专利名称：一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制造领域，尤其涉及一种一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法。
背景技术：
随着半导体性能要求的不断提高，集成电路芯片的尺寸也越来越小，光刻过程成为芯片制造中最核心的工序。通常一个完整的45纳米工艺芯片，视性能要求的不同大约需要40到60次光刻工序。随着器件尺寸的缩小，光刻的图形也不断缩小，光阻的厚度越来越小和光刻完成后的尺寸也越来越小。随着芯片生产工艺从微米级到目前最先进的15纳米工艺，光刻所使用的波长也随着芯片工艺的进步不断缩小，从汞的I系线，G系线到紫外区域的193nm紫外线，极紫外线EUV、乃至电子束。光刻成为一项精密加工技术。
芯片的制造对光刻工艺提出了非常苛刻的工艺条件，包括边缘粗糙度，尺寸均勻度，光阻截面形貌，缺陷等等。如果光阻与基底结合力不够，会造成光刻胶翘起，脱落产生缺陷，刻蚀底切等一系列问题。而光阻脱落是最为严重的缺陷，会导致图形失效，甚至造成颗粒源危及周边的区域。金属由于其表面的亲水性特性，比普通的氧化物或硅基薄膜更难与光刻胶紧密结合。尽管高端工艺中采用铜作为互连金属材料，但是在目前的市场上还有大量的0. 18微米，0. 13微米，乃至110纳米工艺还采用的铝互连工艺。因为铝制程具有工艺简单，价格低廉，性能良好，性价比较高，因此铝制程的集成电路在目前及未来较长一段时间内还将有一个较大的市场，特别是在中低端逻辑技术和动态随机存储器等应用市场。因此如何简单有效地避免铝制程中铝金属层的光阻脱落，成为一个非常有价值的研究课题。
要避免光阻的脱落，最关键的是提高光阻与基底的附着力。目前较为常用的几种提高附着力的方法有如下几种集成电路制造业界目前通用的增强光阻与基底结合力的办法是采用旋涂有机的表面粘合促进剂，目前常用的是六甲基二硅胺(英文mexamethyldisilazane，简称HMDS)。该方法的原理是光阻是一种有机化合物，表现为疏水性。而正常经过集成电路制造过程中刻蚀，酸洗，水洗和干燥等之后的晶圆表面通常是亲水，因此很难与光阻直接形成较为牢固的结合。而HMDS是作为一种表面活性剂，通过在在表面涂覆一层表面活性剂的薄层，厚度仅为一两个分子层，使晶圆基底表面表现为疏水性，从而可以牢固的与光刻胶结合在一起。 而下层基底也能很紧密的与表面活性剂层结合在一起。从而达到改善光阻与基底的结合性能，避免光阻脱落的问题。
中国专利(公开号CN1166798A 用于微电子的无胺光刻胶粘接促进剂)记载了另一种有机粘接促进剂，其原理与上述原理类似。但这种表面粘合促进剂方法的不足之处是提高的附着力有限，且欲获得较高的结合性能就必须加大粘合剂的用量，粘合剂的价格都较高，大大增加了成本。而且粘合剂太厚又会影响光刻的显影及光刻形貌和尺寸的控制。此外，HMDS会产生胺，对ra有毒害作用，会产生额外的缺陷。
美国专利(专利号 6251804B1 Method for enhancing adhesion of photo-resistto silicon nitride surfaces)中被提到。该专利所发明的方法是用于增强多晶硅闸极表面的氮化硅与光刻胶的附着力。该发明主要是引入一个氧化过程，氧化剂为溶解臭氧的去离子水，氧气等离子体或硫酸双氧水的混合液，通过改变氮硅悬挂键儿提高氮化硅层与 HMDS的结合力。但该方法是用于多晶硅栅极的氮化硅基底的强化，而对于本发明涉及的铝互连工艺的金属铝基底未做研究和阐述。金属的化学活性，界面性能都不同于氮化硅。
另一种方法在美国专利(专利号4332881A =Resist adhesion in integrated circuit processing)中，该发明将光阻分为两次涂布。首先涂布一层较薄的光阻，然后高温烘烤，使光阻与基底良好结合，然后进行较厚的光阻涂布，较厚光阻与较薄的光阻能较好的结合在一起，从而达到提高结合力的目的。但是这种方法受光阻性能的影响，所能提高的有限。而且，由于需要多次涂布，对整体光阻的曝光能力带来不利影响，如尺寸均勻性的难以控制，后续去胶的带来缺陷。此外，该方法还需要多次涂布光刻胶，降低了生产效率，增加了成本。
在金属铝的光刻工艺中，为了消除金属反光而形成驻波效应和提高抗电迁移性能，往往还会在铝表面生长一层氮化钛阻挡层(TiN)，所以通常是图1-1所示的下层阻挡层 /铝/上层阻挡层的三层堆叠结构。但氮化钛层同样是金属性亲水表面，也面临光阻结合力弱而产生光阻漆皮脱落的问题。而且氮化钛层的厚度太厚还会增大互连线的电阻，降低器件性能。
此外在中国专利(公开号101882596A金属层的刻蚀方法)，该发明中提到一种提高金属层与光刻胶结合力的方法。该发明是在芯片最外层铝金属再分布层上，在光刻之前， 用化学腐蚀液浸泡腐蚀金属层，从而获得一个较为粗糙的表面，来达到提高金属铝与光阻的结合力的目的。但是该方法的化学腐蚀对金属铝的腐蚀作用很大，铝的损耗很大。因为铝金属再分布层是芯片最表面的金属层，其后的工艺是进行封装。因此该铝金属层厚度非常大，通常在100(Γ4000纳米，是普通金属互连层的数倍至数十倍厚，所以可以容易化学液的刻蚀材料损失。但是对于65纳米的内存芯片或0. 15微米的逻辑芯片，其金属互连层只有60(Γ900纳米，因此化学腐蚀液对普通金属互连线的伤害很大，很难控制，所以此种方法不适合用于普通的铝金属互连上。事实上，该发明的权利要求中也明确指出其所用的铝互连层是再分布金属层。
以上几种方法都有其优缺点，且不是特别用于提高普通铝金属表面与光阻的结合。而且由于金属与有机物的键合更难形成，因此金属基底与光阻的结合力更弱于硅或硅化物基底。
而随着技术的进步，越来越多的金属及金属化合物会成为与光阻直接接触的表面。如电容的金属及半层，金属布线，金属硬掩模版等。金属表面与光刻胶的结合更为薄弱， 金属表面的光刻胶也更容易发生脱落。因此，如何找到一种方法可以实现快速、廉价、可靠地方法提高金属表面与光刻胶粘附力成为一个半导体业界亟待解决的重要技术难题。发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种通过在光刻胶涂覆之前对金属铝基底表面进行预处理，从而改变金属铝表面的化学状态，使基底与光刻胶及粘合促进层的结合力增强，从而减少乃至避免光刻胶脱落的现象，提高光刻过程工艺可靠性。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的一种增强金属层与光阻附着力的表面处理方法，用在金属层上涂覆光刻胶方法中，其中，在基底上制成有金属层及覆盖在金属层上的金属阻挡层，主要包括以下步骤在反应腔室中通入含氧气体并对含氧气体进行等离子化，对所述覆盖在金属层上方的金属阻挡层进行高温等离子体氧化热处理，生成一层位于所述覆盖在金属层上方的金属阻挡层表面的金属氧化物薄层；在反应腔室中通入硅基有机物化合物气体，在所述金属氧化物薄层表面上对所述硅基有机物化合物进行化学吸附而产生一层吸附层，之后将反应腔室内多余的所述硅基有机物化合物气体抽离，仅保留位于所述金属氧化物薄层表面上的吸附层；将所述吸附层在等离子体活化反应下生成一层第一粘结过渡层，所述金属氧化物薄层与所述第一粘结过渡层用于加强HMDS或光阻与金属层及位于金属层上方的金属阻挡层的粘附力。
上述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其中，所述金属层与所述基底之间还设置有一层金属阻挡层。
上述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其中，所述覆盖在金属层上的金属阻挡层的材料为氮化钛(TiN)。
上述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其中，所述金属层与基底之间的金属阻挡层的材料为钛(Ti)和氮化钛的混合层。上述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其中，所述金属层为铝或者铝铜合金。
上述的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其中，对所述铝金属层基底进行高温等离子体氧化热处理步骤中，所述高温的温度范围为100°c -700°c。
上述的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其中，对所述铝金属层基底进行高温等离子体氧化热处理步骤中，所述氧化气体是氧气，臭氧，二氧化碳中的任一种。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于通过本高温氧化步骤，首先可以去除表面的粘污和提高基底整体均勻性。更重要的是， 可以将表面的亲水性金属氧化成金属氧化物，形成M-O键，而这些新生成的氧化物薄层是疏水性界面，表面粗糙度也有一定提高，初步提高与光阻或HMDS的结合力。
其后利用气体浸润吸附，然后等离子体反应生成一层粘附过渡界面，因此可以显著提高金属铝基底与光阻的结合力，减少缺陷和光刻胶脱落现象，提升工艺可靠性。
金属氧化层的厚度仅为数个纳米，而表面过渡层的厚度更薄约为几个到几十个原子层厚度。该两层薄膜只为改变表面化学结合性能，而不是用于产生某种形貌或器件结构， 因此很薄的薄膜即可达到目的，且较低厚度的薄膜层可具备很大的生产效率和生产速度， 有利于节能环保。
本发明的处理方法，还可以用于铝金属层初次光刻失败后的返工光刻工艺。在返工的二次光刻过程中，金属极板的表面状态比初次光刻更恶劣，返工的金属极板表面与光刻胶的直接粘结力更差。该情况下应用本发明的表面处理方式可以更明显地提高粘结力， 减少脱胶现象的产生。
图IA-图ID是本发明的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法的一个实施例流程示意图。
图IE是本发明的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法的另一变化例的示意图。
具体实施方式
下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。
如图1A-1D，示出了本发明的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法。参照一下附图，给出了对包含了本发明方法的铝金属光刻的方法一个优选实施例如图IA所示，优选地，在基底11上制成有金属层12及覆盖在金属层12上的金属阻挡层13，金属层12与基底11之间还设置有一层金属阻挡层14。
其中，覆盖在金属层12上的金属阻挡层13和位于金属层12与基底11之间的金属阻挡层14，优选地，其成分是钛(Ti)或者是钛和氮化钛(TiN)的混合物。
另外，金属层可以是铝材料，还可以是铝铜合金，例如，含5%重量百分比铜的铜铝I=I 巫 O
此步骤中，可以在基底11上制成两层即金属层12及覆盖在金属层12上的金属阻挡层3。
如图IB所示，在反应腔室(Chamer)(图中未标示)中通入含氧气体并对含氧气体进行等离子化，对覆盖在金属层12上方的金属阻挡层13进行高温等离子体氧化热处理，生成一层位于覆盖在金属层12上方的金属阻挡层13表面的金属氧化物薄层15 ；在此步骤中，高温等离子体氧化热处理，是在高温环境下，利用在反应腔中通入所氧气，臭氧，二氧化碳或其他含氧气体进行等离子化，并对金属层12或金属阻挡层13进行热氧化，本实施例中，温度可选范围为100°C 700°C，其中，氧气或臭氧或其他含氧气体的等离子反应进行氧化反应，该方法反应具有活性高，反应速度快，有利于能耗和产量的优化的特点。例如，可以使用普通的炉管氧气氛处理或臭氧处理。实际应用根据反应速度，器件容忍的温度，清洁效率等因素，选择合适的氧化处理方式和参数。
如图IC所示，在反应腔室中通入硅基有机物化合物气体，在金属氧化物薄层14表面上对硅基有机物化合物进行化学吸附而产生一层吸附层16，之后将反应腔室内多余的硅基有机物化合物气体抽离，仅保留位于金属氧化物薄层15表面上的吸附层16 ；在一个实施例中，硅基有机物化合物气体可以选用四乙氧基硅烷，此外，还可以选择其它含有硅或碳的有机化合物。
如图ID所示，将吸附层16在等离子体活化反应下生成一层一粘结过渡层17，金属氧化物薄层15与一粘结过渡层17用于加强HMDS或光阻与金属层12及位于金属层12上方的金属阻挡层13的粘附力。
此步骤中，HMDS是作为一种表面活性剂，通过在在表面涂覆一层表面活性剂的薄层，厚度仅为一两个分子层，使晶圆基底表面表现为疏水性，从而可以牢固的与光刻胶结合在一起。而下层基底也能很紧密的与表面活性剂层结合在一起。在本实施例中，可以和第一粘结促进层14结合起来，更好地达到改善光阻与基底的结合性能，避免光阻脱落的问题。
如图IE所示，在一个变化例中，可以直接在在基底21上制成一层金属层22，并直接在金属层22上依次进行上述1B-1C所示出的步骤即对金属层22进行高温等离子氧化热处理生成金属氧化物薄层25、进行化学吸附步骤生成吸附层沈，进行吸附层沈等离子活化反应生成粘结过渡层27。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改， 都应涵盖在本发明的范围内。
权利要求
1.一种增强金属层与光阻附着力的表面处理方法，用在金属层上涂覆光刻胶方法中， 其中，在基底上制成有金属层及覆盖在金属层上的金属阻挡层，其特征在于，主要包括以下步骤在反应腔室中通入含氧气体并对含氧气体进行等离子化，对所述覆盖在金属层上方的金属阻挡层进行高温等离子体氧化热处理，生成一层位于所述覆盖在金属层上方的金属阻挡层表面的金属氧化物薄层；在反应腔室中通入硅基有机物化合物气体，在所述金属氧化物薄层表面上对所述硅基有机物化合物进行化学吸附而产生一层吸附层，之后将反应腔室内多余的所述硅基有机物化合物气体抽离，仅保留位于所述金属氧化物薄层表面上的吸附层；将所述吸附层在等离子体活化反应下生成一层第一粘结过渡层，所述金属氧化物薄层与所述第一粘结过渡层用于加强HMDS或光阻与金属层及位于金属层上方的金属阻挡层的粘附力。
2.根据权利要求1所述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其特征在于，所述金属层与所述基底之间还设置有一层金属阻挡层。
3.根据权利要求1所述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其特征在于，所述覆盖在金属层上的金属阻挡层的材料为氮化钛(TiN)。
4.根据权利要求3所述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其特征在于，所述金属层与基底之间的金属阻挡层的材料为钛(Ti)和氮化钛的混合层。
5.根据权利要求1所述的增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其特征在于，所述金属层为铝或者铝铜合金。
6.根据权利要求1所述的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其特征在于，对所述铝金属层基底进行高温等离子体氧化热处理步骤中，所述高温的温度范围为100°C -700 V O
7.根据权利要求1所述的一种增强铝制程金属层与光阻附着力的表面处理方法，其特征在于，对所述铝金属层基底进行高温等离子体氧化热处理步骤中，所述氧化气体是氧气， 臭氧，二氧化碳中的任一种。
全文摘要
本发明公开了一种增强金属层与光阻附着力的表面处理方法，用在金属层上涂覆光刻胶方法中，其中，在基底上制成有金属层及覆盖在金属层上的金属阻挡层，主要包括以下步骤在反应腔室中通入含氧气体并对含氧气体进行等离子化，对所述覆盖在金属层上方的金属阻挡层进行高温等离子体氧化热处理，生成一层位于所述覆盖在金属层上方的金属阻挡层表面的金属氧化物薄层；在反应腔室中通入硅基有机物化合物气体，在所述金属氧化物薄层表面上对所述硅基有机物化合物进行化学吸附产生一层吸附层，将反应腔室内多余的所述硅基有机物化合物气体抽离，仅保留所述吸附层；将所述吸附层在等离子体活化反应下生成一层第一粘结过渡层。
文档编号H01L21/768GK102543846SQ20111023226
公开日2012年7月4日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者姬峰, 张亮, 李磊, 胡友存, 陈玉文 申请人:上海华力微电子有限公司