形成金屬硬掩膜304，露出部分 TEOS 層 203 ；
其中，光刻形成第一光刻圖案的過程包括對第一PR進(jìn)行曝光、顯影等步驟。本步驟中，刻蝕TiN金屬層形成金屬硬掩膜304的方法為現(xiàn)有技術(shù)，不再贅述；需要注意的是，金屬硬掩膜304上的圖案是第一光刻圖案的傳遞，用于定義溝槽的位置和開口寬度。TEOS層 203作為MD 202和TiN金屬層之間過渡層。
本步驟中，在形成金屬硬掩膜304之后還有剝離第一光刻圖案的步驟，具體來說， 主要采用兩種方法剝離第一光刻圖案也就是去除PR，第一，采用氧氣(O2)進(jìn)行干法刻蝕，氧氣與PR發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可將PR去除；第二，還可采用濕法去膠法，例如，采用硫酸和雙氧水的混合溶液可將PR去除。
步驟3、圖4為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟3的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，在晶片器件面涂覆第二 PR后光刻形成第二光刻圖案405 ;
本步驟中，涂覆的第二 PR覆蓋在金屬硬掩膜304上和露出的TEOS層203上，上，光刻形成第二光刻圖案405的過程包括對第二 PR進(jìn)行曝光、顯影等步驟，第二光刻圖案405 定義通孔的位置和開口寬度。
步驟4、圖5為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟4 的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示，主刻蝕MD 202分別形成通孔和溝槽后，去除liner層 201(Liner Removal, LRM)；
本實(shí)施例以先刻蝕通孔(via first)的大馬士革法為例，該方法的主刻蝕過程包括兩步第一步以第二光刻圖案405為掩膜依次刻蝕TEOS層203和MD202，在MD 202中形成通孔，第二步以金屬硬掩膜304為掩膜依次刻蝕TEOS層203和MD 202，在通孔上方的MD 202中形成溝槽，通過主刻蝕在MD 202中分別形成通孔和溝槽的具體方法為現(xiàn)有技術(shù)，此不再贅述，需要注意的是，現(xiàn)有技術(shù)中的LRM是在主刻蝕形成通孔之后，仍然以第二光刻圖案405為掩膜繼續(xù)刻蝕Liner層直到完全打開liner層201，露出半導(dǎo)體器件層中的鎢CT 200 (或者鎢栓塞)表面。在LRM之后還有第二光刻圖案405的剝離步驟，具體方法參考步驟2中去除第一 PR的方法。
步驟5、圖6為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟5的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，含氫氟酸溶液(DHF)606濕法清除刻蝕副產(chǎn)物；
上述步驟4的刻蝕過程中的副產(chǎn)物是聚合物(polymer)，需要在本步驟中清除， 同時為了不腐蝕從打開的liner層 201下方露出的金屬鎢表面，避免金屬鎢和后續(xù)通孔中形成的金屬連線之間的歐姆接觸損傷，從而導(dǎo)致金屬互連層和半導(dǎo)體器件層之間的電阻增大，本步驟的濕法刻蝕不能采用對金屬有強(qiáng)腐蝕性的雙氧水(H2O2)溶液，現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用的DHF溶液606清除刻蝕副產(chǎn)物的方法帶來的問題是一方面DHF溶液606會腐蝕 TEOS層203和MD 202的結(jié)合處界面，另一方面由于TiN金屬層的存在向TEOS層203施加拉應(yīng)力，以上兩方面作用均會導(dǎo)致TEOS層203和MD 202的結(jié)合處出現(xiàn)凹陷(necking)，該凹陷破壞了通孔表面的平坦，給后續(xù)步驟的通孔表面沉積擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層造成了困難。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法中，去除liner層之后的DHF濕法清洗步驟會造成嚴(yán)重的凹陷，該凹陷的存在給后續(xù)通孔表面沉積擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層造成了困難。
為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種金屬互連層刻蝕方法，應(yīng)用于采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層的刻蝕，提供具有半導(dǎo)體器件層的晶片，所述半導(dǎo)體器件層中包括鎢接觸或鎢栓塞，其特征在于，該方法包括在所述鎢接觸或鎢栓塞上方依次沉積襯墊層、金屬間介質(zhì)、正硅酸乙酯層和金屬層后，光刻后刻蝕所述金屬層形成金屬硬掩膜；
所述晶片器件面光刻形成第二光刻圖案；
以所述第二光刻圖案和所述金屬硬掩膜為遮蔽主刻蝕所述正硅酸乙酯層和金屬間介質(zhì)，形成通孔和溝槽，以所述襯墊層為主刻蝕停止層；
濕法刻蝕去除部分或全部金屬硬掩膜；
以所述正硅酸乙酯層為遮蔽刻蝕所述襯墊層；
堿性的羥基多巴胺類有機(jī)溶劑和含氫氟酸溶液分別濕法清洗所述通孔和溝槽。
所述金屬層是氮化鈦或者氮化硼。
所述濕法刻蝕采用雙氧水溶液。
所述濕法刻蝕的時間范圍是I到10分鐘。
所述雙氧水溶液是濃度范圍是1%到50%。
所述羥基多巴胺類有機(jī)溶劑的清洗時間范圍是I到20分鐘。
所述含氫氟酸溶液的清洗時間范圍是I到20分鐘。
所述含氫氟酸溶液的去離子水和氫氟酸的體積比范圍是100 I到1000 I。
由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明解決了在主刻蝕和LRM之后，采用DHF清除刻蝕副產(chǎn)物容易造成金屬硬掩膜下方的TEOS層和MD的結(jié)合處出現(xiàn)凹陷的問題，避免由于凹陷破壞通孔表面的平坦，給后續(xù)步驟的通孔表面沉積擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層造成困難。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法步驟流程圖2 6為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕的剖面結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法步驟流程圖8 14為本發(fā)明采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例， 對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例一
圖7為現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法步驟流程圖，結(jié)合圖8 圖14所示的現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕的結(jié)構(gòu)簡化剖面示意圖，說明現(xiàn)有技術(shù)中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的具體步驟。
步驟701、圖8為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟701 的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示，在晶片器件面的鎢CT(或者鎢栓塞)上方依次沉積襯墊 (liner)層 201 和 IMD 202，；
本步驟中，liner層201作為MD 202中刻蝕通孔刻蝕停止層，通常是氮化硅或者碳化硅；本實(shí)施例中的MD 202是BD。
步驟702、圖9為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟 702的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖9所示，在IMD 202上方依次沉積正娃酸乙酯(tetraethyl orthosilicate, TE0S)層203和金屬層后，在金屬層上涂覆第一光刻膠(PR)后光刻形成第一光刻圖案，以第一光刻圖案為掩膜刻蝕金屬層形成金屬硬掩膜304，露出部分TEOS層 203 ；
本步驟中，TEOS層203作為MD 202和TiN金屬層之間過渡層。金屬層是氮化鈦 (TiN)或者氮化硼(BN)等金屬材料，要求在干法刻蝕通孔和溝槽的過程中，金屬層形成的金屬硬掩膜304相對TEOS層203和MD 202具有較高的刻蝕選擇比，本實(shí)施例以TiN作為金屬層，以下稱為TiN金屬層。光刻形成第一光刻圖案的過程包括對第一 PR進(jìn)行曝光、顯影等步驟。本步驟中，刻蝕TiN金屬層形成金屬硬掩膜304的方法為現(xiàn)有技術(shù)，不再贅述。 需要注意的是，金屬硬掩膜304上的圖案是第一光刻圖案的傳遞，用于定義溝槽的位置和開口寬度。
本步驟中，在形成金屬硬掩膜304之后還有剝離第一光刻圖案的步驟，具體來說， 主要采用兩種方法剝離第一光刻圖案也就是去除PR，第一，采用氧氣(O2)進(jìn)行干法刻蝕，氧氣與PR發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可將PR去除；第二，還可采用濕法去膠法，例如，采用硫酸和雙氧水的混合溶液可將PR去除。
步驟703、圖10為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟 703的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖10所示，在晶片器件面涂覆第二 PR后光刻形成第二光刻圖案 405 ；
本步驟中，涂覆的第二 PR覆蓋在金屬硬掩膜304上和露出的TEOS層203上，光刻形成第二光刻圖案405的過程包括對第二PR進(jìn)行曝光、顯影等步驟，第二光刻圖案405定義通孔的位置和開口寬度。
步驟704、圖11為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟 704的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖11所示，主刻蝕TEOS層203和MD 202分別形成通孔和溝槽， 以liner層201為主刻蝕停止層；
本實(shí)施例以先刻蝕通孔(via first)的大馬士革法為例，該方法的主刻蝕過程包括兩步第一步以第二光刻圖案405為掩膜依次刻蝕TEOS層203和MD202，在MD 202中刻蝕形成通孔，第二步以金屬硬掩膜304為掩膜依次刻蝕TEOS層203和MD 202，在通孔上方刻蝕形成溝槽；在刻蝕形成通孔后還有第二光刻圖案405的剝離步驟；通過主刻蝕在MD 202中分別形成通孔和溝槽的具體方法為本發(fā)明，此不再贅述。本發(fā)明中主刻蝕的刻蝕終點(diǎn)用終點(diǎn)檢測法確定，需要注意的是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在主刻蝕形成通孔和溝槽之后，不再打開liner層201。在主刻蝕之后還有第二光刻膠形成的第二光刻圖案405剝離步驟，具體方法參見步驟702的相關(guān)描述。
步驟705、圖12為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟 705的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖12所示，濕法刻蝕1201去除部分金屬硬掩膜304 ；
本實(shí)施例采用雙氧水溶液進(jìn)行濕法刻蝕1201，雙氧水溶液對TiN等金屬的腐蝕性很強(qiáng)，金屬硬掩膜304被全部或部分腐蝕去除。雙氧水溶液的濃度范圍是I %到50%，例如 1%、20%或50% ;采用雙氧水溶液的濕法刻蝕時間范圍是I分鐘到10分鐘，例如，I分鐘、 5分鐘或10分鐘。本步驟中，除了雙氧水溶液，還可以用其他能夠去除金屬硬掩膜304的腐蝕溶液進(jìn)行濕法刻蝕1201，達(dá)到去除金屬硬掩膜304的目的。要求腐蝕溶液對金屬硬掩膜304與TEOS層203、MD 202和liner層201三者的刻蝕選擇比很大，也就是在濕法刻蝕 1201去除金屬硬掩膜304的同時盡量不損傷三者。
步驟706、圖13為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟 706的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖13所示，刻蝕去除liner層201 (LRM)；
本步驟中，LRM的方法是干法刻蝕，以殘留的金屬硬掩膜304和TEOS層203為遮蔽刻蝕liner層201，采用終點(diǎn)檢測法控制刻蝕的停止時間，打開liner層201露出半導(dǎo)體器件層中鎢CT(或者鎢栓塞)的金屬鎢表面。
步驟707、圖14為本發(fā)明中采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法的步驟 707的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖14所示，羥基多巴胺類有機(jī)溶劑(EKC)和DHF溶液分別濕法清洗1401LRM后的通孔和溝槽；
本步驟中，EKC和DHF溶液的濕法清洗順序?qū)Ρ景l(fā)明沒有影響，可以先用EKC，也可以先用DHF溶液。EKC是不含氟的堿性溶液，用于減小DHF溶液的氟元素對TEOS層203和 IMD 202之間結(jié)合處界面的腐蝕作用，EKC的濕法清洗時間范圍是I分鐘到20分鐘，例如，I 分鐘、10分鐘或20分鐘。DHl溶液的去離子水和氫氟酸(HF)的體積比范圍是100 I到 1000 1，例如，100 1,500 I或1000 I ;DHF溶液的濕法清洗時間范圍是I分鐘到 20分鐘，例如，I分鐘、10分鐘或20分鐘。
實(shí)際上，采用DHF溶液的濕法清洗是確保完全去除刻蝕副產(chǎn)物的聚合物所不必可少步驟，只能分別采用EKC和DHF溶液進(jìn)行濕法清除刻蝕副產(chǎn)物的聚合物，在保證完全去除聚合物的前提下，盡可能降低DHF溶液的濃度和濕法清洗時間，減小對TEOS層203和MD 202結(jié)合處界面的腐蝕。
本發(fā)明提出一種采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法，該方法在主刻蝕形成通孔和溝槽后，先采用雙氧水溶液濕法刻蝕全部或部分金屬硬掩膜304，然后進(jìn)行LRM， 最后用EKC和DHF溶液分別清洗通孔和溝槽表面，完全去除刻蝕副產(chǎn)物的聚合物。該方法一方面在未去除liner層201保護(hù)了半導(dǎo)體器件層的金屬鎢表面的同時，部分或完全去除 TEOS層203上方的金屬硬掩膜304，另一方面由于DHF在TEOS層203邊沿處的腐蝕，降低了金屬硬掩膜304對TEOS層203施加的拉應(yīng)力，另一方面，由于使用EKC進(jìn)行清洗減輕了 DHF 溶液中氫氟酸的含量，兩方面共同緩解了 TEOS層203和IMD202的結(jié)合處界面的necking 現(xiàn)象，解決了在主刻蝕和LRM之后，采用DHF清除刻蝕副產(chǎn)物容易造成金屬硬掩膜304下方的TEOS層203和MD 202的結(jié)合處出現(xiàn)凹陷的問題， 避免由于凹陷破壞通孔表面的平坦，給后續(xù)步驟的通孔表面沉積擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層造成困難。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬互連層刻蝕方法，應(yīng)用于采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層的刻蝕，提供具有半導(dǎo)體器件層的晶片，所述半導(dǎo)體器件層中包括鎢接觸或鎢栓塞，其特征在于，該方法包括在所述鎢接觸或鎢栓塞上方依次沉積襯墊層、金屬間介質(zhì)、正硅酸乙酯層和金屬層后，光刻后刻蝕所述金屬層形成金屬硬掩膜； 所述晶片器件面光刻形成第二光刻圖案； 以所述第二光刻圖案和所述金屬硬掩膜為遮蔽主刻蝕所述正硅酸乙酯層和金屬間介質(zhì)，形成通孔和溝槽，以所述襯墊層為主刻蝕停止層； 濕法刻蝕去除部分或全部金屬硬掩膜； 以所述正硅酸乙酯層為遮蔽刻蝕所述襯墊層； 堿性的羥基多巴胺類有機(jī)溶劑和含氫氟酸溶液分別濕法清洗所述通孔和溝槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬層是氮化鈦或者氮化硼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述濕法刻蝕采用雙氧水溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述濕法刻蝕的時間范圍是I到10分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述雙氧水溶液是濃度范圍是1%到.50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述羥基多巴胺類有機(jī)溶劑的清洗時間范圍是I到20分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氫氟酸溶液的清洗時間范圍是I到.20分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氫氟酸溶液的去離子水和氫氟酸的體積比范圍是100 I到1000 I。
全文摘要
本發(fā)明提出一種應(yīng)用于采用金屬硬掩膜的第一金屬互連層刻蝕方法，該方法在主刻蝕形成通孔和溝槽后，先采用雙氧水溶液濕法刻蝕全部或部分金屬硬掩膜，然后進(jìn)行LRM，最后用EKC和DHF溶液分別清洗通孔和溝槽表面，完全去除刻蝕副產(chǎn)物的聚合物，解決了在主刻蝕和LRM之后，采用DHF清除刻蝕副產(chǎn)物容易造成金屬硬掩膜下方的TEOS層和IMD的結(jié)合處出現(xiàn)凹陷的問題，避免由于凹陷破壞通孔表面的平坦，給后續(xù)步驟的通孔表面沉積擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層造成困難。
文檔編號H01L21/02GK103021930SQ201110284500
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者張海洋, 胡敏達(dá) 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司