CN103377884B - 硬掩膜层结构及低k介质层刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硬掩膜层结构及低K介质层刻蚀方法，通过使用氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层，避免现有低K介质刻蚀技术中无机TixFy残留物的形成，且氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层易于移除，从而抑制了后续铜电镀工艺中的孔洞缺陷的形成，改善了器件电迁移和可靠性，提高了产品良率；进一步的，通过刻蚀后的氮气处理工艺在低K介质层的刻蚀内壁上形成阻挡层，缓和了低K介质层和氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层的湿法腐蚀选择比差异，避免低K介质层在湿法腐蚀移除氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层时受损，有效增大低K介质层的刻蚀后的工艺窗口。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种硬掩膜层结构及低K介质层刻蚀方法。
背景技术
目前在集成电路金属互连线制造中，低K介电材料被广泛用于替代SiO2以缩短RC延时。由于K值的降低，低K介电薄膜对物理和化学损伤更加敏感。刻蚀工艺导致的损伤被证明是集成电路结构中k值局部增加和/或可靠性降低的一个原因，这会消弱采用低K介电材料的优势。而金属硬掩膜具有完全不同的化学性质，可以替代传统的SiO2和SiC无机硬掩膜层，在选择性和各向异性刻蚀方面有更好的性能，阻止图形化过程中等离子体损伤的发生，能够提供优异的CD性能和形貌控制，同时保留低K电介质材料的K值，以提高芯片的速度和成品率。
TiN以其低电阻率、低扩散系数以及高硬度等优点，被广泛应用于金属硬掩膜大马士革双镶嵌工艺(即低K双镶嵌铜互连工艺)中。图1所示为一种典型的低K双镶嵌铜互连工艺器件结构剖视图，通常采用等离子体干法蚀刻工艺，以TiN层102作为金属硬掩膜，蚀刻低K介质层101，形成竖直侧壁的沟槽103和通孔104。TiN层102继续作为保护层防止水和活动离子在随后的工艺步骤(特别是湿法清洗和铜电镀工艺)过程中扩散入低K介质层101内。
然而，上述的TiN金属硬掩膜等离子体蚀刻工艺往往会产生很多残留物，包括CuxOy、侧壁大分子聚合物和无机TixFy等残留物，无机TixFy残留物105会随着时间而生长，变得致密，使后续的沟槽和通孔的铜电镀工艺中产生空洞缺陷(voiddefect)，增加器件的电阻，影响器件的电迁移和可靠性；同时，TiN层很难通过湿法腐蚀去除，需要较长的腐蚀时间，容易破坏沟槽和通孔的工艺窗口。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬掩膜层结构及低K介质层刻蚀方法，能够避免TiXFY刻蚀残留物的产生，增大刻蚀后的工艺窗口，改善铜电镀工艺中的空洞缺陷，提高产品的良率。
为了解决上述问题，本发明提供一种硬掩膜层结构，包括金属硬掩膜层，所述金属硬掩膜层为氮化亚铜(Cu3N)。
进一步的，所述硬掩膜层结构还包括：在所述金属硬掩膜层之前形成的TEOS硬掩膜层。
相应的，本发明还提供一种低K介质层刻蚀方法，包括以下步骤：
提供一形成有低K介质层的半导体衬底；
在所述低K介质层上形成TEOS硬掩膜层；
在所述TEOS硬掩膜层上形成氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层；
以所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层和TEOS硬掩膜层为硬掩膜，干法刻蚀所述低K介质层。
进一步的，所述TEOS硬掩膜层的厚度为
进一步的，采用铜靶材、氩气和氮气进行射频磁控溅射以形成所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层。
进一步的，所述低K介质层刻蚀方法还包括：
在所述干法刻蚀后，采用氮气处理所述低K介质层，以在所述低K介质层暴露的表面上形成一层阻挡层；
通过湿法腐蚀去除所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层。
进一步的，所述氮气处理的工艺参数包括：压力为10～100mTorr；射频功率为100～-500W；射频频率为2～60MHz；气体流量为100～500sccm；处理时间为10～300secs。
进一步的，采用盐酸溶液对所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层进行湿法腐蚀。
进一步的，所述盐酸溶液的浓度为10～100g/L；湿法腐蚀时间为5～50secs。
与现有技术相比，本发明提供的硬掩膜层结构及低K介质层刻蚀方法，通过使用氮化亚铜硬掩膜层，避免现有低K介质刻蚀技术中无机TixFy残留物的形成，且氮化亚铜硬掩膜层易于移除，从而抑制了后续铜电镀工艺中的孔洞缺陷的形成，改善了器件电迁移和和可靠性，提高了产品良率；进一步的，通过刻蚀后的氮气处理工艺在低K介质层的刻蚀内壁上形成阻挡层，缓和了低K介质层和氮化亚铜硬掩膜层的湿法腐蚀选择比差异，避免低K介质层在湿法腐蚀移除氮化亚铜硬掩膜层时受损，有效增大低K介质层的刻蚀后的工艺窗口。
附图说明
图1是现有技术的一种双镶嵌互连工艺的半导体器件剖视结构图；
图2是本发明具体实施例的硬掩膜层结构的示意图；
图3是本发明具体实施例的低K介质层刻蚀方法流程图；
图4A～4E是本发明具体实施例的低K介质层刻蚀过程中的器件结构剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的硬掩膜层结构及低K介质层刻蚀方法作进一步详细说明。
如图2所示，本发明提供一种硬掩膜层结构2，包括金属硬掩膜层203，所述金属硬掩膜层为氮化亚铜(Cu3N)。
本实施实例中，所述硬掩膜层结构2还包括：在所述金属硬掩膜层203之前形成的TEOS硬掩膜层202。
本发明的硬掩膜层结构2可以用于大马士革双镶嵌工艺中低K介质层201的刻蚀。如图2所示，以硬掩膜层结构2为掩膜，刻蚀半导体衬底200上的低K介质层201可以形成大马士革双镶嵌工艺的通孔(Via)和沟槽(Trench)。
如图3所示，本发明还提供一种低K介质层刻蚀方法，包括以下步骤：
S1，提供一形成有低K介质层的半导体衬底；
S2，在所述低K介质层上形成TEOS硬掩膜层；
S3，在所述TEOS硬掩膜层上形成氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层；
S4，以所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层和TEOS硬掩膜层为硬掩膜，干法刻蚀所述低K介质层；
S5，采用氮气处理所述低K介质层，以在所述低K介质层暴露的表面上形成一层阻挡层；
S6，通过湿法腐蚀去除所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层。
请参考图4A，步骤S1中，提供的半导体衬底400可以为硅衬底、绝缘体上硅衬底等，在半导体衬底400上形成有低K介质层401。本实施例中，提供的半导体衬底400为大马士革双镶嵌铜互连制程中的互连层衬底，例如包含底层金属层M1的衬底，也可以是其他金属层Mx衬底或者通孔层Vx衬底；低K介质层401可以为掺碳二氧化硅(SiOCH)、多孔材料，有机聚合物等等。
请参考图4B，在步骤S2中，通入正硅酸乙酯(TEOS)和氦气、氩气等惰性气体，还通入氧气或臭氧以提供氧等离子体，进行等离子体增强沉积(PECVD)，以在所述低K介质层401上形成TEOS硬掩膜层402，反应式如下：
TEOS++O+He/Ar→SiO2+副产物
采用TEOS作原料生长氧化硅膜时，因TEOS的表面迁移率大，可避免低密度区域或空洞的产生，可覆盖高宽比达1∶1的互连线空间。本实施例中，形成TEOS硬掩膜层402的厚度为由于TEOS硬掩膜层402的等离子体增强沉积工艺是现有技术中常用的硬掩膜工艺，在此不再赘述。
请继续参考图4B，本实施例是双镶嵌铜互连工艺中通孔和/或沟槽刻蚀步骤前的硬掩膜工艺，需要在TEOS硬掩膜层402上沉积金属硬掩膜层。因此在步骤S3中，可以通过采用铜靶材、氩气和氮气进行射频磁控溅射来在所述TEOS硬掩膜层上形成氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层403。由于氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层403的硬度为8.8GPa(Cu为1.7GPa)，在室温下相当稳定并且热分解温度较低(300℃左右)，可以分解为Cu和氮气，同时极易被酸腐蚀(而Cu极难与酸反应)。因此氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层403与现有技术的TiN硬掩膜层相比，不会在后续刻蚀工艺中形成无机TixFy残留物，而且易于去除，因而可以改善后续的沟槽和通孔的铜电镀工艺中的空洞缺陷(voiddefect)，提高器件的电迁移和可靠性。
请参考图4C，在步骤S4中，以金属硬掩膜层403和TEOS硬掩膜层402为硬掩膜，干法刻蚀所述低K介质层401，在低K介质层401中形成通孔404和沟槽405。由于采用了氮化亚铜(Cu3N)，因此干法刻蚀低K介质层401时不-会形成无机TixFy残留物，可以改善后续的沟槽和通孔的铜电镀工艺中的空洞缺陷(voiddefect)，提高器件的电迁移和可靠性。
请参考图4D和4E，本实施例中，在步骤S4的干法刻蚀后，执行步骤S5：采用氮气处理(Post-etching)所述低K介质层401，所述低K介质层401暴露的表面与氮气反应，形成一层阻挡层406，即在通孔404和沟槽405的内侧壁上形成一层氮化物阻挡层；然后再执行步骤S6：通过湿法腐蚀去除所述氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层403。
本实施例中，步骤S5的氮气处理的工艺参数包括：压力为10～100mTorr；射频功率为100～500W；射频频率为2～60MHz；气体流量为100～500sccm；处理时间为10～300secs。步骤S6的湿法腐蚀的试剂为盐酸溶液，浓度为10～100g/L；湿法腐蚀时间为5～50secs。
由于氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层403极易被盐酸腐蚀，阻挡层406作为保护层防止湿法腐蚀中的水和活动离子进入低K介质层，同时缓和了低K介质层和氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层的湿法腐蚀选择比差异，避免低K介质层在湿法腐蚀移除氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层时受损，有效增大低K介质层的刻蚀后的工艺窗口，为后续的铜电镀填充工艺能够获得良好的填充性能提供了保障。因而不会引入现有技术中TiN硬掩膜湿法腐蚀带来的铜填充缺陷。
综上所述，本发明提供的硬掩膜层结构及低K介质层刻蚀方法，通过使用氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层，避免现有低K介质刻蚀技术中无机TixFy残留物的形成，且氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层易于移除，从而抑制了后续铜电镀工艺中的孔洞缺陷的形成，改善了器件电迁移和和可靠性，提高了产品良率；进一步的，通过刻蚀后的氮气处理工艺在低K介质层的刻蚀内壁上形成阻挡层，缓和了低K介质层和氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层的湿法腐蚀选择比差异，避免低K介质层在湿法腐蚀移除氮化亚铜(Cu3N)硬掩膜层时受损，有效增大低K介质层的刻蚀后的工艺窗口。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种低K介质层刻蚀方法，其特征在于，包括：
提供一形成有低K介质层的半导体衬底；
在所述低K介质层上形成TEOS硬掩膜层；
在所述TEOS硬掩膜层上形成氮化亚铜硬掩膜层；
以所述氮化亚铜硬掩膜层和TEOS硬掩膜层为硬掩膜，干法刻蚀所述低K介质层；
采用氮气处理所述低K介质层，以在所述低K介质层暴露的表面上形成一层阻挡层；
通过湿法腐蚀去除所述氮化亚铜硬掩膜层。
2.如权利要求1所述的低K介质层刻蚀方法，其特征在于，所述TEOS硬掩膜层的厚度为
3.如权利要求1所述的低K介质层刻蚀方法，其特征在于，采用铜靶材、氩气和氮气进行射频磁控溅射以形成所述氮化亚铜硬掩膜层。
4.如权利要求1所述的低K介质层刻蚀方法，其特征在于，所述氮气处理的工艺参数包括：压力为10～100mTorr；射频功率为100～500W；射频频率为2～60MHz；气体流量为100～500sccm；处理时间为10～300secs。
5.如权利要求1所述的低K介质层刻蚀方法，其特征在于，采用盐酸溶液对所述氮化亚铜硬掩膜层进行湿法腐蚀。
6.如权利要求5所述的低K介质层刻蚀方法，其特征在于，所述盐酸溶液的浓度为10～100g/L；湿法腐蚀时间为5～50secs。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |