CN104576512A - 一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法 - Google Patents

一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,所述处理方法至少包括步骤:首先,提供一金属互连结构,该金属互连结构包括第一金属层、位于所述第一金属层上并设有通孔的绝缘层以及位于所述绝缘层上的第二金属层;所述通孔中填充有第三金属层连通所述第一金属层和第二金属层;接着,将所述金属互连结构置入反应腔中,通入N2和H2O的混合气体,等离子化所述N2和H2O的混合气体使H2O离解形成氢原子,所述氢原子俘获所述第二金属层中的正电荷避免该正电荷引起电化学反应腐蚀通孔中的第三金属层;所述第二金属层为铝铜合金;所述第三金属层的材料是钨。

Description

一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域,特别是涉及一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法。
背景技术
集成电路的制造可以分为两个主要的部分,首先,在晶片的表面制造出有源器件和无源器件,这称为前线(FEOL);之后需要在芯片上用金属***来连接各个器件和不同的层,这称为后线(BEOL)。
后线中的芯片金属化是应用化学或物理的处理方法在芯片上淀积导电金属薄膜的过程。这一过程与介质的淀积紧密相关,金属线在IC电路中传输信号,介质层则保证信号不受邻近金属线的影响。通孔是穿过各种介质层从某一金属层到毗邻的另一金属层之间形成电通路的开口,再在通孔中填充金属薄膜,以便在两金属层之间形成电连接。
如图1和图2所示,现有的金属化工艺过程为:首先,在半导体器件上依次形成金属层和绝缘层;之后刻蚀所述绝缘层形成通孔,并在通孔中填充金属材料钨1A;接着在绝缘层及钨金属上制备铝铜合金材料层,刻蚀所述合金材料层形成铝铜合金层2A。而在形成铝铜合金层2A之前,需要先在铝铜材料层上旋涂光刻胶层3A作为掩膜层,形成铝铜合金层2A之后利用干法蚀刻将光刻胶层3A去除。但是,在干法去除光刻胶层3A的过程,一般会利用O2离子化后与光阻发生反应(光阻的成分主要是碳C),有些O+会附着在铝铜合金层2A上,这样,去除光刻胶层3A后铝铜合金层2A会带上正电荷,使通孔中的钨金属1A具有较高的电势能,由于高势能的存在,钨金属1A会在后续湿法的溶液中发生电化学反应生成钨酸根离子,从而使通孔中的钨金属1A被腐蚀出现凹坑,甚至被全部掏空,如图3和图4所示。一旦出现钨金属1A腐蚀的情况,半导体器件的性能会受到严重影响,产品的产率降低。
因此,提供一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,用于解决现有技术中带有正电荷的金属层提供的高电势导致通孔金属发生电化学腐蚀的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,所述避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法至少包括以下步骤:
首先,提供一金属互连结构,该金属互连结构包括第一金属层、位于所述第一金属层上并设有通孔的绝缘层以及位于所述绝缘层上的第二金属层;所述通孔中填充有第三金属层连通所述第一金属层和第二金属层;
接着,将所述金属互连结构置入反应腔中,通入N2和H2O的混合气体,等离子化所述N2和H2O的混合气体使H2O离解形成氢原子,所述氢原子俘获所述第二金属层中的正电荷避免该正电荷引起电化学反应腐蚀通孔中的第三金属层。
作为本发明的一种优选方案,所述第二金属层为铝铜合金。
作为本发明的一种优选方案,所述第三金属层材料为钨。
作为本发明的一种优选方案,所述通孔的截面为倒梯形。
作为本发明的一种优选方案,所述N2气体的流量范围为700~950sccm。
作为本发明的一种优选方案,所述H2O气体的流量范围为25~45sccm。
作为本发明的一种优选方案,所述第二金属层的线宽范围为0.14~0.50um。
作为本发明的一种优选方案,所述处理方法在等离子刻蚀机中完成。
作为本发明的一种优选方案,在等离子刻蚀机中进行处理时,射频功率为800~1200瓦,压力为1.0~1.9托,处理的时间为10~20秒。
如上所述,本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,具有以下有益效果:增加对金属互连结构中第二金属层正电荷的处理步骤,该处理步骤包括:将金属互连结构置入反应腔中,通入N2和H2O的混合气体,等离子化所述N2和H2O的混合气体使H2O离解形成氢原子,所述氢原子俘获所述第二金属层中的正电荷,避免该正电荷引起电化学反应腐蚀通孔中的第三金属层。
附图说明
图1为现有技术的铝铜合金层上未去除光刻胶层的结构示意图。
图2为现有技术的去除光刻胶层后铝铜合金层中带有正电荷的结构示意图。
图3为现有技术的通孔中钨金属被部分腐蚀的结构示意图。
图4为现有技术的通孔中钨金属被全被腐蚀掏空的结构示意图。
图5为本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法的流程图。
图6为经过本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法处理后去除第二金属层中正电荷的结构示意图。
图7为经过本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法处理后第二金属层未被腐蚀的结构示意图。
元件标号说明
S1,S2                 步骤
1A                    钨金属
1                     第三金属层
2A                    铝铜合金层
2                     第二金属层
3A                    光刻胶层
4                     绝缘层
5                     第一金属层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,如图5所示,所述避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法至少包括步骤:
首先执行步骤S1,提供一金属互连结构,该金属互连结构包括第一金属层、位于所述
一金属层上并设有通孔的绝缘层以及位于所述绝缘层上的第二金属层;所述通孔中填充有第三金属层连通所述第一金属层和第二金属层;
接着执行步骤S2,将所述金属互连结构置入反应腔中,通入N2和H2O的混合气体,等离子化所述N2和H2O的混合气体使H2O离解形成氢原子,所述氢原子俘获所述第二金属层中的正电荷避免该正电荷引起电化学反应腐蚀通孔中的第三金属层。
所述金属互连结构形成于半导体器件表面,下面结合附图具体描述形成金属互连结构的过程,其过程为:
第一步,先在半导体器件的表面依次制备第一金属层5和绝缘层4,如图6所示。制备第一金属层5的工艺可以是真空蒸发、溅射淀积或者金属化学气相沉积等等,也可以是其他合适的工艺。通常采用高密度等离子体沉积方式、低压化学气相沉积(LPCVD)或增强等离子体化学气相沉积(PECVD)等来形成绝缘层4。
第二步,采用刻蚀工艺刻蚀所述绝缘层4形成通孔,在所述通孔中填充满第三金属层1。刻蚀所述绝缘层4可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀等常规工艺,在此不限。所述通孔的形状可以是长方形或者倒梯形,但不限于此。另外,在通孔中填充第三金属层1前,可以在通孔内壁上形成氮化钛薄层(未予以图示)作为粘附层,以防止第三金属层1与下层第一金属层5发生剥离。所示第一金属层为铝、铜或者铝铜合金等。作为示例,所述第三金属层为铝铜合金。所示第三金属层的材料包括但不限于钨或者铜等。作为示例,所述第三金属层材料为钨。
第三步,在所述绝缘层4表面形成第二金属材料层,并在所述第二金属材料层上旋涂光刻胶层,图形化所述光刻胶后刻蚀所述第二金属材料层形成第二金属层2,所述第二金属层2全部或者部分覆盖于第三金属层1。作为示例,所述第二金属层2部分覆盖第三金属层1,如图6所示。形成第二金属材料层的方式可以是是真空蒸发、溅射淀积或者金属化学气相沉积等等。所示第二金属层2为铝、铜或者铝铜合金等。作为示例,所述第二金属层2为铝铜合金。最后采用干法腐蚀方式去除所述光刻胶层,在去除光刻胶的过程中,第二金属层2会带上正电荷。该正电荷形成的高电势会对通孔中的第三金属层1造成非常严重的电化学腐蚀,使第三金属层1转变为相应的金属离子或金属酸根离子而流失,比如,通孔中的钨金属会发生电化学反应转变为钨酸根离子而流失掉,其具体发生的电化学反应方程式为:
W(s)+4OH-→WO2(s)+4e-+2H2O,WO2(s)+OH-→WO3H(s)+e-。第三金属层1被腐蚀将直接导致整个器件瘫痪,造成不可挽回的损失。
作为本发明的一种优化的方案,本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理工艺可以在等离子刻蚀机的反应腔室中完成,晶圆被置入反应腔的载座上,并由真空***将反应腔内部压力降低,所述压力范围为可以调整到1.1~1.9托之间,在真空建立起来后,将反应腔中充入N2和H2O的混合气体,N2和H2O的混合气体将金属互连结构包围,之后开启电源,给反应腔中的平行板电极之间创造一个射频电场,射频功率可以设置在900~1200瓦范围内,利用射频电场将混合气体激发成为等离子态。
其中,通入的混合气体中N2气体的流量范围为700~950sccm(每分钟标准每毫升),通入N2气的作用可能是作为一种保护气体。通入的混合气体中H2O气体的流量范围为25~45sccm(每分钟标准每毫升)。H2O蒸汽在高频电场的作用下发生电离,电离产物中有氢原子,发生的电离方程式为:H2O→2H+O,随着H2O蒸汽源源不断的通入反应腔室,上述电离方程式可以持续向右进行,产生更多的氢原子,由于氢原子非常活泼,容易失去电子转变成为H+离子,因此,当氢原子附着在铝铜合金层2表面时,氢原子失去的电子与第二金属层2中的正电荷进行中和而使第二金属层2中的正电荷去除,如图6所示,从而使加在通孔中第三金属层1上的高电势消失,达到有效防止第三金属层1发生电化学腐蚀的目的。如图7所示为经过处理后第三金属层1未发生电化学腐蚀的结构示意图。
作为示例,所述第二金属层2的线宽范围为0.14~0.50μm。
作为示例,在等离子刻蚀机中进行处理的时间范围为10~20秒。
实施例二
本实施例中,所述第二金属层2的线宽为0.14~0.20μm。
本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理工艺在等离子刻蚀机的反应腔室中完成,晶圆被置入反应腔的载座上,并由真空***将反应腔内部压力降低,所述压力设置为1.1托,在真空建立起来后,将反应腔中充入N2和H2O的混合气体,N2和H2O的混合气体将金属互连结构包围,之后开启电源,给反应腔中的平行板电极之间创造一个射频电场,射频功率设置为900瓦,利用射频电场将混合气体激发成为等离子态。
本实施例中,通入的混合气体中N2气体的流量为800sccm,通入N2气的作用可能是作为一种保护气体。通入的混合气体中H2O气体的流量为35sccm。H2O蒸汽在高频电场的作用下发生电离,电离产物中有氢原子,发生的电离方程式为:H2O→2H+O,随着H2O蒸汽源源不断的通入反应腔室,上述电离方程式可以持续向右进行,产生更多的氢原子,由于氢原子非常活泼,容易失去电子转变成为H+离子,因此,当氢原子附着在铝铜合金层2表面时,氢原子失去的电子与第二金属层2中的正电荷进行中和而使第二金属层2中的正电荷去除,从而使加在通孔中第三金属层1上的高电势消失,达到有效防止第三金属层1发生电化学腐蚀的目的。
本实施例中,在等离子刻蚀机中进行处理的时间为10秒,经过10秒的处理,所述第二金属层中的正电荷完全被去除。
实施例三
本实施例中,所述第二金属层2的线宽为0.20~0.30μm。
本发明的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理工艺在等离子刻蚀机的反应腔室中完成,晶圆被置入反应腔的载座上,并由真空***将反应腔内部压力降低,所述压力设置为1.1托,在真空建立起来后,将反应腔中充入N2和H2O的混合气体,N2和H2O的混合气体将金属互连结构包围,之后开启电源,给反应腔中的平行板电极之间创造一个射频电场,射频功率设置为900瓦,利用射频电场将混合气体激发成为等离子态。
本实施例中,通入的混合气体中N2气体的流量为800sccm,通入N2气的作用可能是作为一种保护气体。通入的混合气体中H2O气体的流量为35sccm。H2O蒸汽在高频电场的作用下发生电离,电离产物中有氢原子,发生的电离方程式为:H2O→2H+O,随着H2O蒸汽源源不断的通入反应腔室,上述电离方程式可以持续向右进行,产生更多的氢原子,由于氢原子非常活泼,容易失去电子转变成为H+离子,因此,当氢原子附着在铝铜合金层2表面时,氢原子失去的电子与第二金属层2中的正电荷进行中和而使第二金属层2中的正电荷去除,从而使加在通孔中第三金属层1上的高电势消失,达到有效防止第三金属层1发生电化学腐蚀的目的。
本实施例中,在等离子刻蚀机中进行处理的时间为15秒,经过15秒的处理,所述第二金属层中的正电荷完全被去除。
实施例四
本实施例中,所述第二金属层2的线宽为0.30~0.50μm。
晶圆被置入反应腔的载座上,并由真空***将反应腔内部压力降低,所述压力设置为1.1托,在真空建立起来后,将反应腔中充入N2和H2O的混合气体,N2和H2O的混合气体将金属互连结构包围,之后开启电源,给反应腔中的平行板电极之间创造一个射频电场,射频功率设置为900瓦,利用射频电场将混合气体激发成为等离子态。
本实施例中,通入的混合气体中N2气体的流量为800sccm,通入N2气的作用可能是作为一种保护气体。通入的混合气体中H2O气体的流量为35sccm。H2O蒸汽在高频电场的作用下发生电离,电离产物中有氢原子,发生的电离方程式为:H2O→2H+O,随着H2O蒸汽源源不断的通入反应腔室,上述电离方程式可以持续向右进行,产生更多的氢原子,由于氢原子非常活泼,容易失去电子转变成为H+离子,因此,当氢原子附着在铝铜合金层2表面时,氢原子失去的电子与第二金属层2中的正电荷进行中和而使第二金属层2中的正电荷去除,从而使加在通孔中第三金属层1上的高电势消失,达到有效防止第三金属层1发生电化学腐蚀的目的。
本实施例中,在等离子刻蚀机中进行处理的时间为25秒,经过25秒的处理,所述第二金属层中的正电荷完全被去除。
综上所述,本发明提供一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,所述处理方法包括步骤:将金属互连结构置入反应腔中,通入N2和H2O的混合气体,等离子化所述N2和H2O的混合气体使H2O离解形成氢原子,所述氢原子俘获所述第二金属层中的正电荷,避免该正电荷引起电化学反应腐蚀通孔中的第三金属层。通过本发明提供的处理方法处理金属互连结构后,可以有效防止通孔填充金属被腐蚀甚至掏空,提升了器件性能,保证了产品良率。
所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于,所述避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法至少包括以下步骤:
提供金属互连结构,该金属互连结构包括第一金属层、位于所述第一金属层上并设有通孔的绝缘层以及位于所述绝缘层上的第二金属层;所述通孔中填充有第三金属层连通所述第一金属层和第二金属层;
将所述金属互连结构置入反应腔中,通入N2和H2O的混合气体,等离子化所述N2和H2O的混合气体使H2O离解形成氢原子,所述氢原子俘获所述第二金属层中的正电荷避免该正电荷引起电化学反应腐蚀通孔中的第三金属层。
2.根据权利要求1所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述第二金属层为铝铜合金。
3.根据权利要求1所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述第三金属层材料为钨。
4.根据权利要求1所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述通孔的截面为倒梯形。
5.根据权利要求1所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述N2气体的流量范围为700~950sccm。
6.根据权利要求1所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述H2O气体的流量范围为25~45sccm。
7.根据权利要求1或2所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述第二金属层的线宽范围为0.14~0.50μm。
8.根据权利要求1所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:所述处理方法在等离子刻蚀机中完成。
9.根据权利要求8所述的避免通孔金属发生电化学腐蚀的处理方法,其特征在于:在等离子刻蚀机中进行处理时,射频功率范围为800~1200瓦,压力范围为1.0~1.9托,处理的时间范围为10~20秒。
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