二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法
【专利摘要】本发明公开了一种二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法，包括如下步骤：（1）将二氟化氙气体喷洒到裸露的阻挡层的表面；（2）采用光束仅照射电介质层上表面的阻挡层，使电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的刻蚀速率。本发明通过向电介质层上表面的阻挡层照射光束，提高了电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率，使电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的刻蚀速率，避免沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层过度刻蚀，提高了微观上的刻蚀均匀性，达到了更好的工艺效果。
【专利说明】二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路器件制造【技术领域】，更具体地，涉及一种二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法。
【背景技术】
[0002]随着集成电路器件尺寸的持续缩小，互连延迟越来越成为制约集成电路发展的瓶颈问题。为了减小互连延迟，在集成电路器件的金属互连线的制作中，选用了电阻率较小的金属铜代替电阻率较大的铝，以减小互连电阻，以及选用了低K电介质材料，以减小金属互连线之间的电容。如图6和图7所示，金属互连线的制作工艺通常包括:首先，在半导体基底21上形成低K电介质层22 ;其次，在低K电介质层22上形成沟槽和连接孔；然后，在沟槽和连接孔内填充金属铜24，在此步骤中，为了防止金属铜24扩散，在填充金属铜24之前，需要在沟槽和连接孔内壁沉积一薄层的金属阻挡层23，通常，阻挡层23会沉积在整个低K电介质层22的表面并选用Ta/TaN或Ti/TiN作为阻挡层材料；然后，去除非沟槽和连接孔内的金属铜24;最后，去除非沟槽和连接孔内的阻挡层23，保留在沟槽和连接孔内的金属铜24形成金属互连线。
[0003]目前，去除非沟槽和连接孔内的阻挡层23的方法有化学机械研磨和无应力去除两种，前者由于在去除过程中会产生机械应力，从而会对半导体结构造成机械损伤，因此，采用无应力去除阻挡层23的方法受到越来越多的关注和推广。其中，二氟化氙(XeF2)由于其对半导体常用材料具有很高的选择比，所以常用二氟化氙气体25刻蚀多余的阻挡层23。
[0004]采用二氟化氙气体25刻蚀阻挡层23时，现有的方法是直接将二氟化氙气体25喷洒到整个半导体结构的表面，二氟化氙气体25自发地与低K电介质层22上的阻挡层23发生反应，因此，现有的二氟化氙气体25分布都是针对整个半导体结构而言的均匀分布。但是，在一个芯片电路的内部，由于布线密度和线宽等参数不同，阻挡层材料的分布密度也会不同，而二氟化氙气相刻蚀工艺是各向同性的，也就是说二氟化氙气体25对低K电介质层22上表面的阻挡层23以及沟槽和连接孔侧壁暴露出来的阻挡层23刻蚀速率是相等的。如图7所示，在铜线比较宽、阻挡层材料分布密度较低的地方，由于阻挡层材料较少，低K电介质层22上表面的阻挡层23反应结束后，由于二氟化氙气体25没有被消耗完全，余下的二氟化氙气体25就会与沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层23反应，造成沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层23过度刻蚀。反之，在铜线比较窄，阻挡层材料分布密度较大的地方会有低K电介质层22上表面的阻挡层23没有完全去除的现象。这种微观上的刻蚀不均匀性会破坏工艺效果，导致器件失效。
[0005]此外，实验数据表明二氟化氙和Ta/TaN等阻挡层材料，在室温下几乎不反应，而随着温度的升高，二氟化氙气体25刻蚀阻挡层23的速率也随之增加。因此，为了提高二氟化氙气相刻蚀的速率，会对半导体结构进行加热，而传统的加热方式是接触式加热，这样整个半导体结构的温度完全一样，二氟化氙气相刻蚀低K电介质层22上的阻挡层23及沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层23的速率相同，同样会导致沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层23过度刻蚀。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法，该方法能够解决上述【背景技术】中沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层过度刻蚀的问题，并且能够提高微观上的刻蚀均匀性，达到更好的工艺效果。
[0007]为实现上述目的，本发明提供的二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法，包括如下步骤:
(I)将二氟化氙气体喷洒到裸露的阻挡层的表面；(2)采用光束仅照射电介质层上表面的阻挡层，使电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的刻蚀速率。
[0008]优选的，所述光束的波长为441nnT514nm,较佳地,为474nm。
[0009]优选的，所述光束垂直照射电介质层上表面的阻挡层，或者局部地照射电介质层上表面的阻挡层，移动所述光束或者移动基底，使电介质层上表面的阻挡层全部被所述光束照射。
[0010]优选的，所述光束是持续照射或者是脉冲式照射。
[0011]优选的，所述步骤(2)还进一步包括:向电介质层上表面的阻挡层照射第二光束，使电介质层上表面的阻挡层的温度高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的温度。
[0012]优选的，所述第二光束的波长不包括441nnT514nm。
[0013]优选的，所述第二光束垂直照射电介质层上表面的阻挡层，或者局部地照射电介质层上表面的阻挡层，移动所述第二光束或者移动基底，使电介质层上表面的阻挡层全部被所述第二光束照射。
[0014]优选的，所述第二光束是持续照射或者是脉冲式照射。
[0015]优选的，在向电介质层上表面的阻挡层照射第二光束时，基于所述第二光束的反射光进行二氟化氙气相刻蚀阻挡层的终点检测。
[0016]综上所述，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法通过向电介质层上表面的阻挡层照射光束，提高了电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率，使电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的刻蚀速率，避免沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层过度刻蚀，提高了微观上的刻蚀均匀性，达到了更好的工艺效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的一实施例的剖面结构示意图。
[0018]图2是图1中A部位的局部放大图。
[0019]图3是本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的又一实施例的剖面结构示意图。
[0020]图4是图3中B部位的局部放大图。
[0021]图5是采用本发明刻蚀方法刻蚀阻挡层后的剖面结构示意图。
[0022]图6是现有的二氟化氙气相刻蚀阻挡层的剖面结构示意图。
[0023]图7是采用现有的二氟化氙气相刻蚀方法刻蚀阻挡层后的剖面结构示意图。
【具体实施方式】[0024]为详细说明本发明的技术内容、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
[0025]本发明涉及在集成电路器件的金属互连线的制作过程中二氟化氙(XeF2)气相刻蚀阻挡层的方法。
[0026]请参阅图1和图2，为本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的一实施例的剖面结构示意图，揭露了本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的一种方法。在详细介绍本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法之前，先简要介绍金属互连线的制作过程，包括如下步骤:首先，提供一半导体基底11，并在半导体基底11上形成一低K电介质层12 ;其次,在低K电介质层12上形成沟槽和连接孔；然后，在沟槽和连接孔的内壁沉积一薄层的金属阻挡层13，通常该阻挡层13会沉积在整个低K电介质层12的表面，该阻挡层的材料可以是钽、氮化钽、钛和氮化钛中的一种或几种；然后，在沟槽和连接孔内填充金属铜14 ;然后，去除非沟槽和连接孔内的金属铜14 ;最后，去除非沟槽和连接孔内的阻挡层13，保留在沟槽和连接孔内的金属铜14形成金属互连线。
[0027]在上述金属互连线的制作过程中，为了不产生机械应力而对集成电路器件造成机械损伤，本发明采用二氟化氙气相刻蚀方法去除非沟槽和连接孔内的阻挡层13。二氟化氙气相刻蚀阻挡层13的反应过程大致可以分为:吸附、分解、反应和气化四个步骤。具体地，首先，将二氟化氙气体15喷洒到裸露的阻挡层13的表面，二氟化氙先以分子的形式吸附在阻挡层13的表面，然后，二氟化氙分子分解成游离的氙(Xe)原子和氟(F)原子，以钽作为阻挡层材料为例，氟原子与钽原子反应生成五氟化钽，在真空状态下，五氟化钽为气态，因而五氟化钽会随着气流远离低K电介质层12的表面并通过真空泵抽出刻蚀腔。
[0028]由此可知，影响二氟化氙气相刻蚀速率的关键因素之一是XeF2分子分解的速率。XeF2分子在分解过程中需要吸收能量使其化学键断裂，从而形成Xe原子和F原子。具体地，XeF2分子的分解分为两个步骤:第一步，XeF2分子先分解为一个F原子和XeF，在此过程中，XeF2分子需要吸收的能量为2.61eV ;第二步，XeF进一步分解为一个Xe原子和一个F原子，在此过程中，XeF分解需要吸收的能量很小，仅为0.16eV。由于XeF2分子的第一步分解需要的能量比第二步分解需要的能量高很多，同时，第二步XeF的分解所需要的能量已经接近普通分子间的范德瓦尔兹力，因此，XeF2分子的第一步分解速率是影响二氟化氙气相刻蚀速率的关键。由于在第一步分解过程中，XeF2分子需要吸收的能量为2.61eV，而
2.6IeV对应的光的波长为474nm，所以，为了提高XeF2分子的第一步分解速率，本发明采用波长为474nm的光束16垂直照射低K电介质层12上表面的阻挡层13。考虑到XeF2分子内部电子的轨道状态等因素，一般需要在波长为474nm附近进行扩展，因此，大量的XeF2分子分解需要吸收的能量在2.61eV附近的一个范围，比如2.41e疒2.81eV，对应的光的波长为 44Inm?514nmο
[0029]因为光束16是垂直照射位于低K电介质层12上表面的阻挡层13，而位于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13无法被光束16照射，因而，二氟化氙气相刻蚀低K电介质层12上表面的阻挡层13的速率高于刻蚀沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13的速率，从而解决了沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13的过度刻蚀问题，如图5所示，沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13被很好的保留下来。
[0030]除了 XeF2分子分解的速率外，阻挡层13表面的温度也是影响二氟化氙气相刻蚀速率的关键因素之一。为了使低K电介质层12上表面的阻挡层13的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13的刻蚀速率，如图3和图4所示，本发明通过向低K电介质层12上表面的阻挡层13垂直照射第二光束17，迅速提高低K电介质层12上表面的阻挡层13的温度，使位于低K电介质层12上表面的阻挡层13被刻蚀，而沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13依然保留。由于用来专门加热的光源比如汞灯、紫外灯和红外灯等，发出来的光的波长范围较广，可能会含有441nnT514nm波长的光，而在工艺过程中第二光束17中的这一波段也会影响XeF2分子的分解速率，这样会使得工艺过程变得复杂而难以控制效果。因此，本发明中第二光束17是将441nnT514nm波长之间的光过滤掉之后的光束。
[0031]光束16和第二光束17可以垂直照射整个低K电介质层12上表面的阻挡层13，也可以局部地照射低K电介质层12上表面的阻挡层13，而通过移动光束16和第二光束17或者通过移动基底11达到垂直照射整个低K电介质层12上表面的阻挡层13的目的。光束16和第二光束17可以是一直的持续照射，也可以是脉冲式的照射。
[0032]另外，第二光束17的反射信号可以用来作为本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的终点检测的信号源。由于本发明中的阻挡层13是采用气相刻蚀的方法去除，气相刻蚀工艺开始之前，除了沟槽和连接孔内的金属铜14之外，低K电介质层12上大部分区域被阻挡层材料所覆盖，最常用的阻挡层材料是金属钽，而气相刻蚀工艺结束时，阻挡层材料被去除，低K电介质层12比如silk或者black diamond被暴露出来,金属钽的反射系数和silk或者black diamond的反射系数相差很大，这样气相刻蚀工艺开始与结束时，第二光束17的反射信号会有明显的差别，因而可以根据第二光束17的反射信号的差别来判断低K电介质层12上表面的阻挡层13是否被完全去除。
[0033]由上述可知，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法通过向低K电介质层12上表面的阻挡层13垂直照射光束16和第二光束17，提高了低K电介质层12上表面的阻挡层13的刻蚀速率，使低K电介质层12上表面的阻挡层13的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13的刻蚀速率，避免沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层13过度刻蚀，提高了微观上的刻蚀均匀性，达到了更好的工艺效果。
[0034]综上所述，本发明二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法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。
【权利要求】
1.一种二氟化氙气相刻蚀阻挡层的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将二氟化氙气体喷洒到裸露的阻挡层的表面； (2)采用光束仅照射电介质层上表面的阻挡层，使电介质层上表面的阻挡层的刻蚀速率高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的刻蚀速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束的波长为441nnT514nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束的波长为474nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束垂直照射电介质层上表面的阻挡层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束局部地照射电介质层上表面的阻挡层，移动所述光束或者移动基底使电介质层上表面的阻挡层全部被所述光束照射。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光束是持续照射或者是脉冲式照射。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)还进一步包括:向电介质层上表面的阻挡层照射第二光束，使电介质层上表面的阻挡层的温度高于沟槽和连接孔侧壁上的阻挡层的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二光束的波长不包括441nm?514nm0
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二光束垂直照射电介质层上表面的阻挡层。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二光束局部地照射电介质层上表面的阻挡层，移动所述第二光束或者移动基底，使电介质层上表面的阻挡层全部被所述第二光束照射。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二光束是持续照射或者是脉冲式照射。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在向电介质层上表面的阻挡层照射第二光束时，基于所述第二光束的反射光进行二氟化氙气相刻蚀阻挡层的终点检测。
【文档编号】H01L21/3213GK103700615SQ201210366144
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】王坚, 贾照伟, 王晖 申请人:盛美半导体设备（上海）有限公司