顶层金属层沟槽的刻蚀方法
【专利摘要】本发明公开了一种顶层金属层沟槽的刻蚀方法，包括：提供刻蚀顶层金属层沟槽之前结构，包括基底、在基底上依次沉积的刻蚀停止层和层间介质层；在层间介质层上沉积金属硬掩膜层；在金属硬掩膜层上沉积抗反射层并涂覆光刻胶；对光刻胶进行图形化并以图形化后的光刻胶为阻挡，对所述抗反射层和金属硬掩膜层进行刻蚀；以金属硬掩膜层为阻挡，对层间介质层进行刻蚀，以形成顶层金属层沟槽。本发明利用金属硬掩膜层作为阻挡对层间介质层进行刻蚀，减小了所使用的光刻胶的厚度，减少了刻蚀过程中所产生的聚合物，减轻了对操作机台的污染；本发明还避免了顶层金属层沟槽的侧壁粗糙现象的发生，减少了后期沉积顶层金属层时可能出现的缺陷。
【专利说明】顶层金属层沟槽的刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及半导体制造技术，特别涉及一种顶层金属层沟槽的刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件关键尺寸(⑶)的不断缩小，顶层金属层(TM，Top Metal)的线宽也随之减小以适应半导体器件电阻率的要求。由于顶层金属层线宽的减小，在制备顶层金属层时所进行刻蚀的难度变得越来越大。
[0003]现有制备顶层金属层的常规工艺过程，是在层间介质层(ILD，Inter LayerDielectric)中进行制备，其中涉及到在层间介质层中进行顶层金属层沟槽的刻蚀过程，该过程主要包括以下步骤。
[0004]如图1所示，在包含有半导体器件的基底I上依次沉积刻蚀停止层2、层间介质层3，其中刻蚀停止层2是用作对层间介质层3进行刻蚀时作为刻蚀终点的，刻蚀停止层2可以防止对层间介质层3时的过渡刻蚀而造成对基底I的破坏。
[0005]如图2所示，在所述层间介质层3上涂覆光刻胶5，作为现有技术中的惯用手段，在涂覆光刻胶5之前，还需要在层间介质层3表面沉积一抗反射层(DARC, DielectricAnt1-Reflective Coating) 4,如绝缘抗反射层(DARC, Dielectric Ant1-ReflectiveCoating),以减少光反射，提升对光刻胶5进行图形化的分辨率，抗反射层4的材料一般可选为氮氧化硅(SiON)。
[0006]如图3所示，对光刻胶5进行图形化，并如图4所示，以图形化后的光刻胶5为阻挡对抗反射层4和层间介质层3进行刻蚀直到刻蚀停止层2，形成顶层金属层沟槽6。
[0007]之后便在顶层金属层沟槽6中沉积金属形成顶层金属层(金属线)。
[0008]随着半导体器件关键尺寸(CD)的不断缩小，要求刻蚀后所形成的顶层金属层沟槽6的宽度也足够的小以与半导体器件的关键尺寸相适配，而如上所述，在现有工艺中刻蚀形成顶层金属层沟槽6的过程是以图形化的光刻胶5作为阻挡，又由于光刻胶5的透射率较大，所以采用增加光刻胶5厚度的方法来增强光刻胶5的阻挡作用。但是光刻胶过厚，会使得光刻胶的高宽比(aspect ratio)过高,当高宽比超过极限值(一般〈4)时会导致光刻胶位形不稳，引起光刻胶剥落(Peeling)等严重的问题。在高宽比限制范围内，光刻胶的厚度受限，对于光刻胶过高的透射率(Transmission Rate)而言,刻蚀中光刻胶的厚度不足以保护层间介质层，进而导致顶层金属层沟槽6纵断面形貌的粗糙。当顶层金属层沟槽6的宽度越来越小时，形貌粗糙的顶层金属层沟槽6的侧壁便会导致后期沉积金属形成的顶层金属层侧壁粗糙，并且易于在顶层金属层中出现空隙，进而降低顶层金属层的导电能力，增加集成电路功耗，并降低集成电路性能。同时，随着半导体器件关键尺寸(CD)的不断缩小，上述刻蚀过程早已广泛采用定向刻蚀效果较好的干法蚀刻的方法，在采用干法刻蚀时，多采用含有CFx+的等离子体对介质层进行刻蚀，在刻蚀反应过程中会形成CHOF等元素的聚合物，而太厚的光刻胶会导致过多的聚合物的产生，且难以去除，并极易污染操作机台。
【发明内容】
[0009]本申请提供一种沟槽形成方法，以降低所使用光刻胶的厚度，改善顶层金属层沟槽侧壁形貌，减少刻蚀过程中所形成的大分子聚合物，以解决缺陷、聚合物残留过多以及机台污染等问题。
[0010]本申请的技术方案是这样实现的:
[0011]一种顶层金属层沟槽的刻蚀方法，包括:
[0012]提供刻蚀顶层金属层沟槽之前结构，所述刻蚀顶层金属层沟槽之前结构包括基底、沉积于所述基底上的刻蚀停止层和沉积于所述刻蚀停止层上的层间介质层；[0013]在所述层间介质层上沉积金属硬掩膜层；
[0014]在所述金属硬掩膜层上沉积抗反射层并涂覆光刻胶；
[0015]对所述光刻胶进行图形化并以图形化后的光刻胶为阻挡，对所述抗反射层和金属硬掩膜层进行刻蚀；
[0016]以金属硬掩膜层为阻挡，对层间介质层进行刻蚀，以形成顶层金属层沟槽。
[0017]进一步，所述金属硬掩膜层的刻蚀选择比大于氮化硅和氧化硅。
[0018]进一步，所述金属硬掩膜层厚度为100~2000埃。
[0019]进一步，所述金属硬掩膜层为氮化铝、氮化钛或者氮化铜。
[0020]进一步，所述金属硬掩膜层为氮化铝、氮化钛或者氮化铜。
[0021]进一步，所述金属硬掩膜层采用低温等离子体增强原子层沉积方法沉积。
[0022]进一步，对所述金属硬掩膜层的刻蚀采用感应耦合等离子体的干法刻蚀方法进行，刻蚀气体为氟化硫。
[0023]进一步,所述刻蚀停止层材料为碳化娃、氮化娃、氮掺杂碳化娃中的一种或者一种以上的组合。
[0024]进一步，所述层间介质层材料为氧化硅。
[0025]进一步，所述光刻胶厚度为900-20000埃。
[0026]进一步，所述抗反射层厚度为0-2000埃。
[0027]从上述方案可以看出，本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法中，先以图形化后的光刻胶为阻挡，对抗反射层和金属硬掩膜层进行刻蚀，从而将图形传递到金属硬掩膜层上，再利用金属硬掩膜层作为阻挡，对层间介质层进行刻蚀形成顶层金属层沟槽。本发明替代了现有技术中采用光刻胶作为阻挡对层间介质层的刻蚀。
[0028]与现有技术相比，本发明中光刻胶作为刻蚀金属硬掩膜层的阻挡，而不是作为刻蚀层间介质层的阻挡。由于本发明中金属硬掩膜层作为刻蚀层间介质层的阻挡，因此在刻蚀层间介质层时选择对层间介质层刻蚀速率高且对金属硬掩膜层刻蚀速率低的刻蚀反应气体即可实现金属硬掩膜层的阻挡作用。同时，作为刻蚀层间介质层的阻挡，金属硬掩膜层的厚度还可以较薄，因此在对较薄的金属硬掩膜层进行刻蚀时，也可以减小作为阻挡的光刻胶的厚度，进而使得光刻胶的高宽比远小于极限值。因此，与现有技术相比，由于采用了金属硬掩膜层使得所使用的光刻胶的厚度得到了减小使得光刻胶的高宽比远小于极限值，进而由于光刻胶的厚度的减小，使得顶层金属层沟槽的刻蚀过程中所产生的聚合物也随之减少，从而减轻了对操作机台的污染。同时由于光刻胶的厚度的减小以及使用金属硬掩膜层作为刻蚀层间介质层的阻挡，避免了由于过厚的光刻胶所带来的顶层金属层沟槽的侧壁粗糙现象的发生，减少了后期沉积顶层金属层时可能出现的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为现有以及本发明所提供的刻蚀顶层金属层沟槽之前的结构示意图；
[0030]图2为现有刻蚀顶层金属层沟槽过程中沉积抗反射层和涂覆光刻胶后的结构示意图；
[0031]图3为现有刻蚀顶层金属层沟槽过程对光刻胶图形化后的结构示意图；
[0032]图4为现有刻蚀顶层金属层沟槽过程形成顶层金属层沟槽后的结构示意图；
[0033]图5为本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法的流程图；
[0034]图6为本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法中沉积金属硬掩膜层后的结构示意图；
[0035]图7为本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法中涂覆光刻胶后的结构示意图；
[0036]图8为本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法中刻蚀金属硬掩膜层后的结构示意图；
[0037]图9为本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法中形成顶层金属层沟槽后的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
[0039]如图5所示，本发明的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其步骤包括:
[0040]步骤1:提供刻蚀顶层金属层沟槽之前结构，所述刻蚀顶层金属层沟槽之前结构包括基底、沉积于所述基底上的刻蚀停止层和沉积于所述刻蚀停止层上的层间介质层；
[0041]步骤2:在所述层间介质层上沉积金属硬掩膜层；
[0042]步骤3:在所述金属硬掩膜层上沉积抗反射层并涂覆光刻胶；
[0043]步骤4:对所述光刻胶进行图形化并以图形化后的光刻胶为阻挡，对所述抗反射层和金属硬掩膜层进行刻蚀；
[0044]步骤5:以金属硬掩膜层为阻挡，对层间介质层进行刻蚀，以形成顶层金属层沟槽。
[0045]以下结合图1、图6至图9对上述各步骤进行具体介绍。
[0046]步骤1:如图1所示，提供刻蚀顶层金属层沟槽之前结构，所述刻蚀顶层金属层沟槽之前结构包括基底1、沉积于所述基底I上的刻蚀停止层2和沉积于所述刻蚀停止层2上的层间介质层3。
[0047]本步骤I中，基底I可包括任何能够作为在其上构建半导体器件的基础材料，比如硅衬底，或者已制成了场隔离区的硅衬底或者绝缘材料上的硅衬底，以及在衬底中已经制成的半导体器件，如 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互补金属氧化物半导体)。刻蚀停止层2的材料可采用氮掺杂碳化娃(NDC, Nitrogen Dopped SiliconCarbite)或者其他可用作刻蚀停止层2的材料。层间介质层3的材料一般采用氧化硅材料，其厚度为9000-30000埃。[0048]步骤2:如图6所示,在所述层间介质层3上沉积金属硬掩膜(Metal Hard Mask)层7。
[0049]本步骤2中，所沉积的金属硬掩膜层7可以为氮化铝、氮化钛或者氮化铜等材料，可采用低温等离子体增强原子层沉积方法进行沉积。所沉积的金属硬掩膜层7的刻蚀速率小于层间介质层3的刻蚀速率，即对于刻蚀层间介质层3时所使用的刻蚀反应气体(如CFx+等离子体)来说，层间介质层3与金属硬掩膜层7之间的刻蚀选择比要远大于1，进而使得金属硬掩膜层7起到后续刻蚀层间介质层3时的阻挡作用。金属硬掩膜层7的厚度可以为100~2000 埃。
[0050]步骤3:如图7所示，在所述金属硬掩膜层7上沉积抗反射层4并涂覆光刻胶5。
[0051]本步骤3中，沉积的抗反射层4是本领域中进行光刻工艺的常用手段，抗反射层4的主要作用在于减少光反射，提升图形化的分辨率，抗反射层4的材料可包括有机抗反射层和无机抗反射层，无机抗反射层中常使用氮氧化硅材料。抗反射层4的厚度为0-2000埃。
[0052]本步骤3中，光刻胶5的厚度小于现有工艺中所使用的光刻胶5的厚度，其厚度范围可以选择900-20000埃，保证实现对金属硬掩膜层7进行刻蚀时的阻挡即可。
[0053]步骤4:如图8所示，对光刻胶5进行图形化并以图形化后的光刻胶5为阻挡，对所述抗反射层4和金属硬掩膜层7进行刻蚀，去除未被图形化后的光刻胶5覆盖的抗反射层4和金属硬掩膜层7。
[0054]本步骤4中，对金属硬掩膜层7的刻蚀采用干法蚀刻的方法，具体说，可采用感应耦合等离子体刻蚀方法，刻蚀气体为氟化硫(sf6)。
[0055]步骤5:如图9所示，以金属硬掩膜层7为阻挡，对层间介质层3进行刻蚀，直到刻蚀停止层2结束，以在层间介质层3中形成顶层金属层沟槽6。
[0056]本步骤5中，可以采用传统的CCP (Capacitively Coupled Plasmas,低气压容性耦合等离子体)刻蚀方法对层间介质层3进行刻蚀，刻蚀气体采用CFx+等离子体。由于金属硬掩膜层7的阻挡，刻蚀气体对层间介质层3的刻蚀率远高于对金属硬掩膜层7的刻蚀速率，因此金属硬掩膜层7可以在刻蚀层间介质层3以形成顶层金属层沟槽6的过程中完好的保护其所覆盖的层间介质层3。
[0057]由于本发明中所使用的光刻胶5的厚度远小于现有方法中所使用的光刻胶5的厚度，所以在上述步骤4和步骤5的过程中，在对金属硬掩膜层7以及层间介质层3的刻蚀过程中，光刻胶5会受到刻蚀而逐渐的消耗掉，所以在本发明中，可不必单独去掉光刻胶5。
[0058]因为本发明是将图形化的光刻胶5的图案首先转移到金属硬掩膜层7，再以金属硬掩膜层7为阻挡对层间介质层3进行刻蚀；而现有工艺是直接以光刻胶5作为阻挡，对层间介质层3进行刻蚀，而层间介质层3的厚度较厚，对层间介质层3进行刻蚀的过程较长，这就需要光刻胶5足够的厚以保证有效的阻挡。所以本发明中，作为刻蚀层间介质层3时的阻挡，在步骤2中，金属硬掩膜层7不必做的过厚(如100-2000埃)，其厚度可以远小于层间介质层3的厚度(9000-30000埃)，所以当图形化的光刻胶5的图案转移到金属硬掩膜层7时，对金属硬掩膜层7的刻蚀时间要比对层间介质层3的刻蚀时间短很多，因此作为刻蚀金属硬掩膜层7时的阻挡，在步骤3中，光刻胶5的厚度便可以远小于现有工艺中的光刻胶5的厚度。本发明中，光刻胶5的厚度保证实现对金属硬掩膜层7进行刻蚀时的阻挡即可。
[0059]因为本发明所使用的光刻胶5的厚度小于现有技术中所使用的光刻胶5的厚度，所以在后续的工艺中，一方面图形化之后的光刻胶5的侧壁将变得不再粗糙，转移到金属硬掩膜层7之后，金属硬掩膜层7所形成的沟槽的侧壁也不会变得粗糙，再以金属硬掩膜层7作为阻挡刻蚀层间介质层3所形成的顶层金属层沟槽6的侧壁的粗糙程度便会降低以得到极大的改善。同时，因为光刻胶5的厚度的减小，在后期进行干法刻蚀所形成的聚合物残留也会很大程度的减少，减小对操作机台的污染，光刻胶5的厚度的减小也有利于光刻胶5的去除。
[0060]本发明中未加详细介绍的具体工艺参数，可根据各层的厚度，以及实际工艺要求进行调整和有限次的实验获得。
[0061]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
【权利要求】
1.一种顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于，包括: 提供刻蚀顶层金属层沟槽之前结构，所述刻蚀顶层金属层沟槽之前结构包括基底、沉积于所述基底上的刻蚀停止层和沉积于所述刻蚀停止层上的层间介质层； 在所述层间介质层上沉积金属硬掩膜层； 在所述金属硬掩膜层上沉积抗反射层并涂覆光刻胶； 对所述光刻胶进行图形化并以图形化后的光刻胶为阻挡，对所述抗反射层和金属硬掩膜层进行刻蚀； 以金属硬掩膜层为阻挡，对层间介质层进行刻蚀，以形成顶层金属层沟槽。
2.根据权利要求1所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述金属硬掩膜层的刻蚀速率小于所述层间介质层的刻蚀速率。
3.根据权利要求1所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述金属硬掩膜层厚度为100~2000埃。
4.根据权利要求1所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述金属硬掩膜层为氮化铝、氮化钛或者氮化铜。
5.根据权利要求1所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述金属硬掩膜层采用低温等离子体增强原子层沉积方法沉积。
6.根据权利要求1所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:对所述金属硬掩膜层的刻蚀采用感应耦合等离子体的干法刻蚀方法进行，刻蚀气体为氟化硫。
7.根据权利要求1至6`任一项所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述刻蚀停止层材料为碳化娃、氮化娃、氮掺杂碳化娃中的一种或者一种以上的组合。
8.根据权利要求1至6任一项所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述层间介质层材料为氧化硅。
9.根据权利要求1至6任一项所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述光刻胶厚度为900-20000埃。
10.根据权利要求1至6任一项所述的顶层金属层沟槽的刻蚀方法，其特征在于:所述抗反射层厚度为0-2000埃。
【文档编号】H01L21/311GK103515222SQ201210209279
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月25日 优先权日:2012年6月25日
【发明者】张城龙, 胡敏达, 张海洋 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司