一种在后道互连中刻蚀埋层的方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，更具体地，涉及一种在后道铜互连中实现埋层刻蚀的方法。

背景技术：

随着集成电路工艺的不断发展和进步，半导体制程关键尺寸的不断缩小，芯片上互连线的截面积和线间距离持续下降。在0.13um制程以上，半导体通常采用铝作为后道连线的金属材料。而进入到90nm及其以下制程时，随着互连线层数和长度的迅速增加以及互连宽度的减小，铝连线的电阻增加，导致互连时间延迟，信号衰减及串扰增加，同时电迁移和应力效应加剧，严重影响了电路的可靠性。而金属铜具有更小的电阻率和电迁移率，因此，铜成为深亚微米时代的后道金属的首选金属材料。

传统的集成电路的金属连线是以金属层的刻蚀方式来制作金属导线的，然后进行介电层的填充、介电层的化学机械抛光，重复上述工序，进而成功进行多层金属叠加。但是由于铜的干法刻蚀较为困难，刻蚀的残留物无法抽吸，所以必须采用新的镶嵌技术大马士革工艺完成铜线互连。大马士革工艺是首先在介电层上刻蚀金属导线槽，然后填充金属，再对金属进行机械抛光，重复上述工序，进而进行多层金属叠加。其中在填充金属之前，会淀积一层埋层金属Ta/TaN，作为金属铜与介质之间的粘合剂并有利于淀积铜的籽晶层。然而，采用PVD方式淀积的这层埋层不仅会淀积在金属导线槽或者通孔的侧壁，也会淀积在介质的上表面上。淀积在介质的上表面上的埋层需要在后续的工艺中被完全刻蚀干净。

请参阅图1，图1为现有技术的一种在后道互连中刻蚀埋层的方法流程图。结合参阅图2-图4，图2-图4为现有技术的依据图1所示的方法在后道互连中刻蚀埋层的结构示意图。如图1所示，在后道互连中刻蚀埋层的方法，主要包括以下步骤：

步骤S1：提供一衬底，如图2所示，所述衬底由下到上依次包括衬底基体(图中未画出)、低k介质层01，低k介质钝化层02，埋层金属层03，金属铜04；其中，所述低k介质层01和低k介质钝化层02中含有通孔或沟槽，所述埋层金属层03覆盖在所述低k介质钝化层02上及所述通孔或沟槽的侧壁和底部，覆盖有埋层金属层03的通孔或沟槽中填充有金属铜04；

步骤S2：采用CMP(化学机械抛光)工艺对金属铜04进行粗拋；

步骤S3：采用SFP(无应力抛光)工艺对剩余金属铜04进行细抛，停留在埋层金属03表面；

步骤S4：采用BHF药剂湿法刻蚀去除埋层金属03表面被SFP工艺氧化的氧化物，BHF湿法刻蚀后的结构如图3所示；

步骤S5:采用XeF₂干法刻蚀工艺各向同性刻蚀去除低k介质钝化层02表面上的埋层金属03，XeF₂干法刻蚀后的结构如图4所示。

在上述步骤S5中，由于XeF₂气体刻蚀是一种各向同性刻蚀，在通孔或者沟槽的顶部边角上的埋层金属由于受到的刻蚀较介质表面上的更为充分、速率更快，因此通孔或者沟槽的顶部边角的埋层金属优先被刻蚀掉。当XeF₂刻蚀不足时，即仅能够将沟槽或通孔的边角的埋层金属刻蚀干净，则容易在介质表面形成埋层金属的残留，如图5所示；但是，当确保介质表面埋层金属刻蚀足够时，沟槽或通孔侧壁顶部的埋层金属又会被过刻蚀而形成空洞06，如图6所示。上述两种情况，都会导致器件失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种在后道互连中刻蚀埋层的方法，通过在通孔或沟槽的埋层顶部形成氧化膜掩膜，避免金属铜与介质间的空洞的形成。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种在后道互连中刻蚀埋层的方法，包括以下步骤：

步骤S01：形成后道互连膜层结构，所述后道互连膜层结构由下到上依次包括低k介质层，低k介质钝化层，埋层金属层；其中，所述后道互连膜层结构中包含位于所述低k介质层和低k介质钝化层的通孔或沟槽，所述埋层金属层覆盖在所述低k介质钝化层上表面及所述通孔或沟槽的侧壁和底部，覆盖有所述埋层金属层的通孔或沟槽中填充有金属铜；

步骤S02：刻蚀去除部分埋层金属，使得通孔或沟槽顶部的高出所述金属铜上表面的埋层金属被刻蚀干净；

步骤S03：在所述低k介质钝化层上的所述埋层金属层上及填充有所述金属铜的通孔或沟槽的顶部和侧壁淀积一掩膜层；

步骤S04：刻蚀去除所述低k介质钝化层上和所述金属铜上的掩膜层，保留通孔或沟槽内的金属埋层的顶部的掩膜；

步骤S05：刻蚀去除所述低k介质钝化层表面剩余的埋层金属；

步骤S06：去除通孔或沟槽内的金属埋层的顶部的掩膜。

优选地，所述步骤S03中，所述掩膜层为二氧化硅膜层或BD或BDⅡ。

优选地，采用CVD工艺淀积所述掩膜层。

优选地，所述CVD工艺的反应气体包括SiH₄和N₂O，SiH₄气体流量为300sccm～500sccm，N₂O气体流量是SiH₄气体流量的20倍，压力为1Torr～3Torr，温度为300℃～500℃。

优选地，所述掩膜层的厚度大于所述埋层金属层的初始厚度，所述掩膜层的厚度为200埃～600埃。

优选地，所述步骤S04中，各向异性刻蚀所述掩膜层。

优选地，采用干法等离子体刻蚀工艺各向异性刻蚀所述掩膜层。

优选地，所述步骤S04中，所述干法等离子体刻蚀工艺的反应气体包括C₄F₈、O₂和Ar，C₄F₈气体流量为40sccm～60sccm，Ar气体流量为600sccm～800sccm，O₂气体流量为20sccm～40sccm，压力为50Torr～70mTorr，高频功率为700W～900W,低频功率为1000W～1300W。

优选地，所述步骤S06中，采用湿法刻蚀去除所述掩膜。

优选地，所述步骤S06中，湿法刻蚀的溶剂为DHF溶剂，其中，HF与H₂O体积比为1:100～1:500；刻蚀温度为20℃～25℃，刻蚀时间为1min～5min；或者湿法刻蚀的溶剂为BHF溶剂，其中HF与NH₄F与H₂O体积比为1:5:50～1:20:100；刻蚀温度为20℃～25℃，刻蚀时间为1min～5min。

优选地，所述步骤S02中，采用XeF₂干法刻蚀工艺各向同性刻蚀去除部分埋层金属，刻蚀温度为80℃～130℃；XeF₂气体流量为6sccm～20sccm；XeF₂气体压力为0.5Torr～4Torr；刻蚀时间为30s～300s；刻蚀厚度为埋层金属层厚度的2/3。

优选地，所述步骤S01中，所述低k介质层的材料为BD或者BDII；所述低k介质钝化层的材料为SiCN或者SiON或者SiO₂；所述埋层金属层的材料为Ti/TiN或者Ta/TaN。

优选地，所述步骤S01中，采用PVD工艺成长所述埋层金属层。

优选地，所述Ti/TiN埋层金属层由Ti和TiN两种薄膜组成，先成长一层Ti薄膜，再成长一层TiN薄膜，TiN薄膜的厚度大于Ti薄膜，TiN薄膜和Ti薄膜的总厚度为100埃～800埃；或者Ta/TaN埋层金属层由Ta和TaN两种薄膜组成，先成长一层TaN薄膜，再成长一层Ta薄膜，Ta薄膜的厚度大于TaN薄膜，TaN薄膜和Ta薄膜的总厚度为100埃～500埃。

优选地，所述步骤S05中，采用XeF₂干法刻蚀工艺各向同性刻蚀去除低k介质钝化层表面的埋层金属；刻蚀温度为80℃～130℃；XeF₂气体流量为6sccm～20sccm；XeF₂气体压力为0.5Torr～4Torr；刻蚀时间为30s～300s；刻蚀厚度为埋层金属层初始厚度的1/2。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在埋层金属刻蚀过程中引入氧化膜掩膜阻止了刻蚀气体对通孔或沟槽内的位于金属铜与低k介质层之间的埋层金属的进一步刻蚀，从而确保低k介质钝化层表面的埋层金属既能被刻蚀干净，又能够避免金属铜与介质间的空洞的形成。因此，本发明具有显著特点。

附图说明

图1是现有技术的一种在后道互连中刻蚀埋层的方法流程图；

图2-图4是现有技术的依据图1所示的方法在后道互连中刻蚀埋层的结构示意图；

图5是现有技术中由于XeF₂刻蚀不足形成的介质表面埋层金属残留的照片示意图；

图6是现有技术中沟槽或通孔侧壁顶部的埋层金属被过刻蚀而形成空洞的照片示意图；

图7是本发明的一种在后道互连中刻蚀埋层的方法流程图；

图8-图13是本发明的依据图7的方法在后道互连中刻蚀埋层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图7，图7是本发明的一种在后道互连中刻蚀埋层的方法流程图。同时，结合图8-图13，图8-图13是本发明的依据图7的方法在后道互连中刻蚀埋层金属层的结构示意图。如图7所示，一种在后道互连中刻蚀埋层的方法，包括以下步骤：

步骤S01：形成后道互连膜层结构，所述后道互连膜层结构由下到上依次包括低k介质层11，低k介质钝化层12，埋层金属层13；其中，所述后道互连膜层结构中包含位于所述低k介质层11和低k介质钝化层12的通孔或沟槽，所述埋层金属层13覆盖在所述低k介质钝化层12上表面及所述通孔或沟槽的侧壁和底部，覆盖有所述埋层金属层的通孔或沟槽中填充有金属铜14。

在该步骤中，如图8所示，采用现有技术在经过前道工艺的半导体衬底上由下到上依次形成低k介质层11和低k介质钝化层12。低k介质层11的作用为实现各电路层的隔绝，为了降低能耗，低k介质层11的材料优选为BD或者BDII，其中，BDII为BD的优化版。低k介质钝化层12作为刻蚀停止层，可以为SiCN(NDC)或者SiON或者SiO₂。然后，通过图案化刻蚀形成位于低k介质层11和低k介质钝化层12中的通孔或沟槽，用于在其中填充金属铜进行导线互联形成器件的电路。本发明中导线的材质选为铜，能够通过CVD(化学气相沉积)、溅射、化学镀、电镀等方法在形成的通孔或沟槽内淀积金属铜14。为了保证金属铜14与介质之间粘合度好，并有利于金属铜的淀积生长，在形成的通孔或沟槽中填充金属铜之前，需在通孔或沟槽的侧壁和底部形成一层埋层金属层13。但是，埋层金属层13不仅淀积在通孔或沟槽的侧壁和底部，也会淀积在低k介质钝化层12的上表面，淀积在低k介质钝化层的上表面的埋层金属需要在后续的工艺中被完全刻蚀干净，同时保证金属铜与通孔或沟槽之间的埋层金属不能被过刻蚀形成空洞，以免影响器件的性能。

本实施例中，采用PVD工艺淀积生长一层埋层金属层13。埋层金属层13可以由Ti和TiN两种薄膜组成，先淀积生长一层Ti薄膜，再淀积成长一层TiN薄膜，TiN薄膜的厚度大于Ti薄膜，TiN薄膜和Ti薄膜的总厚度为100埃～800埃。其中，Ti薄膜易于与介质层粘结，TiN薄膜易于金属铜的淀积生长，通常用于90nm以上制程的埋层金属的制作。埋层金属层13也可以由Ta和TaN两种薄膜组成，先成长一层TaN薄膜，再成长一层Ta薄膜，Ta薄膜的厚度大于TaN薄膜，TaN薄膜和Ta薄膜总厚度为100埃～500埃。其中，TaN薄膜易于与介质层粘结，Ta薄膜易于金属铜的淀积生长，通常用于90nm以下制程的埋层金属的制作。

步骤S02：刻蚀去除部分埋层金属13，使得通孔或沟槽顶部的高出所述金属铜上表面的埋层金属被刻蚀干净。

在该步骤中，如图9所示，采用XeF₂干法刻蚀工艺各向同性刻蚀去除部分埋层金属，因为通孔或沟槽的顶部边角上的埋层金属受到的刻蚀较低k介质钝化层12上的埋层金属受到的刻蚀更为充分、刻蚀速率更快，因此，通孔或沟槽的顶部边角的埋层金属优先被刻蚀掉，当通孔或沟槽顶部的高出金属铜上表面的埋层金属被刻蚀干净时，本步骤停止，则位于低k介质钝化层12表面仍然留有部分埋层金属层未被刻蚀干净。

优选地，采用的XeF₂干法刻蚀工艺的刻蚀温度为80～130℃；XeF₂气体流量为6～20sccm；XeF₂气体压力为0.5～4Torr；刻蚀时间为30～300s；埋层金属层在该步骤中被刻蚀的厚度约为埋层金属层初始厚度的2/3。

步骤S03：在所述低k介质钝化层上的所述埋层金属层上及填充有所述金属铜的通孔或沟槽的顶部和侧壁淀积一掩膜层15。

在该步骤中，如图10所示，在步骤S02得到的结构的上表面，即在低k介质钝化层12上的埋层金属层13上及填充有金属铜14的通孔或沟槽的顶部和侧壁淀积一掩膜层15，目的为保护通孔或沟槽内金属铜14与低k介质层11间的埋层金属层13不被刻蚀，以避免产生空洞，影响器件的性能。

优选地，采用CVD工艺淀积所述掩膜层15，CVD工艺的反应气体包括SiH₄和N₂O，SiH₄气体流量为300sccm～500sccm，N₂O气体流量是SiH₄气体流量的20倍，压力为1Torr～3Torr，温度为300℃～500℃。所述掩膜层15的厚度大于埋层金属层13的初始厚度，使掩膜层15足够厚以保护通孔或沟槽侧壁的埋层金属不被过刻蚀，所述掩膜层15的厚度为200埃～600埃。

优选地，掩膜层可以为二氧化硅膜层或BD或BDⅡ。

步骤S04：刻蚀去除所述低k介质钝化层上和所述金属铜上的掩膜层，保留通孔或沟槽内的金属埋层的顶部的掩膜。

在该步骤中，如图11所示，由于低k介质钝化层12上的埋层金属13需要被去除，而通孔或沟槽内的位于金属铜14与低k介质层之间的埋层金属13需要被保护，因此，选择各向异性刻蚀工艺去除低k介质钝化层12上和金属铜14上的掩膜层，而通孔或沟槽侧壁顶部的掩膜层形成保护侧墙，作为后续埋层金属刻蚀的掩膜。

优选地，采用干法等离子体刻蚀工艺各向异性刻蚀掩膜层15。干法等离子体刻蚀工艺的反应气体包括C₄F₈、O₂和Ar，C₄F₈气体流量为40sccm～60sccm，Ar气体流量为600sccm～800sccm，O₂气体流量为20sccm～40sccm，压力为50Torr～70mTorr，高频功率为700W～900W,低频功率为1000W～1300W。为了让低k介质钝化层12上的埋层金属完全暴露出来，以在后续刻蚀工艺中被完全刻蚀干净，需将低k介质钝化层上的掩膜15去除干净,刻蚀量可以为掩膜厚度加上过刻蚀量10％。

步骤S05：刻蚀去除所述低k介质钝化层12表面剩余的埋层金属。

如图12所示，经过步骤S04，通孔或沟槽内的位于金属铜14与低k介质层11之间的埋层金属13的顶端已经被掩膜层15保护起来，剩余的埋层金属，即位于低k介质钝化层表面的埋层金属都需要被去除，并且可以过刻蚀以保证位于低k介质钝化层表面剩余的埋层金属层被刻蚀干净。

优选地，采用XeF₂干法刻蚀工艺各向同性刻蚀去除低k介质钝化层12表面的埋层金属，刻蚀温度为80～130℃；XeF₂气体流量为6～20sccm；XeF₂气体压力为0.5～4Torr；刻蚀时间为30～300s；刻蚀厚度为埋层金属层初始厚度的1/2。

步骤S06：去除通孔或沟槽内的金属埋层的顶部的掩膜。

如图13所示，在该步骤中，需将通孔或沟槽的顶部边角上的掩膜15去除，以继续进行后续的后道工艺。可以采用湿法或干法刻蚀去除掩膜15。优选地，采用湿法刻蚀去除所述掩膜15，湿法刻蚀的溶剂可以为DHF溶剂，其中，HF与H₂O体积比为1:100～1:500；刻蚀温度为20℃～25℃，刻蚀时间为1min～5min。湿法刻蚀的溶剂也可以为BHF溶剂，其中HF与NH₄F与H₂O体积比为1:5:50～1:20:100；刻蚀温度为20℃～25℃，刻蚀时间为1min～5min。

综上所述，本发明通过在埋层金属刻蚀过程中引入氧化膜掩膜阻止了刻蚀气体对通孔或沟槽内的位于金属铜与低k介质层之间的埋层金属的进一步刻蚀，从而确保低k介质钝化层表面的埋层金属既能被刻蚀干净，又能够避免金属铜与介质间的空洞的形成。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。