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CN115938937B - 半导体结构及其制备方法 - Google Patents

半导体结构及其制备方法 Download PDF

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CN115938937B
CN115938937B CN202310220419.7A CN202310220419A CN115938937B CN 115938937 B CN115938937 B CN 115938937B CN 202310220419 A CN202310220419 A CN 202310220419A CN 115938937 B CN115938937 B CN 115938937B
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卢俊玮
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Abstract

本发明提供了一种半导体结构及其制备方法,其中所述半导体结构的制备方法在对金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层之后,采用混合气体的等离子体对图案化的金属层进行清洗和羟基化,并利用等离子体辅助进行原子层沉积工艺,能够在所述图案化的金属层的侧壁上形成致密的氧化铝层,可以避免在后续的湿法清洗的过程中出现金属层的电偶腐蚀问题,进而可以防止金属层的侧壁上形成孔洞,提高半导体结构的可靠性。

Description

半导体结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种半导体结构及其制备方法。
背景技术
现有的半导体结构的制备方法中,在刻蚀完AlCu金属层之后需要进行湿法清洗,而在湿法清洗时,由于Cu的存在会加速Al的电偶腐蚀,导致AlCu金属层的侧壁上形成孔洞,进而造成半导体结构的电迁移率测试(EM)失败,出现可靠性降低的问题。
虽然现有技术的AlCu金属层的侧壁会由于含O2的灰化工艺形成Al2O3薄膜,但是该Al2O3薄膜并不致密,其在后续的湿法清洗过程中容易损坏,并不能很好的保护AlCu金属层,使得AlCu金属层仍会在后续湿法清洗工艺中出现电偶腐蚀,造成侧壁孔洞。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体结构及其制备方法,以避免在湿法清洗过程中金属层发生电偶腐蚀,防止金属层的侧壁出现孔洞,提高半导体结构的可靠性。
为了实现上述目的以及其他相关目的,本发明提供了一种半导体结构的制备方法,包括以下步骤:
提供一基底,在所述基底上依次形成金属层和图案化的光刻胶层,所述金属层的材料包括AlCu;
以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层;
采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化;
利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层;
对形成氧化铝层之后的结构进行湿法清洗。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述混合气体的等离子体包括四氟化碳、水蒸气和氧气组成的混合气体的等离子体。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述等离子体辅助的原子层沉积工艺的工艺温度不高于50℃。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述等离子体辅助的原子层沉积工艺的反应原料包括前驱体和氧化剂,所述前驱体包括TMA,所述氧化剂包括H2O和O2中的至少一种。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤包括:利用微波ECR设备产生等离子体,在等离子体条件下进行原子层沉积以形成氧化铝层。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述氧化铝层的厚度为1nm~10nm。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述基底包括衬底以及位于所述衬底上的阻挡层,所述金属层位于所述阻挡层上,所述形成氧化铝层的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀,以形成图案化的阻挡层。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述以图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀的步骤、所述采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化的步骤、所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤以及所述以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀的步骤均在同一干法刻蚀机台中完成。
可选的,在所述的半导体结构的制备方法中,所述形成图案化的阻挡层的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:采用灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层。
为了实现上述目的以及其他相关目的,本发明还提供了一种半导体结构,采用上述所述的半导体结构的制备方法制备得到。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下有益效果:
本发明在对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层之后,采用混合气体的等离子体对图案化的金属层进行清洗和羟基化,并通过等离子体辅助进行原子层沉积工艺,能够在所述图案化的金属层的侧壁上形成致密的氧化铝层,可以避免在湿法清洗的过程中金属层发生电偶腐蚀问题,进而可以避免所述金属层的侧壁上出现孔洞,使得半导体结构的电学性能和可靠性可以得到提高。
而且本发明利用微波ECR设备产生等离子体,在等离子体条件下进行原子层沉积氧化铝层,由于等离子体的存在,使得本发明能够在低温的环境下形成氧化铝层,工艺简单易行,且可以扩大基底的材料使用范围,使基底的材料不受温度的限制。
此外,本发明的所述金属层的刻蚀步骤、金属层的清洗和羟基化步骤、氧化铝层的沉积工艺以及阻挡层的刻蚀步骤可以在同一个干法刻蚀机台中完成,并不需要增加额外的设备,可以降低工艺成本。
附图说明
图1是现有技术中的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S03形成的产品结构示意图;
图2是现有技术中的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S04形成的产品结构示意图;
图3是现有技术中的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S05形成的产品结构示意图;
图4是现有技术中的一种半导体结构的制备方法进行湿法清洗后的产品的TEM图;
图5是现有技术中的一种半导体结构的制备方法进行湿法清洗后的产品的SEM图;
图6是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法的流程图;
图7是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S2形成的产品结构示意图;
图8是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S3形成的产品结构示意图;
图9是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S4形成的产品结构示意图;
图10是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法中对阻挡层进行刻蚀后形成的产品结构示意图;
图11是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法中对图案化的光刻胶层进行灰化处理后形成的产品结构示意图;
图12是本发明实施例提供的一种半导体结构的制备方法中根据步骤S5形成的产品结构示意图;
图13是本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备方法中根据步骤S2形成的产品结构示意图;
图14是本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备方法中根据步骤S3形成的产品结构示意图;
图15是本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备方法中根据步骤S4形成的产品结构示意图;
图16是本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备方法中对阻挡层进行刻蚀后形成的产品结构示意图;
图17是本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备方法中对图案化的光刻胶层进行灰化处理后形成的产品结构示意图;
图18是本发明实施例提供的另一种半导体结构的制备方法中根据步骤S5形成的产品结构示意图;
其中图1~图5中:
101-TaN阻挡层,102-铜铝金属层,103-图案化的光刻胶层,104-副产物,105-氧化铝薄膜,106-孔洞;
图6~图12中:
11-阻挡层,111-图案化的阻挡层,12-图案化的金属层,13-图案化的光刻胶层,14-副产物,15-氧化铝层,16-非致密的薄膜;
图13~图18中:
21-阻挡层,211-图案化的阻挡层,22-图案化的金属层,23-图案化的光刻胶层,24-副产物,25-氧化铝层,26-非致密的薄膜,27-金属抗反射层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体结构及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参阅图1~图3,一种半导体结构的制备方法包括以下步骤:
步骤S01:提供一基底,所述基底包括TaN阻挡层101,且在所述TaN阻挡层101上形成铜铝金属层102;
步骤S02:在所述铜铝金属层102的上表面形成光刻胶层,并对所述光刻胶层进行光刻,形成图案化的光刻胶层103;
步骤S03:以图案化的光刻胶层103为掩膜对所述铜铝金属层102和TaN阻挡层101进行刻蚀;
步骤S04:灰化去除所述图案化的光刻胶层103;
步骤S05:对去除所述图案化的光刻胶层103之后的半导体结构进行湿法清洗。
参阅图1,执行步骤S01,提供一基底,所述基底最顶层为TaN阻挡层101,在所述TaN阻挡层101上形成铜铝金属层102。所述铜铝金属层102的材料中铜的占比为5%。
继续参阅图1,执行步骤S02,在所述铜铝金属层102的上表面制备出图案化的光刻胶层103。
继续参阅图1,执行步骤S03,对所述铜铝金属层102进行刻蚀,刻蚀试剂包括BCl3和Cl2。由于刻蚀气体的存在,在刻蚀的过程中,所述铜铝金属层102的侧壁会被刻蚀气体反应形成副产物104,例如含氯的聚合物。
参阅图2,执行步骤S04,通过灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层103。一般采用含有O2的灰化工艺来处理所述图案化的光刻胶层103。由于O2的存在,在图案化的光刻胶层103灰化的过程中,所述铜铝金属层102的侧壁以及图案化的光刻胶03除去后露出的铜铝金属层102的上表面会与O2发生反应,形成氧化铝(Al2O3)薄膜105。但是该方法形成的氧化铝薄膜105并不致密。
参阅图3,执行步骤S05,对去除所述图案化的光刻胶层103之后的半导体结构进行湿法清洗,以除去副产物104。所述湿法清洗采用的溶液包括H2O2和HCl,由于氧化铝薄膜105并不致密,所述湿法清洗的溶液会穿过不致密的氧化铝薄膜105与所述铜铝金属层102接触,Al会被腐蚀形成孔洞106,可参见图4和图5。而且所述氧化铝薄膜105不致密,其在湿法清洗的过程中也容易被腐蚀损坏。由于铜铝金属层102侧壁上的孔洞106的存在,会影响半导体结构的电学性能、良率以及可靠性,同时也会影响电迁移率的测试,造成电迁移率测试失败。
为了解决刻蚀后的金属层侧壁在湿法清洗过程中出现孔洞的问题,本发明提供了一种半导体结构的制备方法,参阅图6,所述半导体结构的制备方法包括以下步骤:
步骤S1:提供一基底,在所述基底上依次形成金属层和图案化的光刻胶层,所述金属层的材料包括AlCu;
步骤S2:以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层;
步骤S3:采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化;
步骤S4:利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层;
步骤S5:对形成氧化铝层之后的结构进行湿法清洗。
在步骤S1中,所述基底包括阻挡层。在一些实施例中,所述基底可以包括衬底以及位于衬底上的结构层,其中所述结构层至少包括阻挡层;所述衬底可以为硅衬底、蓝宝石衬底或者GaAs衬底,但不限于此。所述阻挡层优选位于所述基底的顶部,所述金属层位于所述阻挡层上。所述阻挡层的材料优选为TaN,但不限于此。所述金属层的材料优选为铝铜(AlCu),且所述铜的含量优选不大于5%。所述金属层等其他结构层的形成工艺可以为MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)或者ALD(原子层沉积)等,但不限于此。
在一些实施例中,所述金属层与所述图案化的光刻胶层之间还可以形成其他结构层,例如金属抗反射层。所述金属抗反射层的材料优选为TiN,但不限于此。
在步骤S2中,所述以图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀的刻蚀方法选为干法刻蚀,进一步的,所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3和Cl2,但不限于此。在其他实施例中,所述干法刻蚀的刻蚀气体除了包括BCl3和Cl2之外,还可以包括N2和惰性气体,所述惰性气体优选为Ar,但不限于此。例如所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、N2和Ar。本实施例可以通过终点检测器监控所述刻蚀的程度。
在对所述金属层进行刻蚀的过程中,由于刻蚀气体中包括BCl3和Cl2,而BCl3和Cl2会与刻蚀后露出的金属层侧壁发生反应,形成副产物,例如含氯的聚合物。
在步骤S3中,所述混合气体的等离子体优选为四氟化碳(CF4)、水蒸气(H2O)和氧气(O2)组成的混合气体的等离子体,但不限于此。所述四氟化碳和氧气能够去除所述含氯的聚合物,所述水蒸气能够在所述金属层的表面形成羟基,具体的能够在去除所述含氯的聚合物之后露出的所述金属层的侧壁形成羟基。
在步骤S4中,所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤中的反应原料包括前驱体和氧化剂,所述前驱体优选为TMA(三甲基铝),但不限于此。所述氧化剂优选为H2O和O2中的至少一种,但不限于此。本实施例采用TMA与氧化剂循环处理形成所述氧化铝层。
本实施例通过微波ECR(电子回旋共振)设备产生等离子体,在等离子体能量的作用下产生活性基,这样就不需要再额外的给反应腔加热,在室温条件下就可以进行ALD(原子层沉积)工艺,因此可以扩大基底材料使用范围,使基底材料不受温度的限制。由于等离子体的存在,本实施例所述原子层沉积的温度优选不高于50℃,例如25℃。
在本实施例中,采用ALD形成的是致密的氧化铝层,为了避免后续的湿法清洗的溶液与所述金属层的侧壁接触,保护金属层的侧壁使其不被电偶腐蚀,同时不影响最终产品的性能,本实施例中的氧化铝层的厚度优选为1nm~10nm。
在步骤S4之后,且在步骤S5之前,所述半导体结构的制备方法还包括:以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀。该步骤中的刻蚀方法选为干法刻蚀,进一步的,所述干法刻蚀的刻蚀气体优选为BCl3和Cl2,但不限于此。在其他实施例中,所述干法刻蚀的刻蚀气体除了包括BCl3和Cl2之外还可以包括N2和惰性气体,所述惰性气体优选为Ar,但不限于此。例如所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、N2和Ar。
在步骤S5之前,且所述以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:采用灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层。所述灰化工艺一般为含有O2的灰化处理工艺,且灰化温度优选为200℃~300℃,例如250℃。在除去所述图案化的光刻胶之后,所述金属层的上表面露出来,所述O2与露出的所述金属层的上表面反应会形成非致密的薄膜,具体为非致密的氧化铝薄膜。
在步骤S5中,对半导体结构进行湿法清洗。所述湿法清洗的溶液可以为酸性溶液,也可以为碱性溶液,本实施例中,所述湿法清洗的溶液优选为酸性溶液,进一步的所述湿法清洗的溶液优选包括H2O2和HCl。由于CO2可以抑制电偶腐蚀,因此,本实施例还可以在湿法清洗的溶液通入CO2。所述湿法清洗的溶液可以除去原子层沉积过程中产生的杂质和副产物、阻挡层的刻蚀过程中出现的杂质和副产物以及灰化处理过程中出现的杂质和副产物,例如灰化处理过程中出现的非致密的薄膜。由于所述图案化的金属层的侧壁存在致密的氧化铝层,湿法清洗的溶液并不能与所述图案化的金属层的侧壁接触,因此,所述图案化的金属层的侧壁并不会发生反应,也不会出现电偶腐蚀,进而不会出现侧壁孔洞,可以提高半导体结构的电学性能以及可靠性。
本发明的所述以图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀的步骤、所述采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化的步骤、所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤以及所述以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀的步骤可以在同一干法刻蚀机台中完成。现有的干法刻蚀机台具有四个腔室,其中两个腔室为设置有微波ECR的原位腔室,其余两个腔室为主刻蚀腔室。所述以图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀的步骤和所述以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀的步骤可以在所述主刻蚀腔室中完成,所述采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化的步骤和所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤可以在所述内置有微波ECR的原位腔室完成。由于所述干法刻蚀机台为现有结构,在此不做赘述。
由于本发明的所述金属层的刻蚀步骤、金属层的清洗和羟基化步骤、氧化铝层的沉积步骤以及阻挡层的刻蚀步骤可以在同一个干法刻蚀机台中完成,并不需要增加额外的设备,因此可以节省成本,且容易操作完成。
图7~图12示出了一种半导体结构的制备方法中相应步骤涉及的结构示意图,在该实施例中,在阻挡层上依次形成金属层以及图案化的光刻胶层,且所述原子层沉积步骤中的反应原料为TMA和H2O(g)。
参阅图7,执行步骤S1,提供一基底,所述基底的顶部为阻挡层11,在所述阻挡层11上依次形成金属层以及图案化的光刻胶层13。所述阻挡层11的材料优选为TaN,但不限于此。所述金属层的材料优选为AlCu,但不限于此。
继续参阅图7,执行步骤S2,以图案化的光刻胶层13为掩膜对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层12。所述以图案化的光刻胶层13为掩膜对所述金属层进行刻蚀的刻蚀方法选为干法刻蚀,进一步的,所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3和Cl2,在其他实施例中,所述干法刻蚀的刻蚀气体还可以包括N2和惰性气体,所述惰性气体优选为Ar,但不限于此。例如所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、N2和Ar。由于刻蚀气体中包括BCl3和Cl2,因此在刻蚀的过程中,所述图案化的金属层12的侧壁会被刻蚀气体反应形成副产物14,例如含氯的聚合物。
参阅图8,执行步骤S3,采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层12进行清洗和羟基化。该实施例中,所述混合气体的等离子体包括四氟化碳、水蒸气和氧气组成的混合气体的等离子体。所述四氟化碳和氧气能够去除所述副产物14,所述水蒸气能够在所述图案化的金属层12的表面形成羟基(-OH),具体的能够在去除所述副产物14之后露出的所述图案化的金属层12的侧壁形成羟基。
参阅图9,执行步骤S4,利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层12的侧壁上形成氧化铝层15。在本实施例中,所述原子层沉积的反应原料包括前驱体和氧化剂,所述前驱体优选为TMA(三甲基铝),所述氧化剂优选为水蒸气。本实施例采用TMA与水蒸气循环处理形成所述氧化铝层15,即以三甲基铝为单体,用TMA-Ar(氩气)-H2O(g)-Ar的交替脉冲的方式用等离子体方法实现原子层沉积氧化铝层15。
本实施例通过微波ECR(电子回旋加速器共振)设备产生等离子体,在等离子体能量的作用下产生活性基,这样就不需要再额外的给反应腔加热,在室温条件下就可以进行ALD(原子层沉积)工艺,因此可以扩大基底的材料使用范围,使基底的材料不受温度的限制。由于等离子体的存在,本实施例所述原子层沉积的温度优选不高于50℃,例如25℃。
在本实施例中,采用ALD形成的是致密的氧化铝层15,为了避免后续的湿法清洗的溶液与所述金属层的侧壁接触,保护金属层的侧壁使其不被电偶腐蚀,同时不影响最终产品的性能,本实施例中的氧化铝层15的厚度优选为1nm~10nm。
所述TMA与水蒸气循环处理形成所述氧化铝层15的机理为:在等离子体能量的作用下,TMA脉冲时间形成AlCH3 -活性基,H2O脉冲时间形成羟基活性基,然后通过化学反应形成Al2O3
所述TMA与水蒸气循环处理形成所述氧化铝层15的具体过程包括:
步骤S411:向步骤S3中在侧壁表面形成有羟基的金属层通入TMA,使得TMA与所述羟基发生反应,生成CH4和AlOAl(CH32 -
步骤S412:在通入TMA一段时间之后,通入惰性气体,所述惰性气体优选为Ar;
步骤S413:在通入惰性气体一段时间之后,通入H2O(g),所述H2O(g)与AlOAl(CH32 -反应,形成Al2O3和CH4
步骤S414:在通入水蒸气一段时间之后,再次通过惰性气体一段时间。
依次循环步骤S411~步骤S414能够获取致密的氧化铝层15。可以理解的是,所述TMA、惰性气体以及水蒸气的通入时间可以根据工艺需求进行设定。
本实施例通入依次循环TMA-Ar-H2O(g)-Ar来实现原子层沉积氧化铝层15,并通过控制每个循环中的TMA和H2O(g)的时间来控制氧化铝层15的厚度。本实施例采用原子沉积形成的氧化铝层15为致密的薄膜层。
参阅图10,在步骤S4之后,且在步骤S5之前,所述半导体结构的制备方法还包括:以所述图案化的金属层12和氧化铝层15为掩膜对所述阻挡层11进行刻蚀,以形成图案化的阻挡层111。该步骤中的所述刻蚀方法选为干法刻蚀,进一步的,所述干法刻蚀的刻蚀气体优选为BCl3和Cl2,但不限于此。在其他实施例中,所述干法刻蚀的刻蚀气体除了包括BCl3和Cl2之外还可以包括N2和惰性气体,所述惰性气体优选为Ar,但不限于此。例如所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、N2和Ar。
参阅图11,在步骤S5之前,且所述以所述图案化的金属层12和氧化铝层15为掩膜对所述阻挡层11进行刻蚀的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:采用灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层13。所述灰化工艺一般为含有O2的灰化处理工艺,且灰化温度优选为200℃~300℃,例如250℃。在除去所述图案化的光刻胶13之后,所述图案化的金属层12的上表面露出来,所述O2与露出的所述图案化的金属层12的上表面反应会形成非致密的薄膜16,具体为非致密的氧化铝薄膜。
参阅图12,执行步骤S5,对半导体结构进行湿法清洗。所述湿法清洗的溶液可以为酸性溶液,也可以为碱性溶液,本实施例中,所述湿法清洗的溶液优选为酸性溶液,进一步的所述湿法清洗的溶液优选包括H2O2和HCl。由于CO2可以一直电偶腐蚀,因此,本实施例还可以在湿法清洗的溶液通入CO2。所述湿法清洗的溶液可以除去原子层沉积过程中产生的杂质和副产物、阻挡层11的刻蚀过程中出现的杂质和副产物以及灰化处理过程中出现的杂质和副产物,例如灰化处理过程中出现的非致密的薄膜16。由于所述图案化的金属层12的侧壁存在致密的氧化铝层15,湿法清洗的溶液并不能与所述图案化的金属层12的侧壁接触,因此,所述图案化的金属层12的侧壁并不会发生反应,也不会出现电偶腐蚀,进而不会出现侧壁孔洞,有利于电迁移率测试,可以提高半导体结构的电学性能和可靠性,进而可以提高半导体结构的使用寿命。
图13~图18示出了另一种半导体结构的制备方法的相应步骤涉及的结构示意图,在该实施例中,在阻挡层21上依次形成金属层、金属抗反射层27以及图案化的光刻胶层23,且所述原子层沉积步骤中的反应原料为TMA和O2
参阅图13,执行步骤S1,提供一基底,所述基底的顶部为阻挡层21,在所述阻挡层21上依次形成金属层、金属抗反射层27以及图案化的光刻胶层23。所述阻挡层21的材料优选为TaN,所述金属层的材料优选为AlCu,所述金属抗反射层27的材料优选为TiN。
继续参阅图13,执行步骤S2,以图案化的光刻胶层23为掩膜对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层22。由于所述金属抗反射层27的存在,因此在所述金属层进行刻蚀之前需要先对所述金属抗反射层27进行刻蚀,形成图形化的金属抗反射层27。在该实施例中,所述金属抗反射层的刻蚀与所述金属层的刻蚀的工艺条件优选相同。所述刻蚀优选为干法刻蚀,所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3和Cl2,在其他实施例中,所述干法刻蚀的刻蚀气体还可以包括N2和惰性气体,所述惰性气体优选为Ar,但不限于此。例如所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、N2和Ar。由于刻蚀气体中包括BCl3和Cl2,因此在刻蚀的过程中,所述金属层的侧壁会被刻蚀气体反应形成副产物24,例如含氯的聚合物。
参阅图14,执行步骤S3,采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层22进行清洗和羟基化。该实施例中,所述混合气体的等离子体包括四氟化碳、水蒸气和氧气组成的混合气体的等离子体,所述四氟化碳和氧气能够去除所述副产物24,所述水蒸气能够在所述图案化的金属层22的表面形成羟基(-OH),具体的能够在去除所述含氯的聚合物之后露出的所述图案化的金属层22的侧壁形成羟基。
参阅图15,执行步骤S4,利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层22的侧壁上形成氧化铝层25。所述原子层沉积的温度不高于50℃,例如原子层沉积的温度为25℃。所述原子层沉积的反应原材料包括前驱体和氧化剂,所述前驱体为TMA(三甲基铝)。所述氧化剂为O2。本实施例采用TMA与O2循环处理形成所述氧化铝层25,即以三甲基铝为单体,用TMA-Ar-O2-Ar的交替脉冲的方式用等离子体方法实现原子层沉积氧化铝层25。本实施例通过微波ECR设备产生等离子体,在等离子体能量的作用下产生活性基,这样就不需要再额外的给反应室加热,在室温条件下就可以进行ALD工艺,因此可以扩大基底的材料使用范围,使基底的材料不受温度的限制。
所述TMA与氧气循环处理形成所述氧化铝层25的机理为:在等离子体能量的作用下,TMA脉冲时间形成AlCH3-活性基,O2脉冲时间形成O原子活性基,然后通过化学反应形成Al2O3
所述TMA与氧气循环处理过程具体为:
步骤S421:向步骤S3中在侧壁表面形成羟基的金属层通入TMA,所述TMA与所述羟基发生反应,生成CH4和AlOAl(CH32 -
步骤S422:在通入TMA一段时间之后,通入惰性气体,例如Ar气;
步骤S423:在通入惰性气体一段时间之后,通入氧气,其与AlOAl(CH32 -反应,形成Al2O3、CO2和H2O;
步骤S424:在通入氧气一段时间之后,再次通过惰性气体一段时间,例如Ar气。
本实施例通入依次循环TMA-Ar-O2-Ar来实现原子层沉积氧化铝层25,并通过控制每个循环中的TMA和O2的时间来控制氧化铝层25的厚度。采用原子沉积形成的氧化铝层25为致密的薄膜层。
参阅图16,在步骤S4之后,且在步骤S5之前,所述半导体结构的制备方法还包括:以所述图案化的金属层22和氧化铝层25为掩膜对所述阻挡层21进行刻蚀,以形成图案化的阻挡层211。该步骤中的所述刻蚀方法选为干法刻蚀,进一步的,所述干法刻蚀的刻蚀气体优选为BCl3和Cl2,但不限于此。在其他实施例中,所述干法刻蚀的刻蚀气体除了包括BCl3和Cl2之外还可以包括N2和惰性气体,所述惰性气体优选为Ar,但不限于此。例如所述干法刻蚀的刻蚀气体包括BCl3、Cl2、N2和Ar。
参阅图17,在步骤S5之前,且所述以所述图案化的金属层22和氧化铝层25为掩膜对所述阻挡层21进行刻蚀的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:采用灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层23。所述灰化工艺一般为含有O2的灰化处理工艺,且灰化温度优选为200℃~300℃,例如250℃。在除去所述图案化的光刻胶23之后,所述图案化的金属层22的上表面露出来,所述O2与露出的所述图案化的金属层22的上表面反应会形成非致密的薄膜26,具体为非致密的氧化铝薄膜。
参阅图18,执行步骤S5,对半导体结构进行湿法清洗。所述湿法清洗的溶液可以为酸性溶液,也可以为碱性溶液,本实施例中,所述湿法清洗的溶液优选为酸性溶液,进一步的所述湿法清洗的溶液优选包括H2O2和HCl。由于CO2可以一直电偶腐蚀,因此,本实施例还可以在湿法清洗的溶液通入CO2。所述湿法清洗的溶液可以除去原子层沉积过程中产生的杂质和副产物、阻挡层21的刻蚀过程中出现的杂质和副产物以及灰化处理过程中出现的杂质和副产物,例如灰化处理过程中出现的非致密的薄膜26。由于所述图案化的金属层22的侧壁存在致密的氧化铝层25,湿法清洗的溶液并不能与所述图案化的金属层22的侧壁接触,因此,所述图案化的金属层22的侧壁并不会发生反应,也不会出现电偶腐蚀,进而不会出现侧壁孔洞,有利于电迁移率测试,可以提高电学性能和可靠性,进而可以提高半导体结构的使用寿命。
综上可见,本发明的半导体结构的制备方法在对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层之后,采用混合气体的等离子体对图案化的金属层进行清洗和羟基化,并通过等离子体辅助进行原子层沉积工艺,能够在所述图案化的金属层的侧壁上形成致密的氧化铝层,可以防止在湿法清洗的过程中出现金属层的电偶腐蚀问题,避免在所述金属层的侧壁上出现孔洞,进而提高半导体结构的电学性能和可靠性,延长所述半导体结构的使用寿命。
其次,本发明利用微波ECR设备产生等离子体,在等离子体条件下进行原子层沉积氧化铝层,由于等离子体的存在,使得本发明能够在低温的环境下形成氧化铝层,工艺简单易行,且可以扩大基底的材料使用范围,使基底的材料不受温度的限制。
而且,本发明的所述金属层的刻蚀步骤、金属层的清洗和羟基化步骤、原子层沉积工艺以及阻挡层的刻蚀步骤可以在同一个干法刻蚀机台中完成,并不需要增加额外的设备。
此外,本发明还提供了一种由上述所述半导体结构制备方法制备的半导体结构。由于所述半导体结构中的金属层的侧壁不存在孔洞,因此所述半导体结构具有比较高的可靠性和比较优良的电学性能。
可以理解的是,虽然本发明已以较佳实施例披露如上,然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
而且还应该理解的是,本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用,它们可以变化。还应该理解的是,此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例,而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是,此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准,除非上下文明确表示相反意思。因此,例如,对“一个步骤”引述意味着对一个或多个步骤的引述,并且可能包括次级步骤。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此,词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义,而不是逻辑“异或”的定义,除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解,除非上下文明确表示相反意思。

Claims (9)

1.一种半导体结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供一基底,在所述基底上依次形成金属层和图案化的光刻胶层,所述金属层的材料包括AlCu;
以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀,形成图案化的金属层;
采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化;
利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层;所述等离子体辅助的原子层沉积工艺的反应原料包括前驱体和氧化剂,所述前驱体包括TMA,所述氧化剂包括H2O和O2中的至少一种;
对形成氧化铝层之后的结构进行湿法清洗。
2.如权利要求1所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述混合气体的等离子体包括四氟化碳、水蒸气和氧气组成的混合气体的等离子体。
3.如权利要求1所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述等离子体辅助的原子层沉积工艺的工艺温度不高于50℃。
4.如权利要求1所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤包括:利用微波ECR设备产生等离子体,在等离子体条件下进行原子层沉积以形成氧化铝层。
5.如权利要求1所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述氧化铝层的厚度为1nm~10nm。
6.如权利要求1所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述基底包括衬底以及位于所述衬底上的阻挡层,所述金属层位于所述阻挡层上,所述形成氧化铝层的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀,以形成图案化的阻挡层。
7.如权利要求6所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述以所述图案化的光刻胶层为掩膜对所述金属层进行刻蚀的步骤、所述采用混合气体的等离子体对所述图案化的金属层进行清洗和羟基化的步骤、所述利用等离子体辅助的原子层沉积工艺在所述图案化的金属层的侧壁上形成氧化铝层的步骤以及所述以所述图案化的金属层和氧化铝层为掩膜对所述阻挡层进行刻蚀的步骤均在同一干法刻蚀机台中完成。
8.如权利要求6所述的半导体结构的制备方法,其特征在于,所述形成图案化的阻挡层的步骤之后,所述半导体结构的制备方法还包括:采用灰化工艺去除所述图案化的光刻胶层。
9.一种半导体结构,其特征在于,采用权利要求1~8中任一项所述的半导体结构的制备方法制备得到。
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