铜深腐蚀方法技术

本发明专利技术提供一种腐蚀铜层的方法，该方法能够去除希望的导电互连结构的不需要的膜部分，同时避免结构的过腐蚀和在被腐蚀铜层表面上形成侵蚀表面沾污。深腐蚀所淀积的铜层到含有填充有铜的沟槽和通道的上或“场”表面。可以利用低温区，主要利用铜表面的物理轰击，在衬底表面上进行铜层深腐蚀。或者，在约１５０℃的高温区，利用三种不同的腐蚀剂，进行深腐蚀。腐蚀等离于体可以仅由非反应气体形成，仅由产生氯或氟等反应物质的气体形成，或可由用于调节选择性和腐蚀速率的非反应气体的组合形成。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种去掉额外铜膜淀积物以形成铜互连(包括分别留在沟槽和通道中的线路和栓塞)的等离子腐蚀方法。该方法可以在各种等离子室设计中进行，并可以通过选择特定的腐蚀剂得以优化。在用于目前的半导体器件的多级金属化结构中，一般用铝作互连线和接触的构成材料。尽管铝在容易制造方面具有许多优点，但由于集成电路设计者的注意力集中在晶体管的栅速度和互连线的传输时间，显然，铜可以作为下一代互连线和接触的材料选择。具体说，在铝布线尺寸变得小于0.5微米时，铝的耐电迁移性和耐应力迁移性成问题。此外，在铝基接触的特征尺寸需要高宽比大于1∶1时，在随后的绝缘层施加于衬底的接触区上期间难以实现衬底的平面化。另外，铜的电阻率为约1.4μΩcm，仅是铝电阻率的一半。形成铜线路和铜填充接触通路(栓塞)的一种优选技术已知为镶嵌工艺。该技术中，制造特征尺寸为0.5微米(μm)或更小的多级结构的典型技术包括地毡式淀积介质材料；构图介质材料，从而形成线路沟槽和通道开口；淀积扩散阻挡层及任选地淀积润湿层，以便沟槽和/或开口在衬底上淀积足够厚的铜层，填充所说沟槽和开口；去掉衬底表面上的额外导电材料。已有技术提出了利用化学机械抛光(CMP)技术去掉额外的导电材料。C.Steinbruchel在“Patterning ofcoppor for multilevel metallization:reactive ion etch andchemical-mechanical polishing”(Applied Surface Science91(1995)139-146)中详细介绍了镶嵌工艺。镶嵌工艺中铜层的淀积一般利用物理汽相淀积(PVD)、化学汽相淀积(CVD)或电镀进行。不管淀积铜的技术如何，在淀积后用CMP技术去除介质表面上的额外铜时，产生了几个问题。铜是软材料，在抛光期间趋于敷在底层表面上。这会引起导电结构的临界尺寸偏差。化学机械抛光工艺期间所用的浆料中的颗粒会嵌埋在铜表面中和围绕铜线路和接触位置的其它材料中。浆料中的化学试剂会腐蚀铜，导致电阻率增大，甚至可能腐蚀整个布线线路厚度。另外，化学机械抛光是一种湿法工艺，给制造带来了许多困难。人们已试图采用湿法腐蚀工艺去除额外淀积的铜，然而，尤其是在被腐蚀的膜的厚与最小图形尺寸相当时，很难控制腐蚀的轮廓。由于各向同性腐蚀，在衬底表面上特定点的过腐蚀会使该方法不实际。此外，存在腐蚀工艺自身期间严重腐蚀铜线路或栓塞的可能。目前已采用等离子深腐蚀技术形成与铝结合用于互连系统中的钨栓塞。Lynn R.Allen和John M.Grant在“Tungsten Plug etchbackand substrate damage Measured by atomic force microscopy”(J.Vac.Sci.Technol.B3(3)第918-922页，1995年5月/6月)中介绍了这种技术。此外，于1995年2月7日授予Gurtej S.Sandhu的美国专利5387315描述了淀积和深腐蚀多层结构中铜的方法。然而，这后一种技术仅限于利用CVD进行铜淀积，并且CVD反应的分解产物随后用作深腐蚀步骤的腐蚀剂的特定系统。深腐蚀工艺的一个主要方面是需要导电层的腐蚀与底层润湿(粘附)和阻挡层的腐蚀及与导电层下的介质场表面的选择性。例如，有用的铜等离子深腐蚀工艺较好是具有对铜相对于钽或钽/氮化钽(常用作构成沟槽或接触通路衬里的阻挡层)及二氧化硅(一般形成场介质层)的高选择性。腐蚀速率应非常快，以使设备的产出率最大，但该工艺应避免填充结构区中铜层的过腐蚀，以便铜线或栓塞保持其需要的尺寸。除选择性重要外，还必须在不会过腐蚀相邻的阻挡层衬底表面的条件下腐蚀铜层。一般说，应用于铜的阻挡层是钽或氮化钽，相邻衬底表面是二氧化硅或“低K介质”例如BCB(二乙烯硅氧烷-双苯并环丁烯)或FPI(氟化聚酰亚胺)。直到最近，只利用物理轰击得到的腐蚀速率一般约为300埃-500埃/分钟或更小，如Schwartz和Schaible在J.Electrochem.Soc.第130卷第8期第1777(1983)中所述和Miyazaki等人在J.Vac.Sci.Technol.B15(2)P239(1997)中所述。近年来，在相关的开发中(转让给本专利技术的受让人的主题)，单纯利用物理轰击就提高铜腐蚀速率。实现了高达每分钟5000埃的腐蚀速率。另外，利用单纯使用物理轰击或化学补充的物理轰击的新开发技术，已证明铜与一般用作粘附层、阻挡层和介质层的材料间的选择性非常令人满意。于1997年7月9日申请的待审美国专利申请08/891410中具体公开了包括化学增强作用在内的物理轰击技术，这里全文引用该申请。除物理轰击技术外，在另一相关开发(转让给本专利技术的受让人的主题)中，以防止相邻铜表面侵蚀方式实现了铜的方向性图形腐蚀。由于铜不能象铝一样形成任何自钝化层，所以器件制造中侵蚀经常是主要问题。被腐蚀铜表面上的任何残留腐蚀剂材料会在腐蚀工艺完成后继续侵蚀表面。一般说铜的反应离子腐蚀处理采用包含氯的气体。尽管氯提供了可以接受的腐蚀速率，但由于形成了不挥发的反应副产物，所以通常会引起铜的迅速侵蚀。这些副产物残留在铜表面上，引起整个腐蚀表面的侵蚀。可以通过用能够产生挥发性反应产物的化学物质进行处理使副产物在腐蚀步骤后挥发，但此时侵蚀已扩大。另外，在铜互连线的情况下，整个布线会从头至尾侵蚀，结果是产生不能使用的器件和降低制造成品率。于1997年8月13日申请的美国专利申请08/911878中记载了一种允许铜方向性腐蚀同时能够保护相邻表面不被侵蚀的方法，这里全文引用该申请。该方法可使用将氢作用于被腐蚀表面保护表面不被侵蚀的腐蚀剂。氢被吸收到铜外表面上，并可以被吸收到铜内部，于是可以与其它情况下会穿过所说外表面并与该表面内的铜反应的物质反应。尽管可以用包括能够产生足够量氢的含氢等离子原料气体成分，但本专利技术的最优选实施例采用含有氢和卤素的成分。优选实例是氯化氢(HCl)和/或溴化氢(HBr)，它们用作腐蚀铜的主要反应物质源。优选HCl和/或HBr至少占供应给腐蚀工艺的反应物质的40％，更好是至少50％。在作为本专利技术主题的铜深腐蚀工艺中，重要的是不仅是实现有利的腐蚀速率，并同时为减少被腐蚀层的铜表面的侵蚀，而且重要的还在于选择性腐蚀铜，同时使阻挡层结构和与铜互连相邻的衬底基本上不受影响。在制备具有必须互连的多层铜导电结构的半导体结构时，经常希望去除部分淀积于衬底上的铜层部分。具体说，在通过淀积铜层填充存在于介质层中的沟槽和通道形成线和接触时，希望去除不形成希望的线或接触的那部分铜层。本专利技术提供一种腐蚀铜层(膜)的方法，去除不作为希望的导电互连结构一部分的那部分膜，同时使对相邻阻挡结构和衬底表面的腐蚀最轻。此外，重要的是避免在被腐蚀的互连铜表面上形成侵蚀表面沾污。由于在典型的制造工艺中，所淀积的铜层被深腐蚀到含有被铜填充的沟槽和通道的衬底上表面或“场”表面，所以这种腐蚀的方法这里称作深腐蚀法。我们已发现一种方法，能以提供高于大规模制造所能接收的腐蚀速率的方式实现铜层的深腐蚀，并能避免在被腐蚀的铜层上形成侵蚀残留物，表现出相对于二氧化硅衬底和例如钽或氮化本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在低于约１５０℃的温度下深腐蚀铜互连层的方法，所说方法包括以下步骤：ａ）向等离子腐蚀工艺室供应至少一种不与铜化学反应的气体；ｂ）用所说至少一种气体产生等离子体，在衬底表面上提供均匀的离子密度；ｃ）通过在所说衬底上加偏置，将离 子和激发原子从所说等离子体引向包括铜层的衬底表面；及ｄ）至少去除淀积于所说衬底表面上的所说铜层的一部分，同时保留所说衬底表面内部的所说铜层部分。

【技术特征摘要】
US 1998-3-13 09/042,1461.用于在低于约150℃的温度下深腐蚀铜互连层的方法，所说方法包括以下步骤a)向等离子腐蚀工艺室供应至少一种不与铜化学反应的气体；b)用所说至少一种气体产生等离子体，在衬底表面上提供均匀的离子密度；c)通过在所说衬底上加偏置，将离子和激发原子从所说等离子体引向包括铜层的衬底表面；及d)至少去除淀积于所说衬底表面上的所说铜层的一部分，同时保留所说衬底表面内部的所说铜层部分。2.根据权利要求1的方法，其中在步骤b)中产生的所说等离子体足以使铜腐蚀速率至少为1000埃/分钟。3.根据权利要求1的方法，其中所说衬底温度约为80℃或更低。4.用于在高于约150℃的温度下深腐蚀铜互连层的方法，所说方法包括以下步骤a)向等离子腐蚀工艺室供应至少一种气体，所说气体选择为提供希望的铜腐蚀速率和铜相对于相邻衬底材料的希望选择性，同时避免或减少被腐蚀铜表面的侵蚀；b)由步骤a)中所述的所说气体产生等离子体，在衬底表面上提供均匀的离子密度；c)通过在所说衬底上加偏置，将离子和激发原子从等离子体引向包括铜层的衬底表面；d)至少去除淀积在所说衬底表面上的所说铜层的一部分，同时保留淀积在所说衬底表面内的所说铜层部分。5.根据权利要求4的方法，其中在步骤b)中产生的所说等离子体足以使铜腐蚀速率达到至少每分钟1000埃。6.根据权利要求4的方法，其中所说至少一种气体是非反应气体。7.根据权利要求4的方法，其中所说至少一种气体是提供与铜反应的物质的反应气体。8.根据权利要求4的方法，其中所说至少一种气体包括非反应气体和反应气体。9.根据权利要求4的方法，其中衬底温度范围为从高于约150℃至约400℃。10.根据权利要求4或5的方法，包括去掉由去除所说铜层暴露的阻挡层的一部分的附加步骤e)。11.根据权利要求4的方法，其中所说衬底是二氧化硅或低K介质。12.根据权利要求10的方法，其中所说衬底是二氧化硅或低K介质。13.根据权利要求4或5、或6、或7、或8、或9的方法，其中利用设计为快速去除铜层的第一至少一种等离子源气体，去除所说铜层的所说第一部分，同时利用设计为较慢去除所说铜层的第二至少一种气体，去除所说铜层的第二部分，以便比相邻衬底和阻挡材料更快的速率选择性去除铜，并减少被腐蚀铜表面的侵蚀。14.根据权利要求4或5的方法，包括去除被腐蚀铜表面上的侵蚀材料的附加步骤。15.根据权利要求13的方法，包括去除被腐蚀铜表面上的侵蚀材料的附加步骤。16.根据权利要求4或5...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶雁，DX马，
申请(专利权)人：应用材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]