專利名稱：一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導體性能要求的不斷提高，集成電路芯片的尺寸也越來越小，而一個完整的45納米工藝芯片，視性能要求的不同大約需要40到60次光刻工序，所以光刻過程就成為芯片制造中最核心的工序。隨著光刻的圖形由于器件尺寸的縮小也在不斷縮小，導致光刻膠的厚度和光刻完成后的尺寸也越來越小，即光刻成為一項精密加工技術(shù)。例如，隨著芯片生產(chǎn)工藝從微米級到目前的納米工藝，光刻所使用的波長也隨著芯片工藝的進步不斷縮小，從萊的I系線，G系線到紫外區(qū)域的193nm紫外線,極紫外線(extreme ultraviolet,簡稱EUV)、乃至電子束。當前，芯片的制造對光刻工藝提出了非?？量痰墓に嚄l件，包括邊緣粗糙度，尺寸均勻度，光刻膠(Photoresist，簡稱PR)截面形貌，缺陷等等。光刻膠與基底結(jié)合力不夠，會造成光刻膠翹起、脫落產(chǎn)生缺陷，刻蝕底切等一系列問題，其中，光刻膠脫落是最為嚴重的缺陷，會導致圖形失效，甚至造成顆粒源危及周邊的區(qū)域。由于金屬表面的親水性特性，而光刻膠表現(xiàn)為疏水性，從而導致金屬比普通的氧化物或硅基薄膜更難與光刻膠緊密結(jié)合。隨著金屬-絕緣層-金屬 (metal-insulator-metal,簡稱MIM)電容結(jié)構(gòu)在微波或射頻芯片中得到越來越廣泛的應(yīng)用，而該種電容的上極板就是金屬或金屬化合物。因此，如何簡單有效地避免光刻膠脫落， 成為一個非常有價值的研究課題。要避免光刻膠的脫落，最關(guān)鍵的是提高光刻膠與基底的附著力。目前較為常用的幾種提高附著力的方法有如下幾種集成電路制造業(yè)界目前通用的增強光刻膠與基底結(jié)合力的辦法是采用旋涂有機的表面粘合促進劑，目前常用的是六甲基二娃胺(Hexamethyldisilazane,簡稱HMDS)。由于光刻膠是一種有機化合物，表現(xiàn)為疏水性，而經(jīng)過集成電路制造過程中的刻蝕、酸洗、水洗、干燥等工藝之后的晶圓表面通常為是親水性的金屬/金屬化合物，因此很難與光刻膠直接形成較為牢固的結(jié)合。如圖1-3所示，為傳統(tǒng)光刻工藝流程結(jié)構(gòu)示意圖。首先在MM電容結(jié)構(gòu)I的上電極板11的上表面上，旋涂有機的表面粘合促進劑HMDS分子層12覆蓋上極板11，然后旋涂光刻膠13覆蓋HMDS分子層12，對光刻膠13進行曝光、顯影工藝。HMDS分子層12作為一種表面活性劑，通過在上電極板11表面涂覆一層表面活性劑的HMDS分子層12，其厚度僅為一兩個分子層，HMDS分子層12的上層與光刻膠13的下表面結(jié)合在一起，HMDS分子層12的下層與上電極板11的上表面也能很緊密的結(jié)合在一起，從而改善光刻膠13與上電極板11 的結(jié)合性能，避免光刻膠13脫落的問題；但HMDS分子層的附著力有限，而在曝光、顯影過程中的氣體，液體，高溫都會對保留下的光刻膠131產(chǎn)生作用，由于結(jié)合力不足以抵抗上述作用，保留下的光刻膠131就會翹起，脫落，從而使圖形改變而工藝失效，同時HMDS會產(chǎn)生胺， 不僅對PR有毒害作用，還會產(chǎn)生額外的缺陷。中國專利(公開號1166798，用于微電子的無胺光刻膠粘接促進劑)公開了一種有機粘接促進劑，其原理與上述原理類似。但此專利中記載的表面粘合促進劑方法的不足之處是提高的附著力有限，且欲獲得較高的結(jié)合性能就必須加大粘合劑的用量，而粘合劑太厚又會影響光刻的顯影及光刻形貌、尺寸的控制，且粘合劑的價格較高，致使其成本昂貴。美國專利(專利號US6251804B1，增強多晶硅閘極表面的氮化硅與光刻膠的附著力的方法(Method for enhancing adhesion of photo-resist to silicon nitride surfaces))公開了一種用于增強多晶娃閘極表面的氮化娃與光刻膠的附著力的方法,其主要是引入一個氧化過程，氧化劑為溶解臭氧的去離子水，氧氣等離子體或硫酸雙氧水的混合液，通過改變氮硅懸掛鍵兒提高氮化硅層與HMDS的結(jié)合力。但該發(fā)明是用于多晶硅柵極的氮化硅基底的強化，而對金屬/金屬化合物基底未做闡述。美國專利(專利號US4332881A,集成電路中的粘附工藝(Resist adhesion in integrated circuit processing))公開了一種將光刻膠分為兩次涂布的工藝。首先涂布一層較薄的光刻膠，然后高溫烘烤，使光刻膠與基底良好結(jié)合，然后進行較厚的光刻膠涂布，較厚光刻膠與較薄的光刻膠能較好的結(jié)合在一起，從而達到提高結(jié)合力的目的。但是這種方法受光刻膠性能的影響，所能提高的粘附力也有限，且由于需要多次涂布，對整體光刻膠的曝光能力帶來不利影響，如尺寸均勻性的難以控制、后續(xù)去膠的帶來缺陷等；此外，該方法還需要多次涂布光刻膠，導致生產(chǎn)效率降低和工藝成本的上升。由于金屬與有機物的鍵合較難形成，因此，金屬/金屬化合物基底與光刻膠的結(jié)合力更弱于硅或硅化物基底。而上述幾種方法雖都有其優(yōu)點，但均沒有公開可以有效提高金屬/金屬化合物基底表面與光刻膠的粘附力。隨著技術(shù)的進步，越來越多的金屬/金屬化合物基底會成為與光刻膠直接接觸的表面，如電容的金屬極板層，金屬布線，金屬硬掩模板等。因此，如何找到一種方法可以實現(xiàn)快速、廉價、可靠地方法提高金屬/金屬化合物表面與光刻膠之間的粘附力成為一個半導體業(yè)界亟待解決的重要技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，一半導體器件所包含的MIM結(jié)構(gòu)的上表面設(shè)置有金屬/金屬化合物層，其中，包括如下步驟步驟SI :在高溫條件下利用含氧氣體的等離子體對金屬/金屬化合物層的上表面進行氧化反應(yīng)，使金屬/金屬化合物層的上表面上的金屬氧化為金屬氧化物；步驟S2 :利用硅基有機物氣體的等離子體對金屬氧化物進行處理，形成覆蓋金屬 /金屬化合物層的上表面的粘結(jié)過渡層；步驟S3 :在粘結(jié)過渡層上涂覆粘合促進層后，再旋涂光刻膠或直接在粘結(jié)過渡層上旋涂光刻膠。所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其中，步驟SI中高溫的范圍為100-700°C。
4
所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其中，步驟SI中
含氧氣體為氧氣、臭氧、二氧化碳等。所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其中，步驟S2中的硅基有機物氣體為含有硅、碳、氫等的有機化合物氣體，優(yōu)選的為甲烷、二甲基硅烷等氣體。所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其中，步驟S2中粘結(jié)過渡層的厚度為數(shù)個到數(shù)十個原子層的厚度。所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其中，所述粘合促進層的材質(zhì)為六甲基二硅胺。所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其中，所述金屬/ 金屬化合物層的材質(zhì)為鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦或鎢等。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，通過在傳統(tǒng)的工藝流程中加入氧化氣氛，氧化金屬/金屬化合物層上表面的金屬，并于其上生長一層粘接過渡層，從而改善金屬/金屬化合物層上表面與光刻膠的附著力，以減少光刻膠脫落的風險和工藝缺陷的產(chǎn)生，提高工藝穩(wěn)定性和器件的良率。


圖1-3是本發(fā)明背景技術(shù)中傳統(tǒng)光刻工藝流程結(jié)構(gòu)示意圖；圖4-7是本發(fā)明提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的說明如圖4-7所示，本發(fā)明提供了一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，在襯底2上從下至上順序設(shè)置有第一極板21、介質(zhì)層22。其中，第一極板21可以是預(yù)留的具有一定圖形的銅或鋁的金屬互連線，也可以是利用物理氣相沉積工藝沉積金屬鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦等于襯底2上形成的金屬/金屬化合物層；介質(zhì)層22為利用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)、原子層沉積(Atomic layer deposition,簡稱ALD)或爐管生長工藝，在第一極板21上生長一層含有氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅，氮碳化硅、氧化鉿或氧化鋁中的任意一種或幾種的高介電常數(shù)的絕緣介電層。首先，在介質(zhì)層22上表面生長材質(zhì)為鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦或鎢等金屬/ 金屬化合物的第二極板23，形成三層堆疊結(jié)構(gòu)的MM電容機構(gòu)后，在溫度控制在100-700°C 范圍內(nèi)前提下，采用含氧氣體如氧氣、臭氧、二氧化碳等氣體，優(yōu)選的采用氧氣對第二極板 23的上表面進行高溫氧化熱處理工藝，以氧化第二極板23的上表面上的金屬氧化為金屬氧化物。在實際生產(chǎn)過程中，由于從電容基底準備好到進行光刻，有一個等待時間，可能會產(chǎn)生顆?；蚱渌毕?，且第二極板23的生長過程也會存在一定的缺陷和不均勻性，通過高溫氧化熱處理工藝可以有效地消除第二極板23表面上可能存在的粘污或其他缺陷，恢復到原子級的清潔表面。本實施例優(yōu)選的采用氧氣等離子體進行高溫氧化熱處理工藝可以增強反應(yīng)活性，從而降低反應(yīng)溫度，以縮短工藝時間，進而減少能耗，增加產(chǎn)量。實際制備工藝中根據(jù)反應(yīng)速度，器件容忍的溫度，清潔效率等因素，選擇合適的氧化處理方式和參數(shù)。然后，在高溫氧化熱處理工藝完成后，采用含硅、碳、氫的有機化合物氣體，如甲烷、二甲基硅烷等氣體，在等離子體活化作用下，上述的有機化合物氣體與第二極板23的上表面生成一層金屬-硅-氧的粘結(jié)過渡層24，粘結(jié)過渡層24的厚度為數(shù)個至數(shù)十個原子層的厚度。此時，第二極板23的上表面的親水性金屬原子層被改性為更易與光刻膠或HMDS 粘結(jié)促進層25結(jié)合的粘結(jié)過渡層24，從而使其結(jié)合力大為增強。實際制備工藝中根據(jù)所需結(jié)合力提升的幅度，來選擇反應(yīng)物和反應(yīng)參數(shù)。最后，噴濺HMDS蒸汽形成覆蓋粘結(jié)過渡層24的HMDS粘結(jié)促進層25，其厚度為數(shù)個分子層的厚度；旋涂光刻膠26覆蓋HMDS粘結(jié)促進層25，曝光、顯影后，制備定義的圖形結(jié)構(gòu)，由于改變了第二極板23的上表面的親水特性，剩余的光刻膠261不易產(chǎn)生起皮和脫落缺陷的出現(xiàn)。其中，在高溫氧化熱處理工藝和生成粘結(jié)過渡層的工藝之間的順序可以倒置，也可以只采用兩工藝中的任一工藝進行制備。由于采用了高溫氧化熱處理工藝和生成粘結(jié)過渡層的工藝，使得光刻膠與金屬/ 金屬化合物層之間的結(jié)合力大大增強，因此有效控制光刻膠的起皮和脫落，從而提高工藝的可靠性和良率。進一步的，本發(fā)明提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，也可用在返工光刻工藝中。首先，將失敗的曝光顯影后的晶圓，經(jīng)過常規(guī)的去膠技術(shù)，灰化和酸洗后，以去除晶圓表面的光阻、HMDS等雜質(zhì)。然后，采用與實施例一類似的工藝步驟，經(jīng)過高溫等離子體氧化處理，去除可能殘留的有機粘污和酸殘留，改善晶圓表面狀態(tài)，獲得清潔表面；其后，利用含硅、碳等的有機化合物等離子體生成粘結(jié)過渡層，以提高光刻膠與返工后的金屬/金屬化合物層的粘結(jié)力，從而減少光刻膠的起皮和脫落缺陷的出現(xiàn)。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，通過高溫氧化熱處理工藝，有效地去除金屬/金屬化合物基底表面的粘污和不均勻狀態(tài)，并改變金屬/金屬化合物基底的親水性能，其后利用氣體浸潤吸附，然后等離子體反應(yīng)生成一層粘附過渡層，以提高金屬基底與光阻或與HMDS的結(jié)合力，減少缺陷和光刻膠脫落現(xiàn)象，提升工藝可靠性和良率。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，一半導體器件所包含的MM結(jié)構(gòu)的上表面設(shè)置有金屬/金屬化合物層，其特征在于，包括如下步驟步驟SI :在高溫條件下利用含氧氣體的等離子體對金屬/金屬化合物層的上表面進行氧化反應(yīng)，使金屬/金屬化合物層的上表面上的金屬氧化為金屬氧化物；步驟S2 :利用硅基有機物氣體的等離子體對金屬氧化物進行處理，形成覆蓋金屬/金屬化合物層的上表面的粘結(jié)過渡層；步驟S3 在粘結(jié)過渡層上涂覆粘合促進層后，再旋涂光刻膠或直接在粘結(jié)過渡層上旋涂光刻膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其特征在于，步驟SI中高溫的范圍為100-700°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其特征在于，步驟SI中含氧氣體為氧氣、臭氧、二氧化碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法， 其特征在于，步驟S2中的硅基有機物氣體為含有硅、碳、氫的有機化合物氣體，優(yōu)選的為甲燒、_■甲基娃燒。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其特征在于，步驟S2中粘結(jié)過渡層的厚度為數(shù)個到數(shù)十個原子層的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其特征在于，所述粘合促進層的材質(zhì)為六甲基二硅胺。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，其特征在于，所述金屬/金屬化合物層的材質(zhì)為鋁、銅、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦或鎢。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法。本發(fā)明公開了一種提高光刻膠與金屬/金屬化合物表面之間粘附力的方法，通過在傳統(tǒng)的工藝流程中加入氧化氣氛，氧化金屬/金屬化合物層上表面的金屬，并于其上生長一層粘接過渡層，從而改善金屬/金屬化合物層上表面與光刻膠的附著力，以減少光刻膠脫落的風險和工藝缺陷的產(chǎn)生，提高工藝穩(wěn)定性和器件的良率。
文檔編號H01L21/312GK102610516SQ20111020644
公開日2012年7月25日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者姬峰, 張亮, 李磊, 胡友存, 陳玉文 申請人:上海華力微電子有限公司