一种无应力电化学抛光铜时去除二氧化硅的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造工艺领域，更具体地，涉及一种针对超 低介电材料进行无应力电化学抛光铜时去除二氧化硅的方法。

背景技术

由于半导体技术的飞速发展，对芯片速度的要求越来越高。为了满足芯 片速度的要求，需要采用超低介电材料和金属铜。其中超低介电材料可以取 代二氧化硅降低互连电容，金属铜能够降低互连电阻。二者结合可以降低互 连延迟，从而提高芯片速度。

在采用超低介电材料的集成电路后道集成工艺中，为了避免在形成双大 马士革结构时的刻蚀过程中对超低介电材料的损伤及降低光刻时的工艺难度 等，基本上是采用金属硬掩膜的集成方法。这种方法的特点是在超低介电材 料淀积后先淀积一层二氧化硅、然后是氮化钛、最后是二氧化硅。在此类膜 层结构上先进行光刻和氮化钛的刻蚀从而定义沟槽的形状，然后是通孔的光 刻和All-in-One(一体化)的刻蚀，随后是金属化的过程即阻挡层/籽晶层 的淀积、铜电镀、铜的化学机械研磨(CMP)过程。在此铜的化学机械研磨过 程中会将超低介电材料上的二氧化硅去除。但超低介电材料由于相对介电常 数低、因而其机械强度也较差，从而使得在后续传统的铜化学机械抛光中的 工艺比较难于控制，特别是在铜的去除过程中铜厚度越薄离超低介电材料越 近，对超低介电材料的影响越大，容易在工艺过程中产生缺陷从而影响良率。

目前，有一种新型的铜电化学抛光方法，称之为铜无应力电化学抛光法。 其原理是在电流作用下，晶圆上的铜在通电的抛光液作用下发生电解，从而 被去除。此种方法仅仅是电抛光液和硅片接触，没有机械作用力的产生，从 而对于超低介电材料在铜的去除方面尤其有优势。但是这种电解铜的方法， 无法去除作为阻挡层的氮化钽或钽。目前在采用此种电解抛光铜时的方法， 通常是采用干法刻蚀利用二氟化氙的气体来去除阻挡层。

在金属硬掩膜集成方式中采用的无应力电化学抛光工艺中，首先采用传 统的机械抛光进行大部分金属的去除，然后再采用电化学抛光去除铜，之后 是采用二氟化氙去除阻挡层，但二氟化氙此类气体无法去除氮化钽阻挡层下 面的二氧化硅，从而导致金属同层间的介电常数增大。这种局限性限制了无 应力电化学抛光在后道集成中的应用。

为了应对此类问题，也已经提出了一些解决方法，如公开号为 CN103985670A的中国发明专利申请公开的一种阻挡层的去除方法和装置中， 采用湿法刻蚀剂来去除氮化钛下的二氧化硅。由于二氧化硅下就是超低介电 材料，而超低介电材料是碳掺杂的二氧化硅，对湿法刻蚀的要求是停止在超 低介电材料上，而将二氧化硅去除。这需要有良好的选择比，此种方法难度 相当大。而且在湿法去除二氧化硅中，水汽将不可避免地进入超低介电材料 中，从而会增大材料的介电常数。此外，单纯采用无应力电化学抛光去除铜 的工艺产能也较低，显得非常不经济。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种无应力电 化学抛光铜时去除二氧化硅的方法，可在采用无应力电化学抛光铜后，通过 干法刻蚀选择性去除二氧化硅，从而可消除采用湿法工艺时的湿法选择比难 度问题、以及水汽进入超低介电材料中对超低介电材料的影响。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无应力电化学抛光铜时去除二氧化硅的方法，包括以下步骤：

步骤S01：提供一半导体衬底，在所述衬底上依次淀积超低介电材料、 二氧化硅、金属硬掩膜，并形成双大马士革结构，然后进行阻挡层/籽晶层淀 积、铜电镀工艺；

步骤S02：对铜电镀后的双大马士革结构进行化学机械抛光，去除大部 分铜层；

步骤S03：采用铜无应力电化学抛光法去除剩余的铜层；

步骤S04：采用二氟化氙干法刻蚀去除阻挡层和金属硬掩膜；

步骤S05：改变刻蚀气体，采用干法刻蚀选择性去除二氧化硅。

优选地，步骤S04和步骤S05中，在同一刻蚀腔体中进行干法刻蚀工艺。

优选地，步骤S05中，采用氨气和三氟化氮作为刻蚀气体，在等离子体 状况下进行干法刻蚀。

优选地，进行干法刻蚀时，氨气的流量为50-200sccm，三氟化氮的流量 为100-300sccm。

优选地，进行干法刻蚀时，等离子功率为300-1000W。

优选地，进行干法刻蚀时，处理时间为100-200秒，等离子功率为 300-1000W。

优选地，进行干法刻蚀时，处理温度为40-100℃，处理时间为100-200 秒，等离子功率为300-1000W。

优选地，步骤S02中，进行化学机械抛光时，去除2/3-4/5厚度的铜层。

优选地，步骤S05中，进行干法刻蚀时，氨气与三氟化氮的流量比为1： 3-2：1。

优选地，所述超低介电材料为含微孔的碳掺杂二氧化硅，金属硬掩膜材 料为氮化钛，阻挡层材料为氮化钽或钽。

从上述技术方案可以看出，本发明在制作双大马士革结构时，通过将 传统的铜化学机械抛光法与新型的铜无应力电化学抛光法相结合运用，在采 用化学机械抛光去除大部分铜层后，再采用无应力电化学抛光法去除剩余的 铜层，然后在一定的工艺条件下通过干法刻蚀选择性去除超低介电材料上的 二氧化硅，从而降低了采用无应力电化学抛光后的金属同层电容，并且与湿 法去除二氧化硅相比，干法处理能够利用原有的工艺腔体，通过增加气体管 路实现，因此可消除采用湿法工艺时的湿法选择比难度问题、以及水汽进入 超低介电材料中对超低介电材料的影响，且可降低制造综合成本。

附图说明

图1是本发明一种无应力电化学抛光铜时去除二氧化硅的方法流程图；

图2a-图2e是本发明一较佳实施例中采用图1的方法去除二氧化硅时的 工艺步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式 时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一 般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为 对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一种无应 力电化学抛光铜时去除二氧化硅的方法流程图；同时，请结合参阅图2a-图 2e，图2a-图2e是本发明一较佳实施例中采用图1的方法去除二氧化硅时的 工艺步骤示意图，图2a-图2e中形成的分步工艺结构，分别与图1中的各步 骤相对应以便于理解。如图1所示，本发明的一种无应力电化学抛光铜时去 除二氧化硅的方法，包括以下步骤：

如框01所示，步骤S01：提供一半导体衬底，在所述衬底上依次淀积超 低介电材料、二氧化硅、金属硬掩膜，并形成双大马士革结构，然后进行阻 挡层/籽晶层淀积、铜电镀工艺。

请参阅图2a。首先，在一半导体衬底(图略)上依次淀积一层超低介电 材料层1、二氧化硅介质2、金属硬掩膜3；然后，通过对所述超低介电材料 层1进行光刻、干法刻蚀，从而形成双大马士结构；再进行阻挡层4/籽晶层 的淀积以及电镀铜层5等，完成常规的铜双大马士结构工艺。此步骤可采用 现有的公知技术来实施，本例不再作展开说明。其中，所述衬底可以是具有 任何前道工艺的半导体衬底，例如可以是具有源极、漏极、栅极、STI等结 构的半导体硅片。所述超低介电材料可以选用含微孔的碳掺杂二氧化硅；金 属硬掩膜材料可以选用氮化钛，阻挡层材料可以选用氮化钽或钽。但可不限 于此。

如框02所示，步骤S02：对铜电镀后的双大马士革结构进行化学机械抛 光，去除大部分铜层。

请参阅图2b。接下来，可采用常规的化学机械抛光(CMP)法，对铜电 镀后的双大马士革结构铜层5进行粗研磨减薄，并平坦化，以去除大部分的 铜层5。

如果单纯地采用化学机械抛光法去除全部铜层，会因超低介电材料1机 械强度差的因素，在工艺过程中产生缺陷从而影响良率。而单纯采用无应力 电化学抛光去除铜的工艺速度较慢、产能较低，会对成本控制产生不利影 响。因此，本发明将传统的铜化学机械抛光法与新型的铜无应力电化学抛光 法相结合起来运用。对铜电镀后的双大马士革结构先进行化学机械抛光粗研 磨，利用其工艺速度快的特点，快速去除大部分铜层；同时，剩余下来的铜 层对下方的图层结构可起到保护作用，提高了工艺质量。

作为一优选的实施方式，在进行化学机械抛光粗研磨时，可先去除 2/3-4/5厚度的铜层。

如框03所示，步骤S03：采用铜无应力电化学抛光法去除剩余的铜层。

请参阅图2c。接下来，对所述双大马士革结构进行无应力电化学抛光 铜，即采用电解的方式、以硅片衬底作为阴极，在通电的电解液作用下，将 剩余的铜层5去除，并停止在阻挡层4。此方法与传统的采用化学机械研磨 去除铜的方法相比，是完全没有应力的作用，因而对于超低介电材料在铜的 去除方面尤其有优势。

如框04所示，步骤S04：采用二氟化氙干法刻蚀去除阻挡层和金属硬掩 膜。

请参阅图2d。在上述无应力电化学抛光铜完成后，可采用二氟化氙 (XeF₂)的刻蚀气体，在一定工艺条件下采用干法刻蚀去除阻挡层4和金属 硬掩膜3等，停止在二氧化硅介质层2。

如框05所示，步骤S05：改变刻蚀气体，采用干法刻蚀选择性去除二氧 化硅。

请参阅图2e。在干法刻蚀去除阻挡层和金属硬掩模后，可在原有的刻蚀 腔体中继续采用干法刻蚀的方式去除超低介电材料1上的二氧化硅2。超低 介电材料上的二氧化硅会增加同层间的金属互连电容，而在现有的湿法去除 二氧化硅中，对二氧化硅的刻蚀选择比较难控制，而且在湿法去除二氧化硅 中，水汽将不可避免地进入超低介电材料中，从而会增大材料的介电常数。

采用本发明的方法时，去除此二氧化硅的方法可在原有干法去除阻挡 层、金属硬掩膜的同一刻蚀腔体中进行，容易实现工艺整合，从而节约了制 造成本。具体是在一定工艺条件下采用对二氧化硅具有高刻蚀选择比的刻蚀 气体进行工艺，这样不会伤害到二氧化硅下方的超低介电材料。

作为一优选的实施方式，可在阻挡层、金属硬掩膜干法刻蚀腔体中通过 增加气体管路来实现，并引入氨气(NH₃)和三氟化氮(NF₃)作为刻蚀气体， 在等离子体状况下进行干法刻蚀。其中，进行干法刻蚀时，氨气与三氟化氮 的流量比可为1：3-2：1。其具体工艺条件可以包括：NH₃的流量可为 50-200sccm，NF₃的流量可为100-300sccm；等离子体功率可为300-1000W， 处理时间可为100-200秒，处理温度可为40-100℃。

作为一优选实施例，NH₃的流量可以为50sccm、100sccm或200sccm， NF₃的流量可以为100sccm、200sccm或300sccm；腔体功率可以为300W、500W 或1000W；处理时间可以选用100秒、150秒或200秒；工艺温度可在40℃、 60℃、100℃。图中可见，通过上述干法刻蚀工艺，已将超低介电材料1上的 二氧化硅2完全去除。

综上所述，本发明在制作双大马士革结构时，通过将传统的铜化学机 械抛光法与新型的铜无应力电化学抛光法相结合运用，先采用化学机械抛光 去除大部分铜层，然后采用无应力电化学抛光去除剩余的铜，接着采用干法 刻蚀去除阻挡层、金属硬掩膜层，并通过采用等离子体的NH₃、NF₃将超低介 电材料上的二氧化硅完全去除，从而可降低金属间互连电容。采用本发明的 上述方法可以进一步优化无应力电化学抛光铜的整体工艺，无应力电化学抛 光铜通常用于超低介电材料，超低介电材料由于相对介电常数低从而其机械 性能也较差；而传统的化学机械研磨容易在工艺过程中产生缺陷从而影响良 率。在超低介电材料的双大马士革形成过程中，由于采用金属硬掩膜的集成 方式，需要在超低材料上淀积二氧化硅然后再淀积金属硬掩膜，而现有采用 无应力电化学抛光铜时，由于工艺的原因在抛光铜及干法刻蚀阻挡层、金属 硬掩膜后，通常采用湿法工艺去除二氧化硅，从而由于水汽的进入超低介电 材料增加了金属层间互连电容，并且湿法刻蚀的选择比较难控制。而采用本 发明的方式，可在阻挡层/金属硬掩膜干法刻蚀同一腔体中通过引入等离子 体的NH₃和NF₃等刻蚀性气体，从而有效去除二氧化硅，易于实现，且具有综 合成本优势。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明 的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构 变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。