半導體結構的形成方法
【專利摘要】一種半導體結構的形成方法，所述半導體結構的形成方法包括：提供基底，所述基底內形成有導電層，所述基底表面形成有介質層；在所述介質層內形成具有暴露所述部分導電層的開口；采用鈍化溶液對開口底部的導電層表面進行鈍化，形成鈍化層；采用清洗溶液，對開口內壁進行清洗，去除開口內壁表面的聚合物。所述半導體結構的形成方法可以避免導電層受到腐蝕，提高后續進程的金屬互連結構的互連性能。
【專利說明】半導體結構的形成方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體【技術領域】，特別涉及一種半導體結構的形成方法。

【背景技術】
[0002] 隨著半導體技術的發展，超大規模集成電路的芯片集成度已經高達幾億乃至幾十 億個器件的規模，兩層以上的多層金屬互連技術廣泛得以使用。傳統的金屬互連是由鋁金 屬制成的，但隨著集成電路芯片中器件特征尺寸的不斷減小，金屬互連線中的電路密度不 斷增加，要求的響應時間不斷減小，傳統的鋁互連線已經不能滿足要求。工藝尺寸小于130 納米以后，銅互連技術已經取代了鋁互連技術。與鋁相比，金屬銅的電阻率更低可以降低互 連線的電阻電容（RC)延遲，改善電遷移，提高器件穩定性。現在廣泛采用的銅互連的制作 方法是大馬士革工藝的鑲嵌技術。
[0003] 在低K介質層中通過刻蝕工藝形成溝槽或通孔，然后再用銅等互連材料填充所述 溝槽或通孔。不同層的低k介質層的通孔內的金屬互相接觸，實現互連。
[0004] 在刻蝕低K介質層后，往往要對形成的通孔或溝槽表面進行清洗，以去除刻蝕過 程中的殘留物。但是現有技術采用的清洗方法，往往會造成通孔下方的金屬互連材料的損 失，使后續形成的互連結構的連接性能受到影響。


【發明內容】

[0005] 本發明解決的問題是提供一種半導體結構的形成方法，避免造成通孔下方的金屬 互連材料的損失，從而提高互連結構的性能。
[0006] 為解決上述問題，本發明提供一種半導體結構的形成方法，包括：提供基底，所述 基底內形成有導電層，所述基底表面形成有介質層；在所述介質層內形成具有暴露所述部 分導電層的開口；采用鈍化溶液對開口底部的導電層表面進行鈍化，形成鈍化層；采用清 洗溶液，對開口內壁進行清洗，去除開口內壁表面的聚合物，所述清洗溶液不與鈍化層反 應。
[0007] 可選的，所述導電層的材料為Cu。
[0008] 可選的，所述鈍化溶液為1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液、1，2, 3-苯并三氮唑的衍 生物的水溶液或者1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物與1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶 液，并且，1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的濃度為IOppm?lOOOppm， 1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的濃度為IOppm? lOOOppm，1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物與1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑 與1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的總濃度為IOppm?lOOOppm。
[0009] 可選的，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物至少包括4-甲基-苯并三氮唑、5-甲 基-苯并三氮唑、5-氯-苯并三氮唑或5-硝基-苯并三氮唑中的一種。
[0010] 可選的，所述清洗溶液包括第一溶液，所述第一溶液為取代胺和雜環化合物的混 合溶液。 toon] 可選的，所述清洗溶液中還包括第二溶液，所述第二溶液具有氧化性。
[0012] 可選的，所述第二溶液為H2O2溶液。
[0013] 可選的，所述H2O2溶液的濃度為20%?40%。
[0014] 可選的，所述第二溶液與第一溶液的體積比為1 :1?1 :10。
[0015] 可選的，還包括：采用退火工藝去除所述鈍化層。
[0016] 可選的，所述退火工藝在N2、H2中的一種或兩種氣體氛圍中進行，退火溫度為 200°C?400°C，退火時間為30min?lh。
[0017] 可選的，所述介質層的材料為低K介質材料。
[0018] 可選的，所述低K介質材料包括碳化硅、碳氧化硅、有機硅氧烷聚合物、氟碳化合 物中的一種或幾種。
[0019] 可選的，所述介質層表面具有硬掩膜層。
[0020] 可選的，所述硬掩膜層的材料為TiN。
[0021] 可選的，還包括在所述開口內形成與導電層連接并填充滿開口的金屬層。
[0022] 可選的，所述金屬層的材料為Cu。
[0023] 可選的，還包括在形成所述金屬層之前，在所述開口內壁表面形成擴散阻擋層。
[0024] 可選的，所述擴散阻擋層的材料為TiN或TaN。
[0025] 與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：
[0026] 本發明的技術方案，在去除所述開口內壁表面的聚合物之前，采用鈍化溶液在導 電層表面形成鈍化層，然后再采用清洗溶液去除所述開口內壁表面的聚合物，由于所述清 洗溶液不能與鈍化層產生反應，所以所述鈍化層在清洗過程中能夠保護導電層的表面不受 清洗溶液的腐蝕，避免清洗過程中，導電層的金屬材料受到損失，影響后續在開口內沉積形 成的金屬層與導電層之間的連接性能，避免發生斷路等現象，從而可以提高后續形成的互 連結構的連接性能。
[0027] 進一步的，本發明的技術方案中，在采用清洗溶液去除開口內壁的聚合物之后，可 以采用退火工藝去除所述導電層表面的鈍化層，工藝步驟簡單，容易實現，并且所述退火工 藝還可以同時去除清洗步驟中殘留的水分，從而節約干燥步驟。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1至圖3以及圖5至圖7是本發明的實施例的半導體結構的形成過程的結構示 意圖；
[0029] 圖4是本發明的實施例的鈍化層材料的分子結構示意圖。

【具體實施方式】
[0030] 如【背景技術】中所述，現有技術在形成互連結構過程中，采用的清洗方法，往往會造 成通孔下方的金屬互連材料的損失，使后續在通孔內形成的金屬層與下方的金屬互連材料 之間的連接性能受到影響。
[0031] 在對介質層進行刻蝕，形成通孔和溝槽之后，所述通孔和溝槽內壁表面，以及介質 層、掩膜層表面會有殘留的聚合物，這些聚合物包括：光刻膠材料、抗反射材料以及刻蝕過 程中刻蝕氣體與介質反應形成的聚合物等。現有技術中，采用清洗溶液去除所述聚合物，但 是在去除所述聚合物的過程中，清洗溶液對通孔底部的金屬材料會產生腐蝕作用，造成通 孔下層的金屬材料的損失，導致所述下層金屬連接材料的表面形成凹陷或者缺陷，進而后 續在通孔內填充上層金屬材料時，所述上層金屬材料與下層金屬材料之間的結合不緊密， 可能會導致斷路等問題，從而影響互連結構的連接性能，進而影響整個芯片的性能。
[0032] 本發明的實施例，在采用清洗溶液去除聚合物之前，首先在通孔下方的金屬層材 料表面形成鈍化層，保護所述金屬材料，從而在清洗過程中，可以避免金屬材料的損失。
[0033] 為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的具體實施例做詳細的說明。
[0034] 請參考圖1，提供基底100,所述基底100內形成有導電層101，所述導電層101表 面形成有介質層200。
[0035] 所述基底100可以是半導體襯底，所述半導體襯底內形成有半導體器件（圖中未 示出）。所述基底100還可以是形成在襯底(未示出)上的介質材料層，所述介質材料層內形 成有插塞等互連結構（圖中未示出）。
[0036] 本實施例中，所述基底100為介質層，所述基底100內形成有導電層101，所述導電 層101可以是基底100內形成的金屬互連線，也可以是貫穿所述基底100的金屬插塞結構。 所述導電層101的材料為銅。
[0037] 所述介質層200的材料為低K介質材料，包括碳化硅、碳氧化硅、有機硅氧烷聚合 物、氟碳化合物中的一種或幾種。后續在所述介質層200內形成開口，在所述開口內填充金 屬材料，連接基底100內的導電層101，形成互連結構。本實施例中，所述介質層200的材料 為碳氧化硅。
[0038] 在本發明的其他實施例中，所述介質層200還包括位于基底100和低K介質材料 之間的刻蝕阻擋層。所述刻蝕阻擋層的材料為SiN、SiCN或SiONCH，所述刻蝕阻擋層的厚 度為IOOA?500A。所述刻蝕阻擋層可以保護基底100內的半導體器件或互連結構不受后 續工藝的影響，同時在后續刻蝕所述低K介質材料形成開口的過程中作為刻蝕停止層，并 且可以防止后續在所述介質層200內形成的互連結構的金屬向下層擴散。
[0039] 請參考圖2,在所述介質層200內形成具有暴露所述部分導電層101的開口 201。
[0040] 具體的，本實施例中，形成所述開口 201的方法包括：在所述介質層200表面形成 硬掩膜層202,利用旋涂法在所述硬掩膜層202上形成光刻膠層（圖中未示出），通過顯影曝 光之后圖形化。利用圖形化光刻膠層作為掩膜，刻蝕硬掩膜層202,將刻蝕圖形轉移到硬掩 膜層202上，然后以所述硬掩膜層202為掩膜，刻蝕介質層200至基底100內的導電層101 表面形成開口 201。本實施例中，所述硬掩膜層202的材料為TiN。
[0041] 本發明的其他實施例中，也可以不形成所述硬掩膜層，直接采用光刻膠層作為刻 蝕掩膜。
[0042] 本發明的其他實施例中，所述開口還可以采用雙鑲嵌工藝形成，在所述介質層內 先形成通孔，然后形成填充滿所述通孔和覆蓋介質層表面的底部抗反射材料層，再在所述 底部抗反射材料層表面形成掩膜層，以所述掩膜層為掩膜去除通孔內底部抗反射材料層， 并刻蝕所述介質層，形成位于通孔上方的溝槽，所述通孔及其上方的溝槽作為開口。
[0043] 刻蝕所述介質層200形成開口 201的工藝為干法刻蝕工藝，所述干法刻蝕工藝采 用的刻蝕氣體為CF4、CHF3、CH2F2、C2F6中的一種或幾種。所述刻蝕氣體在刻蝕過程中會在刻 蝕表面形成聚合物，降低刻蝕的橫向速率，從而提高刻蝕形成的開口 201的側壁垂直度。
[0044] 在形成所述開口之后，在所述開口 201內壁表面以及硬掩膜層202表面會殘留有 部分聚合物，所述聚合物中包括殘留的光刻膠材料、抗反射材料以及刻蝕過程中，刻蝕氣體 與介質層200表面反應形成的聚合物等。
[0045] 本實施例中，位于硬掩膜層202表面的殘留聚合物中，含有大量Ti;位于開口 201 側壁表面的殘留聚合物中含有大量的Si和C;在開口 201底部的導電層101表面的殘留聚 合物中，含有大量的Cu。
[0046] 所述殘留聚合物會影響開口 201內壁的平整度，從而影響后續在開口 201內填充 形成的金屬層的填充質量，并且所述殘留聚合物還會影響金屬材料的導電性，造成芯片產 率下降等問題，所以需要在后續工藝中采用清洗步驟，去除所述殘留聚合物。
[0047] 請參考圖3,采用鈍化溶液對開口底部的導電層101表面進行鈍化，形成鈍化層 102。
[0048] 所述鈍化溶液為1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液、1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水 溶液或者1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物與1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液，并且，1，2, 3-苯并三 氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的濃度為IOppm?lOOOppm，1，2, 3-苯并三氮唑的衍生 物的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的濃度為IOppm?lOOOppm，1，2, 3-苯并三氮唑 的衍生物與1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物與1，2, 3-苯并三 氮唑的總濃度為IOppm?lOOOppm。其中，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物至少包括4-甲 基-苯并三氮唑、5-甲基-苯并三氮唑、5-氯-苯并三氮唑或5-硝基-苯并三氮唑中的一 種。
[0049] 將所述基底浸入鈍化溶液中30s?120s，所述浸入時間可以確保所述鈍化溶液與 導電層101表面充分反應，在導電層101表面形成鈍化層102,所述鈍化層102的厚度小于 l〇nm，所述厚度既能充分保護導電層，還易于去除。
[0050] 所述鈍化溶液能夠與導電層101的材料發生絡合反應，在導電層101表面形成金 屬絡合物，作為導電層101表面的鈍化層，所述鈍化層不能與后續清洗過程中采用的清洗 溶液發生反應，可以保護所述導電層101在后續清洗聚合物的過程中不受損傷。
[0051] 本實施例中，所述鈍化溶液為1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液，其中1，2, 3-苯并三氮 唑的濃度為IOppm?IOOOppm,例如20ppm、100ppm、500ppm或700ppm。本實施例中，所述 導電層101的材料為Cu,與鈍化溶液中的1，2, 3-苯并三氮唑發生絡合反應，形成Cu的復 合物，所述Cu的復合物在導電層101表面形成致密的鈍化層102,所述Cu的復合物可以是 Cu-苯并三氮唑，所述Cu-苯并三氮唑的分子結構可以是如圖4所示的分子結構。所述鈍化 層102可以在后續的清洗過程中保護所述導電層101。
[0052] 請參考圖5,采用清洗溶液，對開口 201內壁進行清洗，去除開口 201內壁表面的聚 合物。
[0053] 所述清洗溶液為取代胺和雜環化合物的混合溶液。本實施例中所述清洗溶液為 EKC575(EKCTechnology公司生產的型號為EKC575 的清洗溶液)或EKC580(EKCTechnology 公司生產的型號為EKC580的清洗溶液)。所述EKC575或EKC580溶液能夠去除開口內壁殘 留的含有大量的Si和C的聚合物。
[0054] 由于在上述在硬掩膜層202表面具有含Ti的聚合物，以及位于開口 201底部的含 Cu的聚合物，僅采用所述EKC575或EKC580溶液很難將所述含有金屬的殘留聚合物去除，所 以，還可以在所述EKC575或EKC580溶液中加入氧化性溶液以提高所述清洗溶液去除含Ti 聚合物、含Cu聚合物的能力。本實施例中，在所述EKC575或EKC580溶液中加入了H2O2溶 液，所述H2O2溶液的濃度為20%?40%，例如所述H2O2溶液的濃度為30%。所述H2O2溶液與 EKC575或EKC580溶液的體積比為1:1?1:10。并且所述EKC575或EKC580與H2O2溶液的 混合溶液對硬掩膜層202還具有腐蝕作用，可以降低硬掩膜層202的厚度，并且增大硬掩膜 層202內圖形尺寸，可以提高后續在開口 201內填充金屬材料的填充窗口，降低填充金屬材 料的難度，避免在開口 201內形成的金屬層內產生空洞而影響互連效果。
[0055] 由于所述導電層101表面具有鈍化層102,在采用上述溶液進行清洗的過程中，所 述鈍化層102與清洗溶液不發生反應，可以保護所述導電層101使所述導電層101的金屬 材料不受腐蝕。
[0056] 在本發明的其他實施例中，還可以采用其他合適的清洗溶液去除所述殘留的聚合 物。
[0057] 請參考圖6,采用退火工藝去除所述鈍化層102 (請參考圖5)。
[0058] 所述退火工藝為低溫退火工藝，所述退火工藝在N2、H2中的一種或兩種氣體氛圍 中進行，退火溫度為200°C?400°C，退火時間為30min?lh。
[0059] 所述鈍化層102在低溫退火處理過程中，會發生分解，形成Cu和揮發性氣體，從而 將所述鈍化層102 (請參考圖5)去除，避免影響后續開口內的金屬材料與導電層101之間 的連接性能。工藝步驟簡單，容易實現。
[0060] 并且，在采用退火工藝去除鈍化層102的同時，也可以對清洗過程中殘留的水分 進行干燥，從而后續不需要再額外進行干燥步驟。
[0061] 請參考圖7,在所述開口 201內形成與導電層101連接并填充滿開口的金屬層 203。
[0062] 所述金屬層203的材料為銅，所述金屬層203與導電層101連接，實現層間的互 連。
[0063] 形成所述金屬層203的方法包括：采用化學氣相沉積或濺射工藝，形成填充滿所 述開口 201和硬掩膜層202表面的金屬材料層，以所述介質層200為停止層，采用化學機械 研磨工藝對所述金屬材料層進行平坦化，形成金屬層203,所述金屬層203的表面與介質層 200的表面齊平。
[0064] 在本發明的其他實施例中，在形成所述金屬層203之前，在所述開口內壁表面形 成擴散阻擋層，所述擴散阻擋層的材料可以是TiN、TaN等材料，阻擋金屬層203內的金屬向 介質層200內擴散，影響介質層200的隔離效果。
[0065] 由于在采用清洗溶液去除開口內壁表面的聚合物的過程中，導電層101沒有收到 腐蝕，所以所述導電層101的表面較為平整，從而后續形成的金屬層203與導電層101的表 面結合較為緊密，缺陷減少，可以避免金屬層203和導電層101之間出現斷路等現象，提高 金屬互連結構的性能。
[0066] 本實施例中，在去除所述開口內壁表面的聚合物之前，采用鈍化溶液在導電層表 面形成鈍化層，然后再采用清洗溶液去除所述開口內壁表面的聚合物，由于所述清洗溶液 不能與鈍化層產生反應，所以所述鈍化層在清洗過程中能夠保護導電層的表面不受清洗溶 液的腐蝕，避免清洗過程中導電層的金屬材料受到損失，從而防止后續在開口內沉積形成 的金屬層與導電層之間產生斷路等不量現象，從而可以提高形成的互連結構的連接性能。
[0067] 并且，本實施例中，在采用清洗溶液去除開口內壁的聚合物之后，采用退火工藝去 除所述導電層表面的鈍化層，工藝步驟簡單，容易實現，并且所述退火工藝還可以同時去除 清洗步驟中殘留的水分，從而節約干燥步驟。
[0068] 雖然本發明披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本 發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所 限定的范圍為準。
【權利要求】
1. 一種半導體結構的形成方法，其特征在于，包括： 提供基底，所述基底內形成有導電層，所述基底表面形成有介質層； 在所述介質層內形成具有暴露所述部分導電層的開口； 采用鈍化溶液對開口底部的導電層表面進行鈍化，形成鈍化層； 采用清洗溶液，對開口內壁進行清洗，去除開口內壁表面的聚合物，所述清洗溶液不與 鈍化層反應。
2. 根據權利要求1所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述導電層的材料為 Cu〇
3. 根據權利要求2所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述鈍化溶液為 1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液、1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶液或者1，2, 3-苯并三 氮唑的衍生物與1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液，并且，所述1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中 1，2, 3-苯并三氮唑的濃度為lOppm?lOOOppm，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的水溶液 中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物的濃度為lOppm?lOOOppm，所述1，2, 3-苯并三氮唑的衍生 物與1，2, 3-苯并三氮唑的水溶液中1，2, 3-苯并三氮唑的衍生物與1，2, 3-苯并三氮唑的 總濃度為lOppm?lOOOppm。
4. 根據權利要求3所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述1，2, 3-苯并三氮 唑的衍生物至少包括4-甲基-苯并三氮唑、5-甲基-苯并三氮唑、5-氯-苯并三氮唑或 5-硝基-苯并三氮唑中的一種。
5. 根據權利要求1所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述清洗溶液包括第 一溶液，所述第一溶液為取代胺和雜環化合物的混合溶液。
6. 根據權利要求5所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述清洗溶液中還包 括第二溶液，所述第二溶液具有氧化性。
7. 根據權利要求6所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述第二溶液為H202溶 液。
8. 根據權利要求7所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述H202溶液的濃度 為 20% ?40%。
9. 根據權利要求8所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述第二溶液與第一 溶液的體積比為1 : 1?1 : 10。
10. 根據權利要求1所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，還包括：采用退火工 藝去除所述鈍化層。
11. 根據權利要求10所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述退火工藝在N2、 H2中的一種或兩種氣體氛圍中進行，退火溫度為200°C?400°C，退火時間為30min?lh。
12. 根據權利要求1所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述介質層的材料為 低K介質材料。
13. 根據權利要求12所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述低K介質材料包 括碳化硅、碳氧化硅、有機硅氧烷聚合物、氟碳化合物中的一種或幾種。
14. 根據權利要求1所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述介質層表面具有 硬掩膜層。
15. 根據權利要求14所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述硬掩膜層的材 料為TiN。
16. 根據權利要求10所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，還包括在所述開口 內形成與導電層連接并填充滿開口的金屬層。
17. 根據權利要求16所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述金屬層的材料 為Cu。
18. 根據權利要求16所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，還包括在形成所述 金屬層之前，在所述開口內壁表面形成擴散阻擋層。
19. 根據權利要求18所述的半導體結構的形成方法，其特征在于，所述擴散阻擋層的 材料為TiN或TaN。
【文檔編號】H01L21/02GK104425210SQ201310365795
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】胡春周 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司