低k介质层中形成孔槽的方法
【专利摘要】本发明提供了一种低K介质层中形成孔槽的方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成低K介质层；在所述低K介质层上形成二氧化硅层；在所述二氧化硅层上形成硬掩膜层；刻蚀所述硬掩膜层及部分厚度的二氧化硅层；对所述硬掩膜层执行回刻工艺，形成开口，所述开口的侧壁与底壁的夹角大于90度；刻蚀所述开口中的二氧化硅层及低K介质层，形成孔槽。通过在刻蚀硬掩膜层及部分厚度的二氧化硅层之后，还对所述硬掩膜层执行回刻工艺以形成开口，由此，所形成的开口具有侧壁与底壁的夹角大于90度的特性，从而避免了硬掩膜层发生底切的问题，提高了铜电镀工艺的填孔能力，从而提高了半导体工艺及所形成的器件的可靠性。
【专利说明】低K介质层中形成孔槽的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路制造工艺【技术领域】，特别涉及一种低K介质层中形成孔槽的方法。
【背景技术】
[0002]目前,半导体电路已经发展为具有多层互连的集成电路(integratedcircuit, 1C)。在多层互连的IC中，互连层上的导电材料需要通过介质层与另一个互连层上的导电 材料进行电气绝缘。
[0003]但在单层或多层互连的IC中，带有介质层分离的导电材料之间都会形成电容，这 种互连形成的电容不是设计过程中所需要的。由于IC的速度反比于IC的互连电阻(R)与 互连的电容(C)的乘积，所述RC的乘积，即RC常数必须尽可能小，以便促进适当的信号传 输和开关速度，并尽可能降低信号串扰。随着对IC更高集成度和元件小型化的日益增长的 要求，对系统速度的一个主要限制因素是IC中的RC常数限制。因此，减小IC互连的电阻 和电容对IC的性能提高有重要作用。
[0004]一种减小互连层之间电容的方法是使用低K介质层，即使用低K材料作为互连层 之间实现电气绝缘的膜层。所述低K材料例如:有机聚合物、无定形氯化碳、超小型泡沫塑 料、包含有机聚合物的硅基绝缘体、掺杂了碳的硅氧化物和掺杂了氯的硅氧化物。其中，K表 示介电系数，高和低是相对于二氧化硅的介电系数而言的，所述二氧化硅的介电系数通常 为 3.9。
[0005]通常，金属互连线形成于所述低K介质层中，通过所述低K介质层进行电气隔离。 具体的，在所述低K介质层上形成一硬掩膜层；在所述硬掩膜层上形成开口，露出所述低K 介质层；刻蚀露出的低K介质层，形成孔槽(包括通孔和/或沟槽)；在所述孔槽内形成金 属互连线。
[0006]但是，在上述工艺中，利用硬掩膜层保护低K介质层形成孔槽时，极易发生硬掩膜 层底切(undercut)的问题，具体请参考图1，其为现有工艺在低K介质层中形成孔槽后的器 件剖面示意图。如图1所示，低K介质层11上形成有硬掩膜层12 ;低1(介质层11中形成 有孔槽100。但是，由于刻蚀工艺的特性(特别是湿法刻蚀工艺的各向同性以及腐蚀液易于 钻入两膜层之间的特性)，在所述硬掩膜层12底部(即与低K介质层11交界处)形成有切 口 101，即硬掩膜层的底切。硬掩膜层的底切极易造成硬掩膜层12翘曲，即硬掩膜层12与 低K介质层11之间的连接可靠性降低。而这一问题将造成后续一系列工艺的可靠性降低， 例如，后续形成的金属互连线(主要为同互连线)、金属隔离层(主要为铜隔离层)等膜层 的沉积质量差，最终将降低所形成的器件的质量。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种低K介质层中形成孔槽的方法，以解决现有工艺中硬 掩膜层发生底切的问题以及提高铜电镀工艺的填孔能力。[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种低K介质层中形成孔槽的方法，包括:
[0009]提供半导体衬底；
[0010]在所述半导体衬底上形成低K介质层；
[0011 ] 在所述低K介质层上形成二氧化硅层；
[0012]在所述二氧化硅层上形成硬掩膜层；
[0013]刻蚀所述硬掩膜层及部分厚度的二氧化硅层；
[0014]对所述硬掩膜层执行回刻工艺，形成开口，所述开口的侧壁与底壁的夹角大于90 度；
[0015]刻蚀所述开口中的二氧化硅层及低K介质层，形成孔槽。
[0016]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，所述侧壁包括第一侧壁及位 于所述第一侧壁上的第二侧壁，其中，第一侧壁与底壁的夹角大于90度，第二侧壁为竖直 状。
[0017]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，所述第一侧壁与底壁的夹角 为130度?170度。
[0018]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，在刻蚀所述硬掩膜层及部分 厚度的二氧化硅层的工艺中，刻蚀的部分厚度的二氧化硅层为形成的二氧化硅层的厚度的 1/10 ?1/3。
[0019]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，利用干法刻蚀所述硬掩膜层 及部分厚度的二氧化硅层。
[0020]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，利用硝酸溶液、或者硫酸和双 氧水的混合液、或者盐酸和双氧水的混合液对所述硬掩膜层执行回刻工艺。
[0021 ] 可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，利用硅酸乙酯在所述低K介质
层上形成二氧化硅层。
[0022]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，所述硬掩膜层的材料为金属 或者金属化合物。
[0023]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，所述孔槽靠近孔槽槽口的截 面宽度比远离孔槽槽口的截面宽度大。
[0024]可选的，在所述的低K介质层中形成孔槽的方法中，在形成孔槽之后，还包括:
[0025]形成金属层，所述金属层覆盖所述硬掩膜层、填充并溢出所述孔槽；
[0026]平坦化所述金属层，形成金属互连线。
[0027]在本发明提供的低K介质层中形成孔槽的方法中，在刻蚀硬掩膜层及部分厚度的 二氧化硅层之后，还对所述硬掩膜层执行回刻工艺以形成开口，由此，所形成的开口具有侧 壁与底壁的夹角大于90度的特性，从而避免了硬掩膜层发生底切的问题，提高了铜电镀工 艺的填孔能力，从而提高了半导体工艺及所形成的器件的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是现有工艺在低K介质层中形成孔槽后的器件剖面示意图；
[0029]图2是本发明实施例的低K介质层中形成孔槽的方法的流程示意图；
[0030]图3a?3g是本发明实施例的低K介质层中形成孔槽的方法中各步骤器件的剖面示意图；
[0031]图4是在本发明实施例所形成的孔槽中形成金属互连线后的器件剖面示意图。 【具体实施方式】
[0032]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的低K介质层中形成孔槽的方法作进 一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是， 附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明 实施例的目的。
[0033]请参考图2，其为本发明实施例的低K介质层中形成孔槽的方法的流程示意图。如 图2所示，所述低K介质层中形成孔槽的方法包括如下步骤:
[0034]S20:提供半导体衬底；
[0035]S21:在所述半导体衬底上形成低K介质层；
[0036]S22:在所述低K介质层上形成二氧化硅层；
[0037]S23:在所述二氧化硅层上形成硬掩膜层；
[0038]S24:刻蚀所述硬掩膜层及部分厚度的二氧化硅层；
[0039]S25:对所述硬掩膜层执行回刻工艺，形成开口，所述开口的侧壁与底壁的夹角大 于90度；
[0040]S26:刻蚀所述开口中的二氧化硅层及低K介质层，形成孔槽。
[0041]具体的，请参考图3a?3g，其为本发明实施例的低K介质层中形成孔槽的方法中 各步骤器件的剖面示意图。
[0042]如图3a所示,提供半导体衬底30，进一步的，所述半导体衬底30包括硅衬底及覆 盖所述硅衬底的隔离层以及下一层的金属连线，更进一步的，所述硅衬底上形成有多个半 导体器件，例如已形成PMOS晶体管、NMOS晶体管等，为图示方便，图3a中并未示出上述结 构。
[0043]接着，如图3b所示，在所述半导体衬底30上形成低K介质层31。所述低K介质层 31可通过化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺、原子层沉积工艺等半导体工艺形成。优选 的，所述低K介质层31的材料为有机聚合物、无定形氯化碳、超小型泡沫塑料、包含有机聚 合物的硅基绝缘体、掺杂了碳的硅氧化物和掺杂了氯的硅氧化物等。在本实施例中，所述低 K介质层31的厚度为1000埃?10000埃。
[0044]接着，如图3c所示，在所述低K介质层31上形成二氧化硅层32。在本实施例中， 利用硅酸乙酯(TEOS)形成所述二氧化硅层32。具体的，可利用等离子体增强化学气相沉积 工艺(PECVD)，在工艺腔室中通入硅酸乙酯及氧气、臭氧等含氧气体形成。优选的，所述二氧 化硅层32的厚度为100埃?1000埃。
[0045]如图3d所示，在所述二氧化硅层32上形成硬掩膜层33。优选的，所述硬掩膜层 33的材料为金属或者金属化合物，例如，所述硬掩膜层33的材料为钛、钨、氮化钛、硅化钨、 硅化钛等。所述硬掩膜层33可通过沉积工艺形成，例如化学气相沉积工艺、物理气相沉积 工艺等。优选的，所述硬掩膜层33的厚度为100埃?1000埃。
[0046]接着，如图3e所示，刻蚀所述硬掩膜层33及部分厚度的二氧化硅层32，即在本步 骤中形成有初始开口 300’(在此，该开口 300’并不是最终形成的开口，仅是中间的一个过渡开口，因此称为初始开口 300’)。在本实施例中，可利用干法刻蚀所述硬掩膜层33及部 分厚度的二氧化硅层32。优选的，刻蚀的部分厚度的二氧化硅层为形成的二氧化硅层的厚 度的1/10?1/3。在本实施例中，刻蚀的二氧化硅层32的厚度为50埃?350埃，例如50 埃、100埃(当然，此时形成的二氧化硅层32的厚度大于100埃，例如300埃、500埃等)、 200埃，300埃、350埃等。即通过本步工艺之后，在步骤S22中所形成的二氧化硅层32中， 部分厚度的二氧化硅层被刻蚀了 ；部分厚度的二氧化硅层仍旧被保留，覆盖低K介质层31。
[0047]接着，如图3f所示，对所述硬掩膜层33执行回刻工艺，形成开口 300 (即在初始开 口 300’的基础上，继续进行工艺处理，得到最终的开口 300)，所述开口 300的侧壁与底壁的 夹角A大于90度。优选的，利用硝酸溶液；硫酸和双氧水的混合液；盐酸和双氧水的混合液 等腐蚀液对所述硬掩膜层33执行回刻工艺。
[0048]具体的，所述开口 300的侧壁包括第一侧壁3001及位于所述第一侧壁3001上的 第二侧壁3002，其中，所述第一侧壁的由二氧化硅层32所构成，所述第二侧壁3002由硬掩 膜层33所构成，在此，所述第一侧壁3001与底壁3003的夹角a大于90度，所述第二侧壁 300为竖直状。优选的，所述第一侧壁3001与底壁3003的夹角为130度?170度，例如140 度、150度、160度等。
[0049]在此，通过回刻工艺进一步优化了硬掩膜层33刻蚀面(即第二侧壁3002)的形 状，使得硬掩膜层33的刻蚀面呈竖直状。同时，由于该步回刻工艺，使得部分厚度的二氧化 硅层32 (即经过刻蚀工艺的二氧化硅层)的刻蚀面(即第一侧壁3001)呈倾斜状，即与开 口 300的底壁具有大于90度的夹角。由此，作为掩膜的结构(包括硬掩膜层33及经过刻 蚀工艺的二氧化硅层32)在底部具有微小的向外延伸的结构，从而避免了硬掩膜层33底切 的问题。同时，由于该向外延伸的结构非常之细小，因此，也不会对工艺的可靠性产生不利 影响。却由于避免了硬掩膜层33底切的问题，避免了硬掩膜层33翘曲的问题，且提高了后 续铜电镀工艺的填孔能力，提高了后续所形成的膜层的可靠性，即使得后续所形成的膜层 能够与其它膜层紧密贴合，从而保证成膜质量。
[0050]接着，如图3g所示，刻蚀所述开口 300中的二氧化硅层32及低K介质层31，形成 孔槽301。所述孔槽301包括通孔和/或沟槽，其可以经过单大马士革工艺形成，也可以经 过双大马士革工艺形成。当需要执行双大马士革工艺时，可形成一光阻层，所述光阻层覆盖 所述开口 300及硬掩膜层33 ;接着，图形化所述光阻层以形成沟槽开口 ；接着刻蚀沟槽开口 中的沟槽；然后剥离所述图形化的光阻层，露出开口 300 ;接着刻蚀所述开口 300中的二氧 化娃层32及低K介质层31形成通孔。
[0051]在此，所述孔槽301靠近孔槽槽口的截面宽度比远离孔槽槽口的截面宽度，通常 的，以硬掩膜层33及二氧化硅层22构成的两相对侧壁间的距离大于以低K介质层31构成 的两相对侧壁间的距离。
[0052]最后，如图4所示，在形成所述孔槽301之后，便可填充所述孔槽301形成金属互 连线302 (通常，利用铜电镀工艺形成铜互连线)。具体的，可先形成金属层，所述金属层覆 盖所述硬掩膜层33、填充并溢出所述孔槽301 ;接着平坦化所述金属层，去除硬掩膜层33上 的、及溢出所述孔槽301的部分金属层，形成金属互连线。其中，通常利用化学气相沉积工 艺、物理气相沉积工艺等沉积工艺形成所述金属层。
[0053]在此，由于通过本发明实施例所形成的孔槽301具有上部较宽、下部较窄的特性，由此，非常利于金属层的沉积，能够形成成膜质量更加好的金属层，进一步提高半导体工艺 及所形成的半导体器件的可靠性。
[0054]上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发 明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护 范围。
【权利要求】
1.一种低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，包括:提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成低K介质层；在所述低K介质层上形成二氧化硅层；在所述二氧化硅层上形成硬掩膜层；刻蚀所述硬掩膜层及部分厚度的二氧化硅层；对所述硬掩膜层执行回刻工艺，形成开口，所述开口的侧壁与底壁的夹角大于90度；刻蚀所述开口中的二氧化硅层及低K介质层，形成孔槽。
2.如权利要求1所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，所述侧壁包括第一 侧壁及位于所述第一侧壁上的第二侧壁，其中，第一侧壁与底壁的夹角大于90度，第二侧 壁为竖直状。
3.如权利要求2所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，所述第一侧壁与底 壁的夹角为130度?170度。
4.如权利要求1所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，在刻蚀所述硬掩膜 层及部分厚度的二氧化硅层的工艺中，刻蚀的部分厚度的二氧化硅层为形成的二氧化硅层 的厚度的1/10?1/3。
5.如权利要求1所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，利用干法刻蚀所述 硬掩膜层及部分厚度的二氧化硅层。
6.如权利要求1所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，利用硝酸溶液、或 者硫酸和双氧水的混合液、或者盐酸和双氧水的混合液对所述硬掩膜层执行回刻工艺。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，利 用硅酸乙酯在所述低K介质层上形成二氧化硅层。
8.如权利要求1至6中的任一项所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，所 述硬掩膜层的材料为金属或者金属化合物。
9.如权利要求1至6中的任一项所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于，所 述孔槽靠近孔槽槽口的截面宽度比远离孔槽槽口的截面宽度大。
10.如权利要求1至6中的任一项所述的低K介质层中形成孔槽的方法，其特征在于， 在形成孔槽之后，还包括:形成金属层，所述金属层覆盖所述硬掩膜层、填充并溢出所述孔槽；平坦化所述金属层，形成金属互连线。
【文档编号】H01L21/768GK103456680SQ201210183531
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】邓浩, 周鸣 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司