用於含氮電介質層的低能蝕刻方法

2023-06-21 02:22:11

用於含氮電介質層的低能蝕刻方法
【專利摘要】在襯底上形成自下而上包括含氮電介質層、互連層面電介質材料層和硬掩模層的疊層。通過蝕刻圖形化所述硬掩模層和互連層面電介質材料層。採用圖形化的硬掩模材料作為蝕刻掩模，通過穿透性的各向異性蝕刻圖形化所述含氮電介質層，該各向異性蝕刻使用含氟代烴的等離子體穿透所述含氮電介質層。用於產生所述含氟代烴的等離子體的氟代烴氣體產生富碳的聚合物殘留物，該殘留物與所述含氮電介質層反應以形成揮發性化合物。等離子體能量可以被降低到100eV以下，從而減少了對互連層面電介質材料層的物理暴露表面的損傷。
【專利說明】用於含氮電介質層的低能蝕刻方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及半導體處理方法，並且尤其涉及在低能下各向異性蝕刻含氮電介質層的方法以及實現該方法的結構。
【背景技術】
[0002]由於貫穿圖形轉移過程而與暴露的金屬表面一起形成的殘餘物、金屬硬掩模保持(retention)以及對諸如有機矽酸鹽玻璃的低k材料的損傷，「先溝槽」BEOL應用遇到問題。殘餘的氟通常與殘餘物形成以及低k損傷有關。然而，在圖形轉移過程的最後階段期間，需要殘餘的氟來為蓋層的材料提供足夠的蝕刻速率。
[0003]通過工藝優化增加硬掩模保持是有挑戰的。因此，對於充足的光刻工藝窗口而能夠採用的硬掩模的初始厚度存在下限。
[0004]已經廣泛地嘗試了沉積可去除側壁聚合物沉積物來阻止對低k材料的損傷。可去除側壁聚合物沉積物填充了在各向異性蝕刻過程中形成的開口的外圍。一旦在各向異性蝕刻過程結束時達到溝槽底部，就在隨後的蝕刻處理步驟過程中，通過溼法蝕刻或幹法蝕刻去除該可去除側壁聚合物沉積物。去除側壁聚合物沉積物的要求嚴重限制了各向異性蝕刻的蝕刻工藝窗口，並且有效增加了能夠通過所述各向異性蝕刻形成的過孔的最小尺寸。
[0005]因此，期望這樣的各向異性蝕刻:其不用聚合物填充過孔的外圍並且同時提供對低k材料的保護。

【發明內容】

[0006]在襯底上形成自下而上包括含氮電介質層、互連層面電介質材料層和硬掩模層的疊層。通過蝕刻圖形化所述硬掩模層和互連層面電介質材料層。採用圖形化的硬掩模材料作為蝕刻掩模，通過穿透性(break-through)的各向異性蝕刻圖形化所述含氮電介質層,該各向異性蝕刻使用含氟代烴的等離子體穿透所述含氮電介質層。用於產生所述含氟代烴等離子體的氟代烴氣體產生富碳的聚合物殘留物，該殘留物與所述含氮電介質層反應以形成揮發性化合物。等離子體能量可以被降低到IOOeV以下，從而減少了對互連層面電介質材料層的物理暴露表面的損傷。
[0007]根據本公開的一個方面，提供了一種形成金屬互連結構的方法。所述方法包括:形成自下而上包括襯底、含氮電介質層、互連層面電介質材料層和硬掩模層的疊層；在所述硬掩模層和低k電介質材料層中形成開口 ；以及採用含氟代烴的等離子體各向異性蝕刻位於所述開口下方的所述含氮電介質層的物理暴露部分。揮發性化合物形成在所述含氮電介質層的表面上並且從所述表面蒸發。所述揮發性化合物包括源自所述含氮電介質層的氮以及富碳聚合物，所述富碳聚合物包含碳和氟並且具有大於I的碳氟比。
[0008]根據本公開的另一方面，提供了一種結構，其包括:自下而上包括襯底、含氮電介質層、互連層面電介質材料層和硬掩模層的疊層；存在於所述硬掩模層和所述低k電介質材料層中的開口，所述開口向下延伸到所述含氮電介質層的至少上部中；以及位於所述開口內的所述含氮電介質層的表面上的揮發性化合物。所述揮發性化合物包括氮以及富碳聚合物，所述富碳聚合物包含碳和氟並且具有大於I的碳氟比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是根據本公開的第一實施例形成了疊層之後的第一示例性結構的垂直橫截面視圖，該疊層包括:襯底、含氮電介質層、互連層面電介質層、電介質蓋層和金屬硬掩模層。
[0010]圖2是根據本公開的第一實施例的、在施加和光刻圖形化光致抗蝕劑並且將光致抗蝕劑中的圖形轉移到金屬硬掩模層和電介質蓋層中之後的、該第一示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0011]圖3是根據本公開的第一實施例的、在去除了光致抗蝕劑並且將金屬硬掩模層中的圖形轉移到互連層面電介質層中之後的、該第一示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0012]圖4是根據本公開的第一實施例、在含氮電介質層的各向異性蝕刻過程中的該第一不例性結構的垂直橫截面視圖。
[0013]圖5是根據本公開第一實施例、在該各向異性蝕刻之後的該第一示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0014]圖6是根據本公開的第一實施例、在去除了聚合物並且在該含氮電介質層、該互連層面電介質層、該電介質蓋層和該金屬硬掩模層的疊層中的空腔內沉積了導電材料層之後的、該第一示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0015]圖7是根據本公開的第一實施例，在平坦化沉積的導電材料並去除金屬硬掩模層之後的該第一示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0016]圖8是根據本公開的第一實施例、在形成上覆的互連層面結構之後的該第一示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0017]圖9是根據本公開的第二實施例、在形成過孔空腔之後的第二示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0018]圖10是根據本公開的第二實施例、在施加並光刻圖形化光致抗蝕劑之後的第二示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0019]圖11是根據本公開的第二實施例、在將光致抗蝕劑中的圖形轉移到金屬硬掩模層、電介質蓋層以及互連層面電介質層的上部中以形成線路空腔之後的、該第二示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0020]圖12是根據本公開的第二實施例、在含氮電介質層的各向異性蝕刻過程中的該第二示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0021]圖13是根據本公開的第二實施例、在含氮電介質層的各向異性蝕刻之後的該第二示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0022]圖14是根據本公開的第二實施例、在去除了聚合物並且在該含氮電介質層、該互連層面電介質層、該電介質蓋層和該金屬硬掩模層的疊層中的線路空腔和過孔空腔內沉積了導電材料之後的、該第二示例性結構的垂直橫截面視圖。
[0023]圖15是根據本公開的第二實施例、在平面化所沉積的導電材料並且去除了該金屬硬掩模層之後的該第二示例性結構的垂直橫截面視圖。【具體實施方式】
[0024]如上所述，本公開涉及在低能下各向異性蝕刻含氮電介質層的方法以及實現該方法的結構，現在參考附圖詳細描述所述方法和結構。貫穿附圖，相同的參考數字或字母用於表示相似或等同的元件。附圖不一定按比例繪製。
[0025]參考圖1，根據本公開第一實施例的第一示例性半導體結構包括垂直材料疊層。該垂直材料疊層包括襯底10、可選的下面的金屬互連層面結構200、含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36。
[0026]襯底10可以包括半導體材料、絕緣體材料、導電材料或其組合。該半導體材料可以是諸如矽、鍺、碳或其合金的元素半導體材料、II1-V化合物半導體材料、I1-VI化合物半導體材料或者其任何組合或疊層。可以用諸如B、Ga、In、P、As和Sb的電摻雜劑摻雜該半導體材料。在該襯底中可以存在多種半導體材料。該絕緣體材料可以是摻雜的或未摻雜的氧化矽、氧化矽的摻雜衍生物、氮化矽、氧氮化矽、介電常數大於309的電介質金屬氧化物或者其組合或疊層。在該襯底10中可以存在多種絕緣體材料。該導電材料可以包括諸如Cu、W、T1、Ta、Al、WN、TiN, TaN, WC、TiC, TiC或其合金的金屬材料。襯底10可以包括諸如場效應電晶體、結電晶體、二極體、晶閘管、電容器、電感器或者本領域中已知的其它任何半導體器件或光學器件。此外，襯底10可以包括接觸層面電介質材料層和嵌入在其中的接觸過孔結構。
[0027]如果存在，則該可選的下面的金屬互連層面結構200在每個線路層面中並且在每個過孔層面中包括至少一個導電結構24和至少一個下面的電介質層。該可選的下面的金屬互連層面結構200可以包括一個或多個線路層面和/或一個或多個過孔層面。每個線路層面包括提至少一個供橫嚮導電路徑的導電線路結構。每個過孔層面包括至少一個提供垂直導電路徑的導電過孔結構。該至少一個導電結構24在該一個或多個線路層面中包括該至少一個導電線路結構，並且在該一個或多個過孔層面中包括該至少一個導電過孔結構。
[0028]線路層面中或過孔層面中的該至少一個下面的電介質層可以包括摻雜或未摻雜的氧化矽(即，摻雜的矽酸鹽玻璃或未摻雜的矽酸鹽玻璃)、氮化矽、包括S1、C、O、H以及可選的N的有機矽酸鹽玻璃、電介質金屬氧化物或者其組合。例如，下面的電介質層可以包括自下而上為下面的氮化矽層18、包括多孔或無孔有機矽酸鹽玻璃的下面的互連層面電介質層20、以及包括氮化矽或摻氮的有機矽酸鹽玻璃的電介質蓋層22。
[0029]含氮電介質層28包括包含氮的電介質材料。可以用於含氮電介質層28的包含氮的示例性電介質材料包括但不限於:氮化矽、氧氮化矽、介電常數小於3.9並且包含氮的電介質材料、電介質金屬氧氮化物或者其組合。含氮電介質層28的厚度可以為lnm-30nm,當然也可以採用更小和更大的厚度。
[0030]能夠用於含氮電介質層28的氮化矽可以是矽和氮的原子比為3:4的化學計量氮化矽，或者可以是非化學計量氮化矽。含氮電介質層28中的氮化矽可以例如通過化學氣相沉積(CVD)形成，並且可以用或不用紫外輻射和/或用熱處理進行處理。
[0031]可用於含氮電介質層28的氧氮化矽具有為SiOxNy的組成，其中X是大於O且小於2的正數，並且y是大於O且小於4/3的正數。含氮電介質層28中的氧氮化矽可以例如通過用化學氣相沉積來沉積氧氮化矽、通過在沉積氮化矽之後進行熱氧化或等離子體氧化、或者通過在沉積氧化矽之後進行熱氮化或等離子體氮化而形成。
[0032]介電常數小於3.9的電介質材料被稱為低介電常數(低k)電介質材料。可用於含氮電介質層28的含氮低k電介質材料包括但不限於含氮有機矽酸鹽玻璃。含氮有機矽酸鹽玻璃包含S1、C、O、H和N。示例性含氮娃酸鹽玻璃是可以從Applied Materials、Inc商業購買的NBLoK?。用於含氮電介質層28的含氮低k電介質材料可以例如通過化學氣相沉積被沉積。
[0033]可用於含氮電介質層28的電介質金屬氧氮化物包括但不限於HfOxNy、ZrOxNy,La2OxNy,A120xNy,TiOxNy,SrTiOxNy,LaAIOxNy,Y2OxNy 及其合金。x 的每一個值獨立地為 0.5-3,且I的每個值獨立地為0-2。
[0034]互連層面電介質層30包括諸如氧化矽、氮化矽的電介質材料，或者諸如有機矽酸鹽玻璃的低k電介質材料，該有機矽酸鹽玻璃至少包含S1、C、0和H並且可選地包含N。氧化矽包括旋塗氧化物(SOG)、未摻雜的氧化矽(未摻雜矽酸鹽玻璃)和摻雜的氧化矽(即，摻雜的矽酸鹽玻璃)，摻雜的氧化矽例如是氟矽酸鹽玻璃(FSG)、磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼矽酸鹽玻璃(BSG)和硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)。互連層面電介質層30可以例如通過等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)或旋塗沉積。互連層面電介質層30的厚度可以為30nm-600nm，當然也可以採用更小和更大的厚度。
[0035]在一個實施例中，互連層面電介質層30包括多孔或無孔有機矽酸鹽玻璃，該有機矽酸鹽玻璃具有小於2.8的介電常數並且包含S1、C、O和H。該多孔或無孔有機矽酸鹽玻璃可以例如通過等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)沉積。
[0036]電介質蓋層32包括諸如氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、電介質金屬氧化物或其組合的無孔電介質材料。電介質蓋層32可以例如通過等離子體增強的化學氣相沉積(PECVD)沉積。電介質蓋層32的厚度可以為5nm-300nm,當然也可以採用更小和更大的厚度。
[0037]金屬硬掩模層36包括諸如WN、TiN, TaN, WC、TiC, TiC或其合金或疊層的金屬材料。金屬電介質蓋層36可以例如通過物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)被沉積。金屬硬掩模層36的厚度可以為5nm-300nm,當然也可以採用更小和更大的厚度。
[0038]參考圖2，直接在金屬硬掩模層36的頂表面上形成光致抗蝕劑37。可以通過例如旋塗形成光致抗蝕劑37。光致抗蝕劑37可以是深紫外(DUV)光致抗蝕劑、中紫外(MUV)光致抗蝕劑、極紫外(EUV)光致抗蝕劑或者電子束(e-束)光致抗蝕劑。抗蝕劑37的材料對在波長範圍內的光或電子輻射的照射起反應，並且例如通過交聯被化學改變。光致抗蝕劑37的厚度可以為30nm-600nm，並且典型地為60nm_300nm，當然也可以採用更小和更大的厚度。
[0039]光致抗蝕劑37被光刻曝光，並且隨後被顯影。在光刻曝光和顯影之後，在光致抗蝕劑37內形成具有第一寬度《I的開口。金屬硬掩模層36的頂表面在光致抗蝕劑37中的開口的底部被物理暴露。光致抗蝕劑37中的圖形包括例如具有第一寬度wl的開口 39，該第一寬度wl由光刻曝光條件決定。
[0040]通過至少一次蝕刻將光致抗蝕劑37中的圖形轉移到金屬硬掩模36和電介質蓋層32中。該至少一次蝕刻可以包括諸如反應離子蝕刻的各向異性蝕刻或者諸如溼法蝕刻的各向同性蝕刻。
[0041]在一個實施例中，通過第一各向異性蝕刻將光致抗蝕劑37中的圖形轉移到金屬硬掩模層36中，該第一各向異性蝕刻米用光致抗蝕劑37作為蝕刻掩模蝕刻金屬硬掩模層36的金屬材料。然後採用第二各向異性蝕刻將金屬硬掩模層36中的圖形轉移到電介質硬掩模層32中，該第二各向異性蝕刻蝕刻電介質硬掩模層32的電介質材料。
[0042]隨後例如通過灰化去除光致抗蝕劑37。
[0043]參考圖3，進行各向異性蝕刻以將金屬硬掩模層36中的圖形轉移到互連層面電介質層30中。通過該各向異性蝕刻形成此處稱為空腔31的開口，該開口具有第二寬度w2並且從金屬硬掩模層36的頂表面延伸到互連層面電介質層30的底部。
[0044] 該各向異性蝕刻可以採用蝕刻劑的等離子體。可以基於互連層面電介質層30中的電介質材料的成分、該各向異性蝕刻對金屬硬掩模層36的金屬材料的選擇性(即，互連層面電介質層30的被去除的(一種或多種)電介質材料的厚度與金屬硬掩模層36的被去除的(一種或多種)金屬材料的厚度的比)，選擇用於蝕刻劑的物種(species)。在一個實施例中，如果互連層面電介質層30包括有機矽酸鹽玻璃，並且金屬硬掩模層36包括諸如TaN、TiN和/或WN的金屬氮化物和/或諸如TaC、TiC和/或WC的金屬碳化物，則可以實現大於10的選擇性。
[0045]參考圖4，將第一示例性結構放置在構造成用於等離子體蝕刻(即反應離子蝕刻)的處理室中。對該第一示例性結構進行採用含氟代烴的等離子體的各向異性蝕刻。在該各向異性蝕刻的初始階段期間，金屬硬掩模層36中的圖形被轉移到含氮電介質層28的上部中。
[0046]供給到該處理室中的氣體的成分包括具有CxHyFz的組成的一種或多種氟代烴氣體(下文中稱為「氟代烴氣體」)，其中X是選自3、4、5和6的整數，y和z是正整數，並且y大於 Z0 例如，該氟代烴氣體包括 C3H5F3、C3H6F2、C3H7F、C3H4F2、C3H5F、C3H3F、C4H6F4、C4H7F3、C4H8F2、C4H9F, C4H5F3^ C4H6F2, C4H7F, C4H4F2, C4H5F, C5H7F5^ C5H8F4, C5H9F3^ C5H10F2、C5HnF、C5H6F4、C5H7F3、C5H8F2, C5H9F, C5H5F3, C5H6F2^C5H7F, C6H8F6, C6H9F5, C6H10F4, C6H11F3, C6H12F2, C6H13F, C6H7F5, C6H8F4,C6H9F3, C6H10F2^C6H11F, C6H6F4, C6H7F3, C6H8F2 和 C6H9F 中的一種或多種。對應地，含氟代烴的等離子體包括CxHyFz的離子。可選地，供給到該處理室中的氣體的成分可以包括02、N2、Ar、C0和/或C02。換而言之，含氟代烴的等離子體可選地包括氧的等離子體。
[0047]CxHyFz的非限制性具體實例包括燒(alkanes)、烯(alkenes)和炔(alkynes)。
[0048]在一個實施例中，氟代烴氣體可以包括化學式為CxHyFz的一種或多種烷氟代烴氣體，其中X是選自3、4和5的整數，y和Z是正整數，並且y大於Z。該一種或多種烷氟代烷烴氣體可以包括但不限於:諸如1-氟丙烷、2-氟丙烷的由C3H7F表示的飽和直線氟代烴(liner fIuorohydrocarbons);諸如 I, 1- 二氟丙烷、2，2~ 二氟丙烷、I, 2- 二氟丙烷、1，3-二氟丙烷的由C3H6F2表示的飽和直線氟代烴；諸如1，I, 1-三氟丙烷、1，1，2_三氟丙烷、1，1，3-三氟丙基、1，2，2-三氟的由C3H5F3表示的飽和直線氟代烴；諸如氟環丙烷的由C3H5F表示的飽和環氟烴；諸如1，2-二氟環丙烷的由C3H4F2表示的飽和環氟烴；諸如1-氟代丁烷、2-氟代丁烷的由C4H9F表示的飽和直線氟代烴；諸如1-氟-2-甲基丙烷、1，1-二氟丁烷、2，2-二氟丁烷、1,2-二氟丁烷、1,3-二氟丁烷、1,4-二氟丁烷、2，3-二氟丁烷、1，1-二氟2-甲基丙烷、1，2- 二氟-2-甲基丙烷、1，3- 二氟-2-甲基丙烷的由C4H8F2表不的飽和直線氟代烴；諸如1，I, 1-二氟丁燒、1，I, 1-二氟-2-甲基丙烷、1，I, 2-二氟丁燒、1，I, 3-二氟丁燒、1，I, 4-二氟丁燒、2，2, 3-二氟丁燒,2，2, 4-二氟丁燒、1，I, 2-二氟-2-甲基丙烷的由C4H7F3表示的飽和直線氟代烴；諸如1，I, 1,2-四氟丁烷、1，I, 1,3-四氟丁烷、1，I, 1,4-四氟丁燒、1，1,2,2-四氟丁燒、1，1,2,3-四氟丁燒、1，1,2,4-四氟丁燒、1，1,3,3-四氟丁燒、1，I, 3, 4-四氟丁 燒、1，I, 4, 4-四氟丁 燒、2，2，3，3-四氟丁 燒、2，2，3，4-四氟丁 燒、
I,2, 3, 4-四氟乙燒、1，I, I, 2-四氟-2-甲基丙燒、1，I, I, 3-四氟-2-甲基丙燒、1，1，2，3-四氟-2-甲基丙烷、1，1，3，3-四氟-2-甲基丙烷的由C4H6F4表示的飽和直線氟代烴；諸如氟環丁烷的由C4H7F表示的飽和環氟烴；諸如1，1-二氟環丁烷、I, 2- 二氟環丁烷、I, 3- 二氟環丁烷的由C4H6F2表示的飽和環氟烴；諸如1，I, 2-三氟環丁烷、1，I, 3-三氟環丁烷的由C4H5F3表示的飽和環氟烴；諸如1-氟戊烷、2-氟戊烷、3-氟戊烷、1-氟-2-甲基丁烷、1-氟-3-甲基丁烷、2-氟-3-甲基丁烷、1-氟-2，2- 二甲基丙烷的由C5H11F表示的飽和直線氟烯烴；諸如1，1- 二氟戊烷、2，2- 二氟戊烷、3，3- 二氟戊烷、1，2- 二氟戊烷、1，3- 二氟戊烷、1，4- 二氟戍燒、I, 5- 二氟戍燒、I, 1- 二氟-2-甲基丁燒、I, 1- 二氟-3-甲基丁燒、I, 2- 二氟-2-甲基丁燒、I, 2- 二氟-3-甲基丁燒、I, 3- 二氟-2-甲基丁燒、I, 3- 二氟-3-甲基丁燒、I, 4- 二氟-2-甲基丁燒、2，2- 二氟-3-甲基丁燒、2，3- 二氟-2-甲基丁燒、1，1- 二氟_2，2- 二甲基丙燒、I, 3- 二氟2，2- 二甲基丙燒、1-氟-2-氟甲基丁燒的由C5HltlF2表不的飽和直線氟烯烴；諸如1，I, 1-三氟戊烷、1，I, 2-三氟戊烷、1，I, 3-三氟戊烷、1，I, 4-三氟戊烷、1，I, 1-三氟-2-甲基丁烷、1，I, 2-三氟2，3- 二甲基丙烷的由C5H9F3表示的飽和直線氟代烴；諸如氟環丙烷、1-氟-2-甲基環丁烷、1-氟-3-甲基環丁烷、(氟甲基)環丁烷的由C5H9F表示的飽和環氟烴；諸如1，2-甲基環丁烷、I, 3-甲基環丁烷、I, 1- 二氟-2-甲基環丁烷、I, 1- 二氟-3-甲基環丁烷的由C5H8F2表示的飽和環氟烴；諸如1，I, 2-三氟環戊烷、1，2，3，三氟環戊烷的由C5H7F3表示的飽和環氟烴。
[0049]作為補充或者備選地，氟代烴氣體可以包括化學式為CxHyFz的一種或多種烯氟代烷烴氣體，其中X是選自3、4和5的整數，y和z是正整數，並且y大於z。該一種或多種烯氟代烯烴氣體可以包括但不限於:諸如3-氟丙烯、1-氟丙烯、2-氟丙烯的由C3H5F表示的不飽和直線氟代烴；諸如1，1- 二氟丙烯、3，3- 二氟丙烯的由C3H4F2表示的不飽和直線氟代烴；諸如3-氟環丙烯、1-氟環丙烯的由C3H3F表示的不飽和環氟烴；諸如1-氟丁烯、2-氟丁烯、3-氟丁烯、4-氟丁烯、1-氟-2- 丁烯、2-氟-2- 丁烯、1-氟-2-甲基丙烯、3-氟-2-甲基丙烯、2_(氟甲基)_丙烯的由C4H7F表示的不飽和直線氟代烴；諸如1，1-二氟-2-甲基丙烯、3，3- 二氟-2-甲基丙烯、2-(氟甲基氟丙烯、3，3- 二氟丁烯、4，4- 二氟丁烯、1，2- 二氟丁烯、1，1- 二氟-2- 丁烯、1，4- 二氟-2- 丁烯的由C4H6F2表示的不飽和直線氟代烴；諸如4，4, 4- 二氟丁烯、3，3, 4- 二氟丁烯、1，I, 1- 二氟-2- 丁烯、1，I, 4- 二氟-2- 丁烯的由 C4H5F3表示的不飽和直線氟代烴；諸如1-氟環丁烯、3-氟環丁烯的由C4H5F表示的不飽和環氟烴；諸如3，3- 二氟環丁烯、3，4- 二氟環丁烯的由C4H4F2表示的不飽和環氟烴；諸如1-氟戊烯、2-氟戍烯、3-氟戍烯、4-氟戍烯、5-氟戍烯、1-氟-2-戍烯、2-氟-2-戍烯、3-氟-2-戍烯、4-氟-2-戍烯、5-氟-2-戍烯、1-氟-2-甲基丁烯、1-氟-3-甲基丁烯、3-氟-2-甲基、3_氣-3-甲基丁稀、4_氣_2_甲基丁稀、4_氣_3_甲基丁稀、1-氣-2-甲基_2_ 丁稀、1-氟_3_甲基-2- 丁烯、2-氟-3-甲基-2- 丁烯、2_(氟甲基)-丁烯的由C5H9F表不的不飽和直線氟代烴；諸如3，3-二氟戊烯、4，4-二氟戊烯、5，5-二氟戊烯、1，2-二氟戊烯、3，4-二氟戊烯、3，5- 二氟戊烯、4，5- 二氟戊烯的由C5H8F2表示的不飽和直線氟代烴；諸如1-氟環戊烯、3-氟環戊烯、4-氟環戊烯的由C5H7F表示的不飽和環氟烴；諸如3，3- 二氟環戊烯、4，4- 二氟環戊烯、1，3- 二氟環戊烯、1，4- 二氟環戊烯、3，5- 二氟環戊烯的由C5H6F2表示的不飽和環氟烴。
[0050]作為補充或者備選地，該氟代烴氣體可以包括化學式為CxHyFz的一種或多種炔氟代烴氣體，其中X是選自3、4和5的整數，y和z是正整數，並且y大於z。該一種或多種炔氟代烴氣體可以包括但不限於:諸如3-氟丙炔的由C3H3F表示的不飽和直線氟代烴；諸如
3,3-二氟丙炔的由C3H2F2表不的不飽和直線氟代烴；諸如3-氟丁炔、4-氟丁炔、1-氟-2-丁炔的由C4H5F表示不飽和直線氟代烴；諸如3，3-二氟丁炔、4，4-二氟丁炔、3，4-二氟丁炔、
I,4- 二氟-2- 丁炔的由C4H4F2表示的不飽和直線氟代烴；諸如3-氟戊炔、4-氟戊炔、5-氟戊炔、1_氟_2_戍炔、4-氟-2-戍炔、5-氟-2-戍炔、3-(氟甲基)-丁炔的由C5H7F表不的不飽和直線氟代烴；諸如3，3- 二氟戊炔、4，4- 二氟戊炔、5，5- 二氟戊炔、3，4- 二氟戊炔、4，5- 二氟戍炔、I, 1- 二氟_2_戍炔、4，4- 二氟-2-戍炔、5，5- 二氟-2-戍炔、4，5- 二氟-2-戍炔、3- (二氟甲基)-丁炔、3-(氟甲基)-4-氟丁炔的由C5H6F2表示的不飽和直線氟代烴。
[0051]在該各向異性蝕刻期間，含氟代烴的等離子體產生含氟代烴的聚合物。含氟代烴的聚合物沉積在含氮電介質層28的凹陷表面上從而形成第一含氟代烴聚合物部分29，並且沉積在金屬硬掩模層36的頂表面上從而形成第二含氟代烴聚合物部分23。第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴聚合物包含碳、氫和氟。碳在含氟代烴聚合物中的原子濃度大於氟在含氟代烴聚合物中的原子濃度。
[0052]在第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中，含氟代烴聚合物中的碳的原子濃度大於氟的原子濃度。換而言之，在該含氟代烴聚合物中碳與氟的原子比大於I。因此，第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴聚合物是「富碳」聚合物。如此處所使用的，如果碳的原子濃度大於氟的原子濃度，則含氟代烴的聚合物是「富碳的」。
[0053]該含氟代烴聚合物包含為在富碳含氟代烴聚合物33中碳的原子濃度的至少一半的原子濃度的氫。在一個實施例中，該含氟代烴的聚合物中氫與碳的原子比在0.5到3.0之間。
[0054]該含氟代烴的聚合物是碳基聚合物，即，其中所有鍵的超過10%與至少一個碳原子鍵合。在一個實施例中，第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分中的含氟代烴的聚合物包括原子濃度為30%到40%之間的碳、原子濃度為40%到50%之間的氫、原子濃度為5.0%到10.0%之間的氟、以及原子濃度不到5%的氧。
[0055]通過含氟代烴的等離子體在空腔31下方各向異性蝕刻含氮電介質層28的物理暴露部分。開口，即空腔31，存在於金屬硬掩模層36、電介質蓋層32以及互連層面電介質層30中並且至少向下延伸到含氮電介質層28的上部中。第一含氟代烴聚合物部分29中的含氟代烴的聚合物與含氮電介質層22中的氮原子反應，從而形成含氮的揮發性化合物。如此處所使用的，如果化合物在297.3K下在真空中蒸發，則其為「揮發性的」。該含氮揮發性化合物形成在含氮電介質層28的凹陷表面上、在該凹陷表面處揮發並且從該凹陷表面蒸發。該含氮的揮發性化合物包括得自於該含氮電介質層和第一含氟代烴聚合物部分29的富碳的含氟代烴聚合物的氮，該富碳的含氟代烴聚合物包括碳和氟並且具有大於I的碳與氟的原子比。
[0056]該含氮的揮發性化合物具有為CiHjFkN1的通式，其中1、j、k和I為整數。i的值可以為1-6，就、的值可以為0-8，k的值可以為0-6，並且I的值可以為0-4，當然對於1、j、k和I中的每一個可以採用更小和更大的值。該含氮揮發性化合物在含氮電介質層22的凹陷表面處揮發並且從該凹陷表面被去除。相對照地，第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴聚合物不與下面的金屬硬掩模層36的金屬材料反應。第二含氟代烴聚合物部分23包括與第一含氟代烴聚合物部分29相同的富碳的含氟代烴聚合物，並且不包含氮。
[0057]因此，第一含氟代烴聚合物部分29的平均厚度在穩態厚度下飽和，該穩態厚度在此被稱為第一厚度。該第一厚度通常為0.2nm到1.0nm,當然可以採用更小和更大的厚度，取決於含氟代烴等離子體的成分和能量。由於第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴的聚合物不與下面的金屬硬掩模層36的金屬材料反應，因此第二含氟代烴聚合物部分的平均厚度趨向於隨著各向異性蝕刻的進展而持續增加，或者在大於該第一厚度的厚度飽和。第二厚度的飽和值可以為Inm到3nm，當然該飽和值可以更小或更大，取決於含氟代烴等離子體的成分和能量。在該各向異性蝕刻的整個持續時段，第二厚度都大於第一厚度。
[0058]相對於等離子體具有相當動能的採用CF4或CHF3的離子的常規等離子體處理，在該各向異性蝕刻中產生的含氟代烴聚合物的量趨向於極其豐富，因為相對於在常規各向異性蝕刻工藝中採用的CF4或CHF3，源氣體具有高原子百分比的碳和高原子百分比的氫。例如，在該各向異性蝕刻中產生的含氟代烴聚合物的量至少是採用具有可比較的動能的CF4或CHF3的離子的常規等離子體工藝所產生的聚合物的量的兩倍，並且在一些實施例中，十倍或更多倍。因此，本公開的含氟代烴的等離子體的能量可以相對於用於常規各向異性蝕刻工藝的能量顯著降低。具體地，當常規等離子體需要200eV的最小離子能量時，本公開的含氟代烴的等離子體的離子可以具有小於200eV的能量。本公開的含氟代烴的等離子體中的離子可以具有IOeV-1keV之間的平均動能。在一個實施例中，本公開的含氟代烴的等離子體中的離子可以具有IOeV-1OOeV之間的平均動能。
[0059]由於相對於CF4或CHF3的常規等離子體的碳含量和氫含量，含氟代烴的等離子體的(一種或多種)源氣體中的高碳含量和高氫含量，第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴聚合物具有與採用CF4或CHF3的等離子體蝕刻工藝中沉積的聚合物不同的屬性。例如，第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴的聚合物具有在1.8-2.2範圍內的折射率，而在採用CF4或CHF3的等離子體蝕刻工藝中沉積的聚合物具有在1.4-1.7範圍內的折射率。此外，第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴聚合物具有1.5g/cm3到1.8g/cm3的範圍內的密度，而在採用CF4或CHF3的沉積工藝中沉積的聚合物具有大於1.7g/cm3到2.0g/cm3的密度。在一個實施例中，第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23中的含氟代烴的聚合物具有在1.5g/cm3到1.7g/cm3範圍內的密度。
[0060]在一個實施例中，互連層面電介質層30包括諸如有機矽酸鹽玻璃的低k電介質材料，並且含氟代烴的等離子體引起對該低k電介質材料的物理暴露表面的結構損傷。具體地，低k電介質材料的分子之間的化學鍵被部分損壞，並且氟可以在各向異性蝕刻期間結合到該低k電介質材料中，以便將橫向包圍空腔31的互連層面電介質層30的垂直表面部分轉化成含氟的受損低k材料部分33。含氟的受損低k材料部分33的厚度可以為2nm-20nm,當然也可以採用更小和更大的厚度。由於該聚合物的富碳性質，含氟的受損低k材料部分33的厚度小於在採用可比較的CF4和/或CHF3等離子體的各向異性蝕刻工藝中形成的受損的低k材料部分的厚度。
[0061]參考圖5，隨著各向異性蝕刻繼續，金屬硬掩模層36中的圖形的轉移進行到含氮電介質層28的底表面，直到襯底10的頂表面或者可選的下面的金屬互連層面結構200的頂表面被暴露。襯底10或者可選的下面的金屬互連層面結構200可以用作該各向異性蝕刻的蝕刻停止層。例如，與襯底10的頂表面或者可選的下面的金屬互連層面結構200的物理暴露相伴隨的含氟代烴的等離子體中的離子的成分變化可以通過光學裝置檢測，並且該變化可以用作觸發各向異性蝕刻的即刻終止或延遲終止(在過蝕刻之後)的信號。
[0062]空腔31可以是界定隨後要形成的導電線路結構的空間範圍的線路溝槽，或者可以是界定隨後要形成的導電過孔結構的空間範圍的過孔。多個空腔31可以形成在含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的疊層中。
[0063]參考圖6，例如通過溼法清潔去除在該各向異性蝕刻結束時的任何剩餘聚合物。導電材料層34L例如通過電鍍、無電鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或其組合沉積在含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的疊層中的空腔31中。導電材料層34L包括諸如Cu、Al、W、TiN、TaN、WN、TiC、TaC、WC及其組合的至少一種金屬材料。所沉積的導電材料層34的導電材料完全填充在含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的疊層中的空腔31。
[0064]參考圖7，例如通過化學機械平坦化(CMP)去除電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的頂表面上的過量導電材料。電介質蓋層32可以用作該平面化工藝的停止層。在平面化之後的導電材料層34L的剩餘部分構成金屬互連結構34，該金屬互連結構34可以是導電線路或者導電過孔，取決於導電材料層34L的橫向範圍以及導電材料層34L相對於可選的下面的金屬互連層面結構200 (如果存在)中的下面的至少一個導電結構24的以及相對於可以可選地形成的上覆的導電結構的拓撲特徵(topological feature)。
[0065]參考圖8，可以可選地形成上覆的互連層面結構500。上覆的互連層面結構500可以包括例如上覆的含氮電介質層38、上覆的互連層面電介質層50、上覆的電介質層52和上覆的金屬互連結構54。例如，可以採用與圖2-7的處理步驟中相同的方法形成上覆的互連層面結構500。
[0066]參考圖9，可以通過修改圖2的處理步驟使得空腔31不在從光致抗蝕劑37到互連層面電介質層30的上部的圖形轉移結束時延伸到含氮電介質層28的頂表面，從圖1的第一示例性結構得到根據本公開的第二實施例的第二示例性結構。在第二示例性結構中形成的空腔31在此處稱為過孔空腔31』。因此，在與圖3的處理步驟對應的處理步驟，在去除了光致抗蝕劑37之後，在過孔空腔31』的底表面與含氮電介質層28的頂表面之間存在有限距離。互連層面電介質層30的最上表面與過孔空腔31』的底面之間的垂直距離可以為互連層面電介質層30的最上表面與互連層面電介質層30的最下表面之間的垂直距離的15%到85%。在該蝕刻結束時的過孔空腔31』的寬度在此處稱為過孔寬度wv。過孔空腔31』的圖形可以被選擇成界定後來要形成的導電過孔結構的區域。
[0067]參考圖10，在第二示例性結構上施加另一種光致抗蝕劑47，並且對光致抗蝕劑47進行光刻圖形化以在其中形成開口 49。開口 49覆蓋空腔31，並且開口 49的區域可以包括空腔31的整個區域。開口 49的寬度此處稱為線路寬度《I。開口 49的圖形可以被選擇成界定後來要形成的導電線路結構的區域。[0068]參考圖11，進行各向異性蝕刻以將金屬硬掩模層36中的圖形轉移到互連層面電介質層30的上部中來形成線路空腔41。同時，該各向異性蝕刻也使過孔空腔31』的底表面凹陷。包括線路空腔41和過孔空腔31』的雙鑲嵌集成空腔形成在互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的材料疊層中。線路空腔41的平面底表面可以位於互連層面電介質層30的最低表面與互連層面電介質層30的最頂表面之間的層面處。
[0069]該各向異性蝕刻可以採用與第一實施例相同的蝕刻劑的等離子體。可以基於互連層面電介質層30中的電介質材料的成分以及各項異性蝕刻對於金屬硬掩模層36的金屬材料的選擇性，選擇用於蝕刻劑的物種。在一個實施例中，如果互連層面電介質層30包括有機矽酸鹽玻璃，並且金屬硬掩模層36包括諸如TaN、TiN和/或WN的金屬氮化物和/或諸如TaC、TiC和/或WC的金屬碳化物，則可以實現大於10的選擇性。
[0070]參考圖12，將第二示例性結構放置在構造成用於等離子體蝕刻的處理室中。對該第二示例性結構進行採用含氟代烴的等離子體的各向異性蝕刻。在該各向異性蝕刻的初始階段期間，過孔空腔31』中的圖形被轉移到含氮電介質層28的上部中。
[0071]可以採用與第一實施例中相同的含氟代烴的等離子體。因此，第一含氟代烴聚合物部分29形成在含氮電介質層28的凹陷表面上，並且第二含氟代烴聚合物部分23形成在金屬硬掩模層36的頂表面上。第一含氟代烴聚合物部分29和第二含氟代烴聚合物部分23的成分和物理屬性與第一實施例中的相同。因此，通過來自含氮電介質層28中的氮原子和在第一含氟代烴聚合物部分29中存在的富碳的含氟代烴聚合物的反應，在第二含氟代烴聚合物部分23中形成相同的含氮揮發性化合物。
[0072]在一個實施例中，互連層面電介質層30包括諸如有機矽酸鹽玻璃的低k電介質材料，並且含氟代烴的等離子體引起對該低k電介質材料的物理暴露表面的結構損傷。因此，在各向異性蝕刻過程中氟可以被結合到互連層面電介質層30的低k電介質材料中，從而分別轉化線路空腔41周圍的互連層面電介質層30的垂直表面部分以形成含氟的受損低k材料部分43，轉化在線路空腔41的底部處的互連層面電介質層30的水平表面部分以形成水平的含氟受損低k材料部分35，並且轉化在過孔空腔31』周圍的互連層面電介質層30的垂直表面部分以形成下部垂直含氟受損低k材料部分33』。各種含氟的受損低k材料部分(43、35、33』)的厚度可以為2鹽-2011111，當然也可以採用更小和更大的厚度。由於該CHF離子的富碳性質和較低的能量，水平含氟受損低k材料部分35的厚度小於在採用可比較的CF4和/或CHF3等離子體的各向異性蝕刻工藝中形成的受損的低k材料區域的厚度。
[0073]參考圖13，隨著各向異性蝕刻繼續，過孔空腔31』中的圖形到含氮電介質層28中的轉移進行到含氮電介質層28的底表面，直到襯底10的頂表面或者可選的下面的金屬互連層面結構200的頂表面被暴露。襯底10或者可選的下面的金屬互連層面結構200可以用作該各向異性蝕刻的蝕刻停止層。例如，與襯底10的頂表面或者可選的下面的金屬互連層面結構200的物理暴露相伴隨的含氟代烴的等離子體中的離子的成分變化可以通過光學裝置檢測，並且該變化可以用作觸發各向異性蝕刻的即刻終止或延遲終止(在過蝕刻之後)的信號。多個雙鑲嵌集成空腔(41、31』)可以形成在含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的疊層中。
[0074]參考圖14，例如通過溼法清潔去除在該各向異性蝕刻結束時的任何剩餘聚合物。導電材料層34L例如通過電鍍、無電鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或其組合沉積在含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的疊層中的空腔31中。導電材料層34L包括諸如Cu、Al、W、TiN、TaN、WN、TiC、TaC、WC及其組合的至少一種金屬材料。所沉積的導電材料層34L的導電材料完全填充在含氮電介質層28、互連層面電介質層30、電介質蓋層32和金屬硬掩模層36內的雙鑲嵌集成空腔(41、31』)。
[0075]參考圖15，例如通過化學機械平坦化(CMP)去除電介質蓋層32和金屬硬掩模層36的頂表面上的過量導電材料。電介質蓋層32可以用作該平面化工藝的停止層。在平面化之後的導電材料層34L的剩餘部分構成金屬互連結構34，金屬互連結構34是集成的線路和過孔結構。
[0076]儘管已經就特定實施例描述了本公開，但是顯然，考慮到前面的描述，大量備選方案、修改和變型對於本領域技術人員是顯而易見的。因此，本公開意圖包含落入本公開和後面的權利要求的範圍和精神內所有這些備選方案、修改和變型。
【權利要求】
1.一種形成金屬互連結構的方法，包括: 形成自下而上包括襯底、含氮電介質層、互連層面電介質材料層和硬掩模層的疊層； 在所述硬掩模層和所述互連層面電介質材料層中形成開口 ；以及 採用含氟代烴的等離子體各向異性蝕刻位於所述開口下方的所述含氮電介質層的物理暴露部分，其中揮發性化合物形成在所述含氮電介質層的表面上並且從所述表面蒸發，其中所述揮發性化合物包括源自所述含氮電介質層的氮以及富碳聚合物，所述富碳聚合物包含碳和氟並且具有大於I的碳氟比。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氟代烴的等離子體包括CxHyFz的離子，其中X是選自3、4、5和6的整數，y和z是正整數，並且y大於z。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述含氟代烴的等離子體包括具有在IOeV到IOOeV的範圍內的平均動能的離子。
4.根據權利要求1所述的方法，其中在所述各向異性蝕刻過程中，所述富碳的聚合物附加地形成在所述硬掩模層的頂表面上。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述富碳聚合物具有在1.8到2.2範圍內的折射率。
6.根據權利要求4所述的方法,其中所述富碳聚合物具有在1.5g/cm3到1.7g/cm3的範圍內的密度。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述富碳聚合物包括為所述富碳聚合物中碳的所述原子濃度的至少一半的原子濃度的氫。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述富碳聚合物中氫與碳的原子比為0.5到3.0之間。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述富碳聚合物具有原子濃度為30%到40%之間的碳、原子濃度為40%到50%之間的氣、原子濃度為5.0%到10.0%之間的風、以及原子濃度不到5%的氧。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氮電介質層包括氮化矽。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述含氮電介質層包括具有小於3.9的介電常數並且包含氮的電介質材料。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述含氮電介質層包含S1、C、O、H和N。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述硬掩模層包括金屬材料。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括在所述互連層面電介質材料層與所述硬掩模層之間形成具有至少3.9的介電常數的另一硬掩模層。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述互連層面電介質材料層的物理暴露表面被所述含氟代烴的等離子體結構性損傷，並且在所述各向異性蝕刻期間氟被併入到所述互連層面電介質材料層中。
16.根據權利要求1所述的方法，還包括:形成延伸穿過所述含氮電介質層中的開口並且穿過所述硬掩模層和所述互連層面電介質材料層中的所述開口的導電金屬互連結構。
17.—種結構,包括: 自下而上包括襯底、含氮電介質層、互連層面電介質材料層和硬掩模層的疊層； 存在於所述硬掩模層和所述互連層面電介質材料層中的開口，所述開口向下延伸到所述含氮電介質層的至少上部中；以及 位於所述開口中的所述含氮電介質層的表面上的揮發性化合物，其中所述揮發性化合物包括氮和富碳聚合物，所述富碳聚合物包括碳和氟並且具有大於I的碳氟比。
18.根據權利要求17所述的結構，還包括:位於所述硬掩模層的頂表面上並包括與所述富碳聚合物相同的材料且不包含氮的富碳聚合物層。
19.根據權利要求18所述的結構，其中 所述富碳聚合物具有在1.8到2.2範圍內的折射率。
20.根據權利要求18所述的結構，其中所述富碳聚合物具有在1.5g/cm3到1.7g/cm3的範圍內的密度。
21.根據權利要求18所述的結構，其中所述富碳聚合物具有原子濃度為30%到40%之間的碳、原子濃度為40%到50%之間的氫、原子濃度為5.0%到10.0%之間的氟、以及原子濃度不到5%的氧。
22.根據權利要求17所述的結構，其中所述富碳聚合物包括為所述富碳聚合物中碳的所述原子濃度的至少一半的原子濃度的氫。
23.根據權利要求17所述的結構，其中所述富碳聚合物中氫與碳的原子比為0.5到3.0之間。
24.根據權利要求17所述的結構，其中所述含氮電介質層包括氮化矽。
25.根據權利要求17所述的結構，其中所述含氮電介質層包括具有小於3.9的介電常數並且包含氮的電介質材料。
【文檔編號】H01L23/48GK103946975SQ201280050854
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年10月25日 優先權日:2011年10月26日
【發明者】M·布林克, R·L·布魯斯, S·U·恩格爾曼, N·C·M·富勒, 宮副裕之, 中村昌洋 申請人:國際商業機器公司, 日本瑞翁株式會社