專利名稱：具有室去氟化和晶片去氟化中間步驟的等離子體蝕刻和光刻膠剝離工藝的制作方法
具有室去氟化和晶片去氟化中間步驟的等離子體蝕刻和光刻膠剝離工藝
背景技術(shù)：
集成電路的性能正在不斷地被改善，這通過以下方法實現(xiàn)提高器件 開關(guān)速度、增大互連密度以及減少被金屬間電介質(zhì)(IMD)層間隔的相鄰
導體之間的串擾。通過使用新的介電薄膜材料作為具有低介電常數(shù)的IMD
("低k材料")，例如多孔有機硅酸鹽玻璃，可以提高開關(guān)速度和減少 串擾。通過增加互連導電層的數(shù)量和減小特征尺寸(例如，線寬、孔徑) 來增加互連。不同導體間的連接需要高深寬比(深度與寬度之比)的開口
或穿過低k材料的"通孔"。這種精細特征(例如，特征尺寸量級為45 nm)耍求光刻膠(用于光刻)適用于較大的波長。這種光刻膠往往較薄并 且更易于在電介質(zhì)蝕刻工藝過程中形成缺陷，例如針孔或條紋。這個問題 通過在等離子體蝕刻形成穿過低k電介質(zhì)膜的窄通孔時使用氟碳化學劑來 解決。氟碳蝕刻化學劑將保護性氟碳聚合物沉積在光刻膠上。蝕刻工藝通 常在達到銅互連線上方的底部電介質(zhì)層時結(jié)束。此底部電介質(zhì)層一般用作 防止銅原子從導電線擴散的阻擋層，且其本身為低k電介質(zhì)材料(例如摻 氮碳化硅)并且通常極薄(量級為數(shù)百埃)。在阻擋層暴露之后，蝕刻工 藝停止，形成了深且窄(大深寬比)的開口或通孔。在準備下一個工藝歩 驟時，將光刻膠從晶片上剝離。此光刻膠剝離工藝可以在具有施加到晶片 的偏置功率的基于氨的等離子體中完成，并且在先前進行蝕刻工藝的同一 個室中進行，從而避免不必要的晶片轉(zhuǎn)移步驟并使生產(chǎn)率最大化。問題在 于，光刻膠剝離工藝會導致由低k材料構(gòu)成的通孔底部的薄阻擋層消失。
避免該問題的一種方法是在進行光刻膠灰化步驟前將晶片轉(zhuǎn)移到專用 的光刻膠灰化室中。然而遺憾地，這種方法會因為晶片在反應器室間轉(zhuǎn)移 過程中固有的遲延而降低生產(chǎn)率。
因此，需要一種能夠保護通孔底部的薄阻擋層的通孔蝕刻與光刻膠剝 離工藝的組合。

發(fā)明內(nèi)容
一種等離子體蝕刻工藝，包括通過工件上的光刻膠掩膜進行的等離子 體蝕刻步驟，所述蝕刻步驟使用在等離子體聚合物質(zhì)中生成的聚合蝕刻處 理氣體，所述等離子體聚合物質(zhì)在蝕刻步驟中在所述光刻膠掩膜的表面上 聚積成保護性聚合物層，所述工藝包括在蝕刻步驟之后且在去除光刻膠掩 膜之前在相同的室中進行的以下步驟
從包括所述室的室頂?shù)氖冶砻嫒コň酆衔锊牧系臍堄辔铮@如下 實現(xiàn)將RF等離子體源功率耦合到室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體偏 置功率耦合到室中，并將含氫氣體引入室中，直到所述殘余物被從室表面
去除；
從光刻膠掩膜的表面去除保護性聚合物層，這如下實現(xiàn)將RF等離
子體偏置功率耦合到室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體源功率耦合到室
中，并將包含氧和一氧化碳的處理氣體引入室中，直到聚合物層被從光刻 膠表面去除。


圖1為實施本發(fā)明的工藝的流程框圖2A、 2B、 2C和2D依次示出了在圖1的工藝的各步驟時的薄膜結(jié) 構(gòu)變化；
圖3示出了適用于進行圖1的工藝并具有按照執(zhí)行圖1的工藝編程的 控制器的等離子體反應器。
具體實施例方式
本發(fā)明的等離子體蝕刻和光刻膠剝離工藝解決了通過光刻膠剝離工藝 來去除低k通孔底部阻擋層的問題。本發(fā)明是基于發(fā)明人的以下認識光 刻膠剝離時阻擋層的去除問題是由于蝕刻之后的光刻膠去除步驟開始時在 室內(nèi)部表面上以及晶片本身上均存在含氟殘余物而引起的。光刻膠剝離工 藝將氟化合物(和游離氟)從蝕刻過程中沉積的殘余物中釋放。用于剝離
6光刻膠的基于氨的等離子體中存在的氫與被釋放的氟化合物結(jié)合，導致低 k阻擋層的高反應性等離子體蝕刻。本發(fā)明的工藝消除了此問題。
現(xiàn)在參見圖1，光刻膠掩膜被光刻限定在薄膜結(jié)構(gòu)的頂表面上(圖1 的方框IO)。工藝的這個階段的薄膜結(jié)構(gòu)示于圖2A。圖2A的薄膜結(jié)構(gòu)包
括抗反射涂層12，抗反射涂層12被在圖1的方框10的步驟中沉積的光刻 膠層14覆蓋，光刻膠層14具有光刻限定的孔14a。含二氧化硅的電介質(zhì) 層16位于抗反射涂層12下方，有機硅酸鹽玻璃層18位于電介質(zhì)層16下 方，厚多孔有機硅酸鹽玻璃層20 (低k電介質(zhì)材料)位于有機硅酸鹽玻璃 層18下方。薄擴散阻擋層22位于多孔有機硅酸鹽玻璃層20下方，并由能 夠阻止或阻擋銅原子擴散的低k電介質(zhì)材料(例如摻氮碳化硅)構(gòu)成。被 氧化物層26包圍的銅導線24位于阻擋層22下方。
在下一歩驟(圖1的方框30)中，氟碳或氟烴處理氣體流入反應器 室，同時施加等離子體RF源功率和等離子體RF偏置功率，以在相對低的 室壓力(例如，mTorr量級)下形成等離子體。在室屮保持此條件，直到 穿過圖2B的薄膜結(jié)構(gòu)向下至阻擋層22的頂表面開設通孔32。圖2B示出 了圖1的方框30的步驟完成后的薄膜結(jié)構(gòu)。在圖1的方框30的蝕刻歩驟 屮，部分處理氣體形成簡單(高氟含量)的氟碳蝕刻劑物質(zhì)，用于形成通 孔32 (圖2B)。同時，形成了其它富含碳的氟碳物質(zhì)，該物質(zhì)在光刻膠 層14的頂表面上聚積成聚合物層34 (圖2B)并在反應器室的內(nèi)表面上聚 積成聚合物層(圖2B中未示出)。
在圖1的方框40中，在去除光刻膠層14之前進行如下步驟從反應 器室內(nèi)表面去除含氟聚合物，而不損壞或去除易損的薄阻擋層22。這如下 實現(xiàn)去除晶片上的偏置功率，然后用氨氣替代反應器室中的氟碳或氟烴 處理氣體。等離子體RF功率源將氨充分分解，以使來自氨處理氣體的氫 與室內(nèi)表面上的聚合物中的氟和碳原子反應，從而將聚合物從那些表面去 除。晶片上的RF偏置功率被設定為零(或足夠接近零)，從而避免由氨 氣產(chǎn)生的等離子體向下達到窄通孔而侵蝕薄阻擋層22。結(jié)果，該步驟可進 行足夠長的時間以確保聚積的聚合物從內(nèi)部室表面徹底去除。
在圖1的方框42中，在去除光刻膠層14之前進行另一個步驟從光刻膠層14的頂表面去除含氟聚合物層34，而不損壞或去除通孔32底部的 易損且薄的阻擋層22。這如下實現(xiàn)去除RF源功率并對晶片施加RF偏 置功率。此外，在反應器室內(nèi)建立由氧和一氧化碳組成并且不含任何含氫 或含氟化合物的處理氣體環(huán)境。例如，當方框40和42的步驟的進行順序 可以顛倒時，如果方框42的步驟在方框40的步驟之后進行，則合適的處 理氣體環(huán)境如下建立完全去除氨處理氣體，去除RF等離子體源功率， 將氧和一氧化碳流入反應器室，并對晶片施加RF等離子體偏置功率。缺 少RF等離子體源功率，這限制(或防止)了氧分子的分解。未分解的氧 不侵蝕薄阻擋層22，而是侵蝕光刻膠層14表面上的聚合物層34。氧與聚 合物層34的反應去除了聚合物層34，從而得到圖2C所示的結(jié)構(gòu)，同時在 等離子體中產(chǎn)生一些會侵蝕易損的阻擋層22的高反應性(低碳含量)的 含氟碳物質(zhì)。處理氣體中存在的一氧化碳原子防止了這種侵蝕。 一氧化碳 原子反應迅速，與此歩驟中產(chǎn)生的低碳含量反應性物質(zhì)結(jié)合，將這種反應 性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成不侵蝕易損的阻擋層22的更具惰性的富含碳的氟碳物質(zhì)。
在最終歩驟(圖1的方框46)中，在相同的處理室中去除光刻膠層 14。方框46的光刻膠剝離或去除步驟通常如下進行去除氧和一氧化碳 處理氣體，引入氨氣，對反應器頂部電極施加RF等離子體源功率，對晶 片施加RF等離子體偏置功率。由于所有的含氟沉積物已從室內(nèi)表面和晶 片本身去除，因此等離子體環(huán)境不含氟，從而使此最后步驟(光刻膠去 除)中釋放的氫無法損壞暴露的阻擋層22。這個步驟也去除抗反射涂層 12。方框46的光刻膠去除步驟進行足夠的時間以確保光刻膠去除，并且 得到圖2D所示的薄膜結(jié)構(gòu)。
在我們已經(jīng)進行的圖1的工藝的實驗中發(fā)現(xiàn)，阻擋層22的材料損失 為2nm或更小，這是可忽略的量，因此可允許晶片上的特征尺寸減小至 45腿。
圖3示出了一種用于進行圖1的工藝的等離子體反應器。圖3的反應 器具有由柱形側(cè)壁105和盤形室頂電極110限定的真空室100。支撐晶片 120的靜電卡盤115包括具有耦合至DC卡盤電壓源135的內(nèi)部電極130的 絕緣體層125。 RF等離子體偏置功率發(fā)生器140通過阻抗匹配元件145和絕緣電容器150耦合至電極130。 VHF (例如162 MHz) RF源功率發(fā)生器 155通過阻抗匹配元件162耦合至室頂電極110。該阻抗匹配元件可以是 在VHF發(fā)生器155的頻率附近共振的共軸調(diào)諧短截線，電極110具有與室 100中的等離子體在VHF發(fā)生器155的頻率附近形成共振的電抗，如2003 年3月4日授權(quán)的Daniel Hoffman等人的名稱為"PLASMA REACTION WITH OVERHEAD RF ELECTRODE TUNED TO THE PLASMA"的美國 專利No. 6528751 (轉(zhuǎn)讓給本申請人)中所公開，通過引用將其公開內(nèi)容 結(jié)合在本文中。室頂電極110也是氣體分布噴頭。處理氣體通過室頂電極 110中的氣體分布孔的內(nèi)側(cè)區(qū)160和氣體分布孔的外側(cè)區(qū)165流入室100 中。氣體板170提供選定的處理氣體并在內(nèi)側(cè)區(qū)160與外側(cè)區(qū)165之間分 配氣體流。內(nèi)側(cè)和外側(cè)電磁體180、 185按照由DC電流源190對其施加的 DC電流來控制室100內(nèi)的等離子體離子密度分布。由節(jié)流閥205調(diào)節(jié)的 真空泵200在室100中建立期望的真空室壓力。用一組指令196對主控制 器195編程以執(zhí)行圖1所示類型的工藝序列，并為此目的控制氣體板 170、 DC磁屯流源190、 VHF源功率發(fā)生器155、 RF偏置功率發(fā)生器140 和節(jié)流閥205的操作。在此情況下，對主控制器195編程的指令組196如 下(1)從氣體板170供給氟碳處理氣體，施加偏置和源功率以蝕刻穿 過低k電介質(zhì)層的通孔；(2)施加源功率，關(guān)閉偏置功率并用來自氣體 板170的氨氣填充該室，以從內(nèi)部室表面去除聚積的聚合物；(3)施加 偏置功率，關(guān)閉源功率并用來自氣體板170的氧氣和一氧化碳處理氣體填 充該室，以從晶片去除沉積的聚合物；以及(4)從晶片去除光刻膠。
在一個可行的實施例中，進行圖1的方框40的步驟的條件如下到 噴頭或室頂電極110的氨流率為300 sccm， VHF發(fā)生器的源功率為400 W，室壓力為10 mT，內(nèi)側(cè)區(qū)160與外側(cè)區(qū)165的流率之比為1.35，僅施 加到內(nèi)側(cè)電磁體的DC電流為14 A，該步驟的處理時間為30 s。進行方框 42的步驟的條件如下氧氣流率為100 sccm， 一氧化碳氣體為50 sccm， 源功率為0， RF偏置功率為100 W (使用2MHz和13.56MHz的源)，室 壓力為5mT，內(nèi)側(cè)與外側(cè)區(qū)流率之比為1.35，僅施加到內(nèi)側(cè)電磁體的DC 電流為14 A，該歩驟的處理時間為60 s。盡管上文通過優(yōu)選實施方式具體描述了本發(fā)明，但應當理解，在不脫 離本發(fā)明的實質(zhì)精神和范圍的前提下，可以對本發(fā)明進行改變和改進。
權(quán)利要求
1. 一種用于工件的等離子體蝕刻工藝，所述工件具有在所述蝕刻工藝中暴露的低介電常數(shù)薄膜，所述工藝包括在所述工件的頂表面上形成光刻膠掩膜，所述掩膜包括限定待蝕刻的孔位置的開口；將所述工件放置在等離子體反應器室中；如下進行蝕刻步驟將包含氟碳或氟烴物質(zhì)的聚合蝕刻處理氣體引入所述室，并將RF等離子體源功率和RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，以生成如下物質(zhì)的等離子體(a)用于蝕刻與所述光刻膠掩膜中的所述開口對齊的所述工件中的孔的蝕刻物質(zhì)，和(b)在所述蝕刻步驟中在所述光刻膠掩膜的表面上聚積成聚合物層的聚合物質(zhì)；在去除所述光刻膠掩膜之前(a)從包括所述室的室頂?shù)氖冶砻嫒コň酆衔锊牧系臍堄辔?，這如下實現(xiàn)將RF等離子體源功率耦合到所述室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，并將含氫氣體引入所述室中，直到所述殘余物被從所述室表面去除；(b)從所述光刻膠掩膜的表面去除所述聚合物層，這如下實現(xiàn)將RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體源功率耦合到所述室中，并將包含氧和一氧化碳的處理氣體引入所述室中，直到所述聚合物層被從所述光刻膠的表面去除；和將所述光刻膠從所述工件剝離。
2. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，在從室表面去除殘余物的步驟中，所 述含氫氣體是氨。
3. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，在所述蝕刻步驟和從室表面去除殘余 物的步驟中，將RF等離子體源功率耦合到所述室的步驟包括通過所述工 件上方的所述室的室頂電極來電容耦合RF功率。
4. 如權(quán)利要求3的工藝，其中，在所述蝕刻步驟和從所述光刻膠掩膜 去除所述聚合物層的步驟中，施加RF等離子體偏置功率的步驟包括將HF和LF功率中的至少一種耦合至所述工件。
5. 如權(quán)利要求3的工藝，其中，所述RF等離子體源功率為約50 — 300 MHz的VHF頻率。
6. 如權(quán)利要求5的工藝，其中，所述RF等離子體源功率為約162 MHz。
7. 如權(quán)利要求4的工藝，其中，所述RF等離子體偏置功率包括約 13.56 MHz的HF部分和約2 MHz的LF部分。
8. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，剝離所述光刻膠的步驟包括將RF 等離子體源功率和RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，并將含氫氣體 弓I入所述室，直到所述光刻膠被從所述工件去除。
9. 如權(quán)利要求8的工藝，其中，剝離所述光刻膠的步驟的含氫氣體是氨。
10. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，在從室表面去除殘余物的歩驟中， 所述RF等離子體偏置功率具有足夠小的水平，從而避免將等離子體離子 導向所述工件中的由所述蝕刻步驟形成的開口的底部。
11. 如權(quán)利要求10的工藝，其中，所述足夠小的水平為O。
12. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，在從所述光刻膠掩膜去除所述聚合 物層的步驟中，所述RF等離子體源功率具有足夠小的量級，從而避免氧 物質(zhì)在所述室中分解。
13. 如權(quán)利要求12的工藝，其中，所述足夠小的量級為O。
14. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，從室表面去除殘余物的歩驟還包括 保持約10 mT量級的低室壓力和約300 sccm量級的所述含氮處理氣體的高 流率。
15. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，從所述光刻膠去除所述聚合物層的 步驟包括保持約5 mT的低室壓力和分別約100 sccm禾Q 50 sccm的氧和一 氧化碳的流率。
16. 如權(quán)利要求1的工藝，其中，所述低介電常數(shù)薄膜是所述工件的 其它薄膜層下方的擴散阻擋層，并且其中所述工藝包括在暴露所述擴散阻
17. 如權(quán)利要求16的工藝，其中，所述其它薄膜層包括低介電常數(shù)材 料，所述低介電常數(shù)材料包括多孔有機硅酸鹽玻璃。
18. 如權(quán)利要求17的工藝，其中，所述擴散阻擋層覆蓋在所述工件的 金屬線上方，并且其中所述擴散阻擋層包括能夠阻止材料從包含摻氮碳化 硅的所述金屬線擴散的低介電常數(shù)材料。
19. 一種等離子體蝕刻工藝，包括通過工件上的光刻膠掩膜進行的等離子體蝕刻步驟，所述蝕刻步驟使用在等離子體聚合物質(zhì)中生成的聚合蝕 刻處理氣體，所述等離子體聚合物質(zhì)在蝕刻步驟中在所述光刻膠掩膜的表 面上聚積成聚合物層，所述工藝包括在蝕刻步驟之后且在去除光刻膠掩膜之前進行的以下步驟(a) 從包括所述室的室頂?shù)氖冶砻嫒コň酆衔锊牧系臍堄辔铮?這如下實現(xiàn)將RF等離子體源功率耦合到所述室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，并將含氫氣體引入所述室中，直到所述殘余物被從所述室表面去除；(b) 從所述光刻膠掩膜的表面去除所述聚合物層，這如下實現(xiàn)將RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體源功 率耦合到所述室中，并將包含氧和一氧化碳的處理氣體引入所述室中，直 到所述聚合物層被從所述光刻膠的表面去除。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體蝕刻工藝，包括通過工件上的光刻膠掩膜進行的等離子體蝕刻步驟，所述蝕刻步驟使用在等離子體聚合物質(zhì)中生成的聚合蝕刻處理氣體，所述等離子體聚合物質(zhì)在蝕刻步驟中在所述光刻膠掩膜的表面上聚積成保護性聚合物層，所述工藝包括在蝕刻步驟之后且在去除光刻膠掩膜之前在相同的室中進行的以下步驟(a)從包括所述室的室頂?shù)氖冶砻嫒コň酆衔锊牧系臍堄辔?，這如下實現(xiàn)將RF等離子體源功率耦合到所述室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，并將含氫氣體引入所述室中，直到所述殘余物被從所述室表面去除；(b)從所述光刻膠掩膜的表面去除所述保護性聚合物層，這如下實現(xiàn)將RF等離子體偏置功率耦合到所述室中，同時實質(zhì)上不將RF等離子體源功率耦合到所述室中，并將包含氧和一氧化碳的處理氣體引入所述室中，直到所述聚合物層被從所述光刻膠的表面去除。
文檔編號B08B3/12GK101448580SQ200780010287
公開日2009年6月3日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者斯昌林, 格拉多·A·戴戈迪諾, 逸風·周 申請人:應用材料公司