專利名稱：鋁/銅金屬連線上反應(yīng)離子蝕刻后聚合物的清除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用含有蝕刻氣體和酸性中和氣體的化學(xué)混合物清除反應(yīng)離子蝕刻(RIE)后在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微電子元件的鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的改進(jìn)方法。更具體地，本改進(jìn)方法包含使用氣態(tài)或等離子態(tài)的蝕刻劑與酸中和劑混合物清除金屬(Al/Cu)RIE后殘留于側(cè)壁的聚合物，其中蝕刻劑是如HF的氟基物質(zhì)，酸中和劑是如NH3的化學(xué)物。
在ULSI(超大規(guī)模集成)元件中，通常采用亞微米通路孔實現(xiàn)金屬層之間的電連接。這些通路孔采用各向異性反應(yīng)離子蝕刻(RIE)工藝洞穿層間電介質(zhì)(ILD)而形成，常用CF4或CHF3與惰性氣體的混合物。蝕刻的殘留物沒有腐蝕性而且易于清除。
二氧化硅為層間電介質(zhì)、阻擋層、金屬疊層和光致抗蝕劑層組成的復(fù)合材料在進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻過程中，當(dāng)光致抗蝕劑層被曝光和顯影之后，沿側(cè)壁形成的自然形態(tài)主要為無機(jī)物的不溶性聚合物和一些化學(xué)成分為鋁(Al)、硅(Si)、鈦(Ti)、氧(O)、碳(C)和氯(Cl)。該殘留物具有一定的腐蝕性，而且難于清除。
目前，通常采用含鉻磷酸浴槽液或使用其它溶劑型的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻后的清除工藝。而且，在RIE工藝完成后與濕法清洗步驟之間存在一個約4小時的時間窗以避免腐蝕。
目前現(xiàn)有的濕法化學(xué)清洗方法存在如下缺陷1)酸類化學(xué)物質(zhì)(不含任何HF)通常在清除硅含量較高的聚合物細(xì)條時效果不佳(位于承受區(qū)的金屬墊上有殘留)。
2)溶劑型化學(xué)物質(zhì)通常需要較長的處理時間(約10分鐘，而一般酸類的清洗時間為2-4分鐘)，而且通常因成本大和環(huán)保要求在實施時遇到困難。
一種使用HF和NH3氣體混合物蝕刻精確量二氧化硅的方法及其設(shè)備在美國專利US 5282925中公開。該方法包含以下步驟將含有氣體的反應(yīng)物導(dǎo)入真空室，室內(nèi)支撐有待蝕刻材料的基體，以在該基體材料的表面上形成反應(yīng)物的膜；控制該待蝕刻材料表面上膜的組成和存留時間以便從基體上蝕刻掉準(zhǔn)確數(shù)量的材料；以及從反應(yīng)室內(nèi)或基體的表面上去除任何不需要的反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物。該專利沒有敘述無法實現(xiàn)與二氧化硅、二氧化鋁和碳的復(fù)合混合物反應(yīng)，或者沒有告知氨和氟化氫復(fù)合混合物的反應(yīng)產(chǎn)物順利擴(kuò)散通過。
美國專利US5129958公開了一種用于半導(dǎo)體晶片加工設(shè)備清洗化學(xué)氣相沉積(CVD)室的方法，該方法包含以下步驟用一種或多種還原性氣體與等離子體氟清洗步驟中的氟殘留物接觸。
Tong等人在Electrochemical Society Proceedings第95-20卷第235-242頁中公開了利用氣氣相氟化氫清洗方法清除聚合物/硅酸鹽殘留物以及降低金屬間通路孔的接觸電阻。由于在通路基部氟化氫蒸氣與Al/Al2O3之間反應(yīng)形成了AIF3，氟化氫蒸氣處理降低了金屬-通路的接觸電阻。在氧化物區(qū)域CF4或CHF3類RIE化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生了低鋁含量無氯的聚合物。該聚合物易于清除且與鋁RIE工藝后形成的聚合物相比腐蝕性低。
美國專利US 5296093公開了一種集成電路構(gòu)件制造過程中蝕刻多晶硅層后殘留物的清除方法，其中，代替聚合化的硅/含氧化物的殘留物的清除步驟是，預(yù)先將RIE蝕刻構(gòu)件在HF液槽內(nèi)浸漬，在RIE蝕刻完成后將RIE蝕刻的構(gòu)件用含氨類/過氧化氫水溶液處理，以便清除這種殘留物。
本領(lǐng)域仍需求清除RIE蝕刻材料的方法，其中要縮短RIE工藝完成后與濕法清洗步驟之間約4小時的時間窗。
換言之，利用各向異性反應(yīng)離子蝕刻(RIE)方法洞穿金屬疊層形成金屬連線的工藝中，反應(yīng)離子蝕刻(RIE)技術(shù)需要避免RIE與濕法清洗步驟之間的時間偶連，同時需要避免使用濕化學(xué)清洗劑，本領(lǐng)域有此需求。
本發(fā)明的一個目的是使用蝕刻氣體和酸中和氣體的混合物作為氣體清洗劑清除反應(yīng)離子蝕刻(RIE)后在鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種金屬蝕刻后的清洗方法，該清洗方法不使用濕化學(xué)物質(zhì)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種使用氣相化學(xué)物進(jìn)行金屬蝕刻后處理的方法，其中僅采用去離子水(DIW)而避免使用濕化學(xué)物質(zhì)，而且消除了金屬蝕刻與清洗步驟之存在的時間窗或時間間隙。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種使用氣相化學(xué)物清除反應(yīng)離子蝕刻后在鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的方法，其中使用氟基蝕刻劑如HF，以及酸中和化學(xué)物如NH3。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種清除反應(yīng)離子蝕刻后在鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的方法，該方法利用HF和NH3的氣體混合物將聚合物細(xì)條以化學(xué)方法改變成水溶形式，然后使用去離子水沖洗清除水溶形式的聚合物細(xì)條。
本發(fā)明的又一個目的是通過中和在聚合物細(xì)條上的有腐蝕性的活性氯化物成分，減小因清除反應(yīng)離子蝕刻后的聚合物細(xì)條時造成對鋁銅金屬連線的腐蝕，其中既可使用NH3中和氯化物成分，也可使用氟置換氯組分。
本發(fā)明的另一個目的是使用一體化方法提高反應(yīng)離子蝕刻后在鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的清除效果，其中既避免使用后處理濕化學(xué)物質(zhì)，又消除了金屬蝕刻與清洗步驟之間存在的時間耽擱，從而在金屬蝕刻水平上使生產(chǎn)工藝簡化并更有效率。
一般而言，本發(fā)明是這樣完成的金屬蝕刻工藝后，避免RIE與濕法清洗步驟間的時間偶接以及避免使用濕化學(xué)清洗劑，通過導(dǎo)入氣態(tài)或等離子態(tài)的蝕刻劑與酸中和反應(yīng)物的混合物，以化學(xué)方法將反應(yīng)離子蝕刻后的聚合物細(xì)條轉(zhuǎn)變成水溶形式，從而減小了對金屬連線的腐蝕，消除了RIE與濕法清洗步驟間的時間偶接，而且也無需使用濕化學(xué)清洗劑。
圖1為顯示本發(fā)明順序1的方塊圖，其中從順序1可見，RIE聚合物首先在步驟2中轉(zhuǎn)變成水溶形式，在步驟3中，呈水溶化學(xué)物形式的RIE聚合物被清除。在步驟4中，通過等離子法或化學(xué)順流蝕刻方法清除殘留的光致抗蝕劑。由于該步驟通常在溫度200℃以上時發(fā)生，從而在鋁金屬連線表面形成鈍化層。如圖1所示，其中各步驟均按順序發(fā)生在整套金屬蝕刻設(shè)備5中提供RIE的金屬連線，光致抗蝕劑的清除，側(cè)壁殘留物的清除，以及其它相關(guān)工藝。
圖2為設(shè)備5內(nèi)進(jìn)行步驟順序的方塊圖，描述了本發(fā)明另一個可供選擇的實施方案，其中步驟2用于清除剝離室內(nèi)的光致抗蝕劑。該工藝在約175-200℃低溫下使用只有水的等離子體實施，從而可降低側(cè)壁聚合物的厚度。聚合物細(xì)條通過步驟3化學(xué)改性，并在步驟4中用去離子水沖洗。
圖3顯微照片表明從順序1工藝照相得到的基陣和承受區(qū)，其中使用HF+NH3的混合物清除鋁/銅金屬連線上BCl3反應(yīng)離子蝕刻后的聚合物細(xì)條，接著再沖洗以及等離子體剝離聚合物。
圖4為本發(fā)明順序2或另一可供選擇實施方案的顯微照片，其中基陣和承受區(qū)的照片為下列方案的結(jié)果清除鋁/銅金屬連線上BCl3反應(yīng)離子蝕刻后的聚合物細(xì)條后，通過水基順流等離子體，再將所述細(xì)條置于HF+NH2的混合物中，最后沖洗。
通過以下本發(fā)明的優(yōu)選實施方案詳述，可更好地理解本發(fā)明的上述及其它目的和優(yōu)點。
經(jīng)金屬蝕刻工藝后，使用氣相化學(xué)物處理，這樣僅采用去離子水(DIW)而避免使用濕化學(xué)物質(zhì)，而且消除了金屬蝕刻與清洗步驟之間存在的時間窗。
再者，在本發(fā)明工藝中，提供了一種附帶金屬蝕刻設(shè)備使用與氣相化學(xué)物的整套方法，其中氣相化學(xué)物使用氟基蝕刻劑如HF以及酸中和化學(xué)物如NH3。
經(jīng)檢驗，發(fā)現(xiàn)金屬反應(yīng)離子蝕刻后在復(fù)合側(cè)壁混合物中的鋁、鈦和碳既不能抑制二氧化硅與氨和HF的反應(yīng)，也不能抑制氨和HF擴(kuò)散通過已形成的固態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物。鋁/銅金屬連線上反應(yīng)離子蝕刻后的聚合物細(xì)條首先被氣體混合物化學(xué)改性為水溶性低腐蝕的形式，然后再使用去離子水沖洗清除。
且不論什么理論發(fā)現(xiàn)如何實現(xiàn)本發(fā)明，還是應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在聚合物細(xì)條中的氯化物成分是造成腐蝕的活性物質(zhì)，而且聚合物細(xì)條的氯化物部分(或游離態(tài)Cl-或HCl)既可被NH3中和也可被氟置換，化學(xué)物的相互作用能減輕對鋁/銅金屬連線腐蝕合情合理。
使用本發(fā)明的方法，聚合物細(xì)條可采用整套工藝予以清除，其中，金屬蝕刻劑-氣相化學(xué)物-去離子水基清洗劑既可避免使用濕化學(xué)物質(zhì)，而且消除了金屬蝕刻與濕法清洗步驟之間存在的時間間隔。相應(yīng)地，本發(fā)明整套工藝使得微電子元件的生產(chǎn)加工在金屬蝕刻水平實現(xiàn)一體化。
實施例1在包括氧化硅中間層電介質(zhì)、阻擋層、金屬疊層和光致抗蝕劑層的復(fù)合結(jié)構(gòu)上，金屬(鋁/銅)經(jīng)反應(yīng)離子蝕刻工藝后，于干壁上殘留聚合物條，其中主要為自然形態(tài)無機(jī)物，并且該聚合物條的一些化學(xué)成分為鋁(Al)、硅(Si)、鈦(Ti)、氧(O)、碳(C)和氯(Cl)。
通過將氣態(tài)的或直接或間接等離子態(tài)的蝕刻劑與酸中和劑的混合物導(dǎo)入反應(yīng)室，從而可避免使用濕化學(xué)清洗劑，而且消除了反應(yīng)離子蝕刻與濕法清洗步驟之間存在的時間偶連。含氟化物的蝕刻劑為氫氟酸，酸中和化學(xué)物質(zhì)為氨氣。
蝕刻劑與側(cè)壁聚合物細(xì)條反應(yīng)并轉(zhuǎn)變成另一種易于清除的化學(xué)形式，該步驟的化學(xué)反應(yīng)式如下[1][2]酸中和化學(xué)物質(zhì)可有效地獲取存在的任何酸物質(zhì)，例如鹽酸、金屬反應(yīng)離子蝕刻工藝中使用的蝕刻劑氣體、或游離態(tài)氯與水反應(yīng)而形成的物質(zhì)。
中和反應(yīng)式如下[3]蝕刻反應(yīng)和中和反應(yīng)所得產(chǎn)物在去離子水中是可溶的。如果上述反應(yīng)不能發(fā)生，側(cè)壁可吸收氯或水。這就導(dǎo)致腐蝕過程，其中氯起催化劑作用。接著再進(jìn)行水解反應(yīng)[5]鹽酸再循環(huán)返回反應(yīng)[4]中。
這些反應(yīng)在金屬反應(yīng)離子蝕刻后與預(yù)防腐蝕的側(cè)壁清除步驟之間形成了較短的時間窗。
由于不需要氣態(tài)水來誘發(fā)HF與氧化物反應(yīng)，而且低反應(yīng)壓力(10毫托壓力下)就能使水反應(yīng)產(chǎn)物易于逃逸，因此反應(yīng)[1]-[3]特別有利于抑制反應(yīng)[4]-[5]的發(fā)生。低反應(yīng)壓力還能易于設(shè)計進(jìn)行反應(yīng)[1]-[3]的整套反應(yīng)室以及金屬RIE加工設(shè)備。真空室可與金屬蝕刻設(shè)備配套，也可作為一個獨立的室用于導(dǎo)入反應(yīng)物。
現(xiàn)參看圖1，其中本發(fā)明一個實施方案的步驟1包括使用金屬蝕刻化學(xué)物，該物與現(xiàn)有技術(shù)(RIE)的沒有差別。
因此，本發(fā)明的第一個實施方案的順序1包括使用一種現(xiàn)有技術(shù)熟知的金屬蝕刻劑；但是，為了獲得兩個順序和成套工藝，圖1所示的第一個實施方案中順序1的步驟2要求使用氣相化學(xué)物，其中反應(yīng)離子蝕刻后的聚合物通過HF與NH3的混合物轉(zhuǎn)變成水溶的化學(xué)形式以便得到水溶化學(xué)物。水溶性化學(xué)物用去離子水沖洗，即可將其除去。在步驟4中，通過等離子方法或化學(xué)順流蝕刻方法來清除殘留的光致抗蝕劑。該步驟在高于約200℃的溫度下發(fā)生，且在鋁金屬連線表面形成鈍化層。實施例2在本發(fā)明的實施方案或順序2中，步驟1包括在含有氧化硅中間層電介質(zhì)、阻擋層、金屬疊層和光致抗蝕劑層的復(fù)合結(jié)構(gòu)上使用金屬蝕刻化學(xué)物，如實施例1所描述。在順序2的步驟2中，反應(yīng)室內(nèi)使用僅含水的等離子方法剝離光致抗蝕劑；形成的聚合物細(xì)條在步驟3中用氟化氫蝕刻氣體與酸中和氣體氨氣的混合物處理，使其發(fā)生化學(xué)改性。此后，在步驟4中用去離子水沖去由側(cè)壁聚合物轉(zhuǎn)變成的水溶的化學(xué)物。
應(yīng)該理解，就圖1和2所示的順序1和2的實施方案而言，如果需要，酸類清洗劑也可部分地加入水沖洗元件中，以除去金屬連線上的殘留物。所述的酸類清洗劑可由稀釋的硫酸與過氧化氫的混合物組成(Delehanty等人的US 5780363專利)。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，目前趨于使用電介質(zhì)硬掩膜(二氧化硅和氮化硅層)，因此帶反應(yīng)離子蝕刻工藝的整套氣相化學(xué)方法可有效地從鋁/銅金屬連線上清除聚合物細(xì)條。
從圖3可見，100倍的顯微照片顯示了用BCl3進(jìn)行RIE蝕刻得到動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)芯片的基陣和承受區(qū)，其中，先進(jìn)行HF+NH3的混合氣體處理，并沖洗，之后使用氧化順流等離子體。
圖4中與之類似，本發(fā)明順序2的方法顯示了基陣和承受區(qū)，其中，經(jīng)BCl3反應(yīng)離子蝕刻后，晶片置于水順流的等離子體中，接著用HF+NH3的混合氣體進(jìn)行氣相化學(xué)方法處理，最后沖洗獲得承受區(qū)。圖4表明了使用本發(fā)明順序2獲得的結(jié)果，顯微照片的放大倍數(shù)為100倍。
需要強調(diào)的是，HF+NH3的氣體混合物不能用于制造界定鋁/銅金屬連線。為了形成鋁/銅金屬連線要使用氯基等離子體化學(xué)物。氯基等離子體源一般為HCl/BCl3和氯氣。
用于制造鋁/銅金屬連線的材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)如下作為中間層電介質(zhì)的氧化硅、阻擋層、金屬疊層和光致抗蝕劑層。光致抗蝕劑層經(jīng)曝光和顯影后，反應(yīng)離子蝕刻工藝用于制造界定鋁/銅金屬連線。這樣將在側(cè)壁后方形成聚合物殘留物，其成分為鋁(Al)、硅(Si)、鈦(Ti)、氧(O)、碳(C)和氯(Cl)，以及一些量的阻擋層元素。
在本發(fā)明中，使用特定氣態(tài)或等離子態(tài)的HF+NH3的混合物其原因在于至關(guān)重要的是有一種良好的后消洗方法。為了獲得良好的后清洗方法，必須清除含氯的側(cè)壁聚合物，以防止對金屬連線的腐蝕。并且必須腐蝕/化學(xué)改性殘留物使其變成水溶性的同時不腐蝕金屬連線。
再者，在本發(fā)明中，氨中和了大部分的游離態(tài)氯，因而防止了對金屬連線的腐蝕。
一旦氯被中和，HF/NH3將腐蝕/化學(xué)該性殘留物，并與之中和成水溶形式。
本發(fā)明方法的最重要的優(yōu)點是能與金屬蝕刻設(shè)備直接接口，其中有一個單獨室用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(或在抗蝕劑剝離前或在抗蝕劑剝離后)，從而使得最終步驟是用去離子水沖洗。
因此，將由作為中間層電介質(zhì)的氧化硅、阻擋層、金屬疊層和光致抗蝕劑層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣態(tài)或等離子態(tài)混合物的蝕刻/中和，在制備微電子元件的領(lǐng)域中大為有益。
然而需要注意的是本發(fā)明優(yōu)選實施方案中使用的是鋁/銅金屬連線，在該連線上反應(yīng)離子蝕刻后形成的聚合物細(xì)條被清除，應(yīng)該了解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可進(jìn)行改良，包括對鋁/銅之外的金屬實施本發(fā)明而并不背離本發(fā)明的精神和范圍。
敘述了我們的發(fā)明之后，我們要求在專利證書中保護(hù)如下
權(quán)利要求
權(quán)利要求
1.一種清除反應(yīng)離子蝕刻后在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微電子復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的方法，該方法包含如下步驟將蝕刻氣體與酸中和氣體混合物導(dǎo)入真空室，其中所述復(fù)合結(jié)構(gòu)支撐于真空室內(nèi)，以便使反應(yīng)離子蝕刻工藝后于銅/鋁金屬連線上殘留的側(cè)壁聚合物細(xì)條形成水溶性物質(zhì)；用去離子水清除該水溶性物質(zhì)；再通過僅含水的等離子方法或化學(xué)順流蝕刻方法從所述復(fù)合結(jié)構(gòu)上清除光致抗蝕劑。
2.權(quán)利要求1所述方法，其中所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包含氧化硅中間層電介質(zhì)、阻擋層、金屬疊層、以及光致抗蝕劑層。
3.權(quán)利要求2所述方法，其中所述蝕刻氣體為氟化氫，所述酸中和氣體為氨氣。
4.權(quán)利要求3所述方法，其中清除所述光致抗蝕劑層的步驟在高于200℃的溫度下進(jìn)行。
5.權(quán)利要求1所述方法，其中所述蝕刻氣體與酸中和氣體混合物為等離子態(tài)形式。
6.一種清除離子蝕刻后在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微電子復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的方法，該方法包含如下步驟通過僅含水的等離子體方法從預(yù)先經(jīng)過反應(yīng)離子蝕刻的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微電子復(fù)合結(jié)構(gòu)上剝離光致抗蝕劑層；將蝕刻氣體與酸中和氣體混合物導(dǎo)入真空室，其中所述復(fù)合結(jié)構(gòu)支撐于真空室內(nèi)，以便使反應(yīng)離子蝕刻工藝后于銅/鋁金屬連線上殘留的側(cè)壁聚合物細(xì)條形成水溶性物質(zhì)；再用去離子水清除該水溶性物質(zhì)。
7.權(quán)利要求6所述方法，其中所述僅含水的等離子方法在175-275℃的溫度下進(jìn)行，以控制側(cè)壁聚合物的厚度。
8.權(quán)利要求7所述方法，其中所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包含氧化硅中間層電介質(zhì)、阻擋層、金屬疊層、以及光致抗蝕劑層。
9.權(quán)利要求8所述方法，其中所述蝕刻氣體為氟化氫，所述酸中和氣體為氨氣。
10.權(quán)利要求6所述方法，其中所述蝕刻氣體與酸中和氣體混合物為等離子態(tài)形式。
11.一種實施權(quán)利要求6所述方法的整套金屬蝕刻設(shè)備。
12.一種實施權(quán)利要求7所述方法的整套金屬蝕刻設(shè)備。
全文摘要
一種清除反應(yīng)離子蝕刻后在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微電子復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁/銅金屬連線上形成的聚合物細(xì)條的方法,該方法包含如下步驟:將蝕刻氣體與酸中和氣體混合物導(dǎo)入真空室,其中所述復(fù)合結(jié)構(gòu)支撐于真空室內(nèi),以便使反應(yīng)離子蝕刻工藝后于銅/鋁金屬連線上殘留的側(cè)壁聚合物細(xì)條形成水溶性物質(zhì);用去離子水清除該水溶性物質(zhì);再使用僅含水的等離子法或化學(xué)順流蝕刻方法從所述復(fù)合結(jié)構(gòu)上清除光致抗蝕劑。
文檔編號H01L21/02GK1261725SQ9912776
公開日2000年8月2日 申請日期1999年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月3日
發(fā)明者R·拉馬錢德蘭, W·納茨勒, M·古特舍, H·阿卡特蘇, C·余 申請人:西門子公司, 國際商業(yè)機(jī)器公司