CN101106066A - 可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，通过在刻蚀后进行热处理对残留的难溶聚合物进行收缩、软化及燃烧，实现刻蚀后残留聚合物的完全去除。本发明实现方便，无需增加额外的工艺步骤，仅依靠对工艺顺序进行调整即可实现，对生产周期没有影响，在保持低成本、高效率的同时，提高了产品的成品率。

Description

可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法。

背景技术

在半导体器件制造过程中，常需要在晶片上定义出极细微尺寸的图案，这些图案的定义主要是通过刻蚀技术完成。所谓刻蚀技术就是将晶片表面材料均匀去除或图案选择性部分去除的技术，可以分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种。其中，湿法腐蚀是用液体化学试剂以化学方式去除晶片表面材料，因其具有各向同性，一般只用于尺寸较大的情况。

干法刻蚀则是将晶片表面曝露于气态中产生的等离子体中，通过等离子体与晶片发生物理与/或化学反应，去除曝露的表面材料。干法刻蚀一般具有较强的方向性，可以获得较高的各向异性的刻蚀剖面，较好地控制线宽，是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要的方法。目前，干法刻蚀已成为集成电路制造中的关键工艺之一，该工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的先进性。

随着超大规模集成电路器件特征尺寸不断地等比例缩小，集成度不断地提高，对可以完整地将掩膜图形复制到晶片表面的刻蚀技术的要求也越来越高。不但要求图形转移的保真度要高，刻蚀的选择比要高，刻蚀的均匀性要好；同时还要求刻蚀设备在大规模量产中能保证极高的稳定性、极低的缺陷率。

图1A到1C是说明现有对器件进行干法刻蚀的剖面示意图。图1A为刻蚀前的器件剖面示意图，如图1A所示，在硅衬底101上生长介质层102，并在晶片表面涂布上光刻胶103，形成图形。图1B为刻蚀后的器件剖面示意图，如图1B所示，通过刻蚀将未被光刻胶保护的介质层102去除，实现将图形转移到光刻胶下面的介质层上，刻蚀过程中，通常会用刻蚀反应气体所产生的等离子体进行刻蚀，如CF₄、CF₈、C₅F₈、C₄F₆、CHF3、BCl3等，它们与光刻胶、刻蚀生成物等会产生一定的结合，形成聚合物104，该聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。刻蚀聚合物的产生有多种原因，成份也相当复杂，其受到包括刻蚀气体、刻蚀材料、保护层、刻蚀停止层及下层材料在内的多种物质的影响，具有很强的难以氧化和去除的碳氟键。但是，这些聚合物在刻蚀完成后必须去除，否则将成为增加晶片表面缺陷密度的颗粒和污染物源，毁坏器件功能，影响器件的成品率和可靠性。因此，这些聚合物的去除已成为了刻蚀工艺完成后必须经过的一个关键步骤，其去除效果的好坏也备受关注。图1C为现有技术中刻蚀后残留聚合物未能完全去除的器件剖面示意图，如图1C所示，在刻蚀完成后，若未能完全去除聚合物，则在刻蚀的沟槽内仍会残留一些聚合物微粒105，这些残留聚合物微粒一般都很小，甚至可以逃过正常的镜检进入后面的工艺流程，但随着工艺的进行，这些残留的聚合物微粒往往会发生移动，在晶片表面形成微粒缺陷，并最终对器件性能造成不可弥补的影响。

现有去除刻蚀后残留聚合物的方法主要有两种，一种是利用化学腐蚀清洗的方法，另一种则是利用过刻蚀的方法，但两种方法都有不足的地方。对于前者，是在刻蚀后采用特殊的化学气体或强溶剂对晶片进行清洁以去除残留的聚合物，如用EKC或SCl液进行清洁，用O₂进行处理等。但实际中，这些措施往往不能将残留聚合物完全去除干净，仍会残留下部分难溶的聚合物微粒。对于后者，是在刻蚀完成后，采用与主刻蚀不同的刻蚀气体再对晶片进行等离子过刻蚀处理，以消除刻蚀沟槽内的聚合物。但该方难以实现精确控制，一旦出现过度的过刻蚀，则一方面会加深对晶片的损伤，另一方面，也会影响到图案的剖面形状，进而影响到对线宽的控制。故而，事实上很难单纯通过过刻蚀实现刻蚀后残留聚合物的完全去除。

申请号为03816222.9的中国专利公开了一种选择性清除刻蚀残留物的组合物，该组合物包含有去离子水、有机二羧酸、有机或无机碱、含氟离子化合物及防腐蚀剂等，可以去除刻蚀后残留的聚合物。但该方法中的组合物种类多达八种以上，成本较高；且组合物配比也较为复杂，尤其要求对该组合物最终的ph值进行严格的控制，这在操作上有一定的难度，不易实现。

发明内容

本发明提供了一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，该方法利用刻蚀后的热处理实现对残留聚合物的去除。

本发明提供的一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，包括步骤：

在衬底上形成至少一层材料层；

对所述材料层进行刻蚀；

对衬底进行热处理。

其中，所述的材料层是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽、钛酸钡锶、多晶硅、单晶硅和金属中的一种或其组合。

其中，所述刻蚀为等离子刻蚀。

其中，所述热处理是快速热退火处理或高温炉退火处理，热处理过程中通入了氮气、氩气或氮气与氧气的混合气体中的一种；热处理的温度为300℃-1350℃，热处理的时间在3秒到60分钟之间。

其中，所述方法进一步包括利用掩膜对材料层进行图形化处理，以及对所述掩膜的去除及清洗过程。

本发明具有相同或相应技术特征的另一种去除刻蚀后残留聚合物的方法，是对刻蚀后的衬底进行热处理。

其中，所述热处理是快速热退火处理或高温炉退火处理，在热处理过程中通入氮气、氩气或氮气与氧气的混合气体中的一种；热处理的温度为300℃-1350℃，热处理的时间在3秒到60分钟之间。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用本发明提供的可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，通过在刻蚀后对晶片进行热处理，使得残留的难溶聚合物通过高温处理而被去除。在实际工艺中，通过对工艺顺序进行调整，将器件制造流程中的热退火工艺移至多层材料的刻蚀均完成后再执行，就可以在不增加工艺步骤，不增加工艺时间，也不增加工艺难度的情况下实现本发明的残留聚合物的去除，提高产品的成品率。同时，本发明还可以有效地减少清洗的步骤及时间，降低了生产成本，提高了生产效率。

附图说明

图1A至1C为说明现有对器件进行干法刻蚀的剖面示意图；

图2为说明本发明第一实施例的器件制造方法流程示意图；

图3为本发明第一实施例中热处理后的器件结构剖面图；

图4为说明本发明第二实施例的器件制造方法流程示意图；

图5A至5E为本发明第二实施例中的器件结构剖面图；

图6为采用本发明器件制造方法前后聚合物检测结果对比图；

图7为采用本发明器件制造方法前后的器件成品率对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，利用在刻蚀后对晶片进行的热处理对残留的难溶聚合物进行高温分解，将残留的难溶聚合物去除。

实际的工艺制造过程中往往需要对不止一层的材料进行多步刻蚀，如果在每次刻蚀后都进行热处理去除残留的聚合物，会造成生产周期加长，实际也没有必要。可以在需要进行的多步刻蚀全部完成后，再进行热处理，实现多次刻蚀后留下的聚合物的一次性地去除。此外，工艺制造过程中本身也需要对晶片进行一些高温热处理，如在掺杂后，就需要对晶片进行快速热退火或高温炉退火处理，以激活注入的杂质，进一步改善器件的电学性能。因而只要对工艺顺序进行一些调整，将这一高温处理步骤移至多步刻蚀完成后再进行，就可以轻易实现本发明，无需加入额外的工艺步骤，对生产周期及生产成本也没有影响。

本发明的第一实施例以刻蚀硅片上的氧化硅层为例，对刻蚀一层材料后进行热处理以去除残留聚合物的器件制造过程进行说明。图2为本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法的第一实施例的流程示意图，结合图2说明第一实施例如下：

首先，在硅片淀积一层二氧化硅(S201)，然后，在其表面涂布光刻胶，光刻形成图形(S202)。本步工艺中要注意光刻胶的选择，最好选择在等离子刻蚀后容易被剥离的光刻胶类型，减小刻蚀后残留光刻胶的去除难度。另外，光刻胶的厚度要足够保护不希望被刻蚀的硅片表面的二氧化硅，具体厚度一般由光刻胶与被刻蚀材料的刻蚀速率比以及预计的刻蚀深度所决定。

接着，进行干法刻蚀将光刻图形转移到硅片上(S203)。本实施例采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etch)，利用刻蚀气体进行化学反应和物理离子轰击去除被刻蚀材料二氧化硅，刻蚀所用的气体包括C₄F₈，其流量范围在5到30sccm之间，如为20sccm；O₂，其流量范围在5到15sccm之间，如为10sccm；Ar，其流量范围在200到500sccm之间，如为350sccm；CO，其流量范围在200到500sccm之间，如为300sccm。

刻蚀中，刻蚀反应气体会与光刻胶、刻蚀生成物结合，产生含有碳(C)、氟(F)、氮(N)、氧(O)等元素的复杂聚合物，需要在刻蚀后去除。

刻蚀后，需要进入清洗步骤以去除刻蚀后残留的光刻胶与聚合物(S204)。去胶后，采用热的SCl碱性清洗溶液去除有机沾污，包括去胶后余下的光刻胶残渣和部分较软的残留聚合物。但是对于部分较硬的残留聚合物微粒，仅仅通过化学溶液的清洗一般是无法去除的。

为彻底去除清洗后残留的部分较硬的聚合物微粒，本实施例对硅片进行了热处理(S205)。将清洗后的硅片放入快速热退火炉中，通入氮气(N₂)和氧气(O₂)的混合气体，其流量比在0.5到10之间，如为2；待气流稳定后，快速将温度提高到300℃到1350℃，如为800℃；热处理的设定时间可以在3秒到60分钟之间，如为10秒。在这一热处理过程中，高温可以令残留的聚合物收缩，通入的N₂可以软化聚合物微粒，O₂可以令聚合物燃烧，并最终将残留的难以去除的较硬的聚合物微粒分解并去除掉。图3所示为本实施例中热处理后的器件结构剖面图，如图3所示，原来在晶片表面及沟槽内残留的刻蚀后聚合物已被去除。

本实施例的热处理过程中通入的是氮气(N₂)和氧气(O₂)的混合气体，在本发明的其它实施例中，还可以通入氩气(Ar)、氢气(H₂)等其它气体。

本实施例的热处理利用的是快速热退火炉，在本发明的其它实施例中也可以利用高温炉进行，或采用先在快速热退火炉中进行热处理，再在高温炉进行热处理的方法，以进一步改善器件性能。高温炉退火的工艺条件可以为：温度在600℃到1350℃之间，如为800℃，处理时间在3分钟到60分钟之间，如为10分钟。

本发明的第二实施例以形成双镶嵌(dual-damascene)结构为例，说明了分别刻蚀多层材料后再进行热处理以去除所有残留聚合物的过程。图4是说明本发明第二实施例的流程示意图，图5是本发明第二实施例中的器件结构剖面图，结合图4和图5，说明本发明的第二实施例如下：

如图4所示，首先淀积第一第二及第三介质层，涂布光刻胶，完成通孔的光刻(S401)。图5A是该步骤完成后的器件结构剖面图，如图5A所示，本实施例中在硅片501上淀积的第一介质层502采用的是硼磷硅玻璃，其厚度在100到500nm之间，如为200nm；在第一介质层502上淀积的第二介质层503采用了四乙基氧化硅，厚度在300到800nm之间，如为500nm；接着要在第二介质层503上淀积一层多晶硅作为硬掩膜(第三介质层504)，再选择在等离子刻蚀后容易被剥离的光刻胶505涂布在晶片表面，光刻好图形，下一步将会对未被光刻胶保护的材料进行刻蚀506。

然后，对未被光刻胶保护的第一、二和第三介质层进行整体刻蚀形成通孔(S402)。本步刻蚀工艺所用的气体包括C₄F₈，其流量范围在5到30sccm之间，如为20sccm；O₂，其流量范围在5到15sccm之间，如为10sccm；Ar，其流量范围在200到500sccm之间，如为350sccm；CO，其流量范围在200到500sccm之间，如为300sccm。

刻蚀通孔后，进行去胶清洗(S403)。去除残留光刻胶后，再采用热的SCl碱性清洗溶液去除有机沾污，包括去胶后余下的光刻胶残渣和部分较软的残留聚合物，经过清洗，侧壁上只残留部分较硬的聚合物微粒。图5B是通孔形成后的器件结构剖面图，如图5B所示，由图中可以清楚地看到，清洗后，刻蚀形成的通孔507的侧壁上仍附着有部分刻蚀产生的聚合物微粒508。

接着，进行离子注入(implant)(S404)。对曝露的通孔底部的硅材料进行掺杂处理，以改善金属接触层的电性能。但是，单纯的离子注入后，硅片的晶格会因原子被撞击出晶格结构而受到损伤，同时，注入的离子也会停留在晶格间隙的位置，不能起到改善电学性能的作用。故而，在传统工艺中，离子注入后需对其进行高温热退火处理，修复晶格缺陷并使杂质移动到晶格点，激活杂质。本实施例中，将原来在离子注入后进行的高温热退火处理后移，直到对第二介质层503和第三介质层504刻蚀形成沟槽的操作完成后再进行，以同时实现所有层刻蚀后残留的聚合物的彻底去除。

再接着，制作沟槽(S405)。在第三介质层上涂布光刻胶，完成沟槽的光刻，并对第二和第三介质层进行刻蚀，形成沟槽509。其中，刻蚀采用的气体包括C₅F₈，其流量范围在5到20sccm之间，如为10sccm；O₂，其流量范围在5到15sccm之间，如为10sccm；Ar，其流量范围在200到500sccm之间，如为350sccm；CO，其流量范围在200到500sccm之间，如为300sccm。

刻蚀完成后，要再次进行去胶清洗(S406)。同样是在去胶后，采用热的SCl碱性清洗溶液进行清洗。图5C是清洗后的器件结构剖面图，如图5C所示，刻蚀形成的沟槽509的侧壁上仍残留着部分刻蚀产生的聚合物微粒508未能去除。

然后，再对晶片进行热退火处理(S407)。将硅片放入快速退火炉中，进行原来在离子注入后完成的快速热退火工艺，一方面修复晶格缺陷并使杂质移动到晶格点，激活杂质；另一方面可以将两次刻蚀后在通孔和沟槽内残留的未清洗掉的聚合物去除。退火前，通入氮气(N₂)或氩气(Ar)，其流量在50到300sccm之间，如为150sccm；待气流稳定后，快速将温度提高到600℃到1350℃之间，如为1000℃；热处理的时间可以在3秒以上，如为10秒；然后再迅速降温，结束快速热退火处理。在这一热处理过程中，高温可以令残留的聚合物收缩，甚至消失。

热退火处理过程也可以利用高温炉进行，或将快速热退火处理和高温炉退火处理结合起来进行，以进一步改善器件电性能。高温炉退火的工艺条件为：温度在600℃到1350℃之间，如为800℃，处理时间在3分钟到60分钟之间，如为10分钟。

图5D为热处理后的器件结构剖面图，如图5D所示，此时，残留的聚合物已被去除。

另外，在热退火过程中要对退火炉内的颗粒情况进行监控，注意保持炉内的清洁，以防止在退火过程中引入新的缺陷。

最后，淀积金属，通过CMP将多余的金属去除，形成金属连线(S408)。图5E是金属连线形成后的器件结构剖面图，如图5E所示，在通孔507和沟槽509内填充有金属钨(W)510。

图6为采用本发明方法前后聚合物检测结果对比图。如图6所示，601表示的是热退火工艺在形成沟槽之前进行的检测结果，602表示的是热退火工艺在形成沟槽之后再进行的检测结果，由图中可以明显看到，采用本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法后，硅片表面的聚合物有明显的减少。

图7为采用本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法前后器件成品率对比图。如图7所示，701表示的是未采用热处理去除刻蚀残留聚合物的器件的成品率结果，702表示的是采用热处理去除了刻蚀残留聚合物的器件的成品率结果，由图中可以看到，采用本发明可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法后，器件的成品率有明显提高。

本实施例的双镶嵌式工艺中，先形成了通孔，再形成沟槽，在本发明的其它实施例中，也可以采用先刻蚀第二介质层形成沟槽，再刻蚀第一介质层形成通孔的双镶嵌式工艺方法，该方法同样也可以在二次刻蚀工作都完成后，再进行热退火处理，实现杂质激活与聚合物去除的双重目的。

本实施例中，第一、第二和第三介质层分别采用的是硼磷硅玻璃、四乙基氧化硅和多晶硅层，在本发明的其它实施例中，还可以采用氮化硅、碳化硅、氮氧化硅等其它介质层。

以上各实施例是对硅片制造工艺中的刻蚀后残留聚合物进行去除，可以采用较高的热处理条件，在本发明的其它实施例中，也可以对砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等其它材料的衬底上的材料进行热处理去除其刻蚀后残留的聚合物，此时可能需要用较低的温度，如300℃到600℃左右，同样也可以实现残留聚合物的去除。

上述实施例是刻蚀三层介质层后一起进行热处理，在本发明的其它实施例中还可以是分别对更多层材料进行刻蚀后，再进行热处理，以一次彻底去除多步刻蚀后残留的所有的聚合物。其中刻蚀的材料可以是介质层、半导体层或金属层，如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽(Ta₂O₅)、钛酸钡锶(BST)、多晶硅、单晶硅、铝、铜、钨等。但要注意对于金属材料，其退火温度的选择取决于它的熔点，即，热处理的温度必须要低于金属的熔点。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种可去除刻蚀后残留聚合物的半导体器件制造方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成至少一层材料层；

对所述材料层进行刻蚀；

对衬底进行热处理。

2.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：所述的材料层是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钽、钛酸钡锶、多晶硅、单晶硅和金属中的一种或其组合。

3.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：所述刻蚀为等离子刻蚀。

4.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：所述热处理是快速热退火处理或高温炉退火处理。

5.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：在热处理过程中通入氮气或氩气。

6.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：在热处理过程中通入氮气与氧气的混合气体。

7.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：所述热处理的温度为300℃-1350℃。

8.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：所述热处理的时间在3秒到60分钟之间。

9.如权利要求1所述的器件制造方法，其特征在于：所述方法进一步包括利用掩膜对材料层进行图形化处理。

10.如权利要求9所述的器件制造方法，其特征在于：所述方法进一步包括对所述掩膜的去除及清洗过程。

11.一种去除刻蚀后残留聚合物的方法，其特征在于，对刻蚀后的衬底进行热处理。

12.如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于：所述热处理是快速热退火处理或高温炉退火处理。

13.如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于：在热处理过程中通入氮气或氩气。

14.如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于：在热处理过程中通入氮气与氧气的混合气体。

15.如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于：所述热处理的温度为300℃-1350℃。

16.如权利要求11所述的器件制造方法，其特征在于：所述热处理的时间在3秒到60分钟之间。

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