一種半導(dǎo)體器件的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底，在半導(dǎo)體襯底上依次形成蝕刻停止層、低k介電層、緩沖層和硬掩膜層；在硬掩膜層中形成第一開口，以露出緩沖層；執(zhí)行濕法清洗過程，采用堿性溶劑作為所述濕法清洗的清洗液；在緩沖層和低k介電層中形成第二開口；在低k介電層中形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)；在銅金屬互連結(jié)構(gòu)中形成銅金屬層。根據(jù)本發(fā)明，采用堿性溶劑替代稀釋的氫氟酸作為形成第一開口后實施的濕法清洗的清洗液，可以有效避免產(chǎn)生后續(xù)形成第二開口時出現(xiàn)的缺陷，改善一體化刻蝕的工藝窗口。
【專利說明】一種半導(dǎo)體器件的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，具體而言涉及一種改進(jìn)雙大馬士革工藝的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體器件的后段制程(BEOL)中，通常采用雙大馬士革工藝形成半導(dǎo)體器件中的銅金屬互連層，圖1A-圖1E示出了一種雙大馬士革工藝過程。
[0003]首先，如圖1A所示，提供半導(dǎo)體襯底100，采用化學(xué)氣相沉積工藝在半導(dǎo)體襯底100上依次形成蝕刻停止層101、低k介電層102、緩沖層103和硬掩膜層104。
[0004]在半導(dǎo)體襯底100上形成有前端器件，為了簡化，圖例中未予示出。所述前端器件是指在BEOL之前形成的器件，在此并不對前端器件的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行限定。通常采用超低k介電材料構(gòu)成低k介電層102,所述超低k介電材料是指介電常數(shù)(k值)小于2的介電材料。緩沖層103由自下而上依次堆疊的OMCTS (八甲基環(huán)化四硅氧烷)層103a和TEOS (正硅酸乙酯)層103b構(gòu)成，TEOS層103b的作用是在后續(xù)研磨填充的銅互連金屬時避免機(jī)械應(yīng)力對超低k介電材料的多孔化結(jié)構(gòu)造成損傷，OMCTS層103a的作用是作為超低k介電材料和TEOS之間的過渡材料層以增加二者之間的附著力。硬掩膜層104由自下而上依次堆疊的金屬硬掩膜層104a和氧化物硬掩膜層104b構(gòu)成，這種雙層硬掩膜層的結(jié)構(gòu)能夠保證雙重圖形化或者多重圖形化的工藝精度。
[0005]接著，如圖1B所示，在硬掩膜層104中形成第一開口 105，以露出下方的緩沖層103。第一開口 105用作銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的溝槽的圖案，其可以包括多個具有不同特征尺寸的圖形。
[0006]接著，如圖1C所示，在緩沖層103和低k介電層102中形成第二開口 106，所述第二開口 106用作銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的通孔的圖案，其也可以包括多個具有不同特征尺寸的圖形。
[0007]接著，如圖1D所示，以硬掩膜層104為掩膜，執(zhí)行一體化刻蝕(All-1n-one Etch)工藝蝕刻緩沖層103和低k介電層102 (即同步蝕刻緩沖層103和低k介電層102)，以在低k介電層102中形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)107。
[0008]在形成第一開口 105之后，需要執(zhí)行一濕法清洗過程以去除蝕刻硬掩膜層104所產(chǎn)生的殘留物和雜質(zhì)，以確保后續(xù)第二開口 106的形成具有良好的工藝窗口。由于DHF(稀釋的氫氟酸)具有理想的清洗效率，因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員通常采用DHF (稀釋的氫氟酸)作為所述濕法清洗的清洗液。然而，由于器件特征尺寸的約束，緩沖層103中的TEOS層103b的厚度值較小，DHF所引發(fā)的TEOS的損耗問題尤為突出。該問題的關(guān)鍵在于，TEOS的損耗可能導(dǎo)致露出位于TEOS層103b下方的部分OMCTS層103a，在后續(xù)第二開口 106的形成過程中，最先需要形成的ODL (有機(jī)介質(zhì)層)與所述露出的部分OMCTS層103a發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一種嚴(yán)重影響蝕刻效率的物質(zhì)，導(dǎo)致第二開口 106中的部分圖形的深度值過低，在實施一體化刻蝕之后，出現(xiàn)如圖1E示出的銅金屬互連結(jié)構(gòu)107中的部分圖形的底部未與蝕刻停止層101接觸，進(jìn)而導(dǎo)致銅金屬互連結(jié)構(gòu)107出現(xiàn)部分互連開路的問題。上述OMCTS與ODL之間的化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理為:殘留的DHF中的游離氟攻擊OMCTS中的碳，誘導(dǎo)產(chǎn)生被激活的硅鍵(S1-);為了增強(qiáng)ODL和其上方形成的BARC (底部抗反射涂層)之間的附著性，在ODL的上方形成有起到浸潤層作用的HMDS (六甲基二硅胺烷)，HMDS中的胺基與硅鍵及游離氟重新組合形成S1-N-H-F基團(tuán)，該基團(tuán)會造成蝕刻速率的下降。
[0009]因此，需要提出一種方法，以解決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括:提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成蝕刻停止層、低k介電層、緩沖層和硬掩膜層；在所述硬掩膜層中形成第一開口，以露出所述緩沖層；執(zhí)行濕法清洗過程，采用堿性溶劑作為所述濕法清洗的清洗液；在所述緩沖層和所述低k介電層中形成第二開口 ；在所述低k介電層中形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步，所述堿性溶劑的PH值為9.0-11.0。
[0012]進(jìn)一步，所述第一開口用作所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的溝槽的圖案，所述第二開口用作所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的通孔的圖案。
[0013]進(jìn)一步，以所述硬掩膜層為掩膜，同步蝕刻所述緩沖層和所述低k介電層，以在所述低k介電層中形成所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)。
[0014]進(jìn)一步，在所述蝕刻結(jié)束之后，還包括去除通過所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)露出的蝕刻停止層以及實施蝕刻后處理的步驟。
[0015]進(jìn)一步，在所述蝕刻后處理之后，還包括在所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)中形成銅金屬層的步驟。
[0016]進(jìn)一步，形成所述銅金屬層之前，還包括在所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)的底部和側(cè)壁上依次形成銅金屬擴(kuò)散阻擋層和銅金屬種子層的步驟。
[0017]進(jìn)一步，所述緩沖層由自下而上層疊的八甲基環(huán)化四硅氧烷層和正硅酸乙酯層構(gòu)成。
[0018]進(jìn)一步，所述硬掩膜層由自下而上層疊的金屬硬掩膜層和氧化物硬掩膜層構(gòu)成。
[0019]進(jìn)一步，所述金屬硬掩膜層的構(gòu)成材料為TiN、BN、AlN或者其組合。
[0020]進(jìn)一步，所述氧化物硬掩膜層的構(gòu)成材料包括S12或S1N，且相對于所述金屬硬掩膜層的構(gòu)成材料具有較好的蝕刻選擇比。
[0021]根據(jù)本發(fā)明，采用堿性溶劑替代稀釋的氫氟酸作為形成第一開口后實施的濕法清洗的清洗液，可以有效避免產(chǎn)生后續(xù)形成第二開口時出現(xiàn)的缺陷，改善一體化刻蝕的工藝窗P。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。
[0023]附圖中:
[0024]圖1A-圖1D為根據(jù)現(xiàn)有的示范性雙大馬士革工藝依次實施的步驟所分別獲得的器件的示意性剖面圖；
[0025]圖1E為實施圖1A-圖1D所示出的示范性雙大馬士革工藝之后出現(xiàn)的缺陷的示意性剖面圖；
[0026]圖2A-圖2F為根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法依次實施的步驟所分別獲得的器件的示意性剖面圖；
[0027]圖3為根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法改進(jìn)雙大馬士革工藝的流程圖。

【具體實施方式】
[0028]在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細(xì)節(jié)而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。
[0029]為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟，以便闡釋本發(fā)明提出的改進(jìn)雙大馬士革工藝的方法。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
[0031][示例性實施例]
[0032]下面，參照圖2A-圖2F和圖3來描述根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法改進(jìn)雙大馬士革工藝的詳細(xì)步驟。
[0033]參照圖2A-圖2F，其中示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法依次實施的步驟所分別獲得的器件的示意性剖面圖。
[0034]首先，如圖2A所示，提供半導(dǎo)體襯底200，采用化學(xué)氣相沉積工藝在半導(dǎo)體襯底200上依次形成蝕刻停止層201、低k介電層202、緩沖層203和硬掩膜層204。
[0035]在半導(dǎo)體襯底200上形成有前端器件，為了簡化，圖例中未予示出。所述前端器件是指在BEOL之前形成的器件，在此并不對前端器件的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行限定。
[0036]蝕刻停止層201的材料優(yōu)選SiCN、SiC、SiN或BN，其作為后續(xù)蝕刻低k介電層202以形成上層銅金屬互連結(jié)構(gòu)的蝕刻停止層的同時，可以防止下層銅金屬互連線中的銅擴(kuò)散到上層的介電質(zhì)層(例如低k介電層202)中。
[0037]低k介電層202的構(gòu)成材料可以選自本領(lǐng)域常見的各種低k值介電材料，包括但不限于k值為2.5-2.9的娃酸鹽化合物(Hydrogen Silsesqu1xane,簡稱為HSQ)、k值為2.2的甲基硅酸鹽化合物(Methyl Silsesqu1xane，簡稱MSQ)、k值為2.8的H0SP?(Honeywell公司制造的基于有機(jī)物和硅氧化物的混合體的低介電常數(shù)材料)以及k值為
2.65的SiLK? (Dow Chemical公司制造的一種低介電常數(shù)材料)等等。通常采用超低k介電材料構(gòu)成低k介電層202，所述超低k介電材料是指介電常數(shù)(k值)小于2的介電材料。
[0038]緩沖層203包括自下而上依次堆疊的OMCTS層203a和TEOS層203b，TEOS層203b的作用是在后續(xù)研磨填充的銅互連金屬時避免機(jī)械應(yīng)力對超低k介電材料的多孔化結(jié)構(gòu)造成損傷，OMCTS層203a的作用是作為超低k介電材料和TEOS之間的過渡材料層以增加二者之間的附著力。
[0039]硬掩膜層204包括自下而上依次堆疊的金屬硬掩膜層204a和氧化物硬掩膜層204b，這種雙層硬掩膜層的結(jié)構(gòu)能夠保證雙重圖形化或者多重圖形化的工藝精度，保證于硬掩膜層204中所需形成的全部溝槽圖形的深度和側(cè)壁輪廓的一致性，即先將具有不同特征尺寸的溝槽圖案形成在氧化物硬掩膜層204b中，再以氧化物硬掩膜層204b為掩膜蝕刻金屬硬掩膜層204a于硬掩膜層204中制作所需形成的溝槽圖形。金屬硬掩膜層204a的構(gòu)成材料包括TiN、BN、AlN或者其任意的組合，優(yōu)選TiN ;氧化物硬掩膜層204b的構(gòu)成材料包括Si02、S1N等，且要求其相對于金屬硬掩膜層204a的構(gòu)成材料具有較好的蝕刻選擇比。
[0040]接著，如圖2B所示，在硬掩膜層204中形成第一開口 205，以露出下方的緩沖層203。第一開口 205用作銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的溝槽的圖案，其可以包括多個具有不同特征尺寸的圖形。
[0041]根據(jù)所需形成的圖形的情況，需兩次或多次實施所述溝槽圖案的構(gòu)圖過程，每次實施均包括以下步驟:在氧化物硬掩膜層204b上依次形成ODL層(有機(jī)介質(zhì)層)、BARC層(底部抗反射涂層)和PR層(光刻膠層);對PR層進(jìn)行光刻、顯影處理，以在PR層中形成溝槽圖案；以圖案化的PR層為掩膜，依次蝕刻BARC層、ODL層和氧化物硬掩膜層204b，在氧化物硬掩膜層204b中形成溝槽圖案；采用灰化等工藝去除圖案化的PR層、BARC層和ODL層。最后，以在其中形成全部所需溝槽圖案的氧化物硬掩膜層204b為掩膜，蝕刻金屬硬掩膜層204a，完成第一開口 205的制作。
[0042]接下來,執(zhí)行濕法清洗過程,采用堿性溶劑(Alkaline solvent)作為所述濕法清洗的清洗液。所述堿性溶劑的PH值優(yōu)選9.0-11.0。滿足所述PH值條件的堿性溶劑包括美國杜邦公司出品的EKC，就EKC的功能性組分而言，包括氧化劑、蝕刻劑、螯合劑、PH值調(diào)節(jié)齊U、緩蝕劑和水。
[0043]接著，如圖2C所示，在緩沖層203和低k介電層202中形成第二開口 206，所述第二開口 206用作銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的通孔的圖案，其也可以包括多個具有不同特征尺寸的圖形。
[0044]根據(jù)所需形成的圖形的情況，需兩次或多次實施所述通孔圖案的構(gòu)圖過程，每次實施均包括以下步驟:在半導(dǎo)體襯底200上依次形成ODL層、HMDS層、BARC層和PR層，覆蓋第一開口 205;對PR層進(jìn)行光刻、顯影處理，以在PR層中形成通孔圖案；以圖案化的PR層為掩膜，依次蝕刻BARC層、HMDS層、ODL層、緩沖層203和部分低k介電層202，在緩沖層203和低k介電層202中形成通孔圖案；采用灰化等工藝去除圖案化的PR層、BARC層、HMDS層和ODL層。
[0045]由于所述堿性溶劑不會對緩沖層203中的TEOS層203b造成損傷，也就不會造成TEOS層203b下方的OMCTS層203a的暴露，因此，形成的ODL不會與OMCTS發(fā)生形成S1-N-H-F基團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)。
[0046]接著，如圖2D所示，以硬掩膜層204為掩膜，執(zhí)行一體化刻蝕工藝同步蝕刻緩沖層203和低k介電層202，以在低k介電層202中形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)207，即同步形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)207中的溝槽和通孔。所述一體化蝕刻于露出蝕刻停止層201時終止。
[0047]接著，如圖2E所示，去除通過銅金屬互連結(jié)構(gòu)207露出的蝕刻停止層201，以使銅金屬互連結(jié)構(gòu)207與形成于半導(dǎo)體襯底200上的前端器件連通。在本實施例中，采用干法蝕刻工藝實施所述蝕刻停止層201的去除。然后，在銅金屬互連結(jié)構(gòu)207中填充銅金屬之前，執(zhí)行蝕刻后處理過程，以去除前述蝕刻過程所產(chǎn)生的殘留物和雜質(zhì)，保證后續(xù)沉積銅金屬擴(kuò)散阻擋層和銅金屬種子層時二者的沉積質(zhì)量。
[0048]接著，如圖2F所示，在銅金屬互連結(jié)構(gòu)207中形成銅金屬層208。形成銅金屬層208可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟習(xí)的各種適宜的工藝技術(shù)，例如電鍍工藝及隨后實施的化學(xué)機(jī)械研磨工藝。實施化學(xué)機(jī)械研磨的目的在于使銅金屬層208的表面與硬掩膜層204的表面平齊。
[0049]形成銅金屬層208之前，需在銅金屬互連結(jié)構(gòu)207的底部和側(cè)壁上依次形成銅金屬擴(kuò)散阻擋層209和銅金屬種子層210，銅金屬擴(kuò)散阻擋層209可以防止銅金屬層208中的銅向低k介電層202中的擴(kuò)散，銅金屬種子層210可以增強(qiáng)銅金屬層208與銅金屬擴(kuò)散阻擋層209之間的附著性。形成銅金屬擴(kuò)散阻擋層209和銅金屬種子層210可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟習(xí)的各種適宜的工藝技術(shù)，例如，采用物理氣相沉積工藝形成銅金屬擴(kuò)散阻擋層209，采用濺射工藝或者化學(xué)氣相沉積工藝形成銅金屬種子層210。銅金屬擴(kuò)散阻擋層209的材料為金屬、金屬氮化物或者其組合，優(yōu)選Ta和TaN的組合或者Ti和TiN的組合。。
[0050]至此，完成了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法實施的工藝步驟，接下來，可以通過后續(xù)工藝完成整個半導(dǎo)體器件的制作。根據(jù)本發(fā)明，采用堿性溶劑替代稀釋的氫氟酸作為形成第一開口 205后實施的濕法清洗的清洗液，可以有效避免產(chǎn)生后續(xù)形成第二開口 206時出現(xiàn)的缺陷，改善一體化刻蝕的工藝窗口。
[0051]參照圖3，其中示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法改進(jìn)雙大馬士革工藝的流程圖，用于簡要示出整個制造工藝的流程。
[0052]在步驟301中，提供半導(dǎo)體襯底，在半導(dǎo)體襯底上依次形成蝕刻停止層、低k介電層、緩沖層和硬掩膜層；
[0053]在步驟302中，在硬掩膜層中形成第一開口，以露出緩沖層；
[0054]在步驟303中，執(zhí)行濕法清洗過程，采用堿性溶劑作為所述濕法清洗的清洗液；
[0055]在步驟304中，在緩沖層和低k介電層中形成第二開口 ；
[0056]在步驟305中，在低k介電層中形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)；
[0057]在步驟306中，在銅金屬互連結(jié)構(gòu)中形成銅金屬層。
[0058]本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括: 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成蝕刻停止層、低k介電層、緩沖層和硬掩膜層； 在所述硬掩膜層中形成第一開口，以露出所述緩沖層； 執(zhí)行濕法清洗過程，采用堿性溶劑作為所述濕法清洗的清洗液； 在所述緩沖層和所述低k介電層中形成第二開口； 在所述低k介電層中形成銅金屬互連結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述堿性溶劑的PH值為9.0-11.0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一開口用作所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的溝槽的圖案，所述第二開口用作所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)中的通孔的圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以所述硬掩膜層為掩膜，同步蝕刻所述緩沖層和所述低k介電層，以在所述低k介電層中形成所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在所述蝕刻結(jié)束之后，還包括去除通過所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)露出的蝕刻停止層以及實施蝕刻后處理的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述蝕刻后處理之后，還包括在所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)中形成銅金屬層的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，形成所述銅金屬層之前，還包括在所述銅金屬互連結(jié)構(gòu)的底部和側(cè)壁上依次形成銅金屬擴(kuò)散阻擋層和銅金屬種子層的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述緩沖層由自下而上層疊的八甲基環(huán)化四硅氧烷層和正硅酸乙酯層構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩膜層由自下而上層疊的金屬硬掩膜層和氧化物硬掩膜層構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述金屬硬掩膜層的構(gòu)成材料為TiN、BN、AlN或者其組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述氧化物硬掩膜層的構(gòu)成材料包括S12或S1N，且相對于所述金屬硬掩膜層的構(gòu)成材料具有較好的蝕刻選擇比。
【文檔編號】H01L21/306GK104241114SQ201310231922
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月9日
【發(fā)明者】趙簡, 曹軼賓, 王杭萍 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司