利用湿法工艺改善介电层剥落的方法与流程

1.本发明涉及半导体器件制造领域，具体涉及一种改善介电层剥落的方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，半导体器件的尺寸不断缩小，相应的技术节点不断提高，晶边(waferbevel)对制程影响越来越大。在经过诸如化学气相沉积、物理气相沉积、研磨工艺、光刻工艺、刻蚀工艺等工艺之后，会在晶边形成凹陷并沉积不同的薄膜层，晶边的薄膜层之间会由于各膜层粗糙的表面以及不均匀的厚度，导致膜层间结合力较弱。
3.尤其是在金属栅极制程中，沉积金属层之后，金属层会沉积嵌入晶边的凹陷处，位于晶边的金属层经过平坦化处理后仍有残留，然后形成层间介电层后，晶边处残留的金属层与其上的介电层之间曾在较大的应力作用，使膜层间的结合力更为薄弱，在后续的工艺中极易发生介电层剥落的现象，影响后续工艺的品质。


技术实现要素：

4.为改善晶边的介电层剥落的问题，本发明提供了一种利用湿法工艺改善介电层剥落的方法，包括以下步骤：
5.提供晶圆，晶圆的表面形成有栅极介电层，栅极介电层具有若干间隔的沟槽；
6.在沟槽中填满金属，并进行平坦化工艺去除栅极介电层表面上的金属，以形成金属栅极；
7.进行湿法工艺，以去除晶背的污染物和晶边残留的金属层，湿法工艺包括：将晶圆放入第一清洗液中，使晶背和晶边同时被第一清洗液浸没，直至晶背的污染物和晶边残留的金属层被去除；
8.形成层间介电层，层间介电层覆盖栅极介电层和金属栅极。
9.可选地，栅极介电层和层间介电层的材料包括sio2。
10.可选地，晶边为晶圆的正面上距离晶圆的侧壁预定距离以内的环形区域，该预定距离为2mm～3mm。
11.可选地，金属层的材料包括铝。
12.可选地，第一清洗液包括sc1清洗液和sc2清洗液中的一种，sc1清洗液为氨水、双氧水以及水的混合物；sc2清洗液是盐酸、双氧水和水的混合物。
13.可选地，在去除晶背的污染物和晶边残留的金属层的步骤之后，湿法工艺还包括：将晶圆放入第二清洗液中，使晶背和晶边同时被第二清洗液浸没，直至晶边的层间介电层被部分去除。
14.可选地，第二清洗液包括稀释氢氟酸，稀释氢氟酸的体积百分比浓度为1％～49％。
15.可选地，稀释氢氟酸的体积百分比浓度为1％。
16.可选地，湿法工艺在具有防护板组件的清洗槽中进行，所述防护板组件至少保护
金属栅极不被清洗液腐蚀。
17.可选地，形成栅极介电层、金属层和层间介电层的工艺包括原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺和物理气相沉积工艺中的至少一种。
18.与现有技术相比，本发明所提供的利用湿法工艺改善介电层剥落的方法，具有以下优点：
19.通过所述湿法工艺去除晶边处残留的金属层，在形成层间介电层之后，提高了晶边处膜层间的结合力，改善了现有工艺中由于残留的金属层导致的晶边的层间介电层剥落的问题，提高了工艺品质；同时，所述湿法工艺可以将晶背清洗和去除晶边的残留金属层的步骤在现有的清洗机台中同时进行，不需要增加或改变现有的工艺流程。因此，所述湿法工艺，在不改变现有的工艺流程的情况下，改善了层间介电层剥落的问题，有效提高了工艺品质。
附图说明
20.图1为剥落的介电层的扫描电镜图像；
21.图2为本发明一实施例中的改善介电层剥落的方法的流程图；
22.图3～图7为本发明一实施例中的改善介电层剥落的方法的相应步骤的晶圆剖面的结构示意图；
23.其中，附图标记说明如下：
24.10-剥落的介电层；20-晶圆；201-栅极介电层；202-沟槽；203-浅沟槽隔离结构；204-晶边；205-金属栅极；206-残留金属层；207-晶背；208-层间介电层；31-清洗槽；32-第一清洗液；33-防护板组件；331-环形挡板。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明所提供的利用湿法工艺改善介电层剥落的方法作进一步详细说明。
26.请参阅图1，图1为现有的金属栅制程下，剥落的介电层10的扫描电镜图像，图像中不同形状的块状薄片经分析确认，均为从晶边处剥落的介电层。
27.上述介电层10剥落的原因在于，在形成金属栅极的过程中，会在晶边凹陷处沉积金属层。在其后对金属层进行化学机械研磨处理时，凹陷的晶边处的金属层无法被完全清除，残留的金属层厚度不一表面较粗糙。在其后沉积介电层时，这些厚度不一且表面粗糙的残留金属层与上层沉积的介电层之间会产生应力过剩，最终导致上层沉积的介电层剥落。这些剥落的介电层10会成为缺陷源，对后续的工艺产生破坏，例如在导线引入的时候会堵塞刻蚀孔，造成器件的电性异常。为有效地避免介电层剥落，需将晶边处的残留金属层去除。
28.而且，在进行上述沉积金属层和化学机械研磨后，晶背也会被金属污染，需要及时去除污染物，以免对后续工艺造成不良影响。现有技术中，去除晶背污染物通常采用晶背清洗工艺。
29.有鉴于此，本发明提供了利用湿法工艺改善介电层剥落的方法，请参阅图2，该方法包括以下步骤：
30.步骤s1：提供晶圆，所述晶圆的表面形成有栅极介电层，所述栅极介电层具有若干间隔的沟槽；
31.步骤s2：在所述沟槽中填满金属，并进行平坦化工艺去除所述栅极介电层表面上的金属，以形成金属栅极；
32.步骤s3：进行湿法工艺，以去除晶背的污染物和晶边残留的金属层，所述湿法工艺包括：将所述晶圆放入第一清洗液中，使所述晶背和所述晶边同时被所述第一清洗液浸没，直至所述晶背的污染物和所述晶边残留的金属层被去除；
33.步骤s4：形成层间介电层，所述层间介电层覆盖所述栅极介电层和所述金属栅极。
34.参阅图3，执行步骤s1，提供晶圆20，所述晶圆20的表面形成有栅极介电层201，所述栅极介电层具有若干间隔的沟槽202。
35.在本实施例中，所述栅极介电层201的材料优选为sio2(sio2可以是未经掺杂的，也可以是经过掺杂的)，也可以为其他合适的材料，例如氮氧化硅(sion)；所述栅极介电层201的形成工艺优选为化学气相沉积工艺，也可以选择其他合适的工艺。在本实施例中，在所述栅极介电层201的下方还形成有浅沟槽隔离结构203，所述浅沟槽隔离结构203可以位于所述晶圆20的边缘处，也可以位于所述晶圆20的其他位置，具体可根据工艺需要设置。例如，图3示出了位于边缘处的浅沟槽隔离结构。所述浅沟槽隔离结构203的材料优选为sio2，也可以为现有技术中的其他合适的材料，例如氮氧化硅(sion)。所述浅沟槽隔离结构203为现有技术，在此不做赘述。
36.在形成所述栅极介电层201后，由于受之前的过程工艺的影响，在所述晶边204已形成了台阶状或斜坡状的凹陷结构。在本实施例中，所述晶边204定义为所述晶圆20的正面上距离侧壁预定距离之内的环形区域，所述预定距离为2mm～3mm之间。
37.参阅图4，执行步骤s2，在所述沟槽202中填满金属，并进行平坦化工艺去除所述栅极介电层201表面上的金属，以形成金属栅极205。
38.所述平坦化工艺，至少移除掉所述沟槽202的上开口所在平面以上的金属层以及所述栅极介电层201以上的金属层，并露出所述栅极介电层201的上表面，以及确保所述晶圆20表面平滑。经过所述平坦化工艺后，在所述沟槽内形成所述金属栅极205。另外，由于所述晶边存在凹陷，在形成金属层后，在凹陷的晶边处也会沉积金属层，经过所述平坦化工艺后，凹陷的晶边处的金属层很难被去除，因而形成残留金属层206。这些残留金属层206会与其后沉积的层间介电层之间产生应力过剩，最终导致其上的层间介电层剥落，因此需要被及时地去除。
39.由于铝具有优异的电学性能，在本实施例中，所述金属层的材料优选为金属铝，也可以为其他合适的金属，例如还可以是钨；所述金属层的形成工艺优选为原子层沉积工艺，但不限于此，还可以是其他合适的工艺；所述平坦化工艺优选为化学机械研磨(cmp)工艺，但不限于此，也可以采用其他合适的工艺。
40.在另一实施例中，在形成所述金属层之前，在所述沟槽和所述栅极介电层上依次形成有阻挡层和功函数层，所述阻挡层、功函数层和金属层组成金属栅极叠层，以提高最终形成的金属栅极的品质。其中，所述金属层的厚度超过整个金属栅极叠层的厚度的95％。所述功函数层可调节金属栅极的功函数，所述阻挡层将其下的栅极介电层与其上的功函数层分隔，以减少所述栅极介电层与所述功函金属层之间的相互作用。所述阻挡层和功函数层
的材料和形成工艺可参考现有技术，在此不做赘述。
41.参阅图5，执行步骤s3，进行湿法工艺，以去除晶背的污染物和晶边残留的金属层206，所述湿法工艺包括：将所述晶圆20放入第一清洗液中，使晶背207和所述晶边204同时被所述第一清洗液浸没，直至所述晶背207的污染物和所述晶边204的残留金属层206被去除。
42.在本实施例中，所述晶背207的污染物主要包括金属和金属氧化物，所述污染物是在前述的步骤s2中形成的，这些污染物容易扩散成为缺陷源引起器件损伤或造成交叉污染，因此需要及时去除。所述第一清洗液优选为sc1清洗液，sc1清洗液为氨水、双氧水以及水的混合物，三者体积比为1:2:50，可有效去除所述晶背207的污染物和所述晶边204的残留金属层206，同时也可以去除其他氧化物污染物。为确保清洗效果，可以对湿法工艺的参数进行控制，例如，在本实施例中，所述晶边204的残留金属层206厚度达到几十为确保所述残留金属层被彻底去除，sc1清洗液对所述残留金属层206的刻蚀速率控制在之间，清洗时间控制在180s～300s之间。所述第一清洗液不限于sc1清洗液，在另一实施例中，所述第一清洗液可以是sc2清洗液，sc2清洗液是盐酸、双氧水和水的混合物，三者的体积比例为1:1:50，所述第一清洗液还可以是其他合适的清洗液。
43.本实施例中，利用所述湿法工艺，可以将晶背清洗和去除所述残留金属层206的操作同时进行，以简化工艺流程。所述湿法工艺可在现有的清洗机台中进行。例如在本实施例中，所述湿法工艺在一种单片式清洗机台的清洗槽中进行，请参阅图6，所述晶圆20固定并置于所述清洗槽31上方，向所述清洗槽31中通入所述第一清洗液32，使所述第一清洗液32浸没所述晶背207和所述晶边204，清洗一定时间直至所述晶背207的污染物和所述晶边204的残留金属层206被去除。上述操作过程中，为确保所述第一清洗液32在清洗所述晶背207和所述晶边204的时候，不会对晶圆20正面的所述金属栅极205产生腐蚀，更进一步地，为确保所述第一清洗液32不会对所述晶圆20正面的除所述晶边204以外的其他区域产生腐蚀，通常需要用到一种防护板组件33。所述防护板组件33为盆体结构，盆体外侧的环形挡板331扣置于所述晶圆20的正面，通过调节所述防护板组件33的防护半径，形成预期的防护区域并露出所述晶边204，该防护区域至少覆盖所述金属栅极205，更进一步地，该防护区域覆盖所述晶圆20的正面除所述晶边204以外的其他区域。在盆体外侧的环形挡板331扣置于所述晶圆20的正面之后，向所述盆体中持续吹送氮气(n2)，使所述盆体中形成n2保护气流，该保护气流持续地向盆体的外围吹扫，可以防止所述环形挡板331外围的所述第一清洗液32进入所述防护区域，从而确保所述晶圆20正面的金属栅极205不会被所述第一清洗液32腐蚀。
44.在本实施例中，在去除所述晶背207的污染物和所述晶边204的残留金属层206的步骤之后，所述湿法工艺还包括：第二清洗液清洗。请继续参阅图6，所述第二清洗液清洗的方法为：在上述的第一清洗液清洗完成后，打开所述清洗槽31的排出管路将所述第一清洗液32排出，然后关闭所述排出管路并通入所述第二清洗液，使所述第二清洗液浸没所述晶背207和所述晶边204，清洗一定时间直至所述晶边204的所述栅极介电层201被部分去除。第二清洗液清洗的过程同样利用所述的防护板组件33对所述晶圆20正面的所述金属栅极205进行防护，以免所述金属栅极205被所述第二清洗液腐蚀。
45.所述第二清洗液优选为稀释氢氟酸(dhf)，利用dhf刻蚀掉所述晶边的一小部分栅
极介电层201(不超过)，以确保位于所述栅极介电层201之上的所述残留金属层206被彻底去除，提高所述晶边204的残留金属层206的去除效果；同时，dhf还可有效去除所述晶背207的一些氧化物颗粒，例如氧化硅颗粒等，提高晶背清洗的效果。
46.在用dhf清洗的时候，需确保所述栅极介电层201仅被部分去除，即dhf不会对所述栅极介电层201以下的结构造成损伤。为达到前述目的，会对工艺参数进行控制，例如在本实施例中，所述dhf的浓度不宜过高，体积百分比浓度优选为1％，所述dhf对所述残留金属层206的刻蚀速率控制在左右，刻蚀时间不超过60s。
47.在其他实施例中，在完成所述湿法工艺之后，会接着对所述晶圆20进行去离子水清洗，以去除所述晶圆20表面残留的清洗液以及其他副产物。所述去离子水清洗，是晶圆生产和加工过程中频繁用到的工序，在此不做赘述。
48.在步骤s3中，利用所述的湿法工艺，有效地去除了所述晶边204的残留金属层206，改善了所述残留金属层206引起的层间介电层剥落的问题；同时，所述湿法工艺可将晶背清洗和去除晶边的残留金属层206在现有的清洗机台中同时进行，不需要增加或改变现有的工艺流程。因此，所述湿法工艺，在不改变现有的工艺流程的情况下，可有效提高工艺品质。
49.参阅图7，执行步骤s4，形成层间介电层208，所述层间介电层208覆盖所述栅极介电层201和所述金属栅极205。
50.在本实施例中，形成所述层间介电层208的工艺包括化学气相沉积工艺，但不限于此，也可以为其他合适的工艺。所述层间介电层208的材料包括sio2，但不限于此，例如，还可以为sion。所述层间介电层208在覆盖所述栅极介电层201时，同时也会覆盖所述晶边204，在所述晶边204处，所述层间介电层208直接附着于所述栅极介电层201之上，由于二者均为绝缘介质膜层，通常具有相似的力学结构，更进一步地，在本实施例中，二者均为sio2，因此二者间的层间结合力较强并有效降低了层间的应力作用，这种较强的层间结合力可有效防止所述层间介电层208的剥落。
51.综上所述，本发明所提供的利用湿法工艺改善介电层剥落的方法，利用所述的湿法工艺，有效地去除了晶边的残留金属层，改善了所述残留金属层引起的其上的层间介电层剥落的问题；同时，所述湿法工艺可以将晶背清洗和去除晶边的残留金属层的步骤在现有的清洗机台中同时进行，不需要增加或改变现有的工艺流程。因此，所述湿法工艺，在不改变现有的工艺流程的情况下，有效改善了层间介电层剥落的问题，提高了工艺品质。
52.此外，可以理解的是，本发明中所述的“层”，指的是薄膜层，所述薄膜层通过现有的合适的薄膜制备工艺形成。还可以理解的是，当一个“层”被指在另一个“层”之上或之下时，它可以直接位于另一个“层”之上或之下，或者也可以存在中间层，除非上下文明确表达出了两层之间不包含中间层。还可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，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。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。