[发明专利]去除阻挡层的方法

说明书

本发明揭示了去除硅片上金属互连的阻挡层的方法，去除单层金属钌阻挡层，包括：氧化步骤，使用电化学阳极氧化工艺将单层的金属钌阻挡层氧化成钌氧化物层；氧化层刻蚀步骤，用刻蚀液对钌氧化物层进行刻蚀，去除钌氧化物层。本发明还提出去除硅片上金属互连的阻挡层的方法，用于10nm及以下的工艺节点的结构中，结构包括衬底、介质层、阻挡层和金属层，介质层沉积在衬底上，介质层上形成凹进区，阻挡层沉积在介质层上，金属层沉积在阻挡层上，金属层是铜层，阻挡层是单层金属钌层，该方法包括：减薄步骤，对金属层进行减薄；去除步骤，去除金属层；氧化步骤，对阻挡层进行氧化，氧化步骤使用电化学阳极氧化工艺；氧化层刻蚀步骤，刻蚀氧化后的阻挡层。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及半导体制造工艺领域。

背景技术

随着集成电路(IC)的特征尺寸逐渐缩小到14nm以下，目前开发的重点主要集中在10nm及以下工艺节点的制造技术上。在10nm及以下工艺节点中，在后段(BEOL)互连工艺中，传统的Ta/TaN双层阻挡层结构在铜互连线时会遇到互连线电阻急剧增大、铜种子层沉积不均匀等问题。

为克服这些问题，金属钌(Ruthenium，Ru)以其出色的电化学性能而被选择作为下一代IC制造中铜互连工艺的阻挡层。与Ta和TaN相比Ru具有更低的电阻率，并且与铜有非常好的黏附性。此外，铜可以比较容易地均匀沉积在金属钌层上。

阻挡层位于金属层和介质层之间，在整个制造过程中，部分的阻挡层需要被去除，另一部分的阻挡层会被保留。由于阻挡层通常是被金属层覆盖，在去除阻挡层时，需要先去除金属层，然后再去除阻挡层。研磨工艺和刻蚀工艺是半导体制造工艺中用来去除材料层的主要手段。

化学机械研磨(CMP)是最常用的研磨工艺，CMP被广泛用于去除多余的物质层从而为下一层金属化制造平坦的表面。CMP主要通过机械压力的方式进行材料去除，因此对于材料的化学属性并无特殊要求，CMP可以应用于金属层或者阻挡层的去除，包括对Cu、Ta、TaN、Ru等各种金属的研磨去除。对于金属钌来说，在研磨液中H₂O₂等氧化剂的氧化作用下，可以生成钌氧化物，然后钌氧化物被研磨去除。由于CMP工艺是基于机械压力，在CMP过程中使用下压力将晶圆压在研磨垫上研磨，晶圆在研磨时承受较大的压力，因此容易造成划伤、金属腐蚀磨损等缺陷，甚至因为应力碎片。在进入到10nm以下的工艺节点时，由于晶圆上的IC结构密度大幅度增加，晶圆承受机械应力的能力也随之下降，CMP的机械压力容易对晶圆和IC结构造成更大的损伤。此外，CMP研磨过程中需要消耗大量的研磨液、研磨垫等耗材，使得工艺的成本较高。

为了解决机械应力的问题，无应力抛光(SFP)技术得到了发展。SFP是一种电解抛光金属的工艺，通过电化学反应可以使金属氧化为金属离子进入到抛光液中，从而达到去除晶圆表面金属的目的。SFP较多地应用于金属铜的抛光，更多地用来去除金属层。SFP工艺主要依靠电化学反应来去除金属层，SFP的优点是工艺过程中没有外力加载在晶圆上，避免了划伤、金属腐蚀磨损等CMP常见缺陷。此外，SFP使用的抛光液可以回收循环利用，这样大大节省了工艺成本。

因为用作阻挡层的材料，比如Ta、TaN、Ru普遍具有较为稳定的化学性质，与大多数的化学制剂的反应较弱，仅与特定的化学制剂有较高的反应速率，因此SFP较少应用于直接去除阻挡层。针对阻挡层的去除，除了CMP之外，多使用化学制剂刻蚀的方式来去除。去除阻挡层最常用的刻蚀剂是HF，HF对于Ta和TaN都具有较好的刻蚀率。

但当阻挡层的材料变成金属钌Ru时，情况出现了改变，因为金属钌Ru的化学性质非常稳定，其与常用的SFP电解液(磷酸)和HF的反应速率都很低。试验数据表明：

金属钌Ru在质量分数30％～70％的磷酸作为电解液，施加的电流为5A条件下，60s周期内的去除量为3.2埃。

金属钌Ru在质量分数为0.01％～0.4％的HF作为刻蚀剂的条件下，60s周期内的去除量为2.6埃。