一种形成金属互连结构的方法与流程

本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种形成金属互连结构的方法，以避免沉积在沟槽侧壁上的阻挡层过刻蚀。

背景技术：

随着半导体器件制造工艺的快速发展，半导体器件的集成度越来越高，两层或两层以上的金属互连结构被广泛应用。现有的金属互连结构是铝制成。然而，随着半导体器件的特征尺寸越来越小，RC延迟对半导体器件性能的影响越来越明显。为了降低RC延迟效应，铜由于其电阻比铝小而被用来代替铝制作互连结构。此外，使用低k材料代替传统的介质材料作为互连结构中的介质层以减小寄生电容。

如图1(a)至图1(c)所示，一种形成铜互连结构的方法一般包括以下步骤：提供衬底101，例如晶圆；在衬底101上沉积介质层102；在介质层102上沉积硬掩膜层103；在介质层102和硬掩膜层103上形成多个沟槽106，沟槽106如图1(a)至图1(c)所示；在硬掩膜层103上以及沟槽106的侧壁和底部沉积阻挡层104；在阻挡层104上以及沟槽106的侧壁和底部沉积铜种子层，铜种子层沉积在阻挡层104上；在铜种子层上以及沟槽106内沉积铜105，铜105将沟槽106填满；去除沉积在非凹进区域上的铜105，保留凹进区域(如沟槽106)内的铜105形成铜互连结构；去除非凹进区域上的阻挡层104和介质层102上的硬掩膜层103。

传统去除铜105、阻挡层104和硬掩膜层103的方法为CMP(化学机械抛光)。在化学机械抛光过程中，衬底101被放置在抛光垫上，用压力将衬底101紧压在抛光垫上。当用压力抛光和平坦化铜105、阻挡层104和硬掩膜层103时，抛光垫和衬底101进行着相对运动。向抛光垫上提供一种常被称之为磨料的抛光液使抛光更容易进行。虽然化学机械抛光可以获得很好的阻挡层的去除结果，然而，由于涉及到强机械作用力，化学机械抛光会对半导体器件产生一些不良影响。强机械作用力会对低k介质造成永久损伤，并且抛光液会降低低k介质的性能。所述很好的阻挡层104的去除结果意味着非凹进区域上的阻挡层104被完全去除，而凹进区域侧壁上的阻挡层没有被刻蚀破坏，如图1(c)所示。

由于CMP方法存在的缺点，一种干法刻蚀的方法被用来去除阻挡层104和硬掩膜层103。在使用CMP去除铜105后，采用XeF2气相刻蚀，在高温低压的环境下去除阻挡层104和硬掩膜层103。阻挡层104的材料为钽、氮化钽、钛或氮化钛，硬掩膜层103的材料为氮化钛。使用XeF2气相刻蚀对铜105和介质层102没有损害，但XeF2气相刻蚀很容易造成阻挡层104的刻蚀不足或过刻蚀。如图2所示为阻挡层104刻蚀不足的情形，从图2可以看出非凹进区域上的阻挡层104并没有完全去除，一部分阻挡层104残留在非凹进区域上。如图3所示为阻挡层104过刻蚀的情形，从图3可以看出尽管非凹进区域上的阻挡层104被完全去除，但是沉积在沟槽106侧壁上的一部分阻挡层104也被去除。沟槽106内的阻挡层104的上表面低于沟槽106内的铜层105的上表面。无论是阻挡层104刻蚀不足或是过刻蚀都将降低半导体器件的品质。

技术实现要素：

相应地，本发明提出一种形成金属互连结构的方法，避免了沉积在凹进区域侧壁上的阻挡层被过刻蚀。

根据本发明一示范性实施例揭示的一种形成金属互连结构的方法包括以下步骤：在硬掩膜层和介质层上形成凹进区域；在硬掩膜层上、凹进区域的侧壁以及凹进区域的底部沉积阻挡层；在阻挡层上沉积金属，并使凹进区域填满金属；采用电抛光工艺去除沉积在非凹进区域上的金属，且凹进区域内的金属被过抛光以形成凹陷，在电抛光过程中，阻挡层上形成氧化膜，凹进区域侧壁上的阻挡层上的氧化膜的厚度大于硬掩膜层上的阻挡层上的氧化膜的厚度；去除形成在硬掩膜层上的阻挡层上的氧化膜，并留下一定厚度的形成在凹进区域侧壁上的阻挡层上的氧化膜；通过刻蚀去除阻挡层和硬掩膜层，该刻蚀对氧化膜具有高选择比，留下来的氧化膜阻止凹进区域侧壁上的阻挡层被过刻蚀。

综上所述，当采用电抛光工艺去除金属并使金属过抛光时，由于阳极氧化效应，在阻挡层上形成氧化膜而使暴露的阻挡层钝化。介质层位于阻挡层和硬掩膜层之下，因此，电荷均匀分布在导电层(即阻挡层和硬掩膜层)，并聚集在介质层表面。基于非导电材料表面电位均衡理论，分布在非导电材料表面的电荷与曲率半径成反比，因此，聚集在阻挡层肩部的电荷比平坦处的多，以至于阻挡层肩部的氧化膜要比其他区域的氧化膜厚，这就是凹进区域侧壁上的阻挡层上的氧化膜要比硬掩膜层上的阻挡层上的氧化膜厚的原因。硬掩膜层上的阻挡层上的氧化膜被去除后，凹进区域侧壁上的阻挡层上留下的氧化膜在阻挡层上形成连续的薄膜以防止凹进区域侧壁上的阻挡层在去除阻挡层和硬掩膜层时被过刻蚀，有利于提高半导体器件的品质。

附图说明

本领域的技术人员通过阅读具体实施例的描述，并参考附图，能够清楚的理解本发明的内容，其中附图包括：

图1(a)至图1(c)是现有形成金属互连结构过程的截面图；

图2是阻挡层刻蚀不足的截面图；

图3是阻挡层过刻蚀的截面图；

图4(a)至图4(d)是本发明的形成金属互连结构的截面图；

图5是本发明的形成金属互连结构的方法的流程图；

图6是电抛光工艺后氧元素所含重量百分比的测量结果；

图7是POST-TFE样本的STEM截面图，示意了良好的阻挡层去除结果；以及

图8是POST-TFE样本的FIB/SEM截面图，示意了阻挡层的过刻蚀。

具体实施方式

参考图4(a)至图4(d)以及图5所示，揭示了根据本发明一示范性实施例的形成金属互连结构的方法，该方法包括下述步骤，这些步骤将在下文中进行详细描述。

步骤301，在硬掩膜层和介质层上形成凹进区域。如图4(a)所示，提供衬底201，如晶圆。在衬底201上沉积介质层202，介质层202的材料可以是SiO₂、SiOC、SiOF、SiLK、BD、BDII、BDIII等。优选的，介质层202选择低k介质以减小半导体器件中互连结构间的电容。根据不同的结构需求，介质层202可以由两层或两层以上组成。如果介质层202由两层组成，上层的介电常数要高于下层的介电常数。在介质层202上沉积硬掩膜层203，硬掩膜层203的材料可以是氮化钽或氮化钛。使用现有技术在硬掩膜层203和介质层202上形成凹进区域，如槽、孔等，图中举例说明了凹进区域207。

步骤302，在硬掩膜层203上、凹进区域207的侧壁以及凹进区域207的底部沉积阻挡层204。仍然参考图4(a)所示，可以采用任何适当的方法在硬掩膜层203、凹进区域207的侧壁和底部上沉积阻挡层204，例如化学气相沉积(VCD)、物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)等。阻挡层204可以由导电材料构成，如钽、氮化钽、钛、氮化钛、钌、钴等。

步骤303，在阻挡层204上沉积金属205，并使凹进区域207填满金属205。如图4(a)所示，使用任何适当的方法在阻挡层204上沉积金属205并使金属205填满凹进区域207，例如PVD、CVD、ALD、电镀等。此外，在某些应用中，例如，采用电镀工艺沉积金属205，在沉积金属205之前，先在阻挡层204上沉积金属种子层。为了使金属205更容易的沉积在阻挡层204上，金属种子层可以包含和金属205相同的材料。金属205填满凹进区域并覆盖了非凹进区域，如图4(a)所示。金属205优选铜。

步骤304，采用电抛光工艺去除沉积在非凹进区域上的金属205，凹进区域207内的金属205过抛光形成凹陷。在电抛光工艺过程中，阻挡层204上形成氧化膜206，凹进区域侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度大于硬掩膜层203上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度。如图4(b)所示，当采用电抛光工艺去除并过抛光金属205时，由于阳极氧化效应，在阻挡层204上形成氧化膜206而使暴露的阻挡层204钝化。介质层202位于阻挡层204和硬掩膜层203之下，因此，电荷均匀的分布在导电层(包括阻挡层204和硬掩膜层203)，电荷将聚集在介质层202的表面。基于非导电材料表面电位均衡理论，非导电材料表面的电荷分布与曲率半径成反比，所以聚集在阻挡层肩部的电荷比平坦处的多，以至于阻挡层204肩部的氧化膜206的厚度比其他区域的氧化膜的厚度要厚，这就是凹进区域侧壁(对应肩部)上的阻挡层204上的氧化膜206要比硬掩膜层203(对应平坦处)上的阻挡层204上的氧化膜206厚的原因。如图6所示，实验表明，凹进区域侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度要大于硬掩膜层203上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度。当采用电抛光工艺将非凹进区域上的金属205去除，且将凹进区域内的金属205过抛光后，切下衬底201的一部分作为样品，然后，使用型号为HELIOS 660的电子显微镜和型号为X-Max^N SDD的能谱仪来线扫描样本的表面。电子束的能量为3kv，扫描长度大约为2μm，扫描点数为400点。阻挡层204的扫描长度为1μm，阻挡层204两侧的金属结构的扫描长度为1μm。从测量结果可以看出，靠近金属结构的阻挡层204中的氧元素的重量百分比高于其他区域，从而证明了凹进区域侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206厚度要大于硬掩膜层203上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度。

在步骤304中，为了在阻挡层204的肩部形成氧化膜206，填充在凹进区域内的金属205被过抛光形成凹陷，如图4(b)所示。阻挡层204上形成的氧化膜206的厚度与填充在凹进区域内的金属205过抛光的量成正比，金属205过抛光的量等于或大于阻挡层204和硬掩膜层203的厚度。在一个具体实施方式中，金属205过抛光的量为300-500埃。

步骤305，去除形成在硬掩膜层203上的阻挡层204上的氧化膜206，并留下一定厚度的形成在凹进区域侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206，如图4(c)所示。阻挡层204上的氧化膜206用湿法刻蚀去除，如BHF溶液。阻挡层204上的氧化膜206也可以用干法刻蚀去除，如HF蒸汽或HF蒸汽与乙醇、甲醇或异丙醇的混合物。留下来的形成在凹进区域207侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206在阻挡层204上形成连续的薄膜，且留下来的氧化膜206的厚度大于5埃。如果凹进区域207侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206被刻蚀且不能在阻挡层204上形成连续的薄膜，夹在金属205和介质层202之间的阻挡层204将被过刻蚀，如图8所示，图8是POST-TFE样本的FIB/SEM截面图，示意了阻挡层过刻蚀。

步骤306，刻蚀去除阻挡层204和硬掩膜层203，该刻蚀对氧化膜206具有高选择比，留下来的氧化膜206阻止凹进区域侧壁上的阻挡层204被过刻蚀，如图4(d)所示。高选择比意味着刻蚀阻挡层204和硬掩膜层203的速率远高于刻蚀氧化膜206的速率。采用气相刻蚀去除阻挡层204和硬掩膜层203，刻蚀气体可以是XeF2、XeF4、XeF6、KrF2、BrF3等。以XeF2为例，XeF2气体在一定的温度和压强下与阻挡层钽或氮化钽自发地发生化学反应。XeF2各向同性的选择性刻蚀钽或氮化钽。XeF2气体对铜和电介质材料都具有良好的选择比。在刻蚀过程中，XeF2气体的压强在0.1-100托之间，优选为0.5-20托。XeF2对氧化膜206具有高选择比，因此在刻蚀阻挡层204和硬掩膜层203的过程中，氧化膜206能阻止凹进区域侧壁上的阻挡层204被过刻蚀。如图7所示，图7是POST-TFE样本的STEM截面图，示意了良好的阻挡层去除结果，即非凹进区域上的阻挡层204完全去除，而夹在金属205和介质层202之间的阻挡层204没有被刻蚀和损坏。当非凹进区域上的阻挡层204和硬掩膜层203完全去除后，相邻的金属互连结构被介质层202隔开。

综上所述，当采用电抛光工艺去除金属205且过刻蚀金属205时，在阻挡层204上形成氧化膜206而使暴露的阻挡层204钝化，形成在凹进区域侧壁上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度大于形成在硬掩膜层203上的阻挡层204上的氧化膜206的厚度。形成在硬掩膜层203上的阻挡层204上的氧化膜206被去除后，凹进区域侧壁上的阻挡层204上留下来的氧化膜206在阻挡层204的表面形成连续的薄膜来防止凹进区域侧壁上的阻挡层204在去除阻挡层204和硬掩膜层203时过刻蚀，提高了半导体器件的品质。

本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。