提高铜互联沟槽填充能力的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高铜扩散阻挡层溅射台阶覆盖能力的方法，在刻蚀完成介质层沟槽时，对金属硬质掩膜进行回刻，去除所述硬质掩膜的边角，以扩大沟槽的开口大小，然后制备铜扩散阻挡层覆盖沟槽及硬质掩膜的表面，并进行铜电镀和化学机械研磨工艺。由于本发明增加了一金属硬质掩模回刻的工艺，通过对金属硬质掩膜的边角进行刻蚀，增大了沟槽开口图案，在制备铜扩散阻挡层时，可避免在转角处形成凸起，进而在后续铜电镀工艺时提高填充能力，进而提升器件性能。
【专利说明】提高铜互联沟槽填充能力的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种提高铜互联沟槽填充能力的方法。
【背景技术】
[0002]随着器件尺寸的不断缩小，工作频率的提高，尤其是90nm节点以下，业界普遍使用大马士革铜互连技术，在大马士革铜互连技术中，需要在器件刻蚀形成铜互联沟槽，然后沉积一铜扩散阻挡层覆盖沟槽表面，然后填充金属铜并进行化学机械研磨得到所需结构。但是在沉积阻挡层的工艺中，阻挡层溅射时容易在沟槽开口转角形成凸起，进而导致开口图案较小，在对于具有较高深宽比的沟槽，在填充沟槽时，极易由于开口较小而导致沟槽填充不充分，进而影响器件性能。
[0003]图1?图4为现有技术中铜互联工艺的工艺流程图，包括以下步骤:
[0004]步骤1、在阻挡层I上表面自下而上依次沉积第一低介电常数层2和第二低介电常数层3，然后再沉积一金属硬掩膜4覆盖于第二低介电常数层3的上表面，形成图1所示结构；
[0005]步骤2、采用光刻工艺，形成互联沟槽，用来后续的填充铜互联导线，如图2所示结构；
[0006]步骤3、制备一铜扩散阻挡层覆盖沟槽的表面及剩余金属硬掩膜的上表面，如图3所示结构；
[0007]步骤4、进行铜电镀及化学机械研磨工艺去除金属硬掩膜顶部的铜扩散阻挡层及金属硬掩膜，然后在在沟槽填充材料层，如图4所示结构。
[0008]由于传统工艺是在刻蚀形成沟槽后直接沉积铜扩散阻挡层，在铜扩散阻挡层溅射时容易在转角处形成凸起，进而减小了开口图案大小，如图3所示。在深宽比较大的沟槽填充工艺中，导致填充的铜不能很好的充满沟槽，进而影响器件性能，如图4所示。
[0009]因此，如何提高沟槽内填充材料覆盖的完整性为本领域技术人员致力研究的方向。
[0010]中国专利(申请号:201110274227.1)公开了一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，包括以下步骤:包括如下步骤:在金属介电层中预先制作第一通孔和第一沟槽，并在金属介电层上由下至上依次沉积蚀刻阻挡层、牺牲层、硬掩膜层、第一抗反射涂层、对应于所述第一通孔的图形化的第一光刻胶；在后段互联金属工艺整合中形成双大马士革结构；在双大马士革结构中采用非氧化性酸去除蚀刻阻挡层之上的牺牲层；采用旋涂工艺将蚀刻阻挡层上方除金属铜之外的区域重新填满低介电常数材料，形成金属铜大马士革互联结构。本发明提供了一种金属铜大马士革互联结构的制造方法，以杜绝干法蚀刻和/或灰化工艺等在传统工艺中导致的低介电常数的损伤。
[0011]该发明在刻蚀形成沟槽时，是直接进行填充，在对深宽比较高的沟槽进行填充时，填充物可能在开口处形成堆叠，进而造成沟槽填充不充分，进而影响器件性能。
[0012]中国专利(申请号:200910055938.2)公开了一种铜互连方法，采用蚀刻工艺在介质层上形成通孔，并在通孔中沉积铜扩散阻挡层和铜籽晶层后，该方法包括:将晶圆从反应室中取出，在晶圆进入电镀槽之前，晶圆正面朝下并发生旋转；采用电化学镀ECP生长铜互连层；采用化学机械研磨将铜互连层抛光至介质层表面，形成铜导线。采用该方法能够在铜互连的过程中避免铜导线出现空洞，并避免对铜导线造成侵蚀。
[0013]该发明是通过在晶圆进行铜电镀工艺前，晶圆正面朝下并发生旋转，去除VOC或颗粒污染物，然后进行金属铜互联工艺。但是该专利是通过特殊的电镀环带动晶圆进行旋转以去除沟槽的污染物，而沟槽开口图案并没有得到改变，在深宽比较高的沟槽内沉积铜扩散阻挡层时，可能在开口处形成堆叠，进而造成后续的填充不充分，影响器件性能。
【发明内容】
[0014]为了解决上述问题，本发明提供了一种提高铜扩散阻挡层溅射台阶覆盖能力的方法，在刻蚀形成铜互联沟槽后，再对金属硬掩膜进行回刻，使金属硬掩膜在转角处形成一拐角，使得后续沉积的铜扩散阻挡层不会在转角处形成凸起，减小沟槽顶部的开口图案大小，进而在后续的铜电镀工艺中填充材料更好的覆盖住铜互联沟槽。
[0015]为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为:
[0016]一种提高沟槽填充能力的方法，应用于大马士革铜互联工艺中，其中，所述方法包括:
[0017]步骤1、于一衬底结构的表面依次淀积阻挡层、第一低介电常数层、第二低介电常数层和金属硬掩膜层后，回刻所述金属硬掩膜层、所述第二低介电常数层至所述第一低介电常数层中，形成互联沟槽；
[0018]步骤2、涂覆抗反射层充满所述互联沟槽并覆盖剩余的金属硬质掩模层的上表面；
[0019]步骤3、去除位于所述剩余的金属硬质掩模层上表面及其侧壁上的抗反射层，于所述剩余的金属硬质掩模层之间形成一顶部沟槽；
[0020]步骤4、刻蚀所述剩余的金属硬质掩模层，以扩展所述顶部沟槽的开口端；
[0021]步骤5、去除剩余的抗反射层后，继续后续铜扩散阻挡层及沟槽填充的制备工艺。
[0022]上述的方法，其中，通过光阻回刻工艺刻蚀去除硬质掩模上表面及侧面位于沟槽内的抗反射层。
[0023]上述的方法，其中，采用湿法清洗去除所述剩余抗反射层。
[0024]上述的方法，其中，所述金属硬质掩膜层为TiN。
[0025]上述的方法，其中，采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述剩余的金属硬质掩模层。
[0026]上述的方法，其中，通过调整所述等离子刻蚀的工艺参数来控制刻蚀后的金属硬质掩模层的宽度、侧壁形貌。
[0027]上述的方法，其中，所述铜扩散阻挡层为TaN。
[0028]上述的方法，其中采用物理气相沉积沉积所述铜扩散阻挡层。
[0029]由于本发明采用了以上技术方案，在刻蚀形成互联沟槽时，在沟槽内填充抗反射层后并对金属硬质掩模层进行刻蚀，去除沟槽金属硬质掩膜的边角，进而在都需沉积铜扩散阻挡层时，避免在转角处形成堆叠，进而在后续沟槽填充时使得填充更加充分，进而提升器件性能；同时由于在刻蚀金属硬质掩模层前，在沟槽内填充有抗反射层，可很好保护金属硬质掩模层下方的低介电常数层，避免在刻蚀金属硬质掩模层时对低介电常数层造成损伤。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、夕卜形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0031]图1?4为现有技术大马士革铜互联工艺的工艺流程图；
[0032]图5?12为本发明一种提高沟槽覆盖性方法的示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明:
[0034]图5?12为本发明一直提高铜互联沟槽覆盖完整性方法的流程图，包括以下步骤:
[0035]步骤1、于一衬底结构(图中未标示)的表面淀积一阻挡层1，然后在阻挡层I的上表面依次沉积第一低介电常数层2和第二低介电常数层3，然后再沉积一金属硬质掩膜层4覆盖于第二低介电常数层3的表面，形成图5所示结构。其中，在本发明一较佳的实施例中，阻挡层I为SiCN，第一低介电常数层2为FSG或SiCOH等材料，第二低介电常数层3为二氧化硅或碳氧化硅等材料，金属硬质掩膜层4为氮化钛。
[0036]步骤2、在金属硬质掩膜层4表面涂覆一层光阻，进行曝光显影工艺后于光阻中形成所需图案窗口，然后利用该窗口采用干法刻蚀工艺向下进行刻蚀至第一低介电常数层，形成互联沟槽，用来填充铜形成铜导线；并移除剩余光阻。如图6所示结构。
[0037]步骤3、涂布一抗反射层7填满互联沟槽并覆盖住剩余金属硬质掩模层4'的表面，如图7所示结构。
[0038]步骤4、采用光阻回刻工艺刻蚀去除位于剩余的金属硬质掩模层4'上表面及其侧壁上的抗反射层，于剩余的金属硬质掩模层4'之间形成一顶部沟槽，如图8所示。该步骤完成后，只在沟槽内保留有剩余抗反射层V，而其余部分的抗反射层则被去除，在后续的刻蚀工艺中可保护下方的结构免受刻蚀造成的损伤。
[0039]步骤5、采用等离子刻蚀工艺对剩余金属硬质掩模层4'进行选择性刻蚀，去除剩余金属硬质掩模层4'位于沟槽开口处的边角，以扩展其顶部沟槽的开口端，形成如图9所示结构。如图所示，经过刻蚀后，剩余金属硬质掩模层4'位于沟槽开口处的转角位置处被去除，形成一较圆滑的拐角，侧壁比较平缓，放大了沟槽开口的尺寸，进而在后续铜扩散阻挡层更加容易的进行沉积而不会形成堆叠；同时由于在互联沟槽保留有剩余抗反射层T，在刻蚀剩余金属硬质掩模层4'时可很好保护掩膜层下方的介质层，避免刻蚀对其造成损伤。同时，在本发明的实施例中，通过调整等离子刻蚀的工艺参数来控制刻蚀后的金属硬质掩模层的宽度、侧壁形貌，进而控制沟槽顶部开口的大小，达到最优的技术效果。
[0040]步骤6、采用湿法清洗工艺去除沟槽内剩余的抗反射层T，该步骤完成形成如图10所示结构。
[0041]步骤7、采用物理气相沉积工艺沉积一铜扩散阻挡层5覆盖住互联沟槽表面及剩余金属硬质掩模层结构4"的表面。优选的，该阻挡层5为氮化钛(TaN)，形成如图11所示结构。由于对剩余金属硬质掩膜层进行了刻蚀，去除了沟槽开口处金属硬质掩膜层的边角，使得边角处更加圆滑，进而扩展了沟槽顶部开口图案，在沉积铜扩散阻挡层5不容易在沟槽开口形成堆叠，进而更好的进行后续的填充工艺。
[0042]步骤8、进行后续的铜电镀沟槽填充工艺，由于沉积的铜扩散阻挡层5不会在开口转角处形成凸起，进行铜电镀填充后，可很好将沟槽填满，提高沟槽材料的覆盖能力，进而有利于提升器件性能，填充完成后采用化学机械研磨工艺抛光至第一低介电常数层2'上表面，形成图12所示结构。该工艺步骤采用本领域技术人员惯用技术手段，在此不予赘述。
[0043]综上所述，由于本发明增加了一金属硬质掩模回刻的工艺，刻蚀去除了沟槽开口转角处的金属硬质掩模，进而使沟槽开口变大，进而使得在后续铜电镀工艺中能够使得沟槽填充更加充分，进而提升器件性能；同时在回蚀金属硬质掩模时，在沟槽填充了有抗反射层，可很好保护金属硬质掩模层下方的低介电常数层，避免在使用等离子刻蚀金属硬质掩模时对低介电常数层造成损伤。
[0044]以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种提高沟槽填充能力的方法，应用于大马士革铜互联工艺中，其特征在于，所述方法包括: 步骤1、于一衬底结构的表面依次淀积阻挡层、第一低介电常数层、第二低介电常数层和金属硬掩膜层后，回刻所述金属硬掩膜层、所述第二低介电常数层至所述第一低介电常数层中，形成互联沟槽； 步骤2、涂覆抗反射层充满所述互联沟槽并覆盖剩余的金属硬质掩模层的上表面； 步骤3、去除位于所述剩余的金属硬质掩模层上表面及其侧壁上的抗反射层，于所述剩余的金属硬质掩模层之间形成一顶部沟槽； 步骤4、刻蚀所述剩余的金属硬质掩模层，以扩展所述顶部沟槽的开口端； 步骤5、去除剩余的抗反射层后，继续后续铜扩散阻挡层及沟槽填充的制备工艺。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过光阻回刻工艺刻蚀去除硬质掩模上表面及侧面位于沟槽内的抗反射层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用湿法清洗去除所述剩余抗反射层。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属硬质掩膜层为TiN。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述剩余的金属硬质掩模层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过调整所述等离子刻蚀的工艺参数来控制刻蚀后的金属硬质掩模层的宽度、侧壁形貌。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铜扩散阻挡层为TaN。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用物理气相沉积沉积所述铜扩散阻挡层。
【文档编号】H01L21/768GK103606532SQ201310506674
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】刘斌, 曾林华, 任昱, 吕煜坤, 张旭昇 申请人:上海华力微电子有限公司