專利名稱：制作具有可變側(cè)壁型面的通孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在一片半導(dǎo)體襯體上形成通孔(via)的等離子蝕刻過程。具體涉及在一片半導(dǎo)體襯底上形成有變化側(cè)壁型面的通孔的一種工藝。
在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中，許多器件，如晶體管都是制作在半導(dǎo)體襯底上，如一片硅晶片上。這些晶體管利用導(dǎo)電金屬線，一般是鋁來實(shí)現(xiàn)電連接。金屬接觸區(qū)也是淀積在襯底上從而將器件與其它器件或插件連通。
由于在一襯底上大量的器件已做得越來越小而且越來越靠近，設(shè)計(jì)尺寸已能達(dá)到小于1微米甚至少于0.5微米，因此更多的器件可以制作在一片硅晶片的不同層上。第一組器件制作完并實(shí)現(xiàn)了電連接，然后在這層器件上淀積一層介電層，如SiO2。要到達(dá)第一層的導(dǎo)通線和接觸區(qū)就必須穿過二氧化硅SiO2層。因此，這些通孔在已形成的導(dǎo)電金屬線和接觸區(qū)上的二氧化硅SiO2層中形成。這些通孔形成后再在里面注入導(dǎo)電金屬如鋁。這些被注入導(dǎo)電金屬的通孔成為與底層器件進(jìn)行電連接的工具。
鋁淀積常用濺射方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)通孔變得越小，通孔的縱橫比就越大，因此向通孔或開口(opening)均勻注入就變得更加困難。側(cè)壁阻擋了除沿垂直方向以外其它角度濺射的鋁粒子進(jìn)入通孔，所以側(cè)壁比開口的底部濺射的鋁還多。最后通孔側(cè)壁上的鋁將開口閉合而在開口底部留下一段空隙，如

圖1，其中鋁層12淀積在通孔10內(nèi)。
試圖通過把鋁加熱到熔融溫度從而提高注入能力，但這不能合乎要求，因?yàn)樵谙聦悠骷闲纬傻膿诫s離子會擴(kuò)散從而改變器件的電特性。
嘗試通過向側(cè)壁加入一種鋁的濕潤劑來提高鋁注入能力，這只收到一定程度地改善，而且這一過程還要求另外的淀積步驟。
其它做過的嘗試有使通孔開口有斜度，使它頂部寬一些從而改善了鋁的注入。常規(guī)工藝方法一般通過各向同性和各向異性蝕刻相結(jié)合的辦法形成有斜度和豎直側(cè)壁相結(jié)合的通孔。
例如，曼恩(Meng)等人，在美國專利5,453,403中所公開的，利用CF4和CHF3，形成豎直壁的開口，部分地穿過介電層，然后再用HF進(jìn)行各向異向蝕刻以將通孔頂部變寬。第三步驟用氬和CF4進(jìn)行濺射蝕刻從而完成通孔底部的蝕刻，打開了通往下層金屬接觸區(qū)的通孔。然而，這種方法要求好幾道工序和幾個處理腔體(chamber)，從而降低了生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。
斯卡諾(Sikora)等人在美國專利5,420,078中所公開的，先用一種各向同性的HF蝕刻在通孔頂部形成一有斜度的或一有小平面的開口，然后繼續(xù)用一種各向異性蝕刻形成一通向下面導(dǎo)體的直壁開口。這還是需要兩個腔體，一個進(jìn)行HF蝕刻，另一個進(jìn)行各向異性蝕刻。
陳(Cheng)等人在美國專利5,354,386中公開通過交替使用一種CF4各向異性蝕刻和CF4+O2各向同性蝕刻，在二氧化硅(SiO2)層中蝕刻出有斜度的通孔。通過改變氧含量，可以改變通孔側(cè)壁的斜度。然而這種方法要用到氧，這在包含碳氟化合物的等離子蝕刻過程中是要盡力避免的。
這樣迫切需要一種在單獨(dú)等離子蝕刻腔體內(nèi)在不需用氧的情況下形成有斜度的通孔開口的單步蝕刻處理方法。
依照本發(fā)明的工藝過程，帶有隨意可變側(cè)壁斜度的通孔可在一個單獨(dú)等離子氣體蝕刻腔內(nèi)形成。通過改變側(cè)壁上聚合物的形成量而自由改變側(cè)壁傾斜角?？稍谕醉敳啃纬蓭в袦\側(cè)壁斜度的窗口，在通孔底部形成一陡直側(cè)壁斜度，或相反亦然。這個通孔在蝕刻過程中可調(diào)整直至能徹底注入導(dǎo)電金屬。
圖1是常規(guī)方法中開口被部分地注入濺射的鋁的示意截面圖；圖2是一個帶有斜度側(cè)壁的開口的說明實(shí)施例；圖3是用本發(fā)明的方法制成的等離子蝕刻開口的顯微照片；圖4是用本發(fā)明方法制成的另一等離子蝕刻開口的顯微照片；圖5是按照常規(guī)方法在具有可變厚度的層中形成多個開口的示意截面圖。
本發(fā)明涉及在一種介電材料，如二氧化硅SiO2中制作通孔。其它介電材料，包括摻雜或未摻雜的硅玻璃如BSG或BPSG也同樣可以利用。該通孔包括有斜度的側(cè)壁從而便于向通孔注入導(dǎo)電物質(zhì)如鋁。其它導(dǎo)電材料如鎢(W)、銅(Cu)、鈦(Ti)，金屬衍生物如硅化鈦(TiSi)以及氮化鈦(TiNi)或其它形成導(dǎo)電層的常用材料也同樣可以利用。
圖2是本發(fā)明的一個實(shí)施例說明。圖中，通孔210在介電層220中形成以便與導(dǎo)電層230連接。通孔包括一有斜度的側(cè)壁，該側(cè)壁在上部傾角為β，在下部傾角為α，依照本發(fā)明，不需要另外的蝕刻腔體或另外的清洗步驟就能形成不同的傾斜側(cè)壁的傾角，因而減少了成本和原處理時(shí)間(RPW)。
在一實(shí)施例中，通孔以常規(guī)蝕刻方法形成。如，可利用能產(chǎn)生氟蝕刻空間的各種常規(guī)碳氟蝕刻化學(xué)品對介電材料進(jìn)行蝕刻。一些碳氟蝕刻化學(xué)品包括如CH4、CHF3，其它的碳氟蝕刻化學(xué)品也可使用。典型的用法是將碳氟化合物與其它氣體或幾種氣體，如氬一起使用。最好是蝕刻過程在一個等離子蝕刻腔體內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)榈入x子蝕刻常常發(fā)生在溫度較低的情況。完成本發(fā)明方法過程的含有氟蝕刻劑的等離子蝕刻腔體在市面上一般都可以獲得。另外，可起反應(yīng)的離子蝕刻也可使用。
碳氟蝕刻過程的副產(chǎn)品是淀積在通孔側(cè)壁上的聚合物。聚合物對氟蝕刻化學(xué)品比介電材料具有更高的選擇性。因此，聚合物的形成是不期望的，因?yàn)樗柚沽宋g刻過程的有效進(jìn)行并有可能使蝕刻中止。因此調(diào)整蝕刻參數(shù)來降低或最小限度地使聚合物形成。
然而本發(fā)明利用在蝕刻期間形成聚合物。依據(jù)本發(fā)明在蝕刻過程中形成的聚合物層235可使介電層免受蝕刻。在過程開始時(shí)，聚合物形成在通孔側(cè)壁231上，保護(hù)了它下面的介電層。隨著蝕刻過程的進(jìn)展，聚合物形成以一個角度由側(cè)壁向通孔中心232延伸，繼續(xù)阻止它下面的介電層被蝕刻劑蝕刻。這樣充分地利用聚合物形成帶有傾斜側(cè)壁的通孔。
依據(jù)本發(fā)明，傾斜側(cè)壁角度(α或β)可以通過改變聚合物在側(cè)壁上的淀積速率加以改變。角度與聚合物生長速率成反比。即，聚合物形成越快，角度越小，側(cè)壁越平坦，反之，聚合物形成越慢，側(cè)壁越陡。
在實(shí)施例中，通過改變蝕刻參數(shù)來改變聚合物的淀積速率從而改變傾斜側(cè)壁的角度。影響聚合物形成的蝕刻參數(shù)包括，例如蝕刻化學(xué)品；蝕刻氣體比例；蝕刻期間腔體壓力；蝕刻期間陰極和腔體溫度；等離子蝕刻腔體內(nèi)磁場強(qiáng)度；和襯底背面壓力。
腔體壓力和聚合物形成速率有直接聯(lián)系，當(dāng)腔體壓力升高，較小濺射發(fā)生，導(dǎo)致聚合物形成加快。
陰極和腔體溫度與聚合物形成成反比關(guān)系，提高陰極和腔體兩者或其中任何一個的溫度會減小介電質(zhì)的粘附系數(shù)，從而聚合物的形成速度減慢了。
腔體內(nèi)磁場強(qiáng)度與聚合物形成速率有直接關(guān)系。磁場增強(qiáng)加強(qiáng)了等離子體的離子化，因而提高了聚合物生成速率。
蝕刻化學(xué)品對聚合物生成有影響，尤其是聚合物生成依靠蝕刻化學(xué)品中存在的碳(C)。蝕刻過程中，如包括CF4和CHF3的碳氟蝕刻化學(xué)品，起反應(yīng)生成CF2和一種副產(chǎn)品。CF2，是一種聚合物，淀積在介電材料的側(cè)壁上。提高蝕刻化學(xué)品中碳氟化合物對氣體或幾種氣體的比例將產(chǎn)生大量聚合物，因而提高了聚合物的生成速率。
依照本發(fā)明，在聚合物淀積在側(cè)壁上這樣的情況下，通過蝕刻介電材料，生成一種傾斜側(cè)壁型面。傾斜側(cè)壁型面的傾角或斜度依賴于聚合物淀積速率。通過改變提高聚合物淀積速率的過程參數(shù)或多個過程參數(shù)，生成一有相對較小斜度的(較小陡度)的傾斜側(cè)壁型面。另一方面，減低聚合物淀積速率，形成較陡斜面。
在實(shí)施例中，生成了一種具有可變傾斜側(cè)壁型面的通孔。該通孔包括一開口，該開口上部比下部寬從而便于注入導(dǎo)電材料。因此，通孔包括一傾斜側(cè)壁型面，該側(cè)壁在上部不陡而在底部非常陡以至幾乎垂直。
通孔是用碳氟化學(xué)品以等離子蝕刻方式形成的，蝕刻參數(shù)調(diào)整至能使聚合物充分淀積在通孔側(cè)壁上以生成傾斜型面。為了生成更垂直的側(cè)壁型面，調(diào)整蝕刻參數(shù)從而聚合物淀積減少或降至最低，產(chǎn)生更多的各向異性蝕刻。
此外，在通孔上部淀積以形成一傾斜側(cè)壁的聚合物層必須有足夠的厚度以防止在通孔底部形成更垂直的側(cè)壁期間其型面被改變。當(dāng)然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道聚合物的厚度依賴于在其中形成通孔的整個介電層的厚度，且還依賴于與介電材料有關(guān)的對聚合物蝕刻的選擇性。
一般，聚合物層的厚度至少為1/(對聚合物蝕刻選擇性)×T，其T等于蝕刻后保留下來的介電材料的厚度。最好是約1/(對聚合物蝕刻選擇性)×T，更好是取[1/(對聚合物蝕刻選擇性)×T]+0-50％[1/(對聚合物有選擇地蝕刻)×T]。更好是取[1/(對聚合物蝕刻選擇性)×T]+30-50％[1/(對聚合物蝕刻選擇性)×T]。
一般，聚合物蝕刻選擇性相對于介電材料為約20∶1，假設(shè)蝕刻選擇性是20∶1，則聚合物層的厚度應(yīng)至少為1/20×T。換句話說，聚合物層厚度至少是側(cè)壁更垂直部分厚度的1/20。最好，取聚合層厚度等于1/20×T，但取(1/20×T)+0-50％×(1/20×T)更好，取[1/(對聚合物蝕刻性)× T]+30-50％[1/(對聚合物蝕刻選擇性)×T]更好。
依據(jù)本發(fā)明，側(cè)壁傾角可通過調(diào)整蝕刻參數(shù)加以改變。這可使側(cè)壁兩角度間過渡平滑，從而順利地將金屬注入傾斜開口。斜面的精確傾斜角及范圍易通過改變蝕刻參數(shù)而修正，如蝕刻時(shí)間，蝕刻氣體比例，腔體壓力、腔內(nèi)溫度、磁場強(qiáng)度或襯底背面的壓力。
斜面傾角間的平滑過渡使得順暢地將金屬注入有斜度的開口。精確的傾斜角度和范圍易通過改變特定蝕刻的蝕刻時(shí)間加以調(diào)整，從而使金屬順暢地注入蝕刻開口。
以下例子說明在一介電層中蝕刻具有可變斜度的開口的本發(fā)明方法過程。然而本發(fā)明并不限于此處描述的細(xì)節(jié)。例1用一帶有器壁溫度為35℃，陰極支持溫度為20℃的市場上可買到的等離子蝕刻腔體，通孔在淀積在一氮化鈦(TiN)層上的二氧化硅層內(nèi)生成，如圖3所示，在以下條件下進(jìn)行壓力 300毫乇(mTorr)氮襯底壓力8乇功率 900瓦磁場強(qiáng)度 80高斯在二氧化硅層內(nèi)生成一有斜度的開口的第一步是在腔體內(nèi)通90秒100標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sscm)的CHF3和20sccm的氬氣。結(jié)果形成側(cè)壁斜度約69°，開口直徑約980微米。
第二階段氣流改為30sccm CHF3和100sccm氬并繼續(xù)通90秒。結(jié)果形成側(cè)壁傾角約80°，通孔底部開口直徑約610微米。圖3是形成的有斜度的開口的顯微照片。有斜度的側(cè)壁是平滑的，晶片中看不到切口存在。例2用例1的工藝條件，第一階段持續(xù)時(shí)間為120秒，形成的開口直徑約1000微米，側(cè)壁傾角約67°。第二蝕刻階段腔體壓力由100毫乇代替300毫乇，持續(xù)時(shí)間為60秒。第二階段形成一直徑約600微米，側(cè)壁傾角約81°的通孔底部開口。圖4是結(jié)果的顯微照片。另外，在初始蝕刻角和第二個蝕刻角之間形成了平滑過渡。無明顯切口存在。
這樣僅改變兩個參數(shù)，蝕刻時(shí)間和蝕刻氣體比例，開口的側(cè)壁形狀就可隨意改變以形成有不同傾斜角度的不同尺寸的開口?？赏ㄟ^逐漸改變蝕刻氣體比例得到更平滑的側(cè)壁斜面。另外，改變其它參數(shù)，如壓力、電源、磁場強(qiáng)度等，依據(jù)本發(fā)明可得到無數(shù)種側(cè)壁斜面和形狀。
例中選擇的蝕刻氣體在二氧化硅與通孔底部的氮化鈦?zhàn)钃鯇娱g可得到高蝕刻選擇性，然而，根據(jù)所遇到材料的性質(zhì)，如下層的材料及所要求的蝕刻選擇性，常用的其它針對二氧化硅的含氟蝕刻氣體也可作為替代品。
本發(fā)明方法的另一好處是用于在被化學(xué)-機(jī)械拋光(CMP過程)后的二氧化硅層中蝕刻通孔。這種類型的拋光是用來使二氧化硅層平面化，尤其當(dāng)?shù)矸e在如金屬線這種拓樸性質(zhì)上的二氧化硅層。然而雖然有效，但CMP并不能提供一個完全地平面的二氧化硅層，從而在這層上面將制作第二層器件。這樣用單步蝕刻工序在厚度有變化的二氧化硅層上蝕刻許多通孔時(shí)，接近二氧化硅層底部的通孔尺寸也會隨之不同。
圖5說明在穿過具有可變厚度的二氧化硅層100的單步蝕刻過程中發(fā)生的情況(開口104中的虛線表示二氧化硅層100的初始厚度)。蝕刻后，所有開口104形成一預(yù)定的傾斜角度。這樣，盡管開口頂部的尺寸幾乎一樣，但在襯底上，穿過二氧化硅層100的較厚部分102形成的開口104比穿過二氧化硅層較薄部分103形成的開口要小。這種情況是由于開口頂部聚合物形成所致。然而，所需蝕刻越深，在二氧化硅層與它下面襯底交界處的開口寬度越窄。與下層接觸層的任何不對準(zhǔn)，尤其是較小開口，都會導(dǎo)致錯誤的電連接。
然而，依照本發(fā)明過程，在第一步驟所有開口的上面部分都在二氧化硅層中蝕刻到一預(yù)定的深度。這些開口幾乎有同樣的寬度。第二步驟形成一種直壁的、幾乎垂直的側(cè)壁開口。這樣在通孔底部的開口也幾乎都有同樣的尺寸，而與二氧化硅的層的厚度無關(guān)。僅僅開口的總深度有所不同。
雖然以具體實(shí)施例說明了本發(fā)明，但蝕刻氣體、開口傾角大小等的不同變化，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在知曉本發(fā)明方法后均可實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1．以單個等離子蝕刻腔體對介電性二氧化硅層用等離子蝕刻通孔開口的方法包括蝕刻過程中改變反應(yīng)條件從而改變被蝕刻開口的側(cè)壁傾斜度。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中蝕刻氣體是含氟氣體和氬氣的混合氣體。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中初始蝕刻通過在側(cè)壁上淀積一種聚合物而形成有斜度的側(cè)壁型面，然后繼續(xù)蝕刻以形成直壁的、垂直的開口。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其中含氟氣體是CHF3。
5．以單個等離子蝕刻腔體，對介電性二氧化硅層用等離子蝕刻通孔開口的方法包括隨著蝕刻的繼續(xù)，通過在開口側(cè)壁淀積不斷增多的聚合物，等離子蝕刻出一部分地穿過二氧化硅層的有斜度的開口，在剩下的二氧化硅層中，各向異性地等離子蝕刻出直壁的垂直開口。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其中等離子氣體由含氟氣體和氬氣組成的。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過改變蝕刻氣體中成份的相對比例來改變側(cè)壁的傾斜度。
8．如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的含氟蝕刻氣體是CHF3。
9．如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述二氧化硅層是有厚度變化的。
全文摘要
蝕刻過程中,通過改變淀積在側(cè)壁上的聚合物比例可以形成具有變化的側(cè)壁斜度的通孔開口。例如,改變含氟蝕刻氣體和惰性運(yùn)載氣體的比例,通過連續(xù)地淀積材料層,在二氧化硅層光滑地蝕刻出斜度可變的開口以確保完全地填充通孔。
文檔編號H01L21/70GK1221210SQ98105790
公開日1999年6月30日 申請日期1998年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月27日
發(fā)明者約肯·哈尼貝克 申請人:西門子公司