半导体结构的形成方法与流程

1.本技术涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体结构的形成方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，半导体结构的设计尺寸越来越小，细微的工艺变化都可能造成缺陷的产生，特别在是7nm以下的技术中尤为明显。随着后道(backend of line，beol)工艺中金属线的定义由干法刻蚀转向湿法刻蚀，金属线的定义变得越来越复杂，目前是通过湿法刻蚀工艺刻蚀非晶硅来对金属线进行定义。
3.在湿法刻蚀非晶硅之前，通常还会进行其他的刻蚀工艺，这些刻蚀工艺容易造成非晶硅表面的损伤或者会在非晶硅表面形成硅氧键或硅钛键，造成非晶硅刻蚀不完全，使形成的金属线具有缺陷。


技术实现要素：

4.本技术要解决的技术问题是提供一种半导体结构的形成方法，能够减少金属线的缺陷，提高器件性能。
5.为解决上述技术问题，本技术提供了一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底包括层叠分布的第一掩膜层和非晶硅材料层；刻蚀所述非晶硅材料层，形成间隔分布的第一线槽和非晶硅层；在所述第一线槽的侧壁和底面以及所述非晶硅层表面依次形成第二掩膜材料层、第三掩膜材料层；回刻蚀所述第三掩膜材料层，并停止在所述第二掩膜材料层表面，形成第三掩膜层，所述第三掩膜层位于所述非晶硅层侧壁的第二掩膜材料层表面；去除所述第一线槽底面和所述非晶硅层表面的第二掩膜材料层，形成第二掩膜层；去除所述非晶硅层，形成第二线槽。
6.在本技术实施例中，形成所述第二掩膜材料层之前，还包括：收集并分析所述第一线槽的关键尺寸，确定所述第二掩膜材料层的厚度。
7.在本技术实施例中，刻蚀所述非晶硅材料层，形成间隔分布的第一线槽和非晶硅层的工艺包括：在所述非晶硅材料层表面形成图案化的光刻胶层；以所述图案化的光刻胶层为掩膜进行离子注入，在所述非晶硅材料层中形成掺杂区和非掺杂区；去除所述图案化的光刻胶层，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述非晶硅材料层，其中所述非掺杂区的非晶硅材料层被刻蚀，形成第一线槽，所述掺杂区的非晶硅材料层形成非晶硅层。
8.在本技术实施例中，所述离子注入采用p型离子，且所述p型离子的掺杂浓度为1.2
×
10
15
原子/cm2～1.6
×
10
15
原子/cm2。
9.在本技术实施例中，所述干法刻蚀工艺的气体包括hbr和cl2，气体流量为250sccm～400sccm。
10.在本技术实施例中，形成间隔分布的第一线槽和非晶硅层之后，还包括：采用第一清洗工艺清洗所述非晶硅层表面，其中所述第一清洗工艺的清洗液包括氢氟酸的水溶液，且氢氟酸和水的体积比为1∶(200-1000)，清洗时间为30秒-60秒。
11.在本技术实施例中，形成所述第二掩膜材料层的工艺为原子层沉积、物理气相沉积或者化学气相沉积。
12.在本技术实施例中，所述第二掩膜层的厚度为30埃-50埃。
13.在本技术实施例中，所述第二掩膜层的材料包括氧化硅和氮化硅中的至少一种。
14.在本技术实施例中，所述第三掩膜层的材料包括氧化钛和氮化硅中的至少一种。
15.在本技术实施例中，所述第三掩膜层的厚度为150埃-200埃。
16.在本技术实施例中，采用第二清洗工艺去除所述第一线槽底面和所述非晶硅层表面的第二掩膜材料层。
17.在本技术实施例中，所述第二清洗工艺采用氢氟酸的水溶液，其中氢氟酸和水的体积比为1∶(200-1000)，清洗时间为30秒-60秒。
18.在本技术实施例中，所述衬底还包括位于所述第一掩膜层下方且依次层叠分布的刻蚀阻挡层和low-k介质层。
19.在本技术实施例中，所述衬底还包括位于所述刻蚀阻挡层下方的层间介质层，且所述层间介质层中形成有贯穿的通孔，所述通孔中填充有导电材料。
20.在本技术实施例中，所述第一掩膜层包括依次层叠分布的碳氧化硅层、氮化钛层及正硅酸乙酯层。
21.在本技术实施例中，形成第二线槽之后，还包括：以所述第二掩膜层和所述第三掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一线槽和所述第二线槽底部，并停止在所述刻蚀阻挡层表面；去除所述第二掩膜层、第三掩膜层以及正硅酸乙酯层，形成接触孔。
22.与现有技术相比，本技术技术方案的半导体结构的形成方法，通过刻蚀形成第一线槽和非晶硅层之后，增加了一道形成第二掩膜材料层的工艺，形成的所述第二掩膜材料层能够保护非晶硅层的表面不受刻蚀工艺的损坏，有利于后续工艺中完全去除非晶硅层，以形成第二线槽，进而提高金属线的形成质量，提高器件性能。所述第二掩膜材料层还可以调节第一线槽的关键尺寸，以保证最终形成的金属线能够达到标准尺寸。
23.在形成第二掩膜材料层之前，通过收集并分析所述第一线槽的关键尺寸，确定所述第二掩膜材料层的厚度，可以有效地对第二掩膜材料层下方的非晶硅层进行保护，防止非晶硅层表面被破坏或被刻蚀工艺的副产物污染。
24.在形成第二掩膜材料层之前，采用合适的第一清洗工艺清洗非晶硅层表面，可以使杂质清除的更彻底，同时还能够使非晶硅层的损失降至最低。
25.去除非晶硅层表面的第二掩膜材料层时，采用合适的第二清洗工艺可以保证非晶硅表面不受损坏，有利于非晶硅层的完全去除，进一步提高金属线的形成质量，提高器件性能。
附图说明
26.以下附图详细描述了本技术中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本技术的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本技术中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
27.图1-图4为一种金属线的形成方法；
28.图5为本技术实施例的半导体结构的形成方法的流程示意图；
29.图6-图14为本技术实施例的半导体结构的形成方法各步骤的结构示意图。
具体实施方式
30.以下描述提供了本技术的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本技术中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本技术不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
31.参考图1，提供用于制作金属线的衬底10，所述衬底10的底层具有刻蚀阻挡层12，所述刻蚀阻挡层12作为刻蚀形成金属线槽的刻蚀停止层。在形成金属线时，先在衬底10上定义出部分金属线槽，即形成第一线槽21，相邻线槽21之间还具有用于定义其余金属线槽的第一材料层11。在刻蚀形成线槽21后，还会进行清洗步骤，所述清洗步骤会对第一材料层11的表面造成损坏，影响后续刻蚀工艺形成第二线槽。
32.参考图2和图3，然后在所述线槽21的侧壁和底面以及所述第一材料层11的表面形成第二材料层30。刻蚀所述第一材料层11表面和所述线槽21底面的第二材料层30，在所述第一材料层11的侧壁形成掩膜层31。在刻蚀所述第一材料层11表面的第二材料层30时，极易损坏所述第一材料层11的表面，改变所述第一材料层11表面(如图中的a位置)的化学性质，例如形成特殊的化学键，在后续的刻蚀工艺中不易去除。
33.参考图4，刻蚀去除所述第一材料层11，以形成第二线槽22。由于所述第一材料层11的表面(a位置)在刻蚀第二材料层30时形成了特殊的化学键，具有特殊化学键的表面不易被刻蚀去除，因此会导致形成的第二线槽22中残留有未刻蚀的所述第一材料层11，进而影响金属线的形成，影响器件的性能。
34.鉴于此，本技术技术方案提供了一种半导体结构的形成方法，通过在刻蚀形成第一线槽和非晶硅层之后，增加一道形成第二掩膜材料层的工艺，所述第二掩膜材料层一方面可以作为阻挡层，保护非晶硅层的表面在刻蚀时不受损坏，有利于后续工艺完全去除非晶硅层，保证形成的金属线的质量，提高器件性能；另一方面，所述第二掩膜材料层可以调节第一线槽的关键尺寸，以保证最终形成的金属线能够达到标准尺寸。
35.以下通过具体实施例和附图对本技术技术方案的半导体结构的形成方法进行详细说明。
36.本技术实施例的半导体结构的形成方法，包括：
37.步骤s1：提供衬底，所述衬底包括层叠分布的第一掩膜层和非晶硅材料层；
38.步骤s2：刻蚀所述非晶硅材料层，形成间隔分布的第一线槽和非晶硅层；
39.步骤s3：在所述第一线槽的侧壁和底面以及所述非晶硅层表面依次形成第二掩膜材料层、第三掩膜材料层；
40.步骤s4：回刻蚀所述第三掩膜材料层，并停止在所述第二掩膜材料层表面，形成第三掩膜层，所述第三掩膜层位于所述非晶硅层侧壁的第二掩膜材料层表面；
41.步骤s5：去除所述第一线槽底面和所述非晶硅层表面的第二掩膜材料层，形成第二掩膜层；
42.步骤s6：去除所述非晶硅层，形成第二线槽。
43.参考图6，提供衬底。所述衬底包括层叠分布的第一掩膜层200和非晶硅材料层300，其中所述第一掩膜层200包括依次层叠分布的碳氧化硅层210、氮化钛层220及正硅酸乙酯层230，其中所述碳氧化硅层210的材料包括碳氧化硅，所述氮化钛层220的材料包括氮化钛，所述正硅酸乙酯层230的材料包括正硅酸乙酯。所述衬底还包括位于所述第一掩膜层200下方且依次层叠分布的刻蚀阻挡层100和low-k介质层240，其中所述第一掩膜层200位于所述low-k介质层240表面，所述刻蚀阻挡层100的材料可以包括掺碳的氮化硅、氧化铝、氮化铝中的至少一种，所述low-k介质层240的材料可以包括低介电常数的sicoh。在一些实施例中，所述衬底还包括位于所述刻蚀阻挡层100下方的层间介质层，且所述层间介质层中形成有贯穿的通孔(via0)，所述通孔中填充有导电材料。
44.然后，刻蚀所述非晶硅材料层300，形成间隔分布的第一线槽和非晶硅层。本技术实施例先对第二线槽的图形进行定义，再通过光刻工艺形成第一线槽。
45.继续参考图6，在所述非晶硅材料层300表面形成图案化的光刻胶层，所述图案化的光刻胶层包括抗反射层410和光刻胶420，所述图案化的光刻胶层定义第二线槽。以所述图案化的光刻胶层为掩膜进行离子注入工艺，在所述非晶硅材料层300中形成掺杂区和非掺杂区，其中所述非掺杂区定义第一线槽，所述掺杂区定义第二线槽。本技术实施例向所述非晶硅材料层300中注入p型离子，例如硼。在所述非晶硅材料层300中注入p型离子后，会改变掺杂区材料的化学性质，使得掺杂区的非晶硅材料层不易被刻蚀去除，进而形成第二线槽。所述p型离子的掺杂浓度为1.2
×
10
15
原子/cm2～1.6
×
10
15
原子/cm2。所述p型离子的掺杂浓度越大，掺杂区越深，进而对刻蚀选择比进行调整。
46.参考图7，去除所述图案化的光刻胶层，采用干法刻蚀工艺刻蚀所述非晶硅材料层300。所述干法刻蚀工艺仅能刻蚀去除非掺杂区的非晶硅材料层300，而无法去除掺杂区的非晶硅材料层300，其中所述非掺杂区的非晶硅材料层310被刻蚀，形成第一线槽320，所述掺杂区的非晶硅材料层300形成非晶硅层310，所述非晶硅层310定义后续形成的第二线槽。在本技术实施例中，所述干法刻蚀工艺的气体包括hbr和cl2，气体流量为250sccm～400sccm。
47.形成所述第一线槽320和非晶硅层310后，可以通过apc(auto process control)方法对所述第一线槽320的关键尺寸(cd)进行收集和分析，基于分析的结果并结合要形成金属线的cd，最终确定后续要形成的第二掩膜材料层的厚度。本技术实施例中，确定所述第二掩膜材料层的厚度在30埃-50埃。通过收集和分析所述第一线槽320的关键尺寸(cd)进而获得的第二掩膜材料层的厚度，可以最大程度的对第二掩膜材料层下方的非晶硅层进行保护，防止非晶硅层表面被破坏或被刻蚀工艺的副产物污染，同时避免不必要的第二掩膜材料的浪费。
48.刻蚀形成间隔分布的第一线槽320和非晶硅层310之后，还包括：采用第一清洗工艺清洗所述非晶硅层310表面，去除所述非晶硅层310表面的杂质。为了使杂质清除的更彻底，且还能够使所述非晶硅层310的损失降至最低，本技术实施例采用氢氟酸的水溶液作为清洗液，且氢氟酸和水的体积比为1∶(200-1000)，清洗时间为30秒-60秒，由此使所述非晶硅层310能够保持较好的表面状态(condition)，有利于形成第二线槽。
49.参考图8，在所述第一线槽320的侧壁和底面以及所述非晶硅层310表面形成第二
掩膜材料层400，所述第二掩膜材料层400作为所述非晶硅层310的保护层，防止后续的刻蚀工艺损坏所述非晶硅层310的表面，解决了传统工艺中因刻蚀工艺造成非晶硅层310表面形成特殊化学键(例如si-o键或si-ti键)，而使非晶硅层310无法被完全去除的缺陷。所述第二掩膜材料层400还可以调节所述第一线槽320的cd，以使最终形成的金属线尺寸符合要求。而且所述第二掩膜材料层400还用于形成第二掩膜层，所述第二掩膜层在后续工艺中作为刻蚀形成接触孔时的掩膜材料的一部分。形成所述第二掩膜材料层400的工艺可以是原子层沉积、物理气相沉积或者化学气相沉积等。所述第二掩膜材料层400的材料包括氧化硅和氮化硅中的至少一种。
50.参考图9，在所述第二掩膜材料层400的表面形成第三掩膜材料层500，所述第三掩膜材料层500用于形成第三掩膜层，所述第三掩膜层和第二掩膜层共同作为形成接触孔时的掩膜材料。形成所述第三掩膜材料层500的工艺可以是原子层沉积、物理气相沉积或者化学气相沉积等。所述第三掩膜材料层300的材料包括氧化钛和氮化硅中的至少一种。所述第三掩膜材料层300的厚度为150埃-200埃。
51.参考图10，回刻蚀所述第三掩膜材料层500，并停止在所述第二掩膜材料层400表面，形成第三掩膜层510。回刻蚀采用的刻蚀工艺需要对第三掩膜材料层500和第二掩膜材料层400具有较高的选择比，本技术实施例采用的回刻蚀工艺为干法刻蚀，刻蚀气体为cl2和chf3，气体流量为300sccm～500sccm，刻蚀时间为10秒～30秒。所述第三掩膜层510位于所述非晶硅层310侧壁的第二掩膜材料层400表面。
52.参考图11，去除所述第一线槽320底面和所述非晶硅层310表面的第二掩膜材料层400，形成第二掩膜层410，本技术实施例采用的工艺是第二清洗工艺，所述第二清洗工艺采用氢氟酸的水溶液，其中氢氟酸和水的体积比为1∶(200-1000)，清洗时间为30秒-60秒。所述第二清洗工艺不会在所述非晶硅层310表面形成特殊的化学键，因此不会影响所述非晶硅层310的刻蚀工艺。所述第二掩膜层410和所述第三掩膜层510位于所述非晶硅层310的侧壁，作为后续刻蚀工艺的掩膜材料。其中所述第二掩膜层410的厚度为30埃-50埃，所述第三掩膜层510的厚度为150埃-200埃。
53.参考图12，去除所述非晶硅层310，形成第二线槽330。由于所述第二掩膜材料层400的存在，使得所述非晶硅层310表面未被前述的刻蚀工艺损坏(不存在si-o键或si-ti键)，因此可以使所述非晶硅层310完全被刻蚀去除，形成的第二线槽330中不存在残余的非晶硅层310，进而提高形成的金属线的质量。去除所述非晶硅层310的工艺需要对非晶硅层310和第二掩膜层410、第三掩膜层510具有非常高的选择比，本技术实施例在去除所述非晶硅层310时采用湿法刻蚀工艺，刻蚀溶剂为氨水，其中nh4oh与h2o的质量比为1∶(2～5)，刻蚀时间为4min-6min。需要说明的是，形成的所述第一线槽320和所述第二线槽330的cd接近，若要使第一线槽320和所述第二线槽330的cd一致，可以在后续工艺中进行调整。
54.参考图13和图14，形成第二线槽之后，还包括：以所述第二掩膜层410和所述第三掩膜层510为掩膜，刻蚀所述第一线槽320和所述第二线槽330底部，并停止在所述刻蚀阻挡层100表面。去除所述第二掩膜层410、第三掩膜层510以及正硅酸乙酯层240，形成接触孔600。由于前述工艺能够彻底去除非晶硅层310，因此形成的第二线槽330中不存在残余的非晶硅层310，提高了形成的接触孔的质量，进而提高了金属线的质量，改善了器件性能。
55.综上所述，在阅读本技术内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以
仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本技术意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本技术的示例性实施例的精神和范围内。
56.应当理解，本实施例使用的术语
″
和/或
″
包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作
″
连接
″
或
″
耦接
″
至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。
57.类似地，应当理解，当诸如层、区域或衬底之类的元件被称作在另一个元件
″
上
″
时，其可以直接在另一个元件上，或者也可以存在中间元件。与之相反，术语
″
直接地
″
表示没有中间元件。还应当理解，术语
″
包含
″
、
″
包含着
″
、
″
包括
″
或者
″
包括着
″
，在本技术文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
58.还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本技术的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
59.此外，本技术说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。例如，被示出为矩形的蚀刻区域通常会具有圆形的或弯曲的特征。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。