製作雙鑲嵌結構以及清除其殘餘聚合物的方法
2023-05-26 06:06:16 1
專利名稱：製作雙鑲嵌結構以及清除其殘餘聚合物的方法
技術領域：
本發明提供一種製作雙鑲嵌結構的方法，尤指一種能有效去除在蝕刻過程中產生的殘餘聚合物的雙鑲嵌結構的製作方法。
背景技術：
銅雙鑲嵌(dual damascene)技術搭配低介電常數(low-k)介電層為目前所知高集成度、高速(high-speed)邏輯集成電路晶片製造以及0.18微米以下半導體工藝的最佳金屬內連線解決方案。其原因在於銅具有低電阻值(比鋁低30％)以及優選抗電遷移(electromigration resistance)等特性，而具有低介電常數的介電層材料能幫助降低金屬導線之間的RC延遲(RC delay)，由此可知，具有低介電常數的介電層材料搭配銅金屬雙鑲嵌內連線技術在集成電路工藝中顯得日益重要。其中，具有低介電常數的介電層材料包含有含氟二氧化矽(fluorinated silica glass，FSG)、有機矽玻璃(organosilicate，OSG)以及超低介電常數(Ultra low-k，ULK)材料(k＜2.5)等。
一般製作雙鑲嵌結構的工藝包含有先形成溝渠(trench-first)的雙鑲嵌工藝或是先形成通孔(via-first)的雙鑲嵌工藝。請參考圖1至圖5，圖1至圖5顯示現有以先形成溝渠的方式製作一雙鑲嵌結構的工藝的剖面示意圖。如圖1所示，首先提供一襯底12，其上具有一導電層14，而在導電層14上具有一由氮化矽(silicon nitride)所構成的底層16。接著，在底層16上依序形成一第一介電層18、一蝕刻停止層20、一第二介電層21以及一抗反射(anti-reflective coating，ARC)層22，其中，蝕刻停止層20由氮化矽材料所形成。接著以旋塗(spin-coating)方式於抗反射層22之上形成一第一光致抗蝕劑層24，並以微影工藝配合光掩模在第一光致抗蝕劑層24中定義出具有導線圖案的溝渠開口26。
請參考圖2所示，然後執行一第一蝕刻工藝，透過定義在第一光致抗蝕劑層24內的溝渠開口26向下蝕刻，在第二介電層21中形成一溝渠圖案28，並使蝕刻停止在蝕刻停止層20。然後，將第一光致抗蝕劑層24以及抗反射層22去除。接著如圖3所示，全面形成一平坦層30，同時，在溝渠圖案28內亦填入平坦層30的材料。接著，在平坦層30上形成一第二光致抗蝕劑層32。然後於第二光致抗蝕劑層32中利用微影工藝定義通孔開口34。
繼續，如圖4所示，以第二光致抗蝕劑層32為蝕刻掩模，透過通孔開口34向下蝕刻平坦層30、蝕刻停止層20、第一介電層18直至底層16停止，形成通孔36。隨後如圖5所示，去除剩下的第二光致抗蝕劑層32以及平坦層30，再蝕刻底層16，以形成具有溝渠以及通孔的雙鑲嵌結構38。
然而在進行上述蝕刻工藝時，往往會伴隨產生許多聚合物40殘留在雙鑲嵌結構38的側壁及底部，因此若直接於雙鑲嵌結構38中填入金屬導電層42以製作金屬導線以及導電插塞，則會產生電阻值增高的情形。現有技術的解決方法是將襯底12移送至一溼式清洗裝置中，對其進行一溼式清洗工藝。但是，當雙鑲嵌結構結合如OSG等低介電常數材料以及利用碳化矽材料作為蝕刻停止層時，其所產生的殘留聚合物，例如具有碳氟原子鍵結的聚合物，已無法使用現有的溼式清洗工藝有效清除。
另一方面，在先形成通孔的雙鑲嵌結構工藝中，先以一第一光致抗蝕劑層定義出通孔圖案，進行貫穿蝕刻至底層導電層，待去除第一光致抗蝕劑層後，再形成一第二光致抗蝕劑層，定義出導線溝渠圖案，並以掩模層中的碳化矽層為蝕刻停止層，進行溝渠結構的蝕刻，以完成雙鑲嵌結構。在此種雙鑲嵌結構的工藝中，亦會在介電層側壁及通孔底部殘留聚合物，造成電阻值提高及RC延遲效應等瑕疵。同樣地，傳統溼式清洗方式在面對蝕刻由低介電常數材料形成的介電層以及碳化矽蝕刻停止層所產生的殘留聚合物時，仍然產生無法有效清除聚合物的問題。
在美國專利第6,713,402號「清除蝕刻停止層的蝕刻後聚合物的方法(Method for polymer removal following etch-stop layer etch)」中，雖然公開了在雙鑲嵌結構蝕刻完成後，將半導體襯底傳送至一等離子體清洗室中，通入含氫的等離子體以移除殘留的聚合物。然而，如何以更簡便及有效的方式去除蝕刻介電層後所產生的聚合物，且不會在清除中破壞雙鑲嵌結構，仍然是業界亟待研究改良的課題。
發明內容
因此本發明的主要目的在於提供一種製作雙鑲嵌結構以及清除其殘留聚合物的方法，以解決上述現有在製作雙鑲嵌結構時以溼式清洗方式無法有效清除殘留聚合物的問題。
根據本發明的權利要求，公開了一種製作一雙鑲嵌結構的方法。首先提供一半導體襯底，該半導體襯底之上包含有一導電層。然後於半導體襯底上依序形成一介電層、一硬掩模層、一第一抗反射底層以及一第一光致抗蝕劑層，其中第一光致抗蝕劑層具有一溝渠開口，暴露出部份第一抗反射底層。然後進行一第一蝕刻工藝，透過溝渠開口蝕刻第一抗反射底層以及硬掩模層，於硬掩模層蝕刻出一溝渠凹陷，再去除第一光致抗蝕劑層以及第一抗反射底層。接著，於半導體襯底上依序形成一第二抗反射底層以及一第二光致抗蝕劑層，其中第二抗反射底層填入該溝渠凹陷中，而第二光致抗蝕劑層具有一通孔開口，暴露出部份第二抗反射底層。隨後進行一第二蝕刻工藝，透過通孔開口蝕穿第二抗反射底層、硬掩模層以及蝕刻部份介電層，以於介電層中蝕刻出一通孔凹陷。然後去除第二光致抗蝕劑層以及第二抗反射底層，並進行一第三蝕刻工藝，經由通孔凹陷以及溝渠凹陷蝕刻介電層，直至暴露出導電層，形成一雙鑲嵌結構。最後進行一乾式清洗工藝，去除上述步驟所產生的殘留聚合物，其中第三蝕刻工藝以及乾式清洗工藝於同一反應室中連續完成。
由於本發明方法在同一反應室中連續進行第二蝕刻工藝、清除第二光致抗蝕劑層、第三蝕刻工藝以及乾式清洗工藝，故能以較低成本和簡單工藝，有效清除因多次蝕刻所產生的殘留聚合物。而且本發明方法在進行蝕刻工藝的同一反應室中通入氣體，優選為含氫的氣體，以改變殘留聚合物的組成，形成較容易清除的物質。
圖1至圖5為現有製作一雙鑲嵌結構的工藝的剖面示意圖；圖6至圖11為本發明製作雙鑲嵌結構的工藝的剖面示意圖。
附圖標記說明12 襯底14 導電層16 底層18 第一介電層20 蝕刻停止層 21 第二介電層22 抗反射層24 第一光致抗蝕劑層
26 溝渠開口 28 溝渠圖案30 平坦層 32 第二光致抗蝕劑層34 通孔開口 36 通孔38 雙鑲嵌結構 40 聚合物42 金屬導電層 100 襯底102 導電層 104 第一介電層105 底層 106 第二介電層108 蝕刻停止層 110 金屬層112 掩模層 116 第一抗反射底層118 第一光致抗蝕劑層 120 溝渠開口122 溝渠凹陷 124 第二抗反射底層126 第二光致抗蝕劑層 128 通孔開口130 通孔凹陷 132 雙鑲嵌結構133 聚合物 134 乾式清洗工藝136 金屬導電層具體實施方式
請參考圖6至圖11，圖6至圖11為本發明製作雙鑲嵌結構的工藝的剖面示意圖，此實例中採用先形成溝渠的方式製作雙鑲嵌結構。如圖6所示，首先提供一半導體襯底100，其上具有一導電層102，設於一第一介電層104中。接著，於第一介電層104以及導電層102之上依序形成一底層105、一第二介電層106、一蝕刻停止層108、一金屬層110、一掩模層112以及一第一抗反射底層116。其中，蝕刻停止層108、金屬層110以及掩模層112用來作為後續蝕刻工藝的硬掩模層114，而蝕刻停止層108的材料優選為碳化矽，金屬層110的材料優選為氮化鈦(TiN)或氮化鉭(TaN)，掩模層112則可選擇以等離子體形成的等離子體增強氧化(plasma enhanced oxide，PEOX)層。此外，底層105是一氮化矽層，而第二介電層106的材料為低介電常數材料(k≤2.9)，例如FSG、OSG或ULK(k＜2.5)材料。接著，在第一抗反射底層116上沉積一第一光致抗蝕劑層118，並進行一微影工藝，在第一光致抗蝕劑層118中定義出具有導線圖案的溝渠開120。
然後如圖7所示，執行一第一蝕刻工藝，透過第一光致抗蝕劑層118內的溝渠開口120蝕刻掩模層112、金屬層110以及蝕刻停止層108，在硬掩模層114中形成一溝渠凹陷122，並使蝕刻停止在蝕刻停止層108。然後，將第一光致抗蝕劑層118以及第一抗反射底層116去除。接著，如圖8所示，於硬掩模層114上形成一第二抗反射底層124，並在溝渠凹陷122內填入第二抗反射底層124，然後在第二抗反射底層124上形成一第二光致抗蝕劑層126，再利用微影工藝於第二光致抗蝕劑層126上定義出金屬內連線的通孔圖案的通孔開口128。如圖9所示，接著以第二光致抗蝕劑層126為蝕刻掩模進行一第二蝕刻工藝，透過通孔開口128向下蝕刻第二抗反射底層124、蝕刻停止層108，一直蝕刻至部份的第二介電層106停止，形成一通孔凹陷130，形成「部分(partial)」通孔開口。所以稱為「部分」通孔開口是因為此時蝕刻的通孔並未穿過整層第二介電層。
隨後如圖10所示，通入氧氣以清除剩下的第二光致抗蝕劑層126以及第二抗反射底層124。接著，再利用蝕刻停止層108作為蝕刻掩模，進行一第三蝕刻工藝，例如一反應離子蝕刻(reactive ion etching，RIE)工藝，透過通孔凹陷130及溝渠凹陷122蝕刻第二介電層106以及底層105，直至暴露出導電層102，以在第二介電層106中形成具有導線溝渠以及通孔的雙鑲嵌結構132。此時，由於第二介電層106的材料為低介電常數材料，因此在蝕刻時會產生具有碳氟鍵結(C-F)的聚合物133殘留於雙鑲嵌結構132內。另一方面，蝕刻含金屬的硬掩模層114亦可能產生較難清除的金屬衍生物。故本發明方法在第三次蝕刻工藝之後隨即於同一反應室中通入含有氫氣(hydrogen)、氧氣或四氟化碳(CF4)的氣體，優選為含氫氣的氣體，以對雙溝渠結構132進行一乾式清洗工藝134。其中，乾式清洗工藝134可利用如氬氣(argon)等惰性氣體或氮氣(nitrogen)伴隨氫氣一同通入反應室中。通入反應室中的氫氣會產生氫自由基(H*)，能取代氟原子，產生較容易清除的碳氫鍵結(C-H)。此外，當氮氣伴隨氫氣通入反應室時，氮氣會撞擊聚合物，破壞碳氟鍵結，同時亦會撞擊氫氣，促使氫氣產生大量氫自由基，提高氫自由基濃度，以增進乾式清洗工藝134的效能。
值得注意的是，本發明的第二蝕刻工藝、去除第二光致抗蝕劑層130與第二抗氧化底層124的步驟、第三蝕刻工藝以及乾式清洗工藝134優選皆於同一反應室中連續完成，以在乾式清洗工藝134中能有效清除殘留聚合物。
接著，請參考圖11，此時可選擇性將半導體襯底100移至一溼式清洗裝置中，對雙鑲嵌結構132進行一溼式清洗工藝。再於雙鑲嵌結構132中填入金屬導電層136，例如銅金屬，並進行一研磨工藝，以完成金屬導線以及導電插塞的製作。
在本發明的另一實施例中，先形成通孔的雙鑲嵌結構的製作方式先蝕穿第二介電層以形成一通孔，再於第二介電層的上部形成連通於通孔的導線溝渠，隨後於同一蝕刻反應室中通入含氫氣、氧氣、四氟化碳的氣體，進行一乾式清洗工藝，以清洗蝕刻第二介電層後所殘留的聚合物。
簡而言之，本發明方法在同一反應室中，連續進行雙鑲嵌孔洞的部分通孔蝕刻、去除光致抗蝕劑層、蝕穿通孔以及乾式清洗工藝，以簡單的工藝有效去除蝕刻工藝所產生的殘留聚合物，以使後續製作的金屬導線以及導電插塞能有優選電性效能。相較於現有技術，本發明乾式清洗工藝應用於多步驟的蝕刻工藝之後，在蝕刻工藝或清除光致抗蝕劑層的同一反應室直接進行通入氫氣等氣體的乾式清洗方法，可有效去除含碳氟鍵結的聚合物。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種製作一雙鑲嵌結構的方法，該方法包含有提供一襯底，其上包含有一導電層；於該襯底上依序形成一介電層、一硬掩模層、一第一抗反射底(bottomanti-reflection coating，BARC)層以及一第一光致抗蝕劑層，該第一光致抗蝕劑層具有一溝渠開口暴露出部份該第一抗反射底層；進行一第一蝕刻工藝，透過該溝渠開口蝕刻該第一抗反射底層以及該硬掩模層，以於該硬掩模層中蝕刻出一溝渠凹陷；去除該第一光致抗蝕劑層以及該第一抗反射底層；於該硬掩模層上依序形成一第二抗反射底層以及一第二光致抗蝕劑層，其中該第二抗反射底層填入該溝渠凹陷中，且該第二光致抗蝕劑層具有一通孔開口暴露出部份該第二抗反射底層；進行一第二蝕刻工藝，透過該通孔開口蝕穿該第二抗反射底層、該硬掩模層以及蝕刻部份該介電層，以於該介電層中蝕刻一通孔凹陷；去除該第二光致抗蝕劑層以及該第二抗反射底層；進行一第三蝕刻工藝，經由該通孔凹陷以及該溝渠凹陷蝕刻該介電層，直至暴露出該導電層，形成一雙鑲嵌結構；以及進行一乾式清洗工藝，去除上述步驟所產生的殘留聚合物，其中該第三蝕刻工藝以及該乾式清洗工藝於同一反應室中連續完成。
2.如權利要求1的方法，其中該乾式清洗工藝通入一含氫(hydrogen)、氧氣(oxygen)或四氟化碳(CF4)的氣體。
3.如權利要求2的方法，其中該氣體另包含有一惰性氣體或氮氣。
4.如權利要求3的方法，其中該惰性氣體是氬(argon)氣。
5.如權利要求2的方法，其中該氣體能提供氫自由基，以置換該等殘留聚合物的部分原子。
6.如權利要求1的方法，其中該硬掩模層是一複合層，其由下而上包含有一碳化矽層、一金屬層以及一等離子體增強矽氧(plasma enhanced oxide，PEOX)層，且該碳化矽層是該第一蝕刻工藝的蝕刻停止層。
7.如權利要求1的方法，其中該導電層之上另包含有一底層。
8.如權利要求1的方法，其中該介電層由低介電常數材料所構成。
9.如權利要求8的方法，其中該低介電常數材料為有機矽玻璃(organosilicate glass，OSG)、氟矽玻璃(fluorinated silica glass，FSG)或超低介電常數(Ultra low-k，ULK)材料(k＜2.5)層。
10.如權利要求1的方法，其中該方法在進行該乾式清洗步驟後另包含有進行一溼式清洗步驟。
11.如權利要求1的方法，其中該第二蝕刻工藝、去除該第二光致抗蝕劑層的步驟、該第三蝕刻工藝以及該乾式清洗工藝於同一反應室中連續形成。
12.一種清除製作一通孔時產生的聚合物的方法，該方法包含有提供一襯底，該襯底表面包含有一導電層以及一低介電常數(low-k；k≤2.9)層；進行一蝕刻工藝，於該低介電常數材料層中蝕刻出該通孔，暴露出該導電層；進行一乾式清洗工藝，通入一含氫氣、氧氣或四氟化碳的氣體，去除在蝕刻該低介電常數材料層時所產生的殘留聚合物，其中該乾式清洗工藝與該蝕刻工藝於同一反應室中連續完成。
13.如權利要求12的方法，其中該氣體另包含有一惰性氣體或一氮氣。
14.如權利要求13的方法，其中該惰性氣體是氬氣。
15.如權利要求12的方法，其中該氣體能提供氫自由基，以置換該等殘留聚合物的部分原子。
16.如權利要求12的方法，其中該低介電常數層是一有機矽玻璃(OSG)層、一氟矽玻璃(FSG)層一超低介電常數材料(k＜2.5)層。
17.如權利要求12的方法，其中該蝕刻工藝是一多步驟(multi-step)的蝕刻工藝。
18.如權利要求12的方法，其中該襯底另包含有一蝕刻停止層，設於該低介電常數材料層之上。
19.如權利要求18的方法，其中該蝕刻停止層是一碳化矽層。
20.如權利要求19的方法，其中該方法在該蝕刻工藝之前另包含有蝕刻該蝕刻停止層的步驟。
21.如權利要求12的方法，其中該方法在進行該乾式清洗步驟後另包含有進行一溼式清洗步驟。
全文摘要
本發明提供製作雙鑲嵌結構以及清除其殘留聚合物的方法，以解決現有在製作雙鑲嵌結構時以溼式清洗方式無法有效清除殘留聚合物的問題。該方法在蝕刻雙鑲嵌結構的部分通孔後，先去除定義該通孔的光致抗蝕劑層，再繼續蝕刻通孔至暴露出下層導電層，隨即於同一反應室中進行一乾式清洗工藝，以清除在蝕刻時產生的殘餘聚合物。
文檔編號H01L21/768GK1801474SQ20051000365
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月7日 優先權日2005年1月7日
發明者王鎮和 申請人:聯華電子股份有限公司