沟槽的形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种沟槽形成方法，包括：提供一衬底，所述衬底上形成有介质层和掩膜层，所述介质层和掩膜层中形成有多个通孔，所述掩膜层上及通孔中形成有光学近似层；执行多次干法刻蚀工艺，以去除所述掩膜层之上的部分光学近似层，并使得所述衬底上各区域的通孔内剩余的光学近似层高度差小于一预定值。采用本发明的方法，在降低铜小丘（hill-lock）的不良的同时，可以有效抑制了器件电迁移缺陷的发生。
【专利说明】沟槽的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体制造【技术领域】，特别涉及一种沟槽的形成方法。
【背景技术】
[0002]目前，在半导体集成电路制造领域，半导体器件层形成之后，在半导体器件的后段(back end of line,BE0L)工艺中，需要在半导体器件层之上形成金属互联层,每层金属互联层包括金属互联线和层间介质层，这就需要刻蚀上述层间介质以形成连接孔(Via)和沟槽(trench)，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积的金属组成金属互联线。随着集成电路集成度的逐步提高，半导体器件的尺寸持续按比例缩小，在BEOL中一般选用铜作为金属互连线材料。
[0003]如图1所示沟槽刻蚀前的器件包括:衬底101 ;形成于所述衬底101上的金属连线层102，具体地所述金属连线层102为铜；形成于所述金属连线层102上的金属连线保护层103 ;形成于所述金属连线保护层103上的介质层104 ;形成于所述介质层104上的掩膜层105 ;贯穿所述掩膜层105和介质层104的通孔106 ;形成于所述掩膜层105之上并且填满所述通孔106的光学近似层(optical proximity layer, 0PL)107 ;形成于所述光学近似层107之上的氧化层108 (low temperature oxide,LT0);形成于所述氧化层108上的抗反射层109 (anti reflect coating,ARC)和形成于所述抗反射层109上的图形化的光阻110。
[0004]在现有技术中，沟槽形成的工艺主要包括通孔内光学近似层的刻蚀和沟槽刻蚀。在通孔内光学近似层的刻蚀结束后，一方面，要求通孔106内要保证剩余有一定厚度的OPL存在，以保证在后续的沟槽刻蚀中保护下层的金属连线层102的金属被刻蚀；另一方面，还要求通孔106内剩余OPL的厚度不能太厚，剩余的OPL过厚会影响后续沟槽刻蚀后两个相邻通孔之间介质层的形状和厚度。
[0005]如果通孔106内剩余的OPL的厚度太厚时，沟槽刻蚀后，如图2所示，两个相邻通孔之间的介质层111的厚度也会比较厚，而且两个相邻通孔之间的介质层111的角部会呈现尖锐的角状112，上下层金属相互连通以后，在器件工作中如果在上下层金属互连线上有电流通过时，在两个相邻通孔之间的介质层111的角部112会出现电迁移现象(electromigration, EM),从而影响器件的可靠性。
[0006]为了抑制上述EM现象，现有技术中主要通过加强通孔内光学近似层的刻蚀降低通孔刻蚀后通孔106内剩余OPL的厚度，可以使沟槽刻蚀后两个相邻通孔之间的介质层111的厚度变小，同时角部112的形状也会有所改善。但是，加强通孔内光学近似层的刻蚀以后，因为刻蚀的不均一性的存在，可能出现有些通孔中的OPL被完全刻蚀的情况，如果通孔106内的OPL被完全刻蚀同时通孔106底部的金属连线保护层103又存在缺陷时，随着OPL刻蚀的进行金属连线层102的铜会也会被刻蚀，刻蚀出来铜会逐步扩散到沟槽上方最终形成小丘(hi I Ι-lock),从而造成不良。
[0007]由上述分析可知，如果加强通孔刻蚀，器件电迁移的现象会有所改善，但是hill-lock不良的发生几率会增加；如果减弱通孔刻蚀，hill-lock不良会降低，但是器件电迁移缺陷的现象则会增加。因为通孔刻蚀不均一的存在，很难找到适合的通孔刻蚀条件，导致hill-lock不良和器件电迁移缺陷无法同时得到改善。因此有必要开发一种沟槽形成方法在降低hill-lock不良发生率的同时能够抑制器件的电迁移缺陷的发生。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种沟槽形成方法，以降低hill-lock不良发生率的同时能够抑制器件的电迁移缺陷的发生。
[0009]为解决上述技术问题，本发明提供一种沟槽形成方法，包括:
[0010]提供一衬底，所述衬底上形成有介质层和掩膜层，所述介质层和掩膜层中形成有多个通孔，所述掩膜层上及多个通孔中形成有光学近似层；以及
[0011]执行多次干法刻蚀工艺，以去除所述掩膜层之上的部分光学近似层，并使得所述衬底上各区域的通孔内剩余的光学近似层高度差小于一预定值。
[0012]可选的，所述预定值为50nm。
[0013]可选的，所述多次干法刻蚀工艺包括第一次干法刻蚀工艺和第二次干法刻蚀工艺，其中，
[0014]所述第一次干法刻蚀工艺，去除所述掩膜层之上的部分光学近似层以及所述通孔内的部分厚度的光学近似层，暴露出所述掩膜层的表面；
[0015]所述第二次干法刻蚀工艺，去除所述通孔内的部分厚度的光学近似层；
[0016]所述第一次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量在所述衬底上各区域的分布与所述第二次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量在所述衬底上各区域的分布相反。
[0017]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增，所述第二次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递减。
[0018]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺的气压低于所述第二次干法刻蚀工艺的气压。
[0019]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺的气压范围为13mT0rr?17mT0rr，所述第二次干法刻蚀工艺的气压范围为18mTorr?22mTorr。
[0020]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺通入二氧化碳，所述第二次干法刻蚀工艺通入氢气和氮气。
[0021]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺的二氧化碳的流量范围为370L/mirT430L/min，所述第二次干法刻蚀工艺的氢气的流量范围为270L/mirT330L/min、氮气的流量范围为270L/mirT330L/min。
[0022]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺和第二次干法刻蚀的高频功率范围为650W?750W、低频功率为0W。
[0023]可选的，所述第一次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递减，所述第二次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增。
[0024]可选的，所述衬底上还包括:
[0025]形成于所述衬底中的金属连线层；[0026]形成于所述衬底和金属连线层上的金属连线保护层；
[0027]形成于所述光学近似层之上的氧化层；
[0028]形成于所述氧化层之上的抗反射层；以及形成于所述抗反射层之上的图形化的光阻。
[0029]可选的，执行多次干法刻蚀工艺之前，还包括:
[0030]以所述图形化的光阻为掩膜，刻蚀去除部分抗反射层，暴露出所述氧化层的表面；以及
[0031]继续以所述图形化的光阻为掩膜，刻蚀去除部分氧化层，暴露出所述光学近似层的表面。
[0032]可选的，执行多次干法刻蚀工艺之后，还包括:刻蚀去除所述光学近似层上的氧化层，同时去除两个相邻通孔之间的介质层上的掩膜层；
[0033]以所述光学近似层为掩膜，刻蚀去除两个相邻通孔之间部分厚度的介质层；
[0034]剥离去除所述掩膜层上的光学近似层和通孔内剩余的光学近似层，暴露出掩膜层的表面和通孔底部的金属连线保护层的表面；以及
[0035]刻蚀去除通孔下方的金属连线保护层，暴露出所述金属连线层。
[0036]在本发明在沟槽刻蚀的方法中，采用了多次干法刻蚀去除光学近似层(OPL)的方法，可以有效改善通孔内剩余OPL厚度的均一性，因此能将通孔内剩余的OPL的厚度控制在一个较小的范围内，而保证不会出现个别通孔内OPL被完全刻蚀的情形。一方面，因为不会出现通孔内剩余OPL被完全刻蚀，也就不会出现铜hi I 1-1ock的不良。另一方面，通孔内剩余OPL较小的厚度保证了沟槽下面的介质层在沟槽刻蚀后的厚度比较小，可以使沟槽刻蚀后的介质层的厚度小于沟槽刻蚀前的介质层的厚度的30%，从而抑制了器件的电迁移缺陷的发生。即，本发明在降低铜hill-lock的不良的同时，有效抑制了器件的电迁移缺陷的发生。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为现有技术中沟槽刻蚀前的器件剖面图；
[0038]图2为现有技术中沟槽刻蚀后的器件剖面图；
[0039]图3-图15为本发明实施例的沟槽的形成方法中各步骤中的器件剖面图；
[0040]图16-图17为本发明实施例的沟槽的形成方法中器件的平面分布图。
【具体实施方式】
[0041]本发明的核心思想在于通过多次干法刻蚀光学近似层(OPL)来改善通孔刻蚀的均一性，通孔刻蚀均一性的改善带来通孔内剩余OPL厚度均一性的改善。一方面，通孔内剩余OPL厚度均一性的改善可以保证在沟槽刻蚀过程中不出现通孔内的OPL被完全刻蚀的现象，从而杜绝通孔底部的金属连线层被刻蚀引起铜小丘(hill-lock)的发生。另一方面，通孔内剩余OPL厚度均一性的改善，也可以实现沟槽刻蚀后两个相邻通孔之间的介质层形状的改善，从而可以有效抑制器件的电迁移缺陷的发生。
[0042]为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合图3至图17对本发明的沟槽形成方法的各步骤进行详细说明。[0043]首先，如图3所示，提供一衬底201，在所述衬底201上形成有金属连线层202，形成于所述金属连线层202上的金属连线保护层203，所述金属连线层202优选为铜连线层。
[0044]接着，如图4所示，在所述金属连线保护层203上沉积形成介质层204，在所述介质层204上沉积形成掩膜层205。较佳的，所述介质层优选为低K介质层。在本实施例中，所述介质层204为黑钻石，所述掩膜层205为利用正硅酸乙酯(TEOS)形成的氧化硅。
[0045]接着，如图5所示，刻蚀去除部分所述掩膜层205和介质层204，形成贯穿所述掩膜层205和介质层204的通孔206，所述通孔206的底部为所述金属连线保护层203的表面；所述通孔206的深度范围为4500A~6000 A。
[0046]接着，如图6所示，在所述掩膜层205上和通孔206内沉积形成OPL层(光学近似层)207，所述OPL层例如为底部抗反射层(Bare)或者是其它填充性能较佳的有机材料，例如是光阻。所述掩膜层上205的OPL层的厚度范围为2000A~3000人?
[0047]接着，如图7所示，在所述OPL层207上形成氧化层208，在所述氧化层208上形成抗反射层209 ;在所述抗反射层209上形成图形化的光阻210。所述氧化层208为低温氧化硅，所述氧化层208在OPL的刻蚀中是作为掩膜层使用的，所述氧化层的厚度范围为300A-800A,
[0048]接着，如图8所示，刻蚀去除部分抗反射层209，暴露出氧化层208的表面。
[0049]接着，如图9所示，刻蚀去除部分氧化层208，暴露出OPL层207的表面。
[0050]接着，执行本发明的关键步骤，即，执行多次干法刻蚀工艺，以去除所述掩膜层之上的部分光学近似层，并使得所述衬底上各区域的通孔内剩余的光学近似层高度差小于一预定值。可知，受干法刻蚀技术所限，无法保证刻蚀过程的片内均匀性(同一片晶圆内各个区域的刻蚀均一性)，即，由于干`法刻蚀的不均一性的存在，经过一次干法刻蚀后，会出现通孔内的OPL刻蚀厚度不均的情况。具体地说，在干法刻蚀中影响刻蚀均一性的因素主要有气压、刻蚀功率、气体流量和气体种类等，在传统的干法刻蚀技术中仅执行一次干法刻蚀，执行该刻蚀工艺后会出现刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增或者递减的情形。虽然通过调整干法刻蚀中的各种工艺参数，可以优化刻蚀量的均一性，但是始终无法完全消除这种刻蚀不均一性，而且刻蚀量优化的范围也很有限。因而，本发明提出了多次干法刻蚀的概念，通过执行多次干法刻蚀工艺，利用多次干法刻蚀工艺进行互补，使得所述衬底上各区域的通孔内剩余的光学近似层高度差小于一预定值，所述预定值例如为50nm。
[0051]如图10所示，本实施例中，所述多次干法刻蚀工艺包括第一次干法刻蚀工艺和第二次干法刻蚀工艺，进行第一次干法刻蚀工艺时，去除所述掩膜层206之上的部分OPL层207以及所述通孔内的部分厚度的光学近似层，暴露出部分掩膜层205的表面，进行第二次干法刻蚀时，去除所述通孔206内的部分厚度的0PL。
[0052]具体地，通过设置第一次干法刻蚀工艺的各种工艺条件，使得经过第一次干法刻蚀后，出现第一次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量的呈现某一种平面分布，再通过设置第二次干法刻蚀的各种工艺条件，使得衬底在经过第二次干法刻蚀后，出现第二次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量与第一次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量相反的平面分布。因为两次刻蚀量的呈现相反的分布趋势，经过两次干法刻蚀后，两次刻蚀量分布的不均一性会相互抵消，使得两次刻蚀量总和的均一性得到较大的改善。[0053]更具体的来说，通过两次干法刻蚀的条件设置，使得第一次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增，而第二次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递减。当然，也可以通过两次干法刻蚀的条件设置，使得第一次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递减，而第二次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增。
[0054]例如，如图16所示，经过第一次干法刻蚀后，出现第一次干法刻蚀的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增，在衬底201中心部分的刻蚀量211为lOOnm，从中心部分逐步向边缘部分推进，刻蚀量211从IOOnm增加到200nm直到边缘部分的300nm。如图17所示，经过第二次干法刻蚀后，出现第二次干法刻蚀的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递递减，在衬底201的中心部分的刻蚀量211为300nm，从中心部分逐步向边缘部分推进，刻蚀量211从300nm减小到200nm直到边缘部分的lOOnm。当然，上述刻蚀量只是示意性的例子，在其它实施例中两次干法刻蚀量的分布以及刻蚀量的多少会根据两次干法刻蚀的条件的不同而进行相应变化。
[0055]在本实施例中，所述第一次干法刻蚀的气压低于第二次干法刻蚀的气压，在第一次干法刻蚀中通入二氧化碳，在第二次干法刻蚀中通入氢气和氮气。具体的，所述第一次干法刻蚀的气压范围为13mTorr?17mTorr，所述第二次干法刻蚀的气压范围为18mTorr?22mTorr。在所述第一次干法刻蚀中二氧化碳的流量范围为370L/min?430L/min，在所述第二次干法刻蚀中氢气的流量范围为270L/mirT330L/min、氮气的流量范围为270L/mirT330L/min。所述第一次干法刻蚀和第二次干法刻蚀的高频功率范围均为650W?750W、低频功率均为0W。
[0056]在本实施例中采用的是两次干法刻蚀，应当理解的是，也可以进行三次以上刻蚀工艺，只要多次干法刻蚀对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量在所述衬底上各区域的分布进行互补，即可实现本发明的目的。
[0057]下面结合图11至图15对后续常规的沟槽刻蚀步骤进行说明，由于本发明并不涉及以下步骤的改进，因而只是示意性的介绍，但是本领域技术人员应是知晓的。其中，图3至图10是沿某方向(如X方向)进行剖面的，图11至图15是沿与所述某方向垂直的另一方向(如Y方向)进行剖面的，其同时示出了两个通孔的结构。
[0058]如图11和12所示，两个通孔之间的掩膜层上的光学近似层和氧化层被去除掉，然后刻蚀去除氧化层208，在刻蚀去除氧化层208的同时两个相邻通孔206之间的介质层204上的掩膜层205也被刻蚀掉,暴露出两个相邻通孔206之间的介质层204的表面。
[0059]如图13所示，以所述OPL层207为掩膜，刻蚀去除两个相邻通孔206之间部分厚度的介质层204，形成横跨两个相邻通孔的沟槽212。沟槽刻蚀后剩余的介质层的厚度H2取决于所述通孔206内剩余的OPL的厚度，通孔206内剩余的OPL的厚度越厚，沟槽刻蚀后剩余的介质层的厚度H2越大，反之则H2越小。当沟槽刻蚀后的介质层的厚度H2小于等于沟槽刻蚀前的介质层的厚度Hl的30%时，沟槽212下面的介质层的尖锐的角部会消失，从而有效抑制器件的电迁移缺陷的发生。
[0060]如图14所示，剥离去除掩膜层205上的OPL层207和通孔206内剩余的0PL，暴露出掩膜层205的表面和通孔底部的金属连线保护层203的表面。[0061]最后，如图15所示，刻蚀去除通孔下方的金属连线保护层203，暴露出金属连线层202，随后即可进行公知的铜电镀等工艺，此处不再赘述。
[0062]综上所述，在本发明在沟槽形成方法中，采用了多次干法刻蚀去除OPL的方法，可以有效改善通孔内剩余OPL厚度的均一性，因此能使通孔内剩余的OPL的厚度在一个较小的范围内，而保证不会出现有个别通孔内OPL被完全刻蚀的情形。一方面，因为并不会出现通孔内剩余OPL被完全刻蚀,也就不会出现铜hill-lock的不良。另一方面，通孔内剩余OPL较小的厚度保证了沟槽212下面的介质层在沟槽刻蚀后的厚度H2的厚度比较小，可以使沟槽刻蚀后的介质层的厚度H2小于沟槽刻蚀前的介质层的厚度Hl的30%，从而抑制了器件的电迁移缺陷的发生。
[0063]显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种沟槽的形成方法，包括: 提供一衬底，所述衬底上形成有介质层和掩膜层，所述介质层和掩膜层中形成有多个通孔，所述掩膜层上及多个通孔中形成有光学近似层；以及 执行多次干法刻蚀工艺，以去除所述掩膜层之上的部分光学近似层，并使得所述衬底上各区域的通孔内剩余的光学近似层高度差小于一预定值。
2.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述预定值为50nm。
3.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述多次干法刻蚀工艺包括第一次干法刻蚀工艺和第二次干法刻蚀工艺，其中， 所述第一次干法刻蚀工艺，去除所述掩膜层之上的部分光学近似层以及所述通孔内的部分厚度的光学近似层，暴露出所述掩膜层的表面； 所述第二次干法刻蚀工艺，去除所述通孔内的部分厚度的光学近似层； 所述第一次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量在所述衬底上各区域的分布与所述第二次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量在所述衬底上各区域的分布相反。
4.如权利要求3所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增，所述第二次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递减。
5.如权利要求4所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺的气压低于所述第二次干法刻蚀工艺的气压。
6.如权利要求5所述的沟`槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺的气压范围为13mTorr~17mTorr,所述第二次干法刻蚀工艺的气压范围为18mTorr~22mTorr。
7.如权利要求4所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺通入二氧化碳，所述第二次干法刻蚀工艺通入氢气和氮气。
8.如权利要求7所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺的二氧化碳的流量范围为370L/mirT430L/min，所述第二次干法刻蚀工艺的氢气的流量范围为270L/mirT330L/min、氮气的流量范围为 270L/mirT330L/min。
9.如权利要求4所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺和第二次干法刻蚀的高频功率范围为650W~750W、低频功率为0W。
10.如权利要求3所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层的刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递减，所述第二次干法刻蚀工艺对所述通孔内的光学近似层刻蚀量从衬底中心到衬底边缘逐步递增。
11.如权利要求1至10中任意一项所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述衬底上还包括: 形成于所述衬底中的金属连线层； 形成于所述衬底和金属连线层上的金属连线保护层； 形成于所述光学近似层之上的氧化层； 形成于所述氧化层之上的抗反射层；以及 形成于所述抗反射层之上的图形化的光阻。
12.如权利要求11所述的沟槽的形成方法，其特征在于，执行多次干法刻蚀工艺之前，还包括: 以所述图形化的光阻为掩膜，刻蚀去除部分抗反射层，暴露出所述氧化层的表面；以及 继续以所述图形化的光阻为掩膜，刻蚀去除部分氧化层，暴露出所述光学近似层的表面。
13.如权利要求12所述的沟槽的形成方法，其特征在于，执行多次干法刻蚀工艺之后，还包括: 刻蚀去除所述光学近似层上的氧化层，同时去除两个相邻通孔之间的介质层上的掩膜层； 以所述光学近似层为掩膜，刻蚀去除两个相邻通孔之间部分厚度的介质层； 剥离去除所述掩膜层上的光学近似层和通孔内剩余的光学近似层，暴露出掩膜层的表面和通孔底部的金属连线保护层的表面；以及 刻蚀去除通孔下方的金属连线保护层，暴露出所述金属连线层。
【文档编号】H01L21/311GK103515301SQ201210224449
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】张海洋, 周俊卿 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司