去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法。

背景技术：

根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管的数量每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。日益减小的导线宽度和间距与日益提升的晶体管的密度，使铜和低k介质材料逐渐成为互连结构的主流技术。然而，铜和低k介质材料的集成在实际应用中还存在很多技术问题有待解决，如阻挡层的去除问题。众所周知，在互连结构中，阻挡层用来防止铜扩散到低k介质材料中。互连结构非凹进区域上的铜被去除后，互连结构非凹进区域上的阻挡层也需要被去除。

目前，传统的去除阻挡层的方法为cmp(化学机械抛光)。然而由于cmp涉及相对强的机械力，对互连结构的底层结构会产生损伤。尤其是，当介质材料的k值逐渐减小，机械力可能会对介质材料造成永久损伤，cmp可能会在介质材料上产生划痕。

为了克服cmp的缺点，使用更先进的技术即热气相蚀刻技术来去除阻挡层。热气相蚀刻技术使用化学气体在特定的温度和压强下与阻挡层反应，更多关于热气相蚀刻技术的细节可以参考专利申请号pct/cn2008/072059。由于在整个蚀刻过程中不会产生任何机械应力，所以不会对低k介质材料造成损伤。但是随着线宽的持续减小，使用新的阻挡层材料，例如钴、钌来代替常见的阻挡层材料，例如钽、氮化钽、钛、氮化钛，且阻挡层的厚度变得越来越薄，这两点增加了热气相蚀刻的难度。在热气相蚀刻的过程中，如果终点控制不精确，除了非凹进区域上的阻挡层被去除以外，凹进区域侧壁上的阻挡层也会被蚀刻。一旦凹进区域侧壁上的阻挡层被过蚀刻，凹进区域的铜就会扩散到低k介质材料中。

参考图1a和图1b，图1a和图1b是剖视图，示意了通入纯的二氟化氙气体来热气相蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层。在一种具体实施方式中，互连结构包括衬底101、位于衬底101上的绝缘层102、位于绝缘层102上的第一介质层103、位于第一介质层103上的第二介质层104、位于第二介质层104上的硬掩膜层105、形成在硬掩膜层105、第二介质层104、第一介质层103和绝缘层102上的凹进区域108、位于硬掩膜层105上和凹进区域108侧壁和底部的阻挡层106以及位于阻挡层106上和填满凹进区域108的金属层107。在该具体实施方式中，非凹进区域上的金属层107已经被去除，凹进区域108内金属层107的顶面最好和第二介质层104的顶面齐平。接着，使用热气相蚀刻法去除非凹进区域上的阻挡层106，热气相蚀刻法使用纯的二氟化氙气体去除阻挡层。如图1a所示，纯的二氟化氙气体被通入互连结构所在的蚀刻腔内。在一定的温度和压强下，二氟化氙气体被吸附在互连结构的表面，然后二氟化氙分解成氟原子，氟原子与阻挡层反应，产生气相的副产物，将副产物排出蚀刻腔。在热气相蚀刻的开始阶段，由于互连结构非凹进区域上的阻挡层的量很大，二氟化氙气体分子主要集中在非凹进区域上，所以非凹进区域上的阻挡层很容易去除。此外，硬掩膜层105主要选用氮化钛和氮化钽等可以被二氟化氙热气相蚀刻去除的材料。因此，在非凹进区域上的阻挡层被去除后，接着去除硬掩膜层105。当二氟化氙热气相蚀刻硬掩膜层105时，如果终点控制的不精确，凹进区域108侧壁上的阻挡层106会被过蚀刻。如图1b所示，硬掩膜层105完全去除后，二氟化氙气体分子主要集中在凹进区域108的侧壁，导致凹进区域108侧壁上的阻挡层106被过蚀刻。侧壁凹陷109形成在金属层107与第二介质层104和第一介质层103之间。

技术实现要素：

本发明提供了一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法。该方法包括如下步骤：向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气，在该蚀刻腔内进行热气相蚀刻工艺以蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层；检测热气相蚀刻工艺的终点，如果热气相蚀刻工艺到达终点，则执行下一步骤，反之，如果热气相蚀刻工艺没有到达终点，则返回到上一步骤；停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气。

综上所述，本发明通过向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气以进行热气相蚀刻工艺来蚀刻非凹进区域上的阻挡层，能够改善甚至克服侧壁凹陷的问题。

附图说明

为使本领域的技术人员对本发明更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，其中：

图1a和图1b是通入纯的二氟化氙气体来热气相蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层的截面图；

图2a和图2b是通入二氟化氙气体和载气来蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层的截面图；

图3a是通入纯的二氟化氙气体将非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层蚀刻后的俯视图；图3b是通入纯的二氟化氙气体将非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层蚀刻后的截面图；图3c是图3a中a区域的edx图；

图4a是通入二氟化氙气体和载气将非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层蚀刻后的俯视图；图4b是通入二氟化氙气体和载气将非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层蚀刻后的截面图；图4c是图4a中b区域的edx图；

图5是一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法的流程图；

图6是另一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法的流程图。

具体实施方式

为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供了一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法。该方法包括：向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气以热气相蚀刻放置在该蚀刻腔内的互连结构的非凹进区域上的阻挡层。

如图2a和图2b所示，图2a和图2b是通入二氟化氙气体和载气来蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层的截面图。在一示范性具体实施方式中，互连结构包括衬底201、形成在衬底201上的绝缘层202、形成在绝缘层202上的第一介质层203、形成在第一介质层203上的第二介质层204、形成在第二介质层204上的硬掩膜层205、形成在硬掩膜层205、第二介质层204、第一介质层203和绝缘层202上的凹进区域208、形成在硬掩膜层205上和凹进区域208侧壁和底部的阻挡层206以及形成在阻挡层206上和填满凹进区域208的金属层207。绝缘层202可以是sicn，第一介质层203可以是低k介质层，第二介质层204可以是teos，硬掩膜层205可以是tin、tan、w或wn，阻挡层206可以是ta、tan、ti、tin、ru、co、w、wn、hf，金属层207可以是铜。在该具体实施方式中，形成在非凹进区域上的金属层207已经被去除，且凹进区域208内的金属层207的顶面最好与第二介质层204的顶面齐平。随后，去除互连结构的非凹进区域上的阻挡层206。由于硬掩膜层205的材料可以通过热气相蚀刻去除，在实际应用中，非凹进区域上的阻挡层206去除以后，紧接着在蚀刻腔中去除硬掩膜层205。

为了去除非凹进区域上的阻挡层206，向互连结构所在的蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气。以二氟化氙和氮气为例，在热气相蚀刻过程中，当二氟化氙通入蚀刻腔内的同时，一定量的氮气也被通入到蚀刻腔内，蚀刻腔内的压强增加。实验数据表明，当氮气的流量是二氟化氙流量的9倍时，与纯的二氟化氙气体相比，蚀刻率将会降低大约18％。蚀刻率的降低可能是由于氮气分子和二氟化氙分子之间的气体分子碰撞引起。当去除非凹进区域上的阻挡层206时，气体分子碰撞防止凹进区域208侧壁上的阻挡层206过刻，同时，蚀刻腔内的压强增加。蚀刻腔内的压强越高，气体分子碰撞使蚀刻气体的平均自由程变得越短，因此，二氟化氙气体很难进入到凹进区域208的侧壁，从而避免了凹进区域208侧壁上的阻挡层206过刻。

卤素-贵族元素化合物气体可以是以下任意一种：xef2、xef4、xef6、krf2，也可以是xef2、xef4、xef6或krf2任意组合起来的混合物。载气可以从惰性气体中选择，如xe、kr、ar、ne、he中的任意一种，也可以是xe、kr、ar、ne或he任意组合起来的混合物。其中，xe是最有效的一个，因为xe的分子量最大，能够提供强大的推力阻止卤素-贵族元素化合物气体进入到凹进区域208的侧壁。在另一种具体实施方式中，载气可以是n2。

综上所述，载气的分子量最好大于卤素-贵族元素化合物气体的分子量，且载气不与阻挡层206反应。载气的分子量越大，阻挡层过刻的控制效果越好。目前，尽管惰性气体的分子量比卤素-贵族元素化合物气体的分子量小，xe或kr仍然是很好的选择。一方面，xe或kr的分子量较大，接近卤素-贵族元素化合物气体的分子量，能够提供强大的推力阻止卤素-贵族元素化合物气体进入到凹进区域208的侧壁。另一方面，xe或kr作为一种反应产物可以抑制阻挡层和卤素-贵族元素化合物气体之间的反应。尽管阻挡层的蚀刻率有所降低，但解决了凹进区域侧壁上阻挡层过刻的问题。

下面两组实验展示了本发明的良好的比较结果。在这两个实验中，硬掩膜层通过热气相蚀刻去除。

实验1

将一个样品放置在蚀刻腔内，向蚀刻腔内通入纯的二氟化氙气体(即没有载气)。纯的二氟化氙气体的流量为6sccm，蚀刻腔内的压强为0.8torr，蚀刻时间为80s，材料为钽的阻挡层的蚀刻率为图3a是热气相蚀刻后的俯视图，图3b是热气相蚀刻后的截面图，图3c是图3a中a区域的edx图。从图3c中可以清楚地看到，硬掩膜层仍然有一些残留，因为检测到硬掩膜层成分中的ti元素。从图3b中可以看到，凹进区域侧壁上的阻挡层已经过刻，可以想象，如果全部的硬掩膜层完全被去除，凹进区域侧壁的阻挡层将会被蚀刻更多。

实验2

将另一个样品放置在蚀刻腔内，向蚀刻腔内通入二氟化氙气体和氮气。二氟化氙气体的流量为6sccm，氮气的流量为54sccm，蚀刻腔内的压强为4torr，蚀刻时间为97s，材料为钽的阻挡层的蚀刻率为为了确保阻挡层的蚀刻量和实验1相同，实验2的蚀刻时间比实验1的蚀刻时间长。图4a是热气相蚀刻后的俯视图，图4b是热气相蚀刻后的截面图，图4c是图4a中b区域的edx图。从图4c中可以看出，硬掩膜层无残留，因为没有检测到硬掩膜层材料的元素，非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层被完全去除。从图4b中可以看出，凹进区域侧壁上的阻挡层被保护的很好，凹进区域侧壁上极少的阻挡层被蚀刻形成侧壁凹陷。侧壁凹陷很小，并且可以通过下一个工艺步骤填满，例如覆盖层(钴)沉积步骤。

比较实验1和实验2的结果可知，在通入卤素-贵族元素化合物气体来热气相蚀刻非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层的同时通入载气，可以改善甚至解决凹进区域侧壁上的阻挡层过刻的问题。尽管蚀刻率有所降低，但侧壁凹陷的问题得到了很好的解决。

通过实验还可以发现，热气相蚀刻的蚀刻率与卤素-贵族元素化合物气体的分压成正比，卤素-贵族元素化合物气体占蚀刻腔内总气体量的比例定义为卤素-贵族元素化合物气体的分压。例如，同时向蚀刻腔内通入两种被称为a和b的气体，蚀刻腔内的压强为c，气体a的流量为a，气体b的流量为b，气体a的分压为c*a/(a+b)。

在本发明中，热气相蚀刻的终点控制也很重要。此外，由于硬掩膜层205需要去除，且硬掩膜层205的材料通常选用tin，非凹进区域上的阻挡层206和硬掩膜层205可以在蚀刻腔内通过热气相蚀刻去除。在热气相蚀刻过程中，连续不断的进行终点检测，直到硬掩膜层205被完全去除。

本发明提供了两种检测热气相蚀刻工艺终点的方法。一种方法是使用椭圆偏振计来检测硬掩膜层205和第二介质层204的折射率。以tin和teos为例，tin和teos的折射率不同，tin的折射率为1.8，teos的折射率为1.5。当椭圆偏振计检测出的折射率从1.8变为1.5，意味着热气相蚀刻工艺到达终点，停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气。

另一种方法是使用椭圆偏振计实时检测非凹进区域上的阻挡层206和硬掩膜层205的厚度。当硬掩膜层205的厚度降至意味着热气相蚀刻工艺到达终点，停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气。

如图5所示，一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法，包括以下步骤：

步骤501：向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气，在蚀刻腔内进行热气相蚀刻工艺以蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层；

步骤502：检测热气相蚀刻工艺的终点，如果热气相蚀刻工艺到达终点，执行步骤503，如果热气相蚀刻工艺没有到达终点，返回到步骤501；

步骤503：停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气。

载气和卤素-贵族元素化合物气体的流量比为1:1至50:1。

卤素-贵族元素化合物气体的分压为0.01-5torr。

卤素-贵族元素化合物气体可以是以下任意一种：xef2、xef4、xef6、krf2，也可以是xef2、xef4、xef6或krf2任意组合的混合物。

载气可以从惰性气体中选择，如xe、kr、ar、ne、he中的任意一种，也可以是xe、kr、ar、ne或he任意组合的混合物。另一具体实施方式中，载气是氮气。

阻挡层的材料是ta、tan、ti、tin、ru、co、w、wn或hf。

在一种具体实施方式中，互连结构包括硬掩膜层和至少一层介质层，硬掩膜层通过热气相蚀刻工艺去除，检测热气相蚀刻工艺终点的步骤进一步包括：使用椭圆偏振计检测硬掩膜层和介质层的折射率，并根据椭圆偏振计检测出的折射率来确定热气相蚀刻工艺是否到达终点。

在另一种具体实施方式中，互连结构包括硬掩膜层，硬掩膜层通过热气相蚀刻工艺去除，检测热气相蚀刻工艺终点的步骤进一步包括：使用椭圆偏振计实时检测非凹进区域上的阻挡层和硬掩膜层的厚度，根据椭圆偏振计检测出的硬掩膜层的厚度来确定热气相蚀刻工艺是否到达终点。

互连结构位于衬底上，衬底的温度控制在20-500℃。

蚀刻腔内的压强为0.01-50torr。

载气的分子量大于卤素-贵族元素化合物气体的分子量。

在一种具体实施方式中，停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体后，仍然向蚀刻腔内通入一段时间的载气，然后再停止向蚀刻腔内通入载气。在一种具体实施方式中，热气相蚀刻工艺完成后，停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体，仍然向蚀刻腔内通入一段时间的载气，以净化蚀刻腔并带走互连结构表面的副产物。

如图6所示，另一种去除阻挡层使侧壁凹陷最小化的方法，包括以下步骤：

步骤601：向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体，在蚀刻腔内进行热气相蚀刻工艺以蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层；

步骤602：向蚀刻腔内通入载气，同时持续向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体，继续在蚀刻腔内进行热气相蚀刻工艺来蚀刻互连结构的非凹进区域上的阻挡层；

步骤603：检测热气相蚀刻工艺的终点，如果热气相蚀刻工艺到达终点，执行步骤604，如果热气相蚀刻工艺没有到达终点，返回到步骤602；

步骤604：停止向蚀刻腔内通入卤素-贵族元素化合物气体和载气。

当热气相蚀刻工艺接近终点时，增大载气的流量。

在一种具体实施方式中，在向蚀刻腔内通入载气之前，向蚀刻腔内通入一段时间的卤素-贵族元素化合物气体，以提高蚀刻效率。

惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，本领域技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如后述的权利要求书所列。