专利名称：可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领城，特别涉及一种可去除刻蚀后残留聚会物的 半导体器件制造方法。
技术背景在半导体器件制造过程中，常需要在晶片上定义出极细微尺寸的图案， 这些图案的定义主要是通过刻蚀技术完成。所谓刻蚀技术就是将晶片表面材 料均匀去除或图案选择性部分去除的技术，可以分为湿法腐蚀和千法刻蚀两 种。其中，湿法腐蚀是用液体化学试剂以化学方式去除晶片表面材料，因其 具有各向同性， 一般只用于尺寸较大的情况。干法刻蚀则是将晶片表面曝露于气态中产生的等离子体中，通过等离子 体与晶片发生物理与/或化学反应，去除曝露的表面材料。干法刻蚀一般具有 较强的方向性，可以获得较高的各向异性的刻蚀剖面，较好地控制线宽，是 亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要的方法。目前，干法刻蚀已成为集成电路制 造中的关键工艺之一，该工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的 先进性。随着超大规模集成电路器件特征尺寸不断地等比例缩小，集成度不断地 提高，对可以完整地将掩膜图形复制到晶片表面的刻蚀技术的要求也越来越 高。不但要求图形转移的保真度要高，刻蚀的选择比要高，刻蚀的均匀性要好；同时还要求刻蚀设备在大规模量产中能保证极高的稳定性、极低的缺陷率。图1 A到1 C是说明现有对器件进行干法刻蚀的剖面示意图。图1 A为刻蚀前 的器件剖面示意图，如图1A所示，在硅衬底101上生长介质层102，并在晶片 表面涂布上光刻胶103，形成图形。图1B为刻蚀后的器件剖面示意图，如图1B 所示，通过刻蚀将未被光刻胶保护的介质层102去除，实现将图形转移到光刻 胶下面的介质层上，刻蚀过程中，通常会用刻蚀反应气体所产生的等离子体 进行刻蚀，如CF4、 CF8、 C5F8、 C4F6、 CHF3、 BC13等，它们与光刻胶、刻蚀 生成物等会产生一定的结合，形成聚合物104,该聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀， 增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。刻蚀聚合物的产
生有多种原因，成份也相当复杂，其受到包括刻蚀气体、刻蚀材料、保护层、 刻蚀停止层及下层材料在内的多种物质的影响，具有很强的难以氧化和去除 的碳氟键。但是，这些聚合物在刻蚀完成后必须去除，否则将成为增加晶片 表面缺陷密度的颗粒和污染物源，毁坏器件功能，影响器件的成品率和可靠步骤，其去除效果的好坏也备受关注。图1C为现有技术中刻蚀后残留聚合物未能完全去除的器件剖面示意图，如图1C所示，在刻蚀完成后，若未能完全 去除聚合物，则在刻蚀的沟槽内仍会残留一些聚合物微粒105，这些残留聚合 物微粒一般都^艮小，甚至可以逃过正常的镜;险进入后面的工艺流程，但随着工艺的进行，这些残留的聚合物微粒往往会发生移动，在晶片表面形成微粒 缺陷，并最终对器件性能造成不可弥补的影响。现有去除刻蚀后残留聚合物的方法主要有两种， 一种是利用化学腐蚀清 洗的方法，另一种则是利用过刻蚀的方法，但两种方法都有不足的地方。对 于前者，是在刻蚀后采用特殊的化学气体或强溶剂对晶片进行清洁以去除残 留的聚合物，如用EKC或SC1液进行清洁，用02进行处理等。但实际中，这些 措施往往不能将残留聚合物完全去除干净，仍会残留下部分难溶的聚合物微 粒。对于后者，是在刻蚀完成后，采用与主刻蚀不同的刻蚀气体再对晶片进 行等离子过刻蚀处理，以消除刻蚀沟槽内的聚合物。但该方难以实现精确控 制， 一旦出现过度的过刻蚀，则一方面会加深对晶片的损伤，另一方面，也 会影响到图案的剖面形状，进而影响到对线宽的控制。故而，事实上很难单 纯通过过刻蚀实现刻蚀后残留聚合物的完全去除。申请号为03816222.9的中国专利公开了 一种选择性清除刻蚀残留物的组 合物，该组合物包含有去离子水、有机二羧酸、有机或无机碱、含氟离子化 合物及防腐蚀剂等，可以去除刻蚀后残留的聚合物。但该方法中的组合物种 类多达八种以上，成本较高；且组合物配比也较为复杂，尤其要求对该组合 物最终的ph值进行严格的控制，这在操作上有一定的难度，不易实现。 发明内容本发明提供了 一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，该 方法利用刻蚀后的热处理实现对残留聚合物的去除。本发明提供的 一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，包
括步骤在衬底上形成至少 一层材料层；对所述材料层进行刻蚀；对衬底进行热处理。 其中，所述的材料层是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽、钛酸钡锶、 多晶硅、单晶硅和金属中的一种或其组合。 其中，所述刻蚀为等离子刻蚀。其中，所述热处理是快速热退火处理或高温炉退火处理，热处理过程中 通入了氮气、氩气或氮气与氧气的混合气体中的一种；热处理的温度为 300°C-1350°C，热处理的时间在3秒到60分钟之间。其中，所述方法进一步包括利用掩膜对材料层进行图形化处理，以及对 所述掩膜的去除及清洗过程。本发明具有相同或相应技术特征的另一种去除刻蚀后残留聚合物的方 法，是对刻蚀后的衬底进行热处理。其中，所述热处理是快速热退火处理或高温炉退火处理，在热处理过程 中通入氮气、氩气或氮气与氧气的混合气体中的一种；热处理的温度为 300°C-13 50 °C,热处理的时间在3秒到6 0分钟之间。与现有技术相比，本发明具有以下优点采用本发明提供的可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，通 过在刻蚀后对晶片进行热处理，使得残留的难溶聚合物通过高温处理而被去 除。在实际工艺中，通过对工艺顺序进行调整，将器件制造流程中的热退火 工艺移至多层材料的刻蚀均完成后再执行，就可以在不增加工艺步骤，不增 加工艺时间，也不增加工艺难度的情况下实现本发明的残留聚合物的去除， 提高产品的成品率。同时，本发明还可以有效地减少清洗的步骤及时间，降 低了生产成本，提高了生产效率。
图1A至1C为说明现有对器件进行干法刻蚀的剖面示意图； 图2为说明本发明第一实施例的器件制造方法流程示意图； 图3为本发明第一实施例中热处理后的器件结构剖面图； 图4为说明本发明第二实施例的器件制造方法流程示意图5A至5E为本发明第二实施例中的器件结构剖面图； 图6为采用本发明器件制造方法前后聚合物检测结果对比图； 图7为采用本发明器件制造方法前后的器件成品率对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施方式
做详细的说明。本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，利用在刻蚀后 对晶片进行的热处理对残留的难溶聚合物进行高温分解，将残留的难溶聚合 物去除。实际的工艺制造过程中往往需要对不止一层的材料进行多步刻蚀，如果 在每次刻蚀后都进行热处理去除残留的聚合物，会造成生产周期加长，实际 也没有必要。可以在需要进行的多步刻蚀全部完成后，再进行热处理，实现 多次刻蚀后留下的聚合物的一次性地去除。此外，工艺制造过程中本身也需 要对晶片进行一些高温热处理，如在掺杂后，就需要对晶片进行快速热退火 或高温炉退火处理，以激活注入的杂质，进一步改善器件的电学性能。因而 只要对工艺顺序进行一些调整，将这一高温处理步骤移至多步刻蚀完成后再进行，就可以轻易实现本发明，无需加入额外的工艺步骤，对生产周期及生 产成本也没有影响。本发明的第 一实施例以刻蚀硅片上的氧化硅层为例，对刻蚀一层材料后 进行热处理以去除残留聚合物的器件制造过程进行说明。图2为本发明可去 除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法的第 一实施例的流程示意图，结 合图2i兌明第一实施例如下首先，在硅片淀积一层二氧化硅(S201 ),然后，在其表面涂布光刻胶， 光刻形成图形(S202)。本步工艺中要注意光刻胶的选择，最好选择在等离子 刻蚀后容易被剥离的光刻胶类型，减小刻蚀后残留光刻胶的去除难度。另夕卜， 光刻胶的厚度要足够保护不希望被刻蚀的硅片表面的二氧化硅，具体厚度一 般由光刻胶与被刻蚀材料的刻蚀速率比以及预计的刻蚀深度所决定。接着，进行千法刻蚀将光刻图形转移到硅片上(S203 )。本实施例采用反 应离子刻蚀(RIE, Reactive Ion Etch )，利用刻蚀气体进行化学反应和物理离 子轰击去除被刻蚀材料二氧化硅，刻蚀所用的气体包括0^8，其流量范围在5
到30sccm之间，如为20sccm; 02，其流量范围在5到15sccm之间，如为10sccm; Ar,其流量范围在200到500sccm之间，如为350sccm; CO，其流量范围在 200到500sccm之间，如为300sccm。刻蚀中，刻蚀反应气体会与光刻胶、刻蚀生成物结合，产生含有碳(C)、 氟(F)、氮(N)、氧(0)等元素的复杂聚合物，需要在刻蚀后去除。刻蚀后，需要进入清洗步骤以去除刻蚀后残留的光刻胶与聚合物(S204)。 去胶后，采用热的SC1碱性清洗溶液去除有机沾污，包括去胶后余下的光刻 胶残渣和部分较软的残留聚合物。但是对于部分较硬的残留聚合物微粒，仅 仅通过化学溶液的清洗一般是无法去除的。为彻底去除清洗后残留的部分较硬的聚合物微粒，本实施例对硅片进行 了热处理(S205 )。将清洗后的硅片放入快速热退火炉中，通入氮气(N2)和 氧气(02)的混合气体，其流量比在0.5到IO之间，如为2;待气流稳定后， 快速将温度提高到300。C到1350T,如为800°C;热处理的设定时间可以在3 秒到60分钟之间，如为10秒。在这一热处理过程中，高温可以令残留的聚 合物收缩，通入的N2可以软化聚合物微粒，02可以令聚合物燃烧，并最终将 残留的难以去除的较硬的聚合物;隊粒分解并去除掉。图3所示为本实施例中热处理后的器件结构剖面图，如图3所示，原来在晶片表面及沟槽内残留的 刻蚀后聚合物已被去除。本实施例的热处理过程中通入的是氮气(N2)和氧气(02)的混合气体， 在本发明的其它实施例中，还可以通入氩气(Ar)、氢气(H2)等其它气体。本实施例的热处理利用的是快速热退火炉，在本发明的其它实施例中也 可以利用高温炉进行，或采用先在快速热退火炉中进行热处理，再在高温炉 进行热处理的方法，以进一步改善器件性能。高温炉退火的工艺条件可以为 温度在600°C到1350 °C之间，如为800°C,处理时间在3分钟到60分钟之间， 如为10分钟。本发明的第二实施例以形成双镶嵌(dual-damascene)结构为例，说明了分 别刻蚀多层材料后再进行热处理以去除所有残留聚合物的过程。图4是说明 本发明第二实施例的流程示意图，图5是本发明第二实施例中的器件结构剖 面图，结合图4和图5，说明本发明的第二实施例如下如图4所示，首先淀积第一第二及第三介质层，涂布光刻胶，完成通孔
的光刻(S401)。图5A是该步骤完成后的器件结构剖面图，如图5A所示， 本实施例中在硅片501上淀积的第一介质层502采用的是硼磷硅玻璃，其厚 度在100到500nm之间，如为200nm;在第一介质层502上淀积的第二介质 层503采用了四乙基氧化硅，厚度在300到800nm之间，如为500nm;接着 要在第二介质层503上淀积一层多晶硅作为硬掩膜(第三介质层504),再选 择在等离子刻蚀后容易被剥离的光刻胶505涂布在晶片表面，光刻好图形， 下 一步将会对未被光刻胶保护的材料进行刻蚀506。然后，对未被光刻胶保护的第一、二和第三介质层进行整体刻蚀形成通 孔(S402)。本步刻蚀工艺所用的气体包括C4F8,其流量范围在5到30sccm 之间，如为20sccm; 02,其流量范围在5到15sccm之间，如为10sccm; Ar, 其流量范围在200至ij 500sccm之间，如为350sccm; CO，其流量范围在200 到500sccm之间，如为300sccm。刻蚀通孔后，进行去胶清洗(S403 )。去除残留光刻胶后，再采用热的SC1 碱性清洗溶液去除有机沾污，包括去胶后余下的光刻胶残渣和部分较软的残 留聚合物，经过清洗，侧壁上只残留部分较硬的聚合物微粒。图5B是通孔形 成后的器件结构剖面图，如图5B所示，由图中可以清楚地看到，清洗后，刻 蚀形成的通孔507的侧壁上仍附着有部分刻蚀产生的聚合物微粒508。接着，进行离子注入(implant) (S404)。对曝露的通孔底部的硅材料进 行掺杂处理，以改善金属接触层的电性能。但是，单纯的离子注入后，硅片 的晶格会因原子被撞击出晶格结构而受到损伤，同时，注入的离子也会停留 在晶格间隙的位置，不能起到改善电学性能的作用。故而，在传统工艺中， 离子注入后需对其进行高温热退火处理，修复晶格缺陷并使杂质移动到晶格 点，激活杂质。本实施例中，将原来在离子注入后进行的高温热退火处理后 移，直到对第二介质层503和第三介质层504刻蚀形成沟槽的操作完成后再 进行，以同时实现所有层刻蚀后残留的聚合物的彻底去除。再接着，制作沟槽(S405 )。在第三介质层上涂布光刻胶，完成沟槽的光 刻，并对第二和第三介质层进行刻蚀，形成沟槽509。其中，刻蚀采用的气体 包括CsFs，其流量范围在5到20sccm之间，如为10sccm; 02，其流量范围 在5到15sccm之间，如为10sccm; Ar，其流量范围在200到500sccm之间， 如为350sccm; CO,其流量范围在200到500sccm之间，如为300sccm。
刻蚀完成后，要再次进4亍去月交清洗(S406 )。同才羊是在去月交后，采用热的SC1碱性清洗溶液进行清洗。图5C是清洗后的器件结构剖面图，如图5C所 示，刻蚀形成的沟槽509的侧壁上仍残留着部分刻蚀产生的聚合物微粒508 未能去除。然后，再对晶片进行热退火处理(S407 )。将^5圭片》t入快速退火炉中，进 行原来在离子注入后完成的快速热退火工艺， 一方面修复晶格缺陷并使杂质 移动到晶格点，激活杂质；另一方面可以将两次刻蚀后在通孔和沟槽内残留 的未清洗掉的聚合物去除。退火前，通入氮气(N2)或氩气(Ar)，其流量在 50到300sccm之间，如为150sccm;待气流稳定后，快速将温度提高到600°C 到1350。C之间，如为1000°C;热处理的时间可以在3秒以上，如为10秒； 然后再迅速降温，结束快速热退火处理。在这一热处理过程中，高温可以令 残留的聚合物收缩，甚至消失。热退火处理过程也可以利用高温炉进行，或将快速热退火处理和高温炉 退火处理结合起来进行，以进一步改善器件电性能。高温炉退火的工艺条件 为温度在600°C到1350°C之间，如为800°C,处理时间在3分钟到60分钟 之间，如为IO分钟。图5D为热处理后的器件结构剖面图，如图5D所示，此时，残留的聚合 物已被去除。另外，在热退火过程中要对退火炉内的颗粒情况进行监控，注意保持炉 内的清洁，以防止在退火过程中引入新的缺陷。最后，淀积金属，通过CMP将多余的金属去除，形成金属连线(S408)。 图5E是金属连线形成后的器件结构剖面图，如图5E所示，在通孔507和沟 槽509内填充有金属鴒(W) 510。图6为采用本发明方法前后聚合物检测结果对比图。如图6所示，601表 示的是热退火工艺在形成沟槽之前进行的检测结果，602表示的是热退火工艺 在形成沟槽之后再进行的检测结果，由图中可以明显看到，采用本发明可去 除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法后，硅片表面的聚合物有明显的 减少。图7为采用本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法前后 器件成品率对比图。如图7所示，701表示的是未采用热处理去除刻蚀残留聚
合物的器件的成品率结果，702表示的是采用热处理去除了刻蚀残留聚合物的 器件的成品率结果，由图中可以看到，采用本发明可去除刻蚀后残留聚合物 的半导体器件制造方法后，器件的成品率有明显提高。本实施例的双镶嵌式工艺中，先形成了通孔，再形成沟槽，在本发明的 其它实施例中，也可以采用先刻蚀第二介质层形成沟槽，再刻蚀第一介质层 形成通孔的双镶嵌式工艺方法，该方法同样也可以在二次刻蚀工作都完成后， 再进行热退火处理，实现杂质激活与聚合物去除的双重目的。本实施例中，第一、第二和第三介质层分别采用的是硼磷硅玻璃、四乙 基氧化硅和多晶硅层，在本发明的其它实施例中，还可以采用氮化硅、碳化 硅、氮氧化硅等其它介质层。采用较高的热处理条件，在本发明的其它实施例中，也可以对砷化镓(GaAs)、 氮化镓(GaN )等其它材料的衬底上的材料进行热处理去除其刻蚀后残留的聚 合物，此时可能需要用较低的温度，如300。C到600。C左右，同样也可以实 现残留聚合物的去除。上述实施例是刻蚀三层介质层后一起进行热处理，在本发明的其它实施 例中还可以是分别对更多层材料进行刻蚀后，再进行热处理，以一次彻底去 除多步刻蚀后残留的所有的聚合物。其中刻蚀的材料可以是介质层、半导体 层或金属层，如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽(Ta20s)、钛酸钡锶(BST)、 多晶硅、单晶硅、铝、铜、鴒等。但要注意对于金属材料，其退火温度的选 择取决于它的熔点，即，热处理的温度必须要低于金属的熔点。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和 修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1、一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，其特征在于，包括在衬底上形成至少一层材料层；对所述材料层进行刻蚀；对衬底进行热处理。
2、 如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于所述的材料层是氧 化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽、钛酸钡锶、多晶硅、单晶硅和金属中的 一种或其组合。
3、 如权利要求1所述的器件制造方法刻蚀。
4、 如权利要求1所述的器件制造方法 热退火处理或高温炉退火处理。
5、 如权利要求1所述的器件制造方法 入氮气或氩气。
6、 如权利要求1所述的器件制造方法 入氮气与氧气的混合气体。
7、 如权利要求1所述的器件制造方法 为300oC-1350。C。
8、 如权利要求l所述的器件制造方法 在3秒到60分钟之间。
9、 如权利要求1所述的器件制造方法 括利用掩膜对材料层进行图形化处理。
10、 如权利要求9所述的器件制造方法，其特征在于所述方法进一步 包括对所述掩膜的去除及清洗过程。
11、 一种去除刻蚀后残留聚合物的方法，其特征在于，对刻蚀后的衬底进 行热处理。
12、 如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于所述热处理是快 速热退火处理或高温炉退火处理。
13、 如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于在热处理过程中 通入氮气或氩气。，其特征在于所述刻蚀为等离子 ，其特征在于所述热处理是快速 ,其特征在于在热处理过程中通 ,其特征在于在热处理过程中通 ,其特征在于所述热处理的温度 ,其特征在于所述热处理的时间 ，其特征在于所述方法进一步包
14、 如权利要求11所述的器件制造方法 通入氮气与氧气的混合气体。
15、 如权利要求11所述的器件制造方法度为300°C-1350°C。
16、 如权利要求11所述的器件制造方法 间在3秒到60分钟之间。其特4i在于在热处理过程中 其特征在于所述热处理的温 其特征在于所述热处理的时
全文摘要
公开了一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，通过在刻蚀后进行热处理对残留的难溶聚合物进行收缩、软化及燃烧，实现刻蚀后残留聚合物的完全去除。本发明实现方便，无需增加额外的工艺步骤，仅依靠对工艺顺序进行调整即可实现，对生产周期没有影响，在保持低成本、高效率的同时，提高了产品的成品率。
文档编号H01L21/00GK101106066SQ20061002878
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者仇圣棻, 平 施 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司