一种金属层的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种金属层的形成方法。


背景技术：

2.目前，在半导体器件的制作过程中，接触孔(contact，ct)作为多层金属层间互连以及器件有源区与外界电路之间连接的通道，在器件结构组成中具有重要的作用。随着半导体技术的不断提高，接触孔的尺寸不断缩小，制程要求接触孔的尺寸也相应变小，接触孔的制作难度也相应地增加。
3.图1显示为现有接触孔的形成方法的流程图。如图1所示，现有接触孔的形成方法包括：在半导体衬底10表面介质层11中形成接触孔12；在介质层11表面沉积形成一层阻挡层13；在阻挡层13表面沉积金属钨14，所述金属钨14填满所述接触孔；进行研磨至露出介质层11，形成接触孔插塞15。图2-图5显示为现有接触孔的形成方法中各步骤的结构示意图。如图2-图5所示，在现有的接触孔形成工艺中，由于接触孔12尺寸太小，在其表面沉积形成阻挡层13时会发生悬挂(overhang)现象，如图3中16所示。这种现象导致后续沉积金属钨形成的接触孔插塞15中存在空隙17。
4.空隙17会导致在半导体器件制造的后端工艺(beol)上，如图6所示，在接触孔插塞15上方刻蚀形成金属层工艺中，由于采用ekc溶液清洗去除刻蚀残留物导致将ekc溶液引入接触孔12底部，ekc对钨有较高的腐蚀率，会腐蚀接触孔插塞15底部，形成的接触孔插塞15产生断路缺陷(open defect),如图6中18所示，这将严重影响半导体器件的性能和良率。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种金属层的形成方法，用以避免接触孔插塞断路缺陷的产生，提高半导体器件的性能和良率。
6.本发明提供一种金属层的形成方法，包括以下步骤：
7.步骤一、提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层和贯穿所述介质层的接触孔；
8.步骤二、在所述介质层表面沉积一层阻挡层；
9.步骤三、在所述阻挡层表面沉积金属，且所述金属填充满所述接触孔；
10.步骤四、进行研磨至露出所述介质层，形成接触孔插塞；
11.步骤五、依次淀积形成介质阻挡层、层间介质层、抗反射层以及掩膜层，并刻蚀形成暴露出所述接触孔插塞上表面的沟槽；
12.步骤六、采用氢氟酸溶液清洗去除刻蚀残留物；
13.步骤七、用水清洗去除所述氢氟酸溶液残留；
14.步骤八、在所述沟槽中填充金属，以形成与所述接触孔插塞电接触的金属层。
15.优选地，步骤一中所述半导体衬底为硅衬底。
16.优选地，步骤三中所述金属为钨。
17.优选地，步骤四中所述研磨为化学机械研磨法。
18.优选地，步骤五中所述刻蚀为光刻刻蚀工艺。
19.优选地，步骤六中所述氢氟酸溶液的去离子水和氢氟酸的体积比范围是100∶1到1000∶1。
20.优选地，步骤七中所述水为蒸馏水或去离子水。
21.优选地，步骤八中所述金属层的材料为铝、铜、铝铜合金或钨。
22.本发明采用含有dhf的清洗溶液对刻蚀残留物进行湿法清洗，相对于现有技术中采用含有ekc的溶液进行湿法清洗，降低了对金属钨的蚀刻率，避免了接触孔断路缺陷的产生，提高了半导体器件的性能和良率。
附图说明
23.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
24.图1显示为现有接触孔的形成方法的流程图；
25.图2-图5显示为现有接触孔的形成方法中各步骤的结构示意图；
26.图6显示为具有短路缺陷的接触孔插塞的半导体结构示意图；
27.图7显示为具有短路缺陷的接触孔插塞的透射电子示意图；
28.图8显示为dhf清洗溶液与ekc清洗溶液的钨刻蚀率的对比图；
29.图9显示为本发明实施例的金属层的形成方法的流程图；
30.图10显示为本发明实施例形成的接触孔插塞的透射电子示意图。
具体实施方式
31.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
32.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
33.除非上下文明确要求，否则整个申请文件中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.cmos集成电路工艺进入生产阶段，互连层的工艺也随之变化。为了提供更大面积的互联，引入了更为灵活的多层金属工艺。各金属层间的连续性都靠垂直的互连通孔插塞，而mos各级与金属间的连接依靠垂直的接触孔插塞实现。
36.ekc清洗溶剂是一种蚀刻后残余物去除剂(post-etch residue remover),在半导体湿法清洗工艺中常被用来清除半导体基底表面上的有机高分子成分、光刻胶灰化后残余物以及有机金属蚀刻残余物。然而其对钨的蚀刻率较高，在湿法清洗去除金属钨刻蚀或研
磨残留物时会由于化学反应及后续高温作用，而极易引起接触插塞底部短路，如图7中19所示。因此，本发明实施例提出采用dhf清洗溶剂来替代ekc作为湿法清洗溶液来清洗去除金属钨刻蚀后的残留物。如图8所示，dhf清洗溶液的钨刻蚀率为0.3a，相比ekc溶液1.3的钨刻蚀率，确实明显较小。下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
37.图9显示为本发明实施例的金属层的形成方法的流程图。如图9所示，包括以下步骤：
38.步骤一、提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层和贯穿所述介质层的接触孔。
39.半导体衬底可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅；半导体衬底也可以是硅、锗、砷化镓或硅锗化合物；半导体衬底还可以具有外延层或绝缘体上的硅衬底(soi衬底)；半导体衬底还可以是其它半导体材料。在本发明实施例中，半导体衬底为硅衬底。在形成接触孔之前，需要在半导体衬底中形成源区、漏区、表面的金属硅化物、衬底上的栅极结构以及覆盖在栅极结构的介质层，这里，介质层为层间介质层(ild)。层间介质层可以是氧化硅、氮化硅或者低k介质。在形成所述接触孔时，需要通过图形化所述层间介质层来定义接触孔的尺寸。
40.步骤二、在介质层表面沉积一层阻挡层。
41.本发明实施例中，阻挡层可以是通过热氧化或淀积工艺形成的氧化硅，还可以是氮化硅、氮氧化硅或者氮碳化硅。
42.步骤三、在阻挡层表面沉积金属，且金属填充满所述接触孔。
43.本发明实施例中，沉积的金属为钨。钨在集成电路中常被用来填充接触孔或者金属层之间的接触孔，以形成所谓的插塞(plug)来连接金属层与硅或者不同的金属层。具体地，钨可用来将mos管的漏、源、栅、体或阱电阻等与第一层金属相连，称之为接触孔。钨还可实现金属层之间的连接。钨也可以作为第一层互联金属。
44.步骤四、进行研磨至露出介质层，形成接触孔插塞。
45.本发明实施例中，研磨为化学机械研磨法。
46.步骤五、依次淀积形成介质阻挡层、层间介质层、抗反射层以及掩膜层，并刻蚀形成暴露出接触孔插塞上表面的沟槽。
47.在步骤五中，进行半导体器件制造的后端工艺(beol)，进行金属层的形成。在上述半导体结构基础上淀积形成介质阻挡层、层间介质层、抗反射层以及掩膜层，再利用光刻刻蚀工艺形成暴露出接触孔插塞上表面的沟槽。这里，利用光刻和刻蚀工艺形成对应的图案为本领域技术人员的公知常识和常用手段，在此不再赘述其详细的工艺过程。
48.步骤六、采用氢氟酸溶液清洗去除刻蚀残留物。
49.蚀刻后残余物的去除最常使用的是ekc溶液，但由于半导体工艺中接触孔的尺寸较小的限制，极易发生图3中所示的悬挂16(overhang)现象，导致形成的接触孔插塞中有图4所示的空隙17，这导致后续金属层形成过程中，使用ekc溶液去除刻蚀物时，会使ekc溶液沿图6所示竖直箭头流入接触孔底部，ekc溶液对金属钨又有较高的腐蚀性能，会使得接触孔插塞在金属层互连工艺中出现断路，严重影响器件的性能和良率。因而，本发明实施例中，采用氢氟酸溶液清洗去除刻蚀残留物。本发明实施例中，氢氟酸溶液的去离子水和氢氟酸的体积比范围是100∶1到1000∶1，为稀氢氟酸清洗溶液。相比ekc溶液，氢氟酸溶液对钨的刻蚀率比较低，就算后续，由于空隙的原因流入接触孔底部，也不会造成接触孔插塞的断
路，不会对半导体器件的性能产生严重影响。
50.步骤七、用水清洗去除所述氢氟酸溶液残留。
51.在本发明实施例中，水为蒸馏水或去离子水。湿法清洗所用的溶液一般都具有腐蚀性，在清洗完成后需用水清洗去除清洗溶液残留。
52.步骤八，在沟槽中填充金属，以形成与接触孔插塞电接触的金属层。
53.本发明实施例中，金属层的材料为铝、铜、铝铜合金或钨。
54.当然，本发明实施例的金属层形成方法同样适应于后续形成的多层互连的金属层。
55.图9显示为本发明实施例形成的接触孔插塞的透射电子示意图。与图7对比，很显然，采用氢氟酸溶液清洗去除刻蚀残留物形成的接触孔插塞没有断路缺陷。
56.本发明采用含有dhf的清洗溶液对刻蚀残留物进行湿法清洗，相对于现有技术中采用含有ekc的溶液进行湿法清洗，降低了对金属钨的蚀刻率，避免了接触孔断路缺陷的产生，提高了半导体器件的性能和良率。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。