[发明专利]阻挡层的去除方法和装置

说明书

技术领域

本发明是关于半导体加工方法和装置的。确切地说，是关于无应力铜抛光和阻挡层的选择性去除的。更确切地说，本发明涉及的工艺可以用于集成器件制造中选择性地抛光铜和钽/氮化钽阻挡层的无应力去除。

背景技术

半导体器件是在半导体硅片上经过一系列不同的加工步骤形成晶体管和互连线而成的。为了晶体管终端能和硅片连在一起，需要在硅片的介质材料上做出导电的(例如金属)槽、孔及其他类似的东西作为器件的一部分。槽和孔可以在晶体管之间、内部电路以及外部电路传递电信号和能量。

在形成互连元素时，半导体硅片可能需要掩膜、刻蚀和沉积等工艺来形成晶体管和连接晶体管终端所需要的回路。特别是多层掩膜、离子注入、退火、等离子刻蚀和物理及化学气相沉积等工艺可以用于浅槽和晶体管的阱、门还有多晶硅线和互连新结构。

去除沉积在半导体硅片上电介质材料非凹陷区域的金属薄膜，传统的方法包括化学机械抛光(CMP)。化学机械抛光在半导体工业中应用广泛，可以抛光和平坦化在介质材料的非凹陷区域上形成的槽和孔内的金属层，从而形成互连线。在CMP中被加工的硅片放在平坦的抛光垫上。被加工的硅片的介质基层内包含一层或多层互连元素层或者其他功能层，然后用压力把硅片压在抛光垫上。在硅片表面由于所施加的压力进行抛光时抛光垫和硅片进行着相互运动。在抛光垫上加一种常被称之为磨料的液体使抛光更容易进行。磨料的典型成分包含研磨剂，它可以有选择的进行化学反应，从而把想要抛光的部分去除，比如，它可以只把金属层抛光而对电介质层没有影响。

由于其中的强机械作用力，CMP方法会对半导体结构带来一些有害的影响。例如当互连线的尺寸减小到0.13微米及以下时导电材料，由于铜和低k电介质材料的机械性能有很大差别。低k电介质材料的杨氏模量的值与铜和阻挡层材料的杨氏模量的值相差10倍以上。那么CMP中相对较强的机械作用力可能会对低k电介质材料造成永久性的损坏。

另一种去除半导体介质材料非凹陷区域上沉积的金属膜的方法是电化学抛光。电化学铜抛光系统可以很均匀地实现铜去除，并且对阻挡层钽/氮化钽材料有很高的选择比。这是一种无机械应力的抛光方法，但是阻挡层由于其表面形成了氧化物钝化层而不能用电抛光的方法去除。

去除钽和氮化钽的一个方法是用氢氟酸湿法刻蚀，但是当阻挡层被去除以后氢氟酸会损坏电介质层。

另外，Sood等，《基于NaOH和KOH溶液的钽溅射层的湿法去除》，2007年，J Mater Sci揭示：Mater Electron期刊，第18卷，535-539页，讲述了用KOH/H₂O₂或NaOH/H₂O₂溶液去除钽的方法.类似KOH或者NaOH的强碱溶液可以加速钽的溶解。然而NaOH/H₂O₂和KOH/H₂O₂都一定程度上会刻蚀、损坏槽内的铜。

IBM的专利揭示：一种新的加工技术即在铜的CMP工艺后用二氟化氙气相刻蚀法来去除阻挡层材料，例如：钽、氮化钽、钛和氮化钛。

发明内容

本发明是关于半导体芯片加工方法和装置的。半导体芯片基底包括衬底、电介质层、位于电介质层上的阻挡层和阻挡层上的铜金属层。更具体地说，本发明是关于工艺：铜的无应力电化学抛光工艺、在铜抛光过程中形成的钽或钛的氧化物的去除和阻挡层钽/氮化钽或钛/氮化钛用二氟化氙气相刻蚀方法去除工艺.

首先，用无应力抛光方法把电镀铜中多余的铜膜去除。本发明用无应力电化学抛光的方法代替了传统的铜的化学机械抛光(CMP)方法作为半导体制造后段中基本的“金属抛光工艺”。这是一个电化学工艺过程：半导体硅片上的铜作为阳极，电解液喷嘴作为阴极。当两极之间施加一定的电压，铜就可以被与之接触的电解液抛光。当覆在上面的铜被去除后，暴露出来的钽或钛表面会形成一层化学稳定性很高的氧化物钝化膜。