专利名称：一种金属互连层刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制造方法，特别涉及一种金属互连层刻蚀方法。
背景技术：
目前，半导体集成电路(IC)制造主要在硅衬底的晶片(wafer)器件面上生长半导体器件并进行互连。半导体器件制作在器件层中，以金属氧化物半导体场效应管(MOSFET) 器件为例，MOSFET器件的主要结构包括有源区、源极、漏极和栅极，其中，所述有源区位于硅衬底中，所述栅极位于有源区上方，所述栅极两侧的有源区分别进行离子注入后形成源极和漏极，所述栅极下方具有导电沟道，所述栅极和导电沟道之间有栅极电介质层。根据 MOSFET器件的工作原理，必须通过对MOSFET的源极、栅极和漏极分别施加不同的电压实现 MOSFET器件的导通和关闭，因此在MOSFET器件的主要结构制作完成后，还要在器件层中制作钨(W)接触(Contact，CT)和钨栓塞(plug)，将MOSFET器件的各部分相互电连接，完成 MOSFET器件的器件层工艺。
在MOSFET器件所在 的器件层制作完毕后，还要在器件层之上制作金属互连层，由金属互连层为NOSFET器件之间的信号传输提供物理保证。金属互连层的制作称为金属互连层工艺(BEOL)。现有技术中，BEOL通常是指在金属间电介质(MD)中刻蚀通孔(via)和沟槽(trench)并在其中填充金属形成金属连线和金属衬垫(metal pad),其中，IMD用于 metal pad和金属连线在金属互连层中的电绝缘，由金属连线将不同MOSFET器件的栅极、 源极或者漏极连接到同一 metal pad。
现有技术的金属互连层制作工艺是先在器件层的钨CT或者钨栓塞上方依次沉积 liner和MD，liner采用氮化硅材料，作为刻蚀通孔的刻蚀停止层，典型的MD是富硅二氧化硅(SRO)层(用来避免金属互连层中的氟离子往下渗入半导体器件层)、掺有氟离子的硅玻璃(HDP-FSG)层、离子体增强型掺有氟离子的硅玻璃(PE-FSG)层和二氧化硅组成的多层介质的组合。
随着半导体技术的发展IMD更倾向于采用低介电系数(low-k)介质,例如含碳原子二氧化娃或者黑钻石(Black Diamond,BD)。同时,在刻蚀通孔和沟槽的过程中也普遍开始采用金属硬掩膜技术。
现有技术中将位于钨CT和钨栓塞之上，与金属钨直接形成电连接的金属互连层称为第一金属互连层。图1为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法步骤流程图，结合图2 图6所示的现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀的结构简化剖面示意图，说明现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的具体步骤。
步骤1、图2为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤I的剖面结构示意图，如图2所示，在晶片器件面的钨CT 200 (或者钨栓塞)上方依次沉积衬垫 (liner)层 201 和 IMD 202 ；
本步骤中，liner层201作为MD 202中刻蚀通孔刻蚀停止层，通常是氮化硅或者碳化硅；本实施例中的MD 202是BD。
步骤2、图3为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤2的剖面结构示意图，如图3所示,在IMD 202上方依次沉积正娃酸乙酯(tetraethyl orthosilicate, TE0S)层和TiN金属层后，在TiN金属层上涂覆第一光刻胶(PR)后光刻形成第一光刻图案，以第一光刻图案为掩膜刻蚀TiN金属层形成金属硬掩膜304，露出部分 TEOS 层 203 ；
其中，光刻形成第一光刻图案的过程包括对第一PR进行曝光、显影等步骤。本步骤中，刻蚀TiN金属层形成金属硬掩膜304的方法为现有技术，不再赘述；需要注意的是，金属硬掩膜304上的图案是第一光刻图案的传递，用于定义沟槽的位置和开口宽度。TEOS层 203作为MD 202和TiN金属层之间过渡层。
本步骤中，在形成金属硬掩膜304之后还有剥离第一光刻图案的步骤，具体来说， 主要采用两种方法剥离第一光刻图案也就是去除PR，第一，采用氧气(O2)进行干法刻蚀，氧气与PR发生化学反应，可将PR去除；第二，还可采用湿法去胶法，例如，采用硫酸和双氧水的混合溶液可将PR去除。
步骤3、图4为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤3的剖面结构示意图，如图4所示，在晶片器件面涂覆第二 PR后光刻形成第二光刻图案405 ;
本步骤中，涂覆的第二 PR覆盖在金属硬掩膜304上和露出的TEOS层203上，上，光刻形成第二光刻图案405的过程包括对第二 PR进行曝光、显影等步骤，第二光刻图案405 定义通孔的位置和开口宽度。
步骤4、图5为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤4 的剖面结构示意图，如图5所示，主刻蚀MD 202分别形成通孔和沟槽后，去除liner层 201(Liner Removal, LRM)；
本实施例以先刻蚀通孔(via first)的大马士革法为例，该方法的主刻蚀过程包括两步第一步以第二光刻图案405为掩膜依次刻蚀TEOS层203和MD202，在MD 202中形成通孔，第二步以金属硬掩膜304为掩膜依次刻蚀TEOS层203和MD 202，在通孔上方的MD 202中形成沟槽，通过主刻蚀在MD 202中分别形成通孔和沟槽的具体方法为现有技术，此不再赘述，需要注意的是，现有技术中的LRM是在主刻蚀形成通孔之后，仍然以第二光刻图案405为掩膜继续刻蚀Liner层直到完全打开liner层201，露出半导体器件层中的钨CT 200 (或者钨栓塞)表面。在LRM之后还有第二光刻图案405的剥离步骤，具体方法参考步骤2中去除第一 PR的方法。
步骤5、图6为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤5的剖面结构示意图，如图6所示，含氢氟酸溶液(DHF)606湿法清除刻蚀副产物；
上述步骤4的刻蚀过程中的副产物是聚合物(polymer)，需要在本步骤中清除， 同时为了不腐蚀从打开的liner层 201下方露出的金属钨表面，避免金属钨和后续通孔中形成的金属连线之间的欧姆接触损伤，从而导致金属互连层和半导体器件层之间的电阻增大，本步骤的湿法刻蚀不能采用对金属有强腐蚀性的双氧水(H2O2)溶液，现有技术中普遍采用的DHF溶液606清除刻蚀副产物的方法带来的问题是一方面DHF溶液606会腐蚀 TEOS层203和MD 202的结合处界面，另一方面由于TiN金属层的存在向TEOS层203施加拉应力，以上两方面作用均会导致TEOS层203和MD 202的结合处出现凹陷(necking)，该凹陷破坏了通孔表面的平坦，给后续步骤的通孔表面沉积扩散阻挡层和铜籽晶层造成了困难。发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法中，去除liner层之后的DHF湿法清洗步骤会造成严重的凹陷，该凹陷的存在给后续通孔表面沉积扩散阻挡层和铜籽晶层造成了困难。
为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的
一种金属互连层刻蚀方法，应用于采用金属硬掩膜的第一金属互连层的刻蚀，提供具有半导体器件层的晶片，所述半导体器件层中包括钨接触或钨栓塞，其特征在于，该方法包括在所述钨接触或钨栓塞上方依次沉积衬垫层、金属间介质、正硅酸乙酯层和金属层后，光刻后刻蚀所述金属层形成金属硬掩膜；
所述晶片器件面光刻形成第二光刻图案；
以所述第二光刻图案和所述金属硬掩膜为遮蔽主刻蚀所述正硅酸乙酯层和金属间介质，形成通孔和沟槽，以所述衬垫层为主刻蚀停止层；
湿法刻蚀去除部分或全部金属硬掩膜；
以所述正硅酸乙酯层为遮蔽刻蚀所述衬垫层；
碱性的羟基多巴胺类有机溶剂和含氢氟酸溶液分别湿法清洗所述通孔和沟槽。
所述金属层是氮化钛或者氮化硼。
所述湿法刻蚀采用双氧水溶液。
所述湿法刻蚀的时间范围是I到10分钟。
所述双氧水溶液是浓度范围是1%到50%。
所述羟基多巴胺类有机溶剂的清洗时间范围是I到20分钟。
所述含氢氟酸溶液的清洗时间范围是I到20分钟。
所述含氢氟酸溶液的去离子水和氢氟酸的体积比范围是100 I到1000 I。
由上述的技术方案可见，本发明解决了在主刻蚀和LRM之后，采用DHF清除刻蚀副产物容易造成金属硬掩膜下方的TEOS层和MD的结合处出现凹陷的问题，避免由于凹陷破坏通孔表面的平坦，给后续步骤的通孔表面沉积扩散阻挡层和铜籽晶层造成困难。
图1为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法步骤流程图2 6为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀的剖面结构示意图7为本发明采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法步骤流程图8 14为本发明采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。
具体实施例一
图7为现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法步骤流程图，结合图8 图14所示的现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀的结构简化剖面示意图，说明现有技术中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的具体步骤。
步骤701、图8为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤701 的剖面结构示意图，如图8所示，在晶片器件面的钨CT(或者钨栓塞)上方依次沉积衬垫 (liner)层 201 和 IMD 202，；
本步骤中，liner层201作为MD 202中刻蚀通孔刻蚀停止层，通常是氮化硅或者碳化硅；本实施例中的MD 202是BD。
步骤702、图9为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤 702的剖面结构示意图，如图9所示，在IMD 202上方依次沉积正娃酸乙酯(tetraethyl orthosilicate, TE0S)层203和金属层后，在金属层上涂覆第一光刻胶(PR)后光刻形成第一光刻图案，以第一光刻图案为掩膜刻蚀金属层形成金属硬掩膜304，露出部分TEOS层 203 ；
本步骤中，TEOS层203作为MD 202和TiN金属层之间过渡层。金属层是氮化钛 (TiN)或者氮化硼(BN)等金属材料，要求在干法刻蚀通孔和沟槽的过程中，金属层形成的金属硬掩膜304相对TEOS层203和MD 202具有较高的刻蚀选择比，本实施例以TiN作为金属层，以下称为TiN金属层。光刻形成第一光刻图案的过程包括对第一 PR进行曝光、显影等步骤。本步骤中，刻蚀TiN金属层形成金属硬掩膜304的方法为现有技术，不再赘述。 需要注意的是，金属硬掩膜304上的图案是第一光刻图案的传递，用于定义沟槽的位置和开口宽度。
本步骤中，在形成金属硬掩膜304之后还有剥离第一光刻图案的步骤，具体来说， 主要采用两种方法剥离第一光刻图案也就是去除PR，第一，采用氧气(O2)进行干法刻蚀，氧气与PR发生化学反应，可将PR去除；第二，还可采用湿法去胶法，例如，采用硫酸和双氧水的混合溶液可将PR去除。
步骤703、图10为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤 703的剖面结构示意图，如图10所示，在晶片器件面涂覆第二 PR后光刻形成第二光刻图案 405 ；
本步骤中，涂覆的第二 PR覆盖在金属硬掩膜304上和露出的TEOS层203上，光刻形成第二光刻图案405的过程包括对第二PR进行曝光、显影等步骤，第二光刻图案405定义通孔的位置和开口宽度。
步骤704、图11为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤 704的剖面结构示意图，如图11所示，主刻蚀TEOS层203和MD 202分别形成通孔和沟槽， 以liner层201为主刻蚀停止层；
本实施例以先刻蚀通孔(via first)的大马士革法为例，该方法的主刻蚀过程包括两步第一步以第二光刻图案405为掩膜依次刻蚀TEOS层203和MD202，在MD 202中刻蚀形成通孔，第二步以金属硬掩膜304为掩膜依次刻蚀TEOS层203和MD 202，在通孔上方刻蚀形成沟槽；在刻蚀形成通孔后还有第二光刻图案405的剥离步骤；通过主刻蚀在MD 202中分别形成通孔和沟槽的具体方法为本发明，此不再赘述。本发明中主刻蚀的刻蚀终点用终点检测法确定，需要注意的是，与现有技术相比，在主刻蚀形成通孔和沟槽之后，不再打开liner层201。在主刻蚀之后还有第二光刻胶形成的第二光刻图案405剥离步骤，具体方法参见步骤702的相关描述。
步骤705、图12为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤 705的剖面结构示意图，如图12所示，湿法刻蚀1201去除部分金属硬掩膜304 ；
本实施例采用双氧水溶液进行湿法刻蚀1201，双氧水溶液对TiN等金属的腐蚀性很强，金属硬掩膜304被全部或部分腐蚀去除。双氧水溶液的浓度范围是I %到50%，例如 1%、20%或50% ;采用双氧水溶液的湿法刻蚀时间范围是I分钟到10分钟，例如，I分钟、 5分钟或10分钟。本步骤中，除了双氧水溶液，还可以用其他能够去除金属硬掩膜304的腐蚀溶液进行湿法刻蚀1201，达到去除金属硬掩膜304的目的。要求腐蚀溶液对金属硬掩膜304与TEOS层203、MD 202和liner层201三者的刻蚀选择比很大，也就是在湿法刻蚀 1201去除金属硬掩膜304的同时尽量不损伤三者。
步骤706、图13为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤 706的剖面结构示意图，如图13所示，刻蚀去除liner层201 (LRM)；
本步骤中，LRM的方法是干法刻蚀，以残留的金属硬掩膜304和TEOS层203为遮蔽刻蚀liner层201，采用终点检测法控制刻蚀的停止时间，打开liner层201露出半导体器件层中钨CT(或者钨栓塞)的金属钨表面。
步骤707、图14为本发明中采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法的步骤 707的剖面结构示意图，如图14所示，羟基多巴胺类有机溶剂(EKC)和DHF溶液分别湿法清洗1401LRM后的通孔和沟槽；
本步骤中，EKC和DHF溶液的湿法清洗顺序对本发明没有影响，可以先用EKC，也可以先用DHF溶液。EKC是不含氟的碱性溶液，用于减小DHF溶液的氟元素对TEOS层203和 IMD 202之间结合处界面的腐蚀作用，EKC的湿法清洗时间范围是I分钟到20分钟，例如，I 分钟、10分钟或20分钟。DHl溶液的去离子水和氢氟酸(HF)的体积比范围是100 I到 1000 1，例如，100 1,500 I或1000 I ;DHF溶液的湿法清洗时间范围是I分钟到 20分钟，例如，I分钟、10分钟或20分钟。
实际上，采用DHF溶液的湿法清洗是确保完全去除刻蚀副产物的聚合物所不必可少步骤，只能分别采用EKC和DHF溶液进行湿法清除刻蚀副产物的聚合物，在保证完全去除聚合物的前提下，尽可能降低DHF溶液的浓度和湿法清洗时间，减小对TEOS层203和MD 202结合处界面的腐蚀。
本发明提出一种采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法，该方法在主刻蚀形成通孔和沟槽后，先采用双氧水溶液湿法刻蚀全部或部分金属硬掩膜304，然后进行LRM， 最后用EKC和DHF溶液分别清洗通孔和沟槽表面，完全去除刻蚀副产物的聚合物。该方法一方面在未去除liner层201保护了半导体器件层的金属钨表面的同时，部分或完全去除 TEOS层203上方的金属硬掩膜304，另一方面由于DHF在TEOS层203边沿处的腐蚀，降低了金属硬掩膜304对TEOS层203施加的拉应力，另一方面，由于使用EKC进行清洗减轻了 DHF 溶液中氢氟酸的含量，两方面共同缓解了 TEOS层203和IMD202的结合处界面的necking 现象，解决了在主刻蚀和LRM之后，采用DHF清除刻蚀副产物容易造成金属硬掩膜304下方的TEOS层203和MD 202的结合处出现凹陷的问题， 避免由于凹陷破坏通孔表面的平坦，给后续步骤的通孔表面沉积扩散阻挡层和铜籽晶层造成困难。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种金属互连层刻蚀方法，应用于采用金属硬掩膜的第一金属互连层的刻蚀，提供具有半导体器件层的晶片，所述半导体器件层中包括钨接触或钨栓塞，其特征在于，该方法包括在所述钨接触或钨栓塞上方依次沉积衬垫层、金属间介质、正硅酸乙酯层和金属层后，光刻后刻蚀所述金属层形成金属硬掩膜； 所述晶片器件面光刻形成第二光刻图案； 以所述第二光刻图案和所述金属硬掩膜为遮蔽主刻蚀所述正硅酸乙酯层和金属间介质，形成通孔和沟槽，以所述衬垫层为主刻蚀停止层； 湿法刻蚀去除部分或全部金属硬掩膜； 以所述正硅酸乙酯层为遮蔽刻蚀所述衬垫层； 碱性的羟基多巴胺类有机溶剂和含氢氟酸溶液分别湿法清洗所述通孔和沟槽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属层是氮化钛或者氮化硼。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀采用双氧水溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的时间范围是I到10分钟。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述双氧水溶液是浓度范围是1%到.50%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述羟基多巴胺类有机溶剂的清洗时间范围是I到20分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氢氟酸溶液的清洗时间范围是I到.20分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氢氟酸溶液的去离子水和氢氟酸的体积比范围是100 I到1000 I。
全文摘要
本发明提出一种应用于采用金属硬掩膜的第一金属互连层刻蚀方法，该方法在主刻蚀形成通孔和沟槽后，先采用双氧水溶液湿法刻蚀全部或部分金属硬掩膜，然后进行LRM，最后用EKC和DHF溶液分别清洗通孔和沟槽表面，完全去除刻蚀副产物的聚合物，解决了在主刻蚀和LRM之后，采用DHF清除刻蚀副产物容易造成金属硬掩膜下方的TEOS层和IMD的结合处出现凹陷的问题，避免由于凹陷破坏通孔表面的平坦，给后续步骤的通孔表面沉积扩散阻挡层和铜籽晶层造成困难。
文档编号H01L21/02GK103021930SQ201110284500
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者张海洋, 胡敏达 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司