制造半导体器件的方法与流程

本公开涉及制造半导体器件的方法。

背景技术：

随着集成电路工艺的发展，金属互连大多采用铜互连技术。但由于铜的扩散问题，接触孔工艺还是采用钨填充技术。随着线宽的缩小，钨填充技术面临的挑战也越来越大。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括形成钨栓塞的步骤，所述步骤包括：在基底上形成接触孔；在所述接触孔的侧壁和底部形成阻挡层；在所述接触孔中沉积钨；通过第一刻蚀处理去除多余的钨；以及通过第二刻蚀处理去除多余的阻挡层，其中所述第二刻蚀处理为等离子体刻蚀处理，并且使用氯气与惰性气体作为刻蚀气体。

在根据本公开的一些实施例中，所述等离子刻蚀处理为感应耦合等离子体刻蚀处理、电容耦合等离子体刻蚀处理和微波电子回旋等离子体刻蚀处理之一。

在根据本公开的一些实施例中，所述第二刻蚀处理在反应室中进行，所述反应室具有用于使电场和/或磁场进入反应室的窗口，其中所述窗口由陶瓷材料制成。

在根据本公开的一些实施例中，所述陶瓷材料包含氧化镁。

在根据本公开的一些实施例中，所述陶瓷材料包含氧化铝。

在根据本公开的一些实施例中，所述惰性气体包括氩气和氦气中的至少一种。

在根据本公开的一些实施例中，所述氯气与所述惰性气体的流量比为1：1至1：10。

在根据本公开的一些实施例中，所述氯气与所述惰性气体的流量比为1：1至1：4。

在根据本公开的一些实施例中，所述第二刻蚀处理过程中电源的功率为300w-700w。

在根据本公开的一些实施例中，所述阻挡层由氮化钛形成。

在根据本公开的一些实施例中，所述方法还包括：

在形成所述阻挡层之前，在所述接触孔的侧壁和底部形成粘附层。

在根据本公开的一些实施例中，所述粘附层由钛形成。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种等离子体刻蚀装置，其中该等离子体刻蚀装置使用氯气与惰性气体作为刻蚀气体。

在根据本公开的一些实施例中，所述等离子体刻蚀装置包括反应室，其中每进行4000-6000次刻蚀处理后，清洗所述反应室。

在根据本公开的一些实施例中，每进行5000次刻蚀处理后，清洗所述反应室。

在根据本公开的一些实施例中，所述反应室包括使电场和/或磁场进入反应室的窗口。

在根据本公开的一些实施例中，所述窗口由陶瓷材料制成。

在根据本公开的一些实施例中，所述陶瓷材料包含氧化镁。

在根据本公开的一些实施例中，所述陶瓷材料包含氧化铝。

在根据本公开的一些实施例中，所述等离子体刻蚀装置为感应耦合等离子体刻蚀装置、电容耦合等离子体刻蚀装置和微波电子回旋共振等离子体刻蚀装置之一。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的钨栓塞的示意图。

图2示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的制造半导体器件时形成钨栓塞的流程图。

图3a-图3g示出了根据本公开一个或多个示例性实施例的形成钨栓塞的过程的示意图。

图4示出了根据本公开的一个或多个示意性实施例的感应耦合等离子体刻蚀设备的示意图。

注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

图1示出了根据本公开的一个或多个实施例的钨栓塞的示意图。如图1所示，金属布线2和金属布线6属于不同的金属布线层。在两个金属布线层之间设置有绝缘材料1(例如氧化硅、氮化硅等)以保持电学隔离。在需要使金属布线2和金属布线6电学连接的情况下，可以通过钨栓塞5来实现。在图1所示的示意性实施例中，钨栓塞5形成在接触孔内。

此外，接触孔的侧壁和底部还形成有粘附层3和阻挡层4。在根据本公开的一些实施例中，粘附层3可以由例如钛(ti)构成，阻挡层4可以由例如氮化钛(tin)构成。粘附层3可以增加钨与基底材料(例如氧化硅)的结合力，同时钛也可以在高温下与氧化硅反应，生成含钛的硅氧化物，从而降低电阻值。在通过化学气相沉积方式沉积钨时，会用到含钨的气体(例如六氟化钨)。这些含钨的气体具有很强的氧化性，会与钛反应，产生例如火山口(volcano)的缺陷。通过阻挡层4，可以阻止含钨的气体与钛接触，避免了上述火山口等缺陷的形成。另外，由例如氮化钛构成的阻挡层4的应力通常比较大，容易从绝缘材料1剥离，而粘合层3可以作为缓冲层来提高结合力。

图2示出了根据本公开的一个实施例的制造半导体器件过程中形成钨栓塞的流程图。如图2所示，形成钨栓塞的过程主要包括以下步骤：

在基底上形成接触孔(步骤201)；

在接触孔的侧壁和底部形成阻挡层(步骤202)；

在接触孔中沉积钨(步骤203)；

通过第一刻蚀处理去除多余的钨(步骤204)；以及

通过第二刻蚀处理去除多余的阻挡层(步骤205)。

下面将结合图3a-图3f详细描述形成钨栓塞的过程。

首先，如图3a所示，提供基底。该基底上具有金属布线2以及覆盖金属布线2的绝缘材料1。在根据本公开的一些实施例中，金属布线2可以由例如铜、铝等金属制成。绝缘材料1可以为例如氧化硅、氮化硅等。此外，虽然图3a中未示出，基底上还可以具有其它部件或结构，例如二极管、晶体管等。基底的材料可以是例如单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是例如硅锗化合物、绝缘体上硅(silicononinsulator，soi)或硅上外延层结构等。

然后，如图3b所示，在基底中形成接触孔306。在根据本公开的一个实施例中，在基底上先形成掩膜307，其中掩膜307覆盖基底表面，并且使得基板表面与接触孔306对应的区域暴露出来。然后，对暴露的区域进行刻蚀，从而形成接触孔306。

掩膜307可以由光刻胶制成，例如，可以在基底表面涂覆一层光刻胶，然后对基板表面与接触孔306对应的区域上的光刻胶进行曝光、显影，去除被曝光的光刻胶，从而形成图案化的掩膜307。

形成接触孔306的刻蚀处理可以采用干法刻蚀，例如利用cf4对从掩膜307暴露出来的绝缘材料1进行刻蚀。在根据本公开的一些实施例中，还可以选择性地在cf4气体中加入chf3或ch2f2。

经过刻蚀处理，形成接触孔306，使得金属布线1暴露出来。

接下来，如图3c所示，去除掩膜307，并且在基底表面形成一层粘合层3。如上所述，粘合层的作用是作为缓冲层，增加钨栓塞与绝缘材料1之间的结合力。在根据本公开的一个实施例中，可以采用例如钛(ti)作为粘合层的材料。例如，可以通过物理气相沉积的方式在基底表面沉积一层ti。如图3c所示，ti沉积在基底表面以及接触孔的底部和侧壁上。

接下来，如图3d所示，在粘合层3上形成阻挡层4。如上所述，阻挡层4可以阻止含钨的气体与粘合层3接触。在本公开的一个实施例中，可以采用例如氮化钛(tin)作为阻挡层4。可以通过多种方式来形成tin阻挡层3。例如，在粘合层3由ti制成的情况下，可以对粘合层3进行氮化处理。在一个示例性的实施例中，可以向反应室内通入氮气20sccm-50sccm的氮气，使得粘合层3中的ti在100℃-300℃下与氮气发生氮化反应，从而生成一层tin作为阻挡层3。在另一个示例性实施例中，可以通过例如金属有机物化学气相沉积(mocvd)工艺在粘合层3上沉积一层tin。例如可以通过四二甲基胺钛(tdmat)在预定的温度和压力下分解，生成tin。可选择地，还可以后续对通过mocvd生成的tin薄膜进行等离子处理，从而去除tin中的杂质，并且使得tin薄膜由无定形转变成多晶。

接下来，通过例如cvd工艺沉积一层钨，从而形成钨栓塞5。如图3e所示，钨沉积在基底表面并且填充到接触孔中。在接触孔中的钨构成了钨栓塞5。

对于基底表面多余的钨和tin，可以通过回刻(etchback)工艺去除。

在根据本公开的一个实施例中，通过例如感应耦合等离子(icp)处理对多余的钨和tin进行回刻。感应耦合等离子处理通常在感应耦合等离子体刻蚀设备中进行。

图4示出了根据本公开的一个实施例的感应耦合等离子体刻蚀设备的示意图。

如图4所示，感应耦合等离子体刻蚀设备包括反应室402、设置于反应室内的载片台401以及用于在反应室内产生磁场的线圈404。其中，线圈404设置在反应室402外部。为了使线圈404产生的磁场能够进入反应室402，在反应室402上还设置有窗口403。通常，窗口403可以由陶瓷(例如氧化铝)制成，并且含有氧化镁(mgo)作为氧化铝颗粒的粘合剂。窗口403可以允许线圈404产生的磁场进入反应室402，同时保持反应室402密封。

晶片405放置在载片台401上。当需要对晶片405进行感应耦合等离子刻蚀时，把刻蚀气体通入反应室中，由线圈404产生的电磁场使得刻蚀气体被电离，从而产生等离子体。

接下来，结合上述感应耦合等离子体刻蚀设备继续描述钨栓塞的制造过程。在感应耦合等离子体刻蚀设备中，可以对基底上多余的钨和tin进行刻蚀处理。

首先，通过第一刻蚀处理去除基底上多余的钨。例如，在根据本公开的一个实施例中，可以向反应室402内通入sf6、ar、n2的混合气体。由线圈404产生的电磁场使得混合气体被电离，从而实现对钨的刻蚀。图3f示出了经过第一刻蚀处理后的基底的示意图。如图3f所示，基底表面多余的钨被去除，仅剩下接触孔内的钨栓塞5。

然后，通过第二刻蚀处理去除基底上多余的tin。通常，可以向反应室402内通入例如氯气(cl2)和氯化硼(bcl3)作为刻蚀气体。但是，在第二刻蚀处理期间，氯化硼气体会吸附到由陶瓷制成的窗口403的表面。在这种情况下，氯化硼气体具有还原性，会与陶瓷材料发生反应，导致陶瓷材料的分解。这样，陶瓷材料中作为粘合剂的氧化镁被释放到反应室中，成为污染源，容易在基底上产生缺陷。

为了克服上述问题，需要频繁地对反应室402的窗口403进行清洁。例如，每处理100-200个晶片之后，就需要停止半导体器件的生产，对反应室402内部，例如窗口403的表面、反应室402的内壁以及载片台401等部位进行清洁，去除沉积的杂质。

在根据本公开的一些实施例中，在第二刻蚀处理期间，将氯气与惰性气体作为刻蚀气体通入反应室402中。例如，惰性气体可以选择氦气(he)和氩气(ar)中的至少一种。氯气和惰性气体的流量比可以为例如1：1至1：10。例如，氯气的流量可以为5sccm-80sccm，惰性气体的流量可以为例如20sccm-150sccm。

在一些实施例中，氯气和惰性气体的流量比还可以设置为例如1：1至1：4。相应地，氯气的流量可以为例如20sccm-50sccm，惰性气体的流量可以为例如50sccm-80sccm。

此外，为了提高刻蚀速率，感应耦合等离子体刻蚀设备的射频电源可以采用较大的功率，从而提高刻蚀速率，例如电源功率可以为300w-700w。

下面的表1示出了根据本公开的一些实施例对tin进行刻蚀的参数。

在采用上述氯气和惰性气体作为刻蚀气体进行第二刻蚀处理的情况下，可以减少在反应室402的窗口403表面上沉积的杂质的量，从而减少反应室402的清洁次数。例如，在根据本公开的一个实施例中，可以每处理4000-6000个晶片(例如5000个晶片)后停止半导体器件的制造，对反应室402内部的窗口403等进行清洁。因此，采用根据本公开的方法制造半导体器件中的钨栓塞，可以提高生产效率，降低制造成本。

上面虽然以感应耦合等离子体设备为例，但是本领域技术人员应当理解，还可以在其它干法刻蚀设备中进行上述第二刻蚀处理。例如，可以使用电容耦合等离子体(capacitivelycoupledplasma,ccp)刻蚀设备、微波电子回旋共振(microwaveelectroncyclotronresonance,ecr)刻蚀设备等，本公开对此不做限制。类似地，这些等离子体设备也可以具有使电场和/或磁场进入反应室的窗口，该窗口通常也由陶瓷材料制成。例如，在一些实施例中，陶瓷材料可以包括氧化铝和/或氧化镁。因此，当在这些等离子体设备中进行第二刻蚀处理时，同样可以减少反应室的清洁频率，提高生产效率。

图3g示出了根据本公开的一个实施例的经过第二刻蚀处理之后的钨栓塞的示意图。如图3g所示，经过第二刻蚀处理，去除了多余的氮化钛，从而形成了钨栓塞5。

此外，本公开还可以包括以下技术方案：

1、一种制造半导体器件的方法，其特征在于，包括形成钨栓塞的步骤，所述步骤包括：

在基底上形成接触孔；

在所述接触孔的侧壁和底部形成阻挡层；

在所述接触孔中沉积钨；

通过第一刻蚀处理去除多余的钨；以及

通过第二刻蚀处理去除多余的阻挡层，

其中所述第二刻蚀处理为等离子体刻蚀处理，并且使用氯气与惰性气体作为刻蚀气体。

2、根据1所述的方法，其特征在于，所述等离子刻蚀处理为感应耦合等离子体刻蚀处理、电容耦合等离子体刻蚀处理和微波电子回旋等离子体刻蚀处理之一。

3、根据1所述的方法，其特征在于，所述第二刻蚀处理在反应室中进行，所述反应室具有用于使电场和/或磁场进入反应室的窗口，其中所述窗口由陶瓷材料制成。

4、根据3所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包含氧化镁。

5、根据3所述的方法，其特征在于，所述陶瓷材料包含氧化铝。

6、根据1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气和氦气中的至少一种。

7、根据1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述氯气与所述惰性气体的流量比为1：1至1：10。

8、根据1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述氯气与所述惰性气体的流量比为1：1至1：4。

9、根据1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二刻蚀处理过程中电源的功率为300w-700w。

10、根据1所述的方法，其特征在于，所述阻挡层由氮化钛形成。

11、根据1所述的方法，其特征在于，还包括：

在形成所述阻挡层之前，在所述接触孔的侧壁和底部形成粘附层。

12、根据11所述的方法，其特征在于，所述粘附层由钛形成。

13.一种等离子体刻蚀装置，其特征在于，使用氯气与惰性气体作为刻蚀气体。

14.根据13所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述等离子体刻蚀装置包括反应室，其中每进行4000-6000次刻蚀处理后，清洗所述反应室。

15.根据14所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，每进行5000次刻蚀处理后，清洗所述反应室。

16、根据14或15所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述反应室包括使电场和/或磁场进入反应室的窗口。

17、根据16所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述窗口由陶瓷材料制成。

18、根据17所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述陶瓷材料包含氧化镁。

19、根据17所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述陶瓷材料包含氧化铝。

20.根据13所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述等离子体刻蚀装置为感应耦合等离子体刻蚀装置、电容耦合等离子体刻蚀装置和微波电子回旋共振等离子体刻蚀装置之一。

在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。

如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。

如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。

另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。

另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。

还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。

在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。

本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。