專利名稱:選擇性腐蝕氧化物的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域,具體而言,涉及選擇性腐蝕氧化物的方法。
背景技術(shù):
在對晶片上面絕緣層中的接觸孔進行腐蝕過程中,固有氧化物的殘留物例如二氧化硅常常會殘留下來,特別是在接觸孔的底部。將半導(dǎo)體沉積在接觸孔之前,必須除去這種固有的氧化物殘留物,因為氧化物殘留物會增加電阻,這是不利的,因為會阻礙電流通過半導(dǎo)體。半導(dǎo)體表面還必須用氫鈍化,以防止除去固有氧化物后的再氧化。
濕腐蝕清潔法普遍用來除去固有氧化物并鈍化半導(dǎo)體表面,主要是因為濕腐蝕常規(guī)地用來腐蝕絕緣層如二氧化硅層中的窗。通常,使用含氫氟酸(HF)的緩沖氧化物腐蝕溶液(BOE),來腐蝕并清潔熱生長的薄膜和沉積的SiO2薄膜。室溫下,HF腐蝕二氧化硅的速度比其腐蝕光致抗蝕劑或下層硅的速度快得多。BOE的腐蝕速度在25℃為10-100nm/min,取決于二氧化硅薄膜的密度。腐蝕速度還取決于存在氧化物的類型。因此,在干氧中生長的二氧化硅,其腐蝕速度較在水存在條件下生長的二氧化硅慢。而且,氧化物中高濃度的磷能提高腐蝕速度,而高濃度的硼卻降低氧化物腐蝕速度。
通過濕的化學清潔法來除去固有的氧化物,尤其是除去二氧化硅,有兩個重要缺點。第一,HF和BOE在硅薄膜上的潤濕性差。因此,常規(guī)的濕處理不能提供可靠地清潔具有細布線的半導(dǎo)體表面的方法,主要是因為這種濕腐蝕溶液的粘度以及表面張力會阻止化學試劑達到這些細布線接觸孔的底部。在具有大的長徑比(管溝深度與管溝直徑的比值)的孔的底部形成的固有氧化物一般用濕清潔法難以容易地除去,原因是表面張力使得腐蝕劑難以進入孔。
第二,在HF/BOE溶液達到孔底部除去固有氧化物之前,孔側(cè)壁會被損壞。因此,在接觸孔中,在1/4微米不到的區(qū)域進行清潔,會難以控制地增大接觸孔直徑,這被稱作臨界尺寸(CD)損失,在濕清潔過程中是很常見的。
圖1說明按照已知的光刻工藝在例如在半導(dǎo)體襯底20上施加的BPSG的絕緣層24中形成的接觸孔22。按本領(lǐng)域所知,之后會在襯底孔22中形成例如鎢(W)的細線導(dǎo)體(未示出)。如本領(lǐng)域所知,在形成比特連接線之前,首先在接觸孔22的表面21上施加金屬如鈦(Ti)形成的屏障層(圖中未示)。因為如上所述在形成接觸孔期間或之后,在接觸孔22的表面21上形成了固有的氧化物23(圖1)如二氧化硅,在形成這種屏障層之前,通常要進行一個濕清潔步驟,以便除去固有氧化物23。圖2表明除去固有氧化物23會增大接觸孔22直徑D的情況。這種由于現(xiàn)有技術(shù)濕清潔法形成的臨界尺寸CD的變化用ΔCD25表示。
圖3例示圖1的接觸孔22的臨界尺寸變化ΔCD與時間的關(guān)系,該接觸孔進行了現(xiàn)有技術(shù)采用的改進的BOE濕腐蝕處理。如圖3所示,BOE處理增大了CD,因為它腐蝕除去了靠近的絕緣層24(圖1)。例如,即使浸的時間較短例如大約25妙,臨界尺寸的變化ΔCD25也較大,約180。接觸孔22的直徑增大還會對填充接觸孔的金屬的置換產(chǎn)生影響。因此,除了臨界尺寸損失以及滲入均勻性的問題外,電接觸也會變得不可靠。
為了解決與接觸孔中固有氧化物的濕清潔相關(guān)的問題,半導(dǎo)體工業(yè)已開始采用干腐蝕法,如等離子體腐蝕法或離子相助腐蝕法,這兩種方法大體上是各向異性和單方向性的。用這兩種方式曾經(jīng)試圖將固有氧化物,尤其是二氧化硅從其相應(yīng)的接觸孔除去。例如,Nishino等人描述了用NF3和NH3等離子體的后處理,從硅表面除去固有氧化物的方法(J.Appl.Phys.Vol.74,No.2,July 15,1993)。同樣,Kusuki等人報道了用NF3和NH3等離子體處理的干法除去固有氧化物(Jap.J.Appl.Phys.Vol.33,No.48,April 1994)。
因此,需要改進的干等離子體腐蝕方法,這種方法能提供接觸孔中基本均勻的腐蝕,而不會增加臨界尺寸,并且在這種接觸孔側(cè)壁上不會形成條紋。還需要用來從接觸孔除去固有氧化物,并對側(cè)壁的損害最小的干等離子體腐蝕方法。還需要一種腐蝕未摻雜氧化物如熱生長SiO2的速度快于經(jīng)摻雜氧化物如BPSG的改進的干等離子體腐蝕方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用來除去在半導(dǎo)體襯底表面上形成的固有氧化物或其他氧化物膜或生長殘留物的干等離子體清潔方法,這種方法不會損害基材或影響在襯底上的圖案的臨界尺寸,并對后道處理室損害較小。本發(fā)明尤其對選擇性腐蝕在BPSG摻雜絕緣層中形成的接觸孔的底部的二氧化硅殘留物有用。本發(fā)明還對腐蝕未摻雜氧化物如熱生長SiO2的速度快于經(jīng)摻雜氧化物如BPSG的腐蝕有用。
本發(fā)明使用三氟化氮(NF3)和氨(NH3)的一種混合物,該混合物注入到微波等離子體源中被其激發(fā),然后,兩種氣體以等離子體形式向前流到襯底表面上。本發(fā)明方法提供一種用來從接觸孔底部無損害地除去固有氧化物和/或生長殘留物的干清潔方法,不會明顯影響這種接觸孔的臨界尺寸,并且對后面的處理室損害較小。本發(fā)明還提供一種腐蝕未摻雜氧化物較腐蝕經(jīng)摻雜氧化物更快的干等離子體方法。
由下面對本發(fā)明的詳細描述能更好地理解本發(fā)明的前述優(yōu)點和其他優(yōu)點以及特征。
附圖簡述圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有在絕緣層中形成的常規(guī)接觸孔的半導(dǎo)體襯底一部分的示意剖面圖。
圖2所示為圖1的半導(dǎo)體襯底進行現(xiàn)有技術(shù)的濕清潔時接觸孔的臨界尺寸損失。
圖3所示為圖1的半導(dǎo)體襯底進行現(xiàn)有技術(shù)的腐蝕處理后接觸孔臨界尺寸變化與時間的關(guān)系。
圖4是本發(fā)明中使用的聚變等離子體反應(yīng)器裝置的示意圖。
圖5所示是按照本發(fā)明方法進行不同腐蝕處理后,熱生長SiO2和BPSG絕緣體的腐蝕深度以及接觸孔臨界尺寸的變化。
圖6所示為采用現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明方法腐蝕處理形成的接觸孔臨界尺寸變化的比較。
較好實施方案的詳細描述在下面的詳細描述中,結(jié)合實施本發(fā)明的各種具體實施方案。描述這些實施方案時,其詳細程度能夠使本領(lǐng)域技術(shù)人員實施本發(fā)明,應(yīng)當明白,可以采用其他實施方案,也可進行結(jié)構(gòu)上、流程上和電性能上的改變。
下面描述使用的術(shù)語“襯底”包括任何半導(dǎo)體基的結(jié)構(gòu)體。必須理解,結(jié)構(gòu)體包括硅、硅上的絕緣體(SOI)、硅上的藍寶石(SOS)、摻雜和未摻雜的半導(dǎo)體、由半導(dǎo)體基礎(chǔ)支撐的外延層、以及其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)體。半導(dǎo)體不一定是硅基的。半導(dǎo)體可以是硅-鍺、鍺或砷化鎵。在下面描述中講到襯底時,可能已采用了前面一些步驟,在基礎(chǔ)半導(dǎo)體或襯底上形成了一些區(qū)域或連接。
使用的術(shù)語“份”是指本發(fā)明中使用的氣體混合物中組分的某一個相等單位。由于在相同壓力和溫度下使用所有的氣體,“份”這個術(shù)語被用來代替其他術(shù)語(例如,摩爾),為的是強調(diào)混合物中各種氣體的特定比例而非特定量的的重要性。
本發(fā)明提供一種用來除去在襯底上形成的固有氧化物、或其他氧化物薄膜或生長殘留物的方法,這種方法不會損害襯底或影響在這種襯底上形成的圖案的臨界尺寸。本發(fā)明還提供一種獲得腐蝕未摻雜氧化物的速度快于經(jīng)摻雜氧化物的方法。本發(fā)明對從襯底上形成的絕緣層中接觸孔底部腐蝕除去固有氧化物特別有用。
本發(fā)明使用三氟化氮(NF3)和氨(NH3)的氣體混合物,該混合物注入到微波等離子體源中被其激發(fā),然后,此上流等離子體以等離子體形式向前流到襯底表面上。
試看附圖,相同的部件標以相同的數(shù)字。圖4所示本發(fā)明中使用的設(shè)備100的示意圖。等離子體源室12與反應(yīng)室14有一定距離。等離子體源室12激發(fā)氣體混合物10成為等離子體,然后該氣體混合物10通過管道30輸送到反應(yīng)器14中。圖4還顯示位于襯底臺34上的襯底32,該襯底臺夾盤38支撐襯底32,夾盤38以機械或靜電方式將襯底32固定在臺34上。襯底臺34還提供有一冷卻裝置36,用來冷卻襯底臺34。在反應(yīng)器外面的加熱燈42保持襯底32的溫度不變,還有助于減少可能在反應(yīng)器14壁上形成的殘留物的量。
如圖4所示,等離子體裝置100還提供有一個微波空腔16,該空腔通過微波進口17連接到等離子體源室12。在空腔16中產(chǎn)生例如2.45GHz的微波,這種微波通過微波進口17施加到等離子體源室12。圖4中還顯示了氣體進口12a、12b和12c,按照本發(fā)明,通過這些進口,將合適的腐蝕氣體通入等離子體源室12。微波空腔16、微波進口17、反應(yīng)室14、等離子體源室12和管道30均由石英,更好是由藍寶石制成。
下面,使用圖4的裝置100,說明從腐蝕進入BPSG絕緣層的接觸孔底部對固有氧化物如SiO2進行選擇性腐蝕或清潔的方法。圖4的裝置100一般還可用來腐蝕未摻雜氧化物,比腐蝕已摻雜氧化物較快。根據(jù)一個示例性實施方案,在反應(yīng)器14中進行本發(fā)明的腐蝕方法,該反應(yīng)器是一個高密度等離子體(HDP)腐蝕器。一種清潔腐蝕是反應(yīng)活性離子腐蝕,它是化學等離子體蝕刻,是等離子體與襯底進行化學反應(yīng)而進行腐蝕的。還一種清潔性腐蝕是離子束腐蝕,是使用高能離子來轟擊襯底進行腐蝕的物理方法。
本發(fā)明的聚變等離子體(fusion plasma)用于選擇性腐蝕和清潔固有氧化物的使用三氟化氮(NF3)和氨(NH3)的氣體混合物10。這兩種氣體首先通過各自氣體進口12a、12b(圖4)注入等離子體源室12中。在微波空腔內(nèi)通常為2.45GHz和500W的微波激發(fā)產(chǎn)生,產(chǎn)生的微波通過微波進口17施加到內(nèi)有NH3/NF3氣體混合物20的等離子體源室12。結(jié)果,在等離子體源室12內(nèi)產(chǎn)生放電,形成NH3/NF3氣體混合物10的氣體就分解。因此,在后面的處理之前,NF3和NH3氣體先行注入,然后,它們才作為等離子體從等離子體源室12流入反應(yīng)器14,達到襯底32表面上。
根據(jù)一個示例性的實施方案,本發(fā)明的等離子體腐蝕方法使用兩種腐蝕氣體氨(NH3)和三氟化氮(NF3),這兩種氣體分別以約1000-4000標準厘米3/分鐘(sccm)和約25-200標準厘米3/分鐘(sccm)的流量注入到等離子體源室中。氧氣(O2)也可以約50-1000標準厘米3/分鐘(sccm)的流量與NH3/NF3氣體混合物10一起注入,使最后的氣體混合物包含約2-10%,更好約5%的氧。在熔合等離子體中加入氧能提高H+離子濃度,這有助于達到要求的選擇性。
之后,NH3/NF3/O2氣體混合物10向前流動,通過管道30(圖4)進入位于反應(yīng)器14內(nèi)的擴散器44,然后到達樣品襯底32上。
現(xiàn)在結(jié)合圖1、4、5和6描述實施本發(fā)明的一些例子。下面將詳細描述的兩組實驗中,使用本發(fā)明的NH3/NF3/O2氣體混合物10的干等離子體進行腐蝕以后,對接觸孔如圖1中的接觸孔22的臨界尺寸(CD)變化進行了測量。
另外,測定并比較用NH3/NF3/O2氣體混合物10腐蝕后,為未摻雜氧化物的熱生長氧化物以及為經(jīng)摻雜氧化物的硼-磷硅酸鹽玻璃(BPSSG)氧化物的腐蝕深度。
第一組實驗在下面將圖5描述的第一組實驗中,根據(jù)本發(fā)明,用7種不同腐蝕化學條件選擇性腐蝕具有在約1500的BPSG層中形成的接觸孔的第一硅襯底32,為的是從接觸孔22底部除去所有固有氧化物。由對應(yīng)于圖5中點P1至P7的過程參數(shù)代表本發(fā)明的7種腐蝕化學條件,下面將詳細描述之。如本領(lǐng)域已知的,硅襯底32已先采用常規(guī)的干腐蝕和抗蝕刻帶,在BPSG層中形成直徑約為0.3微米,深度約為1.5微米的接觸孔。
作為第一組實驗的一部分,分別在兩種不同的絕緣層即熱生長SiO2和BPSG上進行本發(fā)明用NH3/NF3/O2氣體混合物等離子體10的處理。測定和比較對應(yīng)于圖5中點P1至P7的7種不同干燥腐蝕化學條件在兩種絕緣層上的效果。在用本發(fā)明的氣體混合物進行選擇性腐蝕處理之前,在第二硅襯底32上通過在升高溫度例如約900℃的干氧化,形成了約1000的熱生長SiO2氧化膜。同樣,在另一個第三硅襯底32上,生長了約8000的硼-磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜,其中摻雜有3.1%硼和6.5%的磷。
隨后,三個硅襯底32各自與NH3/NF3/O2氣體混合物10接觸,記錄各自其接觸孔22的臨界尺寸的變化,以及熱生長SiO2和BPSG的腐蝕深度。是在下面條件和流量范圍,三個襯底32分別與NH3/NF3/O2氣體混合物接觸。
壓力 1.5乇RF功率 1000瓦磁場 0高斯時間 60秒氣體流量NH31000-4000sccmNF350-200sccm更具體而言,對本發(fā)明的NH3/NF3/O2氣體混合物10的不同腐蝕參數(shù),進行了7個不同的實驗,記錄各實驗的數(shù)據(jù)并示于圖5,顯示接觸孔22的臨界尺寸ΔCD和熱生長SiO2和BPSG的腐蝕速度隨不同腐蝕參數(shù)而不同。
例如,在P1過程條件下(圖5),三個硅襯底32都各自與NH3/NF3/O2氣體混合物10接觸。P1過程條件如下壓力 1.5乇RF功率 1000瓦磁場 0高斯時間 30秒氣體流量NH32000sccmNF350sccm在下面的P2過程參數(shù)下,三個硅襯底32都各自與NH3/NF3/O2氣體混合物10接觸。
壓力 1.5乇
RF功率1000瓦磁場 0高斯時間 60秒氣體流量NH32000sccmNF350sccmO2100sccm接著,3個襯底都進行了IPA漂洗(圖5的P3),之后,在圖5的過程參數(shù)P4下,各襯底分別與NH3/NF3/O2氣體混合物10接觸。
壓力 1.5乇RF功率1000瓦磁場 0高斯時間 60秒氣體流量NH32000sccmNF350sccmO2100sccm在P5的對照過程條件下,NH3∶NF3∶O2的氣體量比值設(shè)定為200∶10∶10。
壓力 1.5乇RF功率1000瓦磁場 0高斯時間 60秒氣體流量NH32000sccmNF3100sccmO2100sccmP6反映了三個硅襯底32在下面條件下各自與NH3/NF3/O2氣體混合物10接觸時的變化。
壓力 1.5乇RF功率1000瓦磁場 0高斯時間 60秒氣體流量NH32000sccmNF3100sccmO2100sccm
最后,三個硅襯底32在相應(yīng)于圖5中P7條件下,各自與NH3/NF3/O2氣體混合物10接觸。
壓力 1.5乇RF功率 1000瓦磁場 0高斯時間 60秒氣體流量NH32000sccmNF350sccmO2100sccm第一組實驗的結(jié)果表明,在對照條件下(圖5的P5),熱生長SiO2的腐蝕深度超過BPSG的腐蝕深度(分別為140和110)。圖5還顯示,在第一組的所有其他過程條件下,熱生長SiO2的腐蝕深度約等于或略小于BPSG的腐蝕深度。
在NH3/NF3/O2氣體流量比值為100∶5∶10(圖5的P7)下,臨界尺寸的增加最大,約為200,而在NH3/NF3/O2氣體流量比值為200∶5∶10(圖5的P2)下,臨界尺寸的變化最小,小于50。
因此,根據(jù)圖5所示的第一組實驗結(jié)果,當在P2條件即NH3/NF3/O2氣體混合物的體積比為200∶5∶10,三氟化氮量相對于氨量降低下進行實驗時,獲得對臨界尺寸變化的最佳值。
為進一步例說明使用本發(fā)明NH3/NF3/O2氣體混合物的熔合等離子體改進了的腐蝕和清潔特性,結(jié)合圖6對第二組實驗進行說明。
第二組實驗第二組實驗中,在結(jié)構(gòu)襯底如硅襯底32上形成如圖1所示的接觸孔22,以兩種不同腐蝕化學條件進行對兩種不同長徑比(分別為0.5和0.6的標稱值)接觸孔的的腐蝕。對每種化學條件,記錄臨界尺寸的變化,如圖6所示。在兩種腐蝕化學條件中,一種是常規(guī)濕腐蝕化學條件(如圖6點E1所示),另一種是根據(jù)本發(fā)明的干腐蝕化學條件(如圖6中點E2所示)。
如圖6所示,記錄和測定常規(guī)濕腐蝕用改進的BOE化學條件使用后的臨界尺寸變化(如E1)。如圖6所示,與濕腐蝕化學條件比較,用本發(fā)明的干蝕刻化學條件在NH3/NF3/O2氣體混合物體積比為200∶5∶10的過程條件下腐蝕60秒,測定并記錄接觸孔22的臨界尺寸(CD)的變化(如圖6中點E2所示)。
和第一組實驗一樣,腐蝕約1500厚的BPSG絕緣層,在襯底32上形成接觸孔22。最初,接觸孔直徑約為0.3μm,深度約為1.5μm。用兩種不同的化學條件中,一種是常規(guī)濕腐蝕化學條件(如圖6點E1所示),另一種是根據(jù)本發(fā)明的干腐蝕化學條件(如圖6中點E2所示)。
如圖6所示,記錄和測定常規(guī)濕腐蝕用改進的BOE化學條件使用后的臨界尺寸變化(如E1)。如圖6所示,與濕腐蝕化學條件比較,用本發(fā)明的干蝕刻化學條件在NH3/NF3/O2氣體混合物體積比為200∶5∶10的過程條件下腐蝕60秒,測定并記錄接觸孔22的臨界尺寸(CD)的變化(如圖6中點E2所示)。
和第一組實驗一樣,腐蝕約1500厚的BPSG絕緣層,在襯底32a上形成接觸孔22。最初,接觸孔直徑約為0.3μm,深度約為1.5μm。用兩種不同的化學條件對接觸孔22進行腐蝕之后,測定使用這兩種化學條件的臨界尺寸變化,并將數(shù)據(jù)繪制于圖6中。
根據(jù)圖6的CD測定結(jié)果,用在點E2的NH3/NF3/O2氣體混合物10(NH3/NF3/O2體積比為200∶5∶10)進行腐蝕得到的接觸孔22的臨界尺寸變化(ΔCD)比用常規(guī)改進的BOE化學條件腐蝕的小得多。對在點E2的本發(fā)明較好化學條件(NH3/NF3/O2體積比為200∶5∶10),CD測定表明,0.5標稱長徑比的臨界尺寸變化小于50,0.65標稱長徑比的臨界尺寸變化小于80。CD測定還表明,在點E1臨界尺寸明顯增加約為150,對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)濕腐蝕改進的BOE化學條件。
本發(fā)明的結(jié)果和測定確認,三氟化氮(NF3)和氨(NH3)兩種氣體混合物,加入了少量氧(O2)并減少了三氟化氮量,引入微波等離子體源,提供了除去腐蝕半導(dǎo)體襯底的BPSG或其它絕緣層上而形成的接觸孔底部上通常有的固有氧化物或其它殘留物的改進的干腐蝕清潔方法。使用本發(fā)明的氣體混合物的改進的等離子體腐蝕和清潔方法提供了最小的CD損失,減少在絕緣層周圍形成的條紋,并提高了孔的均勻性。
本發(fā)明的數(shù)據(jù)還證實,三氟化氮(NF3)和氨(NH3)兩種氣體的混合物與少量氧(O2)引入微波等離子體源,其腐蝕未摻雜的氧化物如熱生長SiO2比腐蝕已摻雜氧化物如BPAG、PSG或BSG要快。雖然以熱生長SiO2作為未摻雜氧化物說明了本發(fā)明,但是,本發(fā)明不限于使用熱生長SiO2,可以使用其它未摻雜氧化物如SiO2、CVD或PECVD氧化物如TEOS、TEOS沉積的SiO2或硅烷。
上面的描述說明了本發(fā)明示例性的實施方案。但是,本發(fā)明不受這些實施方案的限制。在不偏離本發(fā)明精神和范圍下可以對具體的方法條件和結(jié)構(gòu)進行修改和替換。因此,可以認為本發(fā)明不受上述說明書和附圖的限制,僅受權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1.一種相對于半導(dǎo)體襯底上的經(jīng)摻雜氧化物腐蝕半導(dǎo)體襯底上未摻雜氧化物的方法,所述方法包括下列步驟在等離子體源室內(nèi)通入包含NH3、NF3和O2的氣體混合物,所述等離子體源室位于等離子體室的前面;在所述等離子體源室中產(chǎn)生所述氣體混合物的等離子體;使所述等離子體源室的等離子體向前流動進入等離子體室;所述第一和第二襯底與所述等離子體接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述半導(dǎo)體襯底與所述等離子體接觸的步驟還包括用所述包含NH3、NF3和O2的氣體混合物腐蝕所述半導(dǎo)體襯底,其中,NH3的流量在1000-4000sccm范圍,NF3流量在25-200sccm范圍,O2流量在50-1000sccm范圍。
3.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于所述NH3的流量與所述NF3流量之比約為1/40。
4.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于所述NH3的流量、所述NF3流量和所述O2流量之比約為1/40/2。
5.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于所述NH3的流量約為2000sccm,所述NF3流量約為100sccm,所述O2流量約為100sccm。
全文摘要
公開一種改進的干等離子體清潔方法,用來從半導(dǎo)體襯底上的絕緣層中形成的孔中除去固有氧化物、或其他氧化物薄膜或生成的殘留物,不會損害襯底或明顯影響孔的臨界尺寸。首先,將三氟化氮(NF
文檔編號H01L21/306GK1805123SQ200510119228
公開日2006年7月19日 申請日期2001年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者M·F·欣曼, K·J·托勒克 申請人:微米技術(shù)股份有限公司