半导体结构的形成方法
【专利摘要】一种半导体结构的形成方法，所述半导体结构的形成方法包括：提供基底，所述基底内形成有导电层，所述基底表面形成有介质层；在所述介质层内形成具有暴露所述部分导电层的开口；采用钝化溶液对开口底部的导电层表面进行钝化，形成钝化层；采用清洗溶液，对开口内壁进行清洗，去除开口内壁表面的聚合物。所述半导体结构的形成方法可以避免导电层受到腐蚀，提高后续进程的金属互连结构的互连性能。
【专利说明】半导体结构的形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种半导体结构的形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体技术的发展，超大规模集成电路的芯片集成度已经高达几亿乃至几十 亿个器件的规模，两层以上的多层金属互连技术广泛得以使用。传统的金属互连是由铝金 属制成的，但随着集成电路芯片中器件特征尺寸的不断减小，金属互连线中的电路密度不 断增加，要求的响应时间不断减小，传统的铝互连线已经不能满足要求。工艺尺寸小于130 纳米以后，铜互连技术已经取代了铝互连技术。与铝相比，金属铜的电阻率更低可以降低互 连线的电阻电容（RC)延迟，改善电迁移，提高器件稳定性。现在广泛采用的铜互连的制作 方法是大马士革工艺的镶嵌技术。
[0003] 在低K介质层中通过刻蚀工艺形成沟槽或通孔，然后再用铜等互连材料填充所述 沟槽或通孔。不同层的低k介质层的通孔内的金属互相接触，实现互连。
[0004] 在刻蚀低K介质层后，往往要对形成的通孔或沟槽表面进行清洗，以去除刻蚀过 程中的残留物。但是现有技术采用的清洗方法，往往会造成通孔下方的金属互连材料的损 失，使后续形成的互连结构的连接性能受到影响。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法，避免造成通孔下方的金属 互连材料的损失，从而提高互连结构的性能。
[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底，所述 基底内形成有导电层，所述基底表面形成有介质层；在所述介质层内形成具有暴露所述部 分导电层的开口；采用钝化溶液对开口底部的导电层表面进行钝化，形成钝化层；采用清 洗溶液，对开口内壁进行清洗，去除开口内壁表面的聚合物，所述清洗溶液不与钝化层反 应。
[0007] 可选的，所述导电层的材料为Cu。
[0008] 可选的，所述钝化溶液为1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液、1，2, 3-苯并三氮唑的衍 生物的水溶液或者1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物与1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶 液，并且，1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的浓度为IOppm?lOOOppm， 1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的浓度为IOppm? lOOOppm，1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物与1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑 与1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的总浓度为IOppm?lOOOppm。
[0009] 可选的，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物至少包括4-甲基-苯并三氮唑、5-甲 基-苯并三氮唑、5-氯-苯并三氮唑或5-硝基-苯并三氮唑中的一种。
[0010] 可选的，所述清洗溶液包括第一溶液，所述第一溶液为取代胺和杂环化合物的混 合溶液。 toon] 可选的，所述清洗溶液中还包括第二溶液，所述第二溶液具有氧化性。
[0012] 可选的，所述第二溶液为H2O2溶液。
[0013] 可选的，所述H2O2溶液的浓度为20%?40%。
[0014] 可选的，所述第二溶液与第一溶液的体积比为1 :1?1 :10。
[0015] 可选的，还包括：采用退火工艺去除所述钝化层。
[0016] 可选的，所述退火工艺在N2、H2中的一种或两种气体氛围中进行，退火温度为 200°C?400°C，退火时间为30min?lh。
[0017] 可选的，所述介质层的材料为低K介质材料。
[0018] 可选的，所述低K介质材料包括碳化硅、碳氧化硅、有机硅氧烷聚合物、氟碳化合 物中的一种或几种。
[0019] 可选的，所述介质层表面具有硬掩膜层。
[0020] 可选的，所述硬掩膜层的材料为TiN。
[0021] 可选的，还包括在所述开口内形成与导电层连接并填充满开口的金属层。
[0022] 可选的，所述金属层的材料为Cu。
[0023] 可选的，还包括在形成所述金属层之前，在所述开口内壁表面形成扩散阻挡层。
[0024] 可选的，所述扩散阻挡层的材料为TiN或TaN。
[0025] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0026] 本发明的技术方案，在去除所述开口内壁表面的聚合物之前，采用钝化溶液在导 电层表面形成钝化层，然后再采用清洗溶液去除所述开口内壁表面的聚合物，由于所述清 洗溶液不能与钝化层产生反应，所以所述钝化层在清洗过程中能够保护导电层的表面不受 清洗溶液的腐蚀，避免清洗过程中，导电层的金属材料受到损失，影响后续在开口内沉积形 成的金属层与导电层之间的连接性能，避免发生断路等现象，从而可以提高后续形成的互 连结构的连接性能。
[0027] 进一步的，本发明的技术方案中，在采用清洗溶液去除开口内壁的聚合物之后，可 以采用退火工艺去除所述导电层表面的钝化层，工艺步骤简单，容易实现，并且所述退火工 艺还可以同时去除清洗步骤中残留的水分，从而节约干燥步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1至图3以及图5至图7是本发明的实施例的半导体结构的形成过程的结构示 意图；
[0029] 图4是本发明的实施例的钝化层材料的分子结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 如【背景技术】中所述，现有技术在形成互连结构过程中，采用的清洗方法，往往会造 成通孔下方的金属互连材料的损失，使后续在通孔内形成的金属层与下方的金属互连材料 之间的连接性能受到影响。
[0031] 在对介质层进行刻蚀，形成通孔和沟槽之后，所述通孔和沟槽内壁表面，以及介质 层、掩膜层表面会有残留的聚合物，这些聚合物包括：光刻胶材料、抗反射材料以及刻蚀过 程中刻蚀气体与介质反应形成的聚合物等。现有技术中，采用清洗溶液去除所述聚合物，但 是在去除所述聚合物的过程中，清洗溶液对通孔底部的金属材料会产生腐蚀作用，造成通 孔下层的金属材料的损失，导致所述下层金属连接材料的表面形成凹陷或者缺陷，进而后 续在通孔内填充上层金属材料时，所述上层金属材料与下层金属材料之间的结合不紧密， 可能会导致断路等问题，从而影响互连结构的连接性能，进而影响整个芯片的性能。
[0032] 本发明的实施例，在采用清洗溶液去除聚合物之前，首先在通孔下方的金属层材 料表面形成钝化层，保护所述金属材料，从而在清洗过程中，可以避免金属材料的损失。
[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0034] 请参考图1，提供基底100,所述基底100内形成有导电层101，所述导电层101表 面形成有介质层200。
[0035] 所述基底100可以是半导体衬底，所述半导体衬底内形成有半导体器件（图中未 示出）。所述基底100还可以是形成在衬底(未示出)上的介质材料层，所述介质材料层内形 成有插塞等互连结构（图中未示出）。
[0036] 本实施例中，所述基底100为介质层，所述基底100内形成有导电层101，所述导电 层101可以是基底100内形成的金属互连线，也可以是贯穿所述基底100的金属插塞结构。 所述导电层101的材料为铜。
[0037] 所述介质层200的材料为低K介质材料，包括碳化硅、碳氧化硅、有机硅氧烷聚合 物、氟碳化合物中的一种或几种。后续在所述介质层200内形成开口，在所述开口内填充金 属材料，连接基底100内的导电层101，形成互连结构。本实施例中，所述介质层200的材料 为碳氧化硅。
[0038] 在本发明的其他实施例中，所述介质层200还包括位于基底100和低K介质材料 之间的刻蚀阻挡层。所述刻蚀阻挡层的材料为SiN、SiCN或SiONCH，所述刻蚀阻挡层的厚 度为IOOA?500A。所述刻蚀阻挡层可以保护基底100内的半导体器件或互连结构不受后 续工艺的影响，同时在后续刻蚀所述低K介质材料形成开口的过程中作为刻蚀停止层，并 且可以防止后续在所述介质层200内形成的互连结构的金属向下层扩散。
[0039] 请参考图2,在所述介质层200内形成具有暴露所述部分导电层101的开口 201。
[0040] 具体的，本实施例中，形成所述开口 201的方法包括：在所述介质层200表面形成 硬掩膜层202,利用旋涂法在所述硬掩膜层202上形成光刻胶层（图中未示出），通过显影曝 光之后图形化。利用图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀硬掩膜层202,将刻蚀图形转移到硬掩 膜层202上，然后以所述硬掩膜层202为掩膜，刻蚀介质层200至基底100内的导电层101 表面形成开口 201。本实施例中，所述硬掩膜层202的材料为TiN。
[0041] 本发明的其他实施例中，也可以不形成所述硬掩膜层，直接采用光刻胶层作为刻 蚀掩膜。
[0042] 本发明的其他实施例中，所述开口还可以采用双镶嵌工艺形成，在所述介质层内 先形成通孔，然后形成填充满所述通孔和覆盖介质层表面的底部抗反射材料层，再在所述 底部抗反射材料层表面形成掩膜层，以所述掩膜层为掩膜去除通孔内底部抗反射材料层， 并刻蚀所述介质层，形成位于通孔上方的沟槽，所述通孔及其上方的沟槽作为开口。
[0043] 刻蚀所述介质层200形成开口 201的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺采 用的刻蚀气体为CF4、CHF3、CH2F2、C2F6中的一种或几种。所述刻蚀气体在刻蚀过程中会在刻 蚀表面形成聚合物，降低刻蚀的横向速率，从而提高刻蚀形成的开口 201的侧壁垂直度。
[0044] 在形成所述开口之后，在所述开口 201内壁表面以及硬掩膜层202表面会残留有 部分聚合物，所述聚合物中包括残留的光刻胶材料、抗反射材料以及刻蚀过程中，刻蚀气体 与介质层200表面反应形成的聚合物等。
[0045] 本实施例中，位于硬掩膜层202表面的残留聚合物中，含有大量Ti;位于开口 201 侧壁表面的残留聚合物中含有大量的Si和C;在开口 201底部的导电层101表面的残留聚 合物中，含有大量的Cu。
[0046] 所述残留聚合物会影响开口 201内壁的平整度，从而影响后续在开口 201内填充 形成的金属层的填充质量，并且所述残留聚合物还会影响金属材料的导电性，造成芯片产 率下降等问题，所以需要在后续工艺中采用清洗步骤，去除所述残留聚合物。
[0047] 请参考图3,采用钝化溶液对开口底部的导电层101表面进行钝化，形成钝化层 102。
[0048] 所述钝化溶液为1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液、1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水 溶液或者1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物与1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液，并且，1，2, 3-苯并三 氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的浓度为IOppm?lOOOppm，1，2, 3-苯并三氮唑的衍生 物的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的浓度为IOppm?lOOOppm，1，2, 3-苯并三氮唑 的衍生物与1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物与1，2, 3-苯并三 氮唑的总浓度为IOppm?lOOOppm。其中，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物至少包括4-甲 基-苯并三氮唑、5-甲基-苯并三氮唑、5-氯-苯并三氮唑或5-硝基-苯并三氮唑中的一 种。
[0049] 将所述基底浸入钝化溶液中30s?120s，所述浸入时间可以确保所述钝化溶液与 导电层101表面充分反应，在导电层101表面形成钝化层102,所述钝化层102的厚度小于 l〇nm，所述厚度既能充分保护导电层，还易于去除。
[0050] 所述钝化溶液能够与导电层101的材料发生络合反应，在导电层101表面形成金 属络合物，作为导电层101表面的钝化层，所述钝化层不能与后续清洗过程中采用的清洗 溶液发生反应，可以保护所述导电层101在后续清洗聚合物的过程中不受损伤。
[0051] 本实施例中，所述钝化溶液为1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液，其中1，2, 3-苯并三氮 唑的浓度为IOppm?IOOOppm,例如20ppm、100ppm、500ppm或700ppm。本实施例中，所述 导电层101的材料为Cu,与钝化溶液中的1，2, 3-苯并三氮唑发生络合反应，形成Cu的复 合物，所述Cu的复合物在导电层101表面形成致密的钝化层102,所述Cu的复合物可以是 Cu-苯并三氮唑，所述Cu-苯并三氮唑的分子结构可以是如图4所示的分子结构。所述钝化 层102可以在后续的清洗过程中保护所述导电层101。
[0052] 请参考图5,采用清洗溶液，对开口 201内壁进行清洗，去除开口 201内壁表面的聚 合物。
[0053] 所述清洗溶液为取代胺和杂环化合物的混合溶液。本实施例中所述清洗溶液为 EKC575(EKCTechnology公司生产的型号为EKC575 的清洗溶液)或EKC580(EKCTechnology 公司生产的型号为EKC580的清洗溶液)。所述EKC575或EKC580溶液能够去除开口内壁残 留的含有大量的Si和C的聚合物。
[0054] 由于在上述在硬掩膜层202表面具有含Ti的聚合物，以及位于开口 201底部的含 Cu的聚合物，仅采用所述EKC575或EKC580溶液很难将所述含有金属的残留聚合物去除，所 以，还可以在所述EKC575或EKC580溶液中加入氧化性溶液以提高所述清洗溶液去除含Ti 聚合物、含Cu聚合物的能力。本实施例中，在所述EKC575或EKC580溶液中加入了H2O2溶 液，所述H2O2溶液的浓度为20%?40%，例如所述H2O2溶液的浓度为30%。所述H2O2溶液与 EKC575或EKC580溶液的体积比为1:1?1:10。并且所述EKC575或EKC580与H2O2溶液的 混合溶液对硬掩膜层202还具有腐蚀作用，可以降低硬掩膜层202的厚度，并且增大硬掩膜 层202内图形尺寸，可以提高后续在开口 201内填充金属材料的填充窗口，降低填充金属材 料的难度，避免在开口 201内形成的金属层内产生空洞而影响互连效果。
[0055] 由于所述导电层101表面具有钝化层102,在采用上述溶液进行清洗的过程中，所 述钝化层102与清洗溶液不发生反应，可以保护所述导电层101使所述导电层101的金属 材料不受腐蚀。
[0056] 在本发明的其他实施例中，还可以采用其他合适的清洗溶液去除所述残留的聚合 物。
[0057] 请参考图6,采用退火工艺去除所述钝化层102 (请参考图5)。
[0058] 所述退火工艺为低温退火工艺，所述退火工艺在N2、H2中的一种或两种气体氛围 中进行，退火温度为200°C?400°C，退火时间为30min?lh。
[0059] 所述钝化层102在低温退火处理过程中，会发生分解，形成Cu和挥发性气体，从而 将所述钝化层102 (请参考图5)去除，避免影响后续开口内的金属材料与导电层101之间 的连接性能。工艺步骤简单，容易实现。
[0060] 并且，在采用退火工艺去除钝化层102的同时，也可以对清洗过程中残留的水分 进行干燥，从而后续不需要再额外进行干燥步骤。
[0061] 请参考图7,在所述开口 201内形成与导电层101连接并填充满开口的金属层 203。
[0062] 所述金属层203的材料为铜，所述金属层203与导电层101连接，实现层间的互 连。
[0063] 形成所述金属层203的方法包括：采用化学气相沉积或溅射工艺，形成填充满所 述开口 201和硬掩膜层202表面的金属材料层，以所述介质层200为停止层，采用化学机械 研磨工艺对所述金属材料层进行平坦化，形成金属层203,所述金属层203的表面与介质层 200的表面齐平。
[0064] 在本发明的其他实施例中，在形成所述金属层203之前，在所述开口内壁表面形 成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层的材料可以是TiN、TaN等材料，阻挡金属层203内的金属向 介质层200内扩散，影响介质层200的隔离效果。
[0065] 由于在采用清洗溶液去除开口内壁表面的聚合物的过程中，导电层101没有收到 腐蚀，所以所述导电层101的表面较为平整，从而后续形成的金属层203与导电层101的表 面结合较为紧密，缺陷减少，可以避免金属层203和导电层101之间出现断路等现象，提高 金属互连结构的性能。
[0066] 本实施例中，在去除所述开口内壁表面的聚合物之前，采用钝化溶液在导电层表 面形成钝化层，然后再采用清洗溶液去除所述开口内壁表面的聚合物，由于所述清洗溶液 不能与钝化层产生反应，所以所述钝化层在清洗过程中能够保护导电层的表面不受清洗溶 液的腐蚀，避免清洗过程中导电层的金属材料受到损失，从而防止后续在开口内沉积形成 的金属层与导电层之间产生断路等不量现象，从而可以提高形成的互连结构的连接性能。
[0067] 并且，本实施例中，在采用清洗溶液去除开口内壁的聚合物之后，采用退火工艺去 除所述导电层表面的钝化层，工艺步骤简单，容易实现，并且所述退火工艺还可以同时去除 清洗步骤中残留的水分，从而节约干燥步骤。
[0068] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本 发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括： 提供基底，所述基底内形成有导电层，所述基底表面形成有介质层； 在所述介质层内形成具有暴露所述部分导电层的开口； 采用钝化溶液对开口底部的导电层表面进行钝化，形成钝化层； 采用清洗溶液，对开口内壁进行清洗，去除开口内壁表面的聚合物，所述清洗溶液不与 钝化层反应。
2. 根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述导电层的材料为 Cu〇
3. 根据权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述钝化溶液为 1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液、1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶液或者1，2, 3-苯并三 氮唑的衍生物与1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液，并且，所述1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中 1，2, 3-苯并三氮唑的浓度为lOppm?lOOOppm，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶液 中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的浓度为lOppm?lOOOppm，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生 物与1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物与1，2, 3-苯并三氮唑的 总浓度为lOppm?lOOOppm。
4. 根据权利要求3所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述1，2, 3-苯并三氮 唑的衍生物至少包括4-甲基-苯并三氮唑、5-甲基-苯并三氮唑、5-氯-苯并三氮唑或 5-硝基-苯并三氮唑中的一种。
5. 根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述清洗溶液包括第 一溶液，所述第一溶液为取代胺和杂环化合物的混合溶液。
6. 根据权利要求5所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述清洗溶液中还包 括第二溶液，所述第二溶液具有氧化性。
7. 根据权利要求6所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第二溶液为H202溶 液。
8. 根据权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述H202溶液的浓度 为 20% ?40%。
9. 根据权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述第二溶液与第一 溶液的体积比为1 : 1?1 : 10。
10. 根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括：采用退火工 艺去除所述钝化层。
11. 根据权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述退火工艺在N2、 H2中的一种或两种气体氛围中进行，退火温度为200°C?400°C，退火时间为30min?lh。
12. 根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料为 低K介质材料。
13. 根据权利要求12所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述低K介质材料包 括碳化硅、碳氧化硅、有机硅氧烷聚合物、氟碳化合物中的一种或几种。
14. 根据权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述介质层表面具有 硬掩膜层。
15. 根据权利要求14所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材 料为TiN。
16. 根据权利要求10所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括在所述开口 内形成与导电层连接并填充满开口的金属层。
17. 根据权利要求16所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述金属层的材料 为Cu。
18. 根据权利要求16所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，还包括在形成所述 金属层之前，在所述开口内壁表面形成扩散阻挡层。
19. 根据权利要求18所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述扩散阻挡层的 材料为TiN或TaN。
【文档编号】H01L21/02GK104425210SQ201310365795
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】胡春周 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司