專利名稱：在介電層中蝕刻開口的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在集成電路制造中等離子蝕刻一介電層的改良方法。具體而言，本發(fā)明涉及經(jīng)增強的光致抗蝕劑及/或硬質掩?？堂孢x擇性，以在蝕刻介電層時維持關鍵尺寸(CD)、最小化條紋并改良輪廓。
背景技術：
集成電路制造中的共同要求是在介電材料中等離子蝕刻諸如接點、通道及溝道等開口。該些介電材料包括經(jīng)摻雜氧化硅(例如，氟化氧化硅)、未摻雜氧化硅、硅酸鹽玻璃(例如，磷酸硼硅酸鹽玻璃(BPSG)及磷酸鹽硅酸鹽玻璃(PSG))、經(jīng)摻雜或未摻雜的熱生長氧化硅、經(jīng)摻雜或未摻雜的TEOS沉積氧化硅、有機及無機低k材料等。該些介電摻雜劑包括硼、磷及/或砷。
介電層可覆于以下材料之上半導體或導體層，例如，多晶硅；金屬，例如，鋁、銅、鈦、鎢、鉬或其合金；氮化物，例如，氮化鈦；金屬硅化物，例如，硅化鈦、硅化鈷、硅化鎢、硅化鉬等。
采用傳統(tǒng)的微影蝕刻法，可使用光致抗蝕劑及/或硬質掩模層來圖案化介電層。視情況，可使用沉積于光致抗蝕劑層之下的抗反射涂層(ARC)以將抗蝕劑曝光期間的反射降至最小并提高抗蝕劑圖案的準確度。
真空處理室通常用于通過向該真空室供應過程氣體并將RF場施加于該氣體來蝕刻基板上的材料。等離子蝕刻可在(例如)中等密度反應器中實施，例如，美國專利第4,340,462號及第5,013,398號中所闡述的平行板等離子反應器或美國專利第5,013,400號中所闡述的三極管型反應器。
可達成高縱橫比(至少為5∶1)深開口輪廓控制的技術揭示于共同擁有的美國專利第6,117,786號及第6,191,043號中。在該些專利中，第6,117,786號專利揭示使用包含碳氟化合物、氧氣及氮氣反應物的氣體混合物在氧化硅層中蝕刻開口的方法，其中氧氣和氮氣的添加量可有效控制所蝕刻開口的輪廓。第6,191,043號專利揭示在硅層中蝕刻10至15μm深的深開口之方法，該方法通過使用含氯蝕刻氣體化學成分來蝕刻穿透硅層上的原有氧化物層并使用一含有氧氣反應氣體、氦、惰性轟擊增強氣體及含氟氣體(例如，SF6、C4F8、CF4、NF3及CHF3)的氣體混合物來蝕刻硅層。
一般而言，以碳氟化合物、氫氟碳化合物及/或氯氟碳化合物為主的蝕刻氣體已廣泛用于介電層蝕刻，因為F及Cl成份可通過自由基反應及離子輔助反應二者促進蝕刻，同時形成于基板表面上的含碳聚合物可提供側壁保護。
人們希望對上覆光致抗蝕劑、硬質掩模及ARC層以及底部蝕刻終止層具有選擇性。尤其希望在圖案化光致抗蝕劑或硬質掩模層的拐角處具有選擇性，因為該些拐角具有有利于快速蝕刻的幾何形狀，此易于產(chǎn)生若干會對形貌關鍵尺寸造成不利影響的刻面。光致抗蝕劑/硬質掩模刻面可導致通道/溝道“超出”裝置關鍵尺寸，而對蝕刻終止層的低選擇性會導致至通路側壁上的顯著濺射。因此，業(yè)內需要一種等離子蝕刻技術，以達成較高的光致抗蝕劑或硬質掩模蝕刻選擇性、高介電層蝕刻速度、低污染及低損壞。更具體而言，需要一種等離子方法，以增強光致抗蝕劑對氧化物蝕刻選擇性，從而達成高各向異性介電蝕刻同時使原始光致抗蝕劑圖案的損壞或變形最小。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種在介電層蝕刻開口的方法，該方法包括以下步驟將一半導體基板支撐于一等離子蝕刻反應器中，該基板具有一介電層及一位于該介電層之上的圖案化光致抗蝕劑及/或硬質掩模層；向該等離子蝕刻反應器供應一種蝕刻劑氣體，該蝕刻劑氣體包括(a)一種碳氟化合物氣體(CxFyHz，其中x≥1，y≥1且z≥0)；(b)一種含硅烷氣體、氫氣或碳氫化合物氣體(CxHy，其中x≥1且y≥4)；(c)一種可選含氧氣體；及(d)一種可選惰性氣體，其中含硅烷氣體對碳氟化合物氣體的流速比小于或等于0.1，或氫氣或碳氫化合物對碳氟化合物氣體的流速比小于或等于0.5；將該蝕刻劑氣體激發(fā)為等離子；并以增強的光致抗蝕劑/硬質掩模對介電層的選擇性及/或最小化的光致抗蝕劑變形或條紋在介電層中等離子蝕刻開口。
在一較佳實施例中，等離子蝕刻反應器是雙頻中等密度電容耦合等離子反應器，該等離子反應器包括一上部蓮蓬頭電極(視情況可向其施加500至3000瓦特RF能)及一底部電極(視情況可向其施加500至3000瓦特RF能)，RF能可以兩種不同頻率施加至該底部電極或以不同的第一及第二頻率施加至該上部蓮蓬頭電極及該底部電極。根據(jù)一較佳實施例，在蝕刻步驟期間可將一RF偏壓施于半導體基板。
在該過程期間，等離子蝕刻反應器中的壓力可為5至200mTorr且基板支架的溫度可為-20℃至+80℃。
該些開口可形成通道、接點及/或雙鑲嵌溝道、自對準接點或自對準溝道結構。而且，該些蝕刻開口可為具有實質上為直邊輪廓的0.3μm或更小尺寸的開口，其中該些開口的上、中及下關鍵尺寸實質上相同，且該些開口的縱橫比至少為5∶1。根據(jù)一較佳實施例，該些蝕刻開口可為具有實質上為直邊輪廓的0.25μm或更小尺寸的開口，其中該些開口的上、中及下關鍵尺寸實質上相同，且該些開口的縱橫比至少為10∶1。
介電層可包括一經(jīng)摻雜或未摻雜二氧化硅、BPSG、BSG、PSG、TEOS、熱氧化硅或無機低k材料或有機低k材料。介電層可覆于一導電層上，該導電層選自由以下組成之群Al、Al合金、Cu、Cu合金、Ti、Ti合金、經(jīng)摻雜或未摻雜多晶或單晶硅、TiN、TiW、Mo、及Ti、W、Co及/或Mo的硅化物或其合金。半導體基板可進一步于介電層上及/或介電層與導電層之間包括一可選終止層及/或掩模層，該可選終止層及/或掩模層選自氮化硅、碳化硅或氧氮化硅。根據(jù)一較佳實施例，介電層可包括低k材料疊層，其間可有或沒有蝕刻終止層，該些開口可蝕刻至深度至少為2μm。
根據(jù)一較佳實施例，CxFyHz可于所蝕刻開口側壁上形成保護性側壁聚合物；含硅烷氣體、氫氣或碳氫化合物反應物能夠使反應器中維持期望的聚合物前體物質濃度；且含氧氣體能夠保持期望的側壁聚合物厚度。
根據(jù)一更佳實施例，蝕刻劑氣體可包括一選自由He、Ne、Kr、Xe及Ar組成之群之惰性氣體，該惰性氣體可以5至1000sccm的流速供至等離子蝕刻反應器。CxFyHz可包括至少一種不含氫的碳氟化合物(例如，CF4、C2F2、C2F4、C3F6、C4F6、C4F8及C6F6)及/或至少一種含氫碳氟化合物(例如，C2HF5、CHF3、CH3F、C3H2F6、C3H2F4、C3HF5及C3HF7)。蝕刻劑氣體可包括CxFyHz、作為含硅烷氣體的硅烷、含氧氣體及Ar，其以3至100sccm CxFyHz、0.3至10sccm硅烷、0至500sccm含氧氣體及5至1000sccm Ar的流速供至等離子蝕刻反應器。一種較佳蝕刻劑氣體包括C4F8、硅烷、O2及Ar，其以5至30sccm C4F8、0.5至3sccm硅烷、0至40sccm O2及100至500sccm Ar的流速供至等離子蝕刻反應器。另一較佳蝕刻劑氣體包括5至30sccm C4F8、1至30sccm H2或碳氫化合物氣體、0至40sccmO2及100至500sccm Ar。
可選含氧氣體可包括O2、O3、CO、CO2及其混合物。根據(jù)一較佳實施例，可使用不含氧氣的蝕刻劑氣體在介電層中形成一錐形開口，或可使用含氧氣的蝕刻劑氣體在介電層中形成一直邊開口，其中氧氣以5至500sccm流速供至等離子蝕刻反應器。
根據(jù)一較佳實施例，蝕刻劑氣體包含CxFyHz、氫氣或碳氫化合物氣體、含氧氣體及Ar，其以5至50sccm CxFyHz、1至30sccm氫氣或碳氫化合物氣體、5至500sccm含氧氣體及100至600sccm Ar的流速供至等離子蝕刻反應器。根據(jù)另一較佳實施例，CxFyHz包括C4F6且含氧氣體包括O2，其以C4F6∶O2為0.5∶1至3∶1的流速比供至等離子蝕刻反應器。
當介電層在圖案化光致抗蝕劑之下時，與沒有含硅烷氣體、氫氣或碳氫化合物氣體的蝕刻劑氣體相比，向蝕刻劑氣體中添加含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體可提高35％以上的抗蝕劑選擇性。


自下文對較佳實施例的詳細闡述連同附圖可更清楚地了解本發(fā)明的各種特征及優(yōu)點，其中相同的數(shù)字表示相同元件，且在該些圖中圖1a展示一經(jīng)蝕刻介電層，其中高縱橫比開口具有弓形輪廓。
圖1b展示一經(jīng)蝕刻介電層，其中高縱橫比開口具有直邊輪廓。
圖2a和3a展示光致抗蝕劑表面，其中該種抗蝕劑的表面是粗糙的。
圖2b和3b展示根據(jù)本發(fā)明蝕刻的光致抗蝕劑表面。
圖4展示一種可用于實施本發(fā)明方法的中等密度平行板等離子反應器的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種用于制造集成電路的半導體制造方法，其中可于諸如氧化物層等介電層中等離子蝕刻多個開口，同時為上覆光致抗蝕劑及/或硬質掩模層提供期望的選擇性及材料完整性。而且，本發(fā)明可改善裝置制造中所蝕刻接點的輪廓。本發(fā)明方法可用于蝕刻各種介電層，例如，未摻雜氧化硅及經(jīng)摻雜氧化硅，例如，氟化氧化硅(FSG)、旋涂玻璃(SOG)；硅酸鹽玻璃，例如，磷酸硼硅酸鹽玻璃(BPSG)、磷酸鹽硅酸鹽玻璃(PSG)、有機硅酸鹽玻璃(OSG)及經(jīng)碳摻雜的硅酸鹽玻璃(例如，CORAL，自Novellus Systems公司購得的產(chǎn)品)；經(jīng)摻雜或未摻雜的熱生長氧化硅；經(jīng)摻雜或未摻雜的TEOS沉積氧化硅；芳族烴聚合物，例如，SiLK(一種自Dow Chemical公司購得的產(chǎn)品)；低k介電材料，包括無機材料和有機聚合物材料(例如，聚酰亞胺、有機硅氧烷聚合物、聚芳醚)或其他介電常數(shù)低于4(較佳低于3)的適宜介電材料。介電摻雜劑包括硼、磷及/或砷。介電層可由單一材料或包含低k材料及/或抗反射涂層的疊層構成，疊層間可有或沒有蝕刻終止層。
該些蝕刻開口可形成通道、接點、導線及/或雙鑲嵌溝道、自對準接點或自對準溝道結構。在該些開口蝕刻期間，側壁必須為直線型以保持裝置形貌的關鍵尺寸(CD)，且該蝕刻必須對上覆光致抗蝕劑及/或硬質掩模層及下層具有選擇性。為將介電層蝕刻期間的CD損失及變形或條紋降至最低，希望蝕刻介電層的同時保持光致抗蝕劑及/或硬質掩模層的厚度及結構完整性。而且，所蝕刻形貌的輪廓必須保持微影蝕刻中所圖案化的關鍵尺寸。
由于高級器件的幾何形狀具有高縱橫比(＞10∶1)輪廓，且接點之間的距離(間距)等于接點直徑(＜0.18μm)，故希望有一種對光致抗蝕劑及/或硬質掩模具有高選擇性的蝕刻方法，且該蝕刻方法能夠將抗蝕劑及/或硬質掩模的損壞及變形降至最低。在抗蝕劑/硬質掩模不完整的情況下，介電層中所蝕刻的接點可能具有將會導致設備失效的變形或條紋；而且，較差的抗蝕劑/硬質掩模選擇性將不能保持接點的關鍵尺寸。而且，新一代裝置生產(chǎn)方法將依賴于新型光致抗蝕劑材料(193nm光致抗蝕劑)，此可滿足更小裝置尺寸的需要但對等離子干蝕刻方法的耐受性遠不及當前一代的248nm光致抗蝕劑。193nm光致抗蝕劑的出現(xiàn)已使得過去用于高縱橫比蝕刻的方法相形見絀且已引入需要新方法來達成可行過程方案的新失效機理。
在本發(fā)明方法中，可獲得具有實質上為直邊輪廓的0.3μm或更小的蝕刻開口，其中該些開口的上、中及下關鍵尺寸實質上相等。該些開口可蝕刻于介電層中以便具有高縱橫比，例如，5∶1或以上，較佳縱橫比至少為10∶1。該些開口可蝕刻至一至少2μm或較佳3μm的深度。例如，所蝕刻開口可為具有實質上呈直邊輪廓的0.2μm或更小尺寸的開口，其中該些開口的上、中及下關鍵尺寸實質上相等，且該些開口的縱橫比至少為10∶1。
本發(fā)明方法可用于獲得至少為5∶1的極高縱橫比，較佳至少為10∶1，且更佳至少為20∶1。此方法尤其可用于獲得縱橫比至少為10∶1的小于0.3μm(較佳小于0.2μm)的開口。例如，對于0.18μm的開口可在深度大于2μm處獲得具有最低變形或條紋的直壁。
介電層可覆蓋于一導電層或半導體層(例如一含金屬層)上，該導電層或半導體層選自由Al、Al合金、Cu、Cu合金、Ti、Ti合金、經(jīng)摻雜或未摻雜多晶或單晶硅、TiN、TiW、Mo、及Ti、W、Co及/或Mo的硅化物或其合金等組成之群。若需要，可將一層諸如氮化硅、碳化硅、氧氮化硅或諸如此類的物質形成的終止及/或掩模層設置于介電層之上、介電層之間及/或介電層與導電層之間。
許多裝置失效機理可通過對光致抗蝕劑及/或硬質掩模層具有高選擇性并保持所述層的材料完整性而加以避免。該些失效機理中之一與裝置形貌的關鍵尺寸損失有關。當介電層蝕刻期間光致抗蝕劑及/或硬質掩模產(chǎn)生一刻面時會造成此CD損失。當光致抗蝕劑具有不同的厚度(無論是由于初始不均勻性還是由于蝕刻期間抗蝕劑材料的破裂所致)且蝕刻在不同時間穿透抗蝕劑使以暴露下層介電層時，亦會造成CD損失。以任何形式使形貌變形或形成條紋皆會發(fā)生其他設備失效。通過添加含硅烷氣體(例如硅烷)、H2或碳氫化合物氣體，可在蝕刻期間保持光致抗蝕劑的結構完整性并可避免產(chǎn)生變形及條紋。硅烷、H2或碳氫化合物反應劑的添加可在整體及在抗蝕劑-介電層界面處產(chǎn)生更光滑的抗蝕劑表面，且抗蝕劑光滑性可將導致裝置失效的不期望介電層蝕刻降至最低。
含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體較佳以可有效控制蝕刻氣體化學成分的蝕刻速度選擇性比率之量添加。換言之，當將一包含含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體的蝕刻氣體與一或多種碳氟化合物氣體一起使用時，所添加氣體可有效產(chǎn)生高光致抗蝕劑/硬質掩模選擇性并保持抗蝕劑的結構完整性。對于一中等密度等離子反應器而言，本發(fā)明的有利效果可通過向等離子蝕刻反應器提供含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物反應物及碳氟化合物反應物來達成，其中含硅烷氣體對碳氟化合物氣體的流速比為0.1或以下，或氫氣或碳氫化合物氣體對碳氟化合物氣體的流速比為0.5或以下。
含硅烷氣體可包括一或多種選自由硅烷、氟硅烷、氯硅烷、二氟硅烷、二氯硅烷、三氟硅烷及三氯硅烷組成之群之氣體。根據(jù)一較佳實施例，蝕刻氣體包括硅烷作為含硅烷氣體。本發(fā)明的方法可通過在一等離子態(tài)下將蝕刻劑氣體激發(fā)為化學激發(fā)態(tài)并于介電層中蝕刻開口來實施。
硅烷及/或其他含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體的添加可增強光致抗蝕劑對介電層的選擇性并通過使其盡量不變形及損壞來保持抗蝕劑的完整性。而且，含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體的添加可減少高縱橫比接點中的彎曲數(shù)量。含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體的添加可同樣良好地適用于248nm與193nm光致抗蝕劑二者。
由于含氟及含O2蝕刻劑氣體可導致CD、輪廓及不均勻等問題(尤其對于193nm光致抗蝕劑的應用而言)，故向氟碳化合物及含氧蝕刻氣體中添加硅烷、氫氣或碳氫化合物氣體可有效提供期望程度的選擇性及光致抗蝕劑完整性。向氟碳化合物及含氧蝕刻氣體中添加硅烷、氫氣或碳氫化合物氣體可充分平衡聚合物形成，從而可保護所蝕刻形貌的側壁，同時避免因蝕刻形貌的側壁及底部形成過多聚合物而引起的夾斷及蝕刻停止問題。具體而言，當將含硅烷氣體、氫氣或碳氫化合物氣體添加至等離子中時，氫可被結合至聚合物中，此可保護側壁及光致抗蝕劑。當蝕刻氣體中包含一諸如氬氣的惰性氣體時，氬氣可用于輔助沖擊等離子。
通過聚合物離解與視情況將氧氣添加至蝕刻氣體混合物中的協(xié)同作用可減少聚合物的形成。而且，為保持蝕刻形貌的關鍵尺寸，氧氣可去除所蝕刻開口側壁上形成的足夠量的聚合物以避免側壁上形成過多的聚合物，否則將會引起蝕刻開口的“夾斷”并因而阻止開口完全蝕刻至期望深度。
向等離子蝕刻反應器中選擇添加含氧氣體亦有助于防止過多聚合物形成，而過多聚合物形成將會導致“蝕刻停止”。在使用可形成過多聚合物的氣體化學成分于介電材料(例如氧化硅)中等離子蝕刻深及窄開口期間，蝕刻停止尤其會導致發(fā)生問題，即，該些開口中聚合物的形成會阻止氧化硅的進一步蝕刻。在本發(fā)明方法中，聚合物的形成可通過用碳氟化合物形成聚合物與用蝕刻氣體混合物中的氧氣分解聚合物的協(xié)同作用來協(xié)調。氧氣較佳以可通過與所蝕刻開口底部的聚合物反應而有效防止蝕刻停止之量供至等離子蝕刻反應器。
根據(jù)一較佳實施例，硅烷可以0.3至10sccm的流速添加至等離子蝕刻反應器中，且H2或碳氫化合物氣體可以1至30sccm的流速添加至等離子蝕刻反應器中。供至等離子反應器的碳氟化合物氣體的量應足以達成期望聚合度及蝕刻速度。碳氟化合物氣體可以3至100sccm的流速添加至等離子蝕刻反應器中。例如，在一中等密度等離子反應器中，總碳氟化合物氣體可以3至100sccm的量供應，較佳為5至30sccm，且更佳為10至25sccm。
蝕刻劑氣體可進一步包括選自由O2、O3、CO及CO2組成之群的可選含氧氣體及選自由He、Ne、Kr、Xe及Ar組成之群的可選惰性氣體及其混合物，其中含氧氣體可以0至500sccm的流速供至等離子蝕刻反應器，且惰性氣體可以5至1000sccm的流速供至等離子蝕刻反應器。盡管含氫的碳氟化合物可非常易于聚合，但可通過使用含氧及含碳氟化合物反應物的組合來控制其聚合度。含氧氣體可以有效穿透所蝕刻開口底部處的聚合物之量供至等離子蝕刻反應器。在一雙頻反應器中，可適當調整每一頻率以獲得高蝕刻速度及良好的蝕刻停止窗。對于一可形成中等密度等離子的反應器而言，當含氧氣體包括O2時，O2可以0至100sccm的流速供至該反應器，更佳為0至40sccm，且最佳為10至20sccm。
蝕刻氣體混合物較佳亦包括Ar作為可選惰性氣體。然而，其他諸如He、Ne、Kr及/或Xe等惰性氣體亦可作為惰性氣體。與在低室壓力下運行的高密度蝕刻反應器不同，在一中等密度等離子反應器中，氬氣可以100至500sccm的量以較高流速供至反應器，較佳為200至400sccm。惰性氣體較佳可促進氧化物蝕刻速度，因為在形貌蝕刻前部存在聚合物物質的化學活化及氧化物濺射。
含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體可作為單獨氣體或作為預稀釋混合物與碳氟化合物、含氧及/或惰性氣體一起添加至等離子蝕刻反應器中。蝕刻劑氣體較佳包括含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體及碳氟化合物氣體，其中含硅烷氣體對碳氟化合物氣體的流速比小于或等于0.1，或氫及/或碳氫化合物氣體對碳氟化合物氣體的流速比小于或等于0.5。
根據(jù)本發(fā)明，含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體及含氧氣體較佳以可有效控制所蝕刻形貌輪廓的量添加。例如，通過相對于碳氟化合物氣體的量調整含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體及含氧氣體的量，可形成直邊輪廓。在此情況下，輪廓不會變成明顯的錐形，而且可消除輪廓中的弓形。例如，尺寸自上部0.3μm變至底部0.1μm的錐形開口可使用其中不含氧的C4F8、SiH4及Ar蝕刻氣體混合物來形成。對于直邊開口，碳氟化合物氣體的較佳量至少10倍于硅烷氣體的量且含氧氣體的較佳量較佳為5至40sccm。
本發(fā)明通過在蝕刻具有高縱橫比的開口期間增強輪廓控制而克服了先前蝕刻技術中的一個問題。為獲得具有直邊側壁的開口，希望控制氧氣的添加量，以便存在足夠的聚合物以避免或最小化彎曲并去除足夠的聚合物以避免蝕刻停止現(xiàn)象。對于聚合物去除而言，氧氣的作用可通過含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體的添加來平衡。例如，當使用SiH4、H2或碳氫化合物氣體時，可提供適當?shù)奈g刻開口側壁鈍化，即，可形成期望厚度及組成的聚合物。因此，通過選擇性調整O2及SiH4、H2或碳氫化合物氣體流速，可獲得高縱橫比直邊窄開口。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，含硅烷氣體由硅烷構成。然而，可使用具有通式SiHxF4-x或SiHxCl4-x的其他含硅烷氣體來完全或部分地替代硅烷。
熟習此項技術者應了解，各種氣體的流速應根據(jù)若干因素而定，例如，基板尺寸、等離子反應器類型、功率設定值、反應器中的真空壓力、等離子源的離解速率等等。
本發(fā)明提供一種等離子蝕刻方法，該方法用于在半導體基板上的介電層(例如，氧化硅層)中等離子蝕刻0.3μm(尤其0.25μm及更小)高縱橫比形貌，例如通道及接點。在此方法中，較佳將包含碳氟化合物及含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體反應物的氣體混合物化學激發(fā)為等離子態(tài)。在蝕刻過程期間，碳氟化合物及含硅烷氣體、氫氣及/或碳氫化合物氣體協(xié)同反應以產(chǎn)生富碳及硅的聚合物，該等聚合物沉積于光致抗蝕劑的上部并消除離子轟擊及化學蝕刻對光致抗蝕劑的影響。
等離子可產(chǎn)生于各種類型的等離子反應器中。該些等離子反應器通常具有使用RF能、微波能、磁場等的能源以產(chǎn)生等離子蝕刻條件。例如，一中等密度等離子可產(chǎn)生于一平行板蝕刻反應器中，例如共同擁有的美國專利第6,090,304號中所闡述的雙頻等離子蝕刻反應器，其揭示內容以引用的方式并入本文中。較佳地，在蝕刻步驟期間向半導體基板施加一RF偏壓。一中等密度反應器可產(chǎn)生約1011離子/cm3的離子密度。本發(fā)明方法可用于多個或單一晶片處理。
等離子蝕刻反應器較佳包括中等密度平行板反應器、三極管反應器或雙頻電容耦合等離子反應器，其中雙頻電容耦合等離子反應器包含上部蓮蓬頭電極及底部電極，RF能可以兩種不同頻率施加至底部電極或以不同的第一及第二頻率施加至蓮蓬頭電極及底部電極。在等離子蝕刻反應器為電容耦合等離子反應器的情況下，該反應器可具有一個加電蓮蓬頭電極及一個加電底部電極，該蓮蓬頭電極可被供以500至3000瓦特RF能，且底部電極可被供以500至3000瓦特RF能。在雙頻反應器中，高頻率源用來控制等離子化學成分(即，激發(fā)態(tài)物質的豐度)，同時低頻率源用來控制離子能(即，離子進入基板的加速度)。在該些反應器中，希望頂部電極與支撐半導體基板的底部電極之間的間隙保持在約1.3至2.5cm的距離。
中等密度等離子反應器在較高室壓力下運行且其對蝕刻氣體化學成分的離解程度低于高密度等離子反應器。例如，在中等密度等離子反應器中，諸如C4F8等蝕刻氣體可如下分階段離解C4F8→C2F8→CF2→CF+F。此逐步離解可達成更高的介電層蝕刻速度及更低的上覆層(例如，光致抗蝕劑或硬質掩模)或下層(例如，蝕刻終止層)蝕刻速度。該些蝕刻速度之比稱為“蝕刻選擇比”，在中等密度等離子反應器中可獲得高選擇比，此可促進接點、通道及導線圖案的完全蝕刻。相反，在高密度反應器中，蝕刻氣體的瞬間離解可由于掩蔽層及蝕刻終止層的較高蝕刻速度而導致低選擇比。例如，在高密度等離子反應器中，C4F8直接離解為游離氟且高含量的游離氟導致掩蔽層及/或蝕刻終止層的快速蝕刻，以致蝕刻選擇比低至不可接受的程度。
較佳將反應器壓力維持在適于維持反應器中等離子的水平。一般而言，過低的反應器壓力可導致等離子消失，而過高的反應器壓力可導致蝕刻停止問題。對于諸如雙頻電容耦合蝕刻反應器的中等密度等離子反應器而言，反應器壓力較佳低于200mTorr，例如，20至40mTorr。由于等離子會被約束在處于蝕刻中的半導體基板處，故基板表面的真空壓力可高于反應器的真空壓力設定值，例如，基板表面的壓力可介于30至100mTorr之間，例如，45至65mTorr。
蝕刻時支撐半導體基板的基板支架較佳將基板充分冷卻至可防止有害的副反應，例如，任何光致抗蝕劑在基板上的燃燒及不期望反應氣體自由基的形成。在中等密度等離子反應器中，將基板支架冷卻至-20℃至+80℃的溫度就足夠了。在平行板等離子反應器或三極管型反應器中，基板支架可包括用于在基板處理期間向基板施加RF偏壓的底部電極及用于夾緊基板的ESC。例如，基板可包括硅晶片，該硅晶片以靜電方式夾緊并通過在晶片與ESC上表面之間以期望壓力提供氦(He)來冷卻，如美國專利第5,609,720號中所闡述。為將晶片維持在期望溫度，可在晶片與夾盤之間的空間中將He的壓力維持在5至30Torr。
視情況，介電層可用任何適宜光致抗蝕劑圖案化。例如，可將市售248nm抗蝕劑旋涂于介電層上。在蝕刻步驟期間，248nm抗蝕劑的厚度可為500至1000nm?；蛘?，可使用193nm抗蝕劑。193nm抗蝕劑可有利的支持0.18μm、0.15μm及更小設計標準。通常約100至500nm厚的193nm抗蝕劑對等離子蝕刻化學成分更為敏感。因此，此蝕刻過程必須對抗蝕劑具有高選擇性，以防止由于抗蝕劑的刻面及/或完成介電層蝕刻之前的抗蝕劑穿透而失去圖案準確度。
當于介電層中蝕刻較小形貌時，通常會伴隨諸如側壁沉積、側壁彎曲、微型開槽及掩?？堂娴痊F(xiàn)象。例如，等離子蝕刻期間會在抗蝕劑側壁上形成條紋。條紋會改變形貌邊緣并導致關鍵尺寸的降格。條紋的形成亦可通過增加抗蝕劑的光滑度來減少。
若需要，基板之上可包括一抗反射涂層(“ARC”)。ARC用于在微影蝕刻步驟的曝光期間降低返回光致抗蝕劑的反射并獲得較佳圖案再現(xiàn)性，例如形成于光致抗蝕劑中的通道或溝道形式的開口圖案。ARC可為諸如碳氫化合物膜等任何適宜材料，例如，包含有機聚合化合物的旋涂有機材料。ARC可以期望厚度(例如，60至200nm)旋涂于基板上。
在一實施例中，本發(fā)明提供一種用于在半導體基板上的介電層中等離子蝕刻高縱橫比形貌(例如導線、通道及接點，包括自對準接點(SAC))的方法。在該方法中，在等離子蝕刻反應器中將包含碳氟化合物、氧氣及含硅烷氣體(例如，硅烷)、H2或碳氫化合物氣體的氣體混合物與一種可選氣體(例如惰性氣體，如，氬氣)激發(fā)為等離子態(tài)，以使非惰性反應物至少部分地離解。在蝕刻過程期間，介電層通過含氟物質蝕刻且含硅烷氣體、H2或碳氫化合物氣體在光致抗蝕劑/硬質掩模頂部及所蝕刻開口的側壁上形成含碳及/或含硅保護性聚合物。含硅烷氣體、H2或碳氫化合物可與含氧氣體協(xié)同平衡聚合物的形成，以充分保護光致抗蝕劑及所蝕刻形貌的側壁，同時避免由于形成過多聚合物而造成夾斷及蝕刻停止問題。一般而言，含硅烷氣體、H2或碳氫化合物氣體可用于在抗蝕劑/硬質掩模頂部及所蝕刻開口中形成聚合物，且氧氣添加量應能夠充分控制所蝕刻開口側壁上的聚合物形成。在雙頻中等密度等離子蝕刻反應器中，可通過向等離子蝕刻反應器供應含硅烷氣體、H2或碳氫化合物氣體及碳氟化合物氣體反應物來達成本發(fā)明的有利效果，其中含硅烷氣體對碳氟化合物氣體的流速比為0.1或以下，或H2或碳氫化合物氣體對碳氟化合物氣體的流速比為0.5或以下。
含硅烷氣體、H2或碳氫化合物氣體及氧氣的量較佳根據(jù)所蝕刻形貌的尺寸及所蝕刻材料的膜組成來控制。例如，當蝕刻較大尺寸的形貌時，需要較少氧氣來保護所蝕刻開口的側壁。對于對等離子反應器中所產(chǎn)生的聚合物具較低反應性的介電材料(例如，低摻雜度氧化物膜)而言，可降低CxFy/O2比。然而，對于包含較高摻雜劑添加量的介電層(例如，對于BPSG)而言，CxFy/O2比可較高。
氧氣與碳氟化合物反應物皆可以5至100sccm的流速供應，較佳為5至50sccm，且更佳5至30sccm。硅烷可以0.3至10sccm的流速供應，且H2或碳氫化合物氣體可以1至30sccm的流速供應。例如，當CxFyHz以5至30sccm供應時，氧氣反應物流速可自5至20sccm，且氬氣(若供應)可自100至600sccm。在另一實例中，CxFyHz為C4F6，含氧氣體為O2，且以C4F6∶O2為0.5∶1至3∶1的流速比向等離子蝕刻反應器供應C4F6與O2。在又一實例中，在SAC或雙鑲嵌結構中蝕刻開口期間系以可避免蝕刻停止的流速向等離子蝕刻反應器供應C4F6與O2。O2可用諸如CO等其他含氧氣體補充或替代。例如，CO可以50至500sccm的流速添加至蝕刻氣體中。而且，H2或碳氫化合物可以等于或幾乎等于O2流速的流速供應，例如，1∶1或1∶2。
在一實例中，雙頻等離子蝕刻反應器(例如，自本申請案的受讓人LamResearch公司購得的ExelanTM雙頻電容耦合氧化物蝕刻系統(tǒng))可以0至5000瓦特(較佳1000至2000瓦特)的頂部電極功率及0至5000瓦特(較佳1000至2000瓦特)的底部電極功率運行。深度約為3μm的0.18μm直邊開口可在約5分鐘內采用以下條件實施單步蝕刻室壓力設定為約15mTorr，一或兩個電極的功率在27MHz時為1000瓦特且在2MHz時為2000瓦特，使用由300sccmAr、8sccm O2、1.5sccm SiH4或5sccm CxHy或5sccm H2及15sccm C4F8構成的蝕刻氣體混合物。
圖1至3展示根據(jù)本發(fā)明方法添加硅烷的效果。圖1a展示當使用不含硅烷的對照蝕刻氣體混合物時所獲得的彎曲蝕刻輪廓，而圖1b展示具有直邊開口的介電層實例，其中該些開口皆根據(jù)本發(fā)明方法蝕刻。在圖1a中，當采用以下條件實施介電層單步蝕刻約4分鐘時獲得具有彎曲開口4的介電層2，所用條件為室壓力設定為約50mTorr，一或兩個電極具有約3000瓦特的總功率，100至300sccm Ar、5至20sccm O2及5至20sccm C4F8。在圖1b中，采用相同的方法并添加0.5至2sccm SiH4獲得具有直邊開口8的介電層6。
相同工藝條件對193nm光致抗蝕劑的影響展示于圖2至3中。參照圖2a，在無硅烷的情況下，蝕刻后抗蝕劑20展示一變形褶皺外觀。相反，如圖2b所示，添加硅烷可顯著減少抗蝕劑22的褶皺。而且，參照圖3a，沒有硅烷會產(chǎn)生一粗糙的蝕刻后抗蝕劑表面30，而添加硅烷可導致一更光滑抗蝕劑32，如圖3b所示。添加硅烷的反應氣體與不含硅烷的反應氣體混合物相比可使190nm抗蝕劑的選擇性提高25％以上，較佳35％以上。用添加H2或碳氫化合物氣體代替硅烷或用其他含硅氣體可獲得類似結果。
本發(fā)明方法亦可在平行板等離子反應器中實施，例如圖4中所示反應器700。反應器700包括內腔702，該內腔702通過連接至反應器壁上出口處的真空泵704維持在期望真空壓力。蝕刻氣體可通過供應來自氣源706的氣體而供至蓮蓬頭電極712。反應器室700可按照雙頻平行板的加工配置來運作，其中第一RF源708通過RF匹配網(wǎng)絡710耦合至頂部電極蓮蓬頭電極712。以相同方式，底部電極718通過第二RF匹配網(wǎng)絡716耦合至第二RF源714。此外，每一RF源708、714皆一端接地。中等密度等離子可通過以下在反應器中于基板720上產(chǎn)生向蓮蓬頭電極712及底部電極718施加來自RF源708、714的RF能，或蓮蓬頭電極712可電性接地，且可將兩種不同頻率的RF能施加至底部電極718。亦可使用其他類型的電容耦合反應器，例如，僅具有加電蓮蓬頭電極或僅通過底部電極加電的反應器。
根據(jù)本發(fā)明方法，在中等密度雙頻等離子蝕刻反應器中，可通過添加含硅烷氣體、H2及/或碳氫化合物反應物來有利地增強光致抗蝕劑/硬質掩模對介電層的蝕刻速度選擇性、降低材料的完整性(抗變形)并增加光致抗蝕劑膜的光滑性。而且，含硅烷氣體、H2及/或碳氫化合物反應物的添加可減少高縱橫比接點中彎曲的數(shù)量。在中等密度雙頻反應器的受控離解環(huán)境中，光致抗蝕劑的光滑性及物理完整性及所蝕刻形貌的輪廓可通過添加含硅烷氣體、H2及/或碳氫化合物反應物來控制。含硅烷氣體、H2及/或碳氫化合物反應物的添加可導致產(chǎn)生富碳及富硅聚合物，該富碳及富硅聚合物可沉積于光致抗蝕劑頂部并消除離子轟擊及化學蝕刻對光致抗蝕劑的影響。含硅烷氣體、H2及/或碳氫化合物反應物可作為單獨氣體添加，或作為預稀釋混合物與氬氣、氧氣、碳氟化合物及/或碳氟氫化合物一起添加。碳氫化合物反應物在引入該室之前可為氣體或液體形式。含硅烷氣體對碳氟化合物氣體的期望流速比小于或等于0.1。H2或碳氫化合物反應物對碳氟化合物的期望流速比小于或等于0.5。
上文已闡述本發(fā)明的原理、較佳實施例及實施方式。然而，不應將本發(fā)明理解為僅限于所述的特定實施例。因此，上述實施例應理解為例示性而非限制性實施例，且應了解，熟習此項技術者可對此等實施例進行多種改變，而不背離由隨附權利要求所界定的本發(fā)明范疇。
權利要求
1.一種于一介電層中蝕刻開口的方法，其包括將一半導體基板支撐于一等離子蝕刻反應器中的一基板支架上，所述基板具有一介電層及一位于所述介電層之上的圖案化光致抗蝕劑層及/或硬質掩模；向所述等離子蝕刻反應器供應一種蝕刻劑氣體，所述蝕刻劑氣體包括(i)一種碳氟化合物氣體(CxFyHz，其中x≥1，y≥1且z≥0)；(ii)氫氣及/或碳氫化合物氣體(CxHy，其中x≥1且y≥4)；(iii)一種可選含氧氣體；及(iv)一種可選惰性氣體；其中氫氣及/或碳氫化合物氣體對碳氟化合物氣體的流速比小于或等于0.5；將所述蝕刻劑氣體激發(fā)為一等離子態(tài)；以增強的光致抗蝕劑及/或硬質掩模對介電層的選擇性及最小化的光致抗蝕劑變形或條紋在所述介電層中等離子蝕刻開口，其中所述介電層包括其間有或沒有蝕刻終止層的低k材料疊層。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述等離子蝕刻反應器包括一種包含一上部蓮蓬頭電極及一底部電極的雙頻中等密度電容耦合等離子反應器，RF能以兩種不同頻率供至所述底部電極或以不同的第一及第二頻率供至所述蓮蓬頭電極及底部電極。
3.如權利要求2所述的方法，其中向所述蓮蓬頭電極施加500至3000瓦特的RF能并向所述底部電極施加500至3000瓦特的RF能。
4.如權利要求1所述的方法，其中在所述蝕刻步驟期間將一RF偏壓施加至所述半導體基板。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述等離子蝕刻反應器中的壓力為5至200mTorr及/或所述基板支架的溫度為-20℃至+80℃。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述開口包括通道、接點及/或雙鑲嵌溝道、自對準接點或自對準溝道結構。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述開口是具有實質上直邊輪廓的0.3μm或更小尺寸的開口，其中所述開口的上、中及下關鍵尺寸實質上相等，且所述開口具有至少為5∶1的縱橫比。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述開口是具有實質上直邊輪廓的0.25μm或更小尺寸的開口，其中所述開口的上、中及下關鍵尺寸實質上相等，且所述開口具有至少為10∶1的縱橫比。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述介電層包括經(jīng)摻雜或未摻雜二氧化硅、BPSG、BSG、FSG、PSG、TEOS、熱氧化硅或無機低k材料或有機低k材料，所述介電層覆蓋于一導電層上，所述導電層選自由Al、Al合金、Cu、Cu合金、Ti、Ti合金、經(jīng)摻雜或未摻雜多晶或單晶硅、TiN、TiW、Mo、及Ti、W、Co及/或Mo的硅化物或其合金組成之群，所述半導體基板包括一可選的選自氮化硅、碳化硅或氧氮化硅的終止層及/或掩模層，所述掩模層位于所述介電層之上及/或所述介電層與導電層之間。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑氣體包括一種選自由He、Ne、Kr、Xe及Ar組成之群的惰性氣體，所述惰性氣體可以5至1000sccm的流速供至所述等離子蝕刻反應器。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑氣體包含5至30sccm C4H8、0至20sccm O2及100至500sccm Ar。
12.如權利要求1所述的方法，其中CxFyHz包括至少一種不含氫的碳氟化合物及/或至少一種含氫的碳氟化合物。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑氣體包含3至100sccm CxFyHz、0至500sccm含氧氣體及5至1000sccm Ar。
14.如權利要求1所述的方法，其中所述含氧氣體選自由O2、O3、CO、CO2及其混合物組成之群。
15.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑氣體包含5至50sccm CxFyHz(其中，x≥1，y≥1且z≥0)、2.5至25sccm氫氣及/或碳氫化合物氣體、5至100sccm含氧氣體及100至600sccmAr。
16.如權利要求1所述的方法，其中使用以5至500sccm含氧蝕刻劑氣體的流速供至所述等離子蝕刻反應器的含氧蝕刻劑氣體在所述介電層中形成直邊開口。
17.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑氣體包含C4F6及O2，其中C4F6及O2以C4F6∶O2流速比為0.5∶1至3∶1的流速供至所述等離子蝕刻反應器。
18.如權利要求1所述的方法，其中與不含氫氣及/或碳氫化合物氣體的蝕刻劑氣體相比，將氫氣及/或碳氫化合物氣體添加至所述蝕刻劑氣體中能夠使抗蝕劑選擇性提高35％以上。
19.如權利要求1所述的方法，其中所述蝕刻劑氣體包含5至30sccm C4F8、2.5至25sccm氫氣及/或碳氫化合物氣體、0至20sccm氧氣及100至500sccmAr。
20.如權利要求1所述的方法，其中所述開口可蝕刻至少2μm深度，且所述CxFyHz于所蝕刻開口側壁上形成保護側壁聚合物；所述氫氣及/或碳氫化合物反應物能使所述反應器中維持一期望的聚合物前體物質濃度；且所述含氧氣體能夠維持一期望的側壁聚合物厚度。
全文摘要
一種在介電層中蝕刻開口的方法，包括將半導體基板支撐于等離子蝕刻反應器中，該基板具有介電層及位于該介電層上的圖案化光致抗蝕劑層及/或硬質掩模；向等離子蝕刻反應器供應蝕刻劑氣體，其包括(a)碳氟化合物氣體(C
文檔編號H01L21/70GK101038875SQ200710097649
公開日2007年9月19日 申請日期2003年6月13日 優(yōu)先權日2002年6月14日
發(fā)明者阿龍·埃普勒, 穆昆德·斯里尼瓦桑, 羅伯特·舍比 申請人:藍姆研究公司