CN100561664C

CN100561664C - 刻蚀后残留聚合物的去除方法及刻蚀结构的形成方法

Info

Publication number: CN100561664C
Application number: CNB2007100405968A
Authority: CN
Inventors: 刘乒; 马擎天; 尹晓明
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: CN101303966A

Abstract

本发明公开了一种刻蚀后残留聚合物的去除方法，包括步骤：提供刻蚀后的衬底；利用含氢的气体对所述衬底进行第一等离子体处理；利用含氧的气体对所述衬底进行第二等离子体处理。本发明的聚合物去除方法在避免刻蚀结构的孔径变大的前提下，改善了刻蚀后残留聚合物的去除效果。本发明还公开了一种刻蚀结构的形成方法，其通过两次等离子体处理，形成了质量较好的刻蚀结构。

Description

刻蚀后残留聚合物的去除方法及刻蚀结构的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种刻蚀后残留聚合物的去除方法及刻蚀结构的形成方法。

背景技术

随着超大规模集成电路器件特征尺寸不断地等比例缩小，集成度不断地提高，对可以完整地将掩膜图形复制到衬底表面的刻蚀技术的要求也越来越高。不但要求刻蚀的均匀性好；还要求刻蚀后形成的刻蚀结构具有较好的侧壁形状。为此，现有的刻蚀过程中常需要产生一些附着于侧壁上的聚合物(polymer)，其可以在刻蚀过程中防止发生横向刻蚀，形成具有较好的侧壁形状的刻蚀结构。

图1至3是说明现有的刻蚀方法的器件剖面示意图。图1为刻蚀前的器件剖面示意图，如图1所示，在硅衬底101上生长介质层102，该介质层102可以是氧化硅层，然后在介质层102的表面涂布光刻胶103，并光刻形成刻蚀结构的图形。

图2为刻蚀后的器件剖面示意图，如图2所示，利用刻蚀工艺将未被光刻胶保护的介质层102刻蚀去除。在刻蚀过程中，通常所用的刻蚀反应气体会包含CF₄、CF₈、C₅F₈、C₄F₆、CHF₃中气体中的一种，它们与光刻胶、刻蚀生成物等会产生一定的结合，形成聚合物210，该聚合物210能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对刻蚀结构的孔径尺寸的良好控制。

但是，这些聚合物在刻蚀完成后必须去除，否则将成为增加产品表面缺陷密度的颗粒和污染物源，毁坏器件功能，影响器件的成品率和可靠性。因此，这些聚合物的去除已成为了刻蚀工艺完成后必须经过的一个关键步骤，其去除效果的好坏也备受关注。

现有的去除刻蚀后残留聚合物的方法主要有两种，一种是湿法清洗的方法，另一种则是利用氧气等离子体实现的清洗方法，但这两种方法都有不足的地方：

对于湿法清洗的方法，是在刻蚀后利用特殊的化学溶剂对衬底进行清洁以去除残留的聚合物的方法，如通常可以用去光阻液(EKC)或标准清洗液1(SC1)进行该种湿法清洁；但是，该种湿法清洗方法不仅实现起来较为麻烦、成本较高，而且往往不能将残留的聚合物完全去除干净，仍会残留下部分难溶的聚合物微粒。图3为采用现有的湿法清洗方法去除残留聚合物后的器件剖面图，如图3所示，在刻蚀完成后，若未能完全去除聚合物，则在刻蚀的沟槽内仍会残留一些聚合物微粒310，这些残留聚合物微粒310一般都很小，甚至可以逃过正常的镜检进入后面的工艺流程，但随着工艺的进行，这些残留的聚合物微粒往往会发生移动，在衬底表面形成微粒缺陷，并最终对器件性能造成不可弥补的影响。

对于等离子体清洗方法，是在刻蚀完成后，采用含氧的气体对衬底进行等离子处理，以消除刻蚀沟槽内的聚合物的方法。但是，采用该等离子体方法处理后常会出现刻蚀结构的孔径变大的现象，影响到了对图形线宽的控制。图4为采用现有的等离子体清洗方法去除残留聚合物后的器件剖面图，如图4所示，利用氧气等离子体清洗后，在介质层102内形成的刻蚀结构401的孔径变大了。其原因在于，刻蚀后的聚合物中残留了大量的F-离子，当利用O₂进行等离子体处理时，该F^-离子会与刻蚀结构的侧壁介质层发生进一步的刻蚀反应，结果导致刻蚀结构的孔径变大，影响了对图形线宽的控制。

有关刻蚀后残留聚合物的去除方法，在公开号为CN1848383的中国专利申请中还包括了更多的信息。

发明内容

本发明提供一种刻蚀后残留聚合物的去除方法，可以改善刻蚀后残留聚合物的去除效果。

本发明还提供一种刻蚀结构的形成方法，其通过改善刻蚀后残留聚合物的去除效果而提高了刻蚀结构的形成质量。

本发明提供一种刻蚀后残留聚合物的去除方法，包括步骤：

提供刻蚀后的衬底；

利用含氢的气体对所述衬底进行第一等离子体处理；

利用含氧的气体对所述衬底进行第二等离子体处理。

其中，所述含氢的气体可以为氢气；所述含氧的气体可以为氧气或臭气。

其中，所述第一等离子体处理和所述第二等离子体处理过程中还通入了载气体，且所述载气体至少包含氮气、氩气或氦气中的一种。

其中，所述含氢气体与所述载气体的流量比在3∶1至20∶1之间。

其中，所述含氧气体与所述载气体的流量比在1∶30至1∶10之间。

其中，所述第一等离子体处理的功率在100W至800W之间，腔室压力在50至200mTorr之间，通入的含氢气体的流量在50sccm至800sccm之间。

其中，所述第二等离子体处理的功率在200W至600W之间，腔室压力在10至100mTorr之间，通入的含氧气体的流量在5sccm至50sccm之间。

本发明具有相同或相应技术特征的一种刻蚀结构的形成方法，包括步骤：

提供衬底；

利用掩膜在所述衬底上形成刻蚀结构的图案；

对所述衬底进行刻蚀，形成所述刻蚀结构；

利用含氢的气体对所述刻蚀后的衬底进行第一等离子体处理；

利用含氧的气体对所述刻蚀后的衬底进行第二等离子体处理。

其中，所述刻蚀、第一等离子体处理和第二等离子体处理是利用同一台等离子体刻蚀设备完成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的刻蚀后残留聚合物的去除方法，先利用第一等离子体处理中含氢的气体破坏了残留聚合物中的稳定的化学键，并将F-离子去除；再利用第二等离子体处理中含氧的气体将剩余的聚合物较为彻底地去除。利用本发明的刻蚀后残留聚合物的去除方法，不仅可以改善残留聚合物的去除效果，还可以有效防止因F-离子存在而引发的刻蚀结构的孔径变大的现象。

本发明的刻蚀结构的形成方法，在刻蚀后，进行了第一等离子体处理和第二等离子体处理，在保持孔径不变的前提下，较为彻底地去除了刻蚀后残留的聚合物，提高了刻蚀结构的形成质量。

附图说明

图1为刻蚀前的器件剖面示意图；

图2为刻蚀后的器件剖面示意图；

图3为采用现有的湿法清洗方法去除残留聚合物后的器件剖面图；

图4为采用现有的等离子体清洗方法去除残留聚合物后的器件剖面图；

图5为采用本发明第一实施例的流程图；

图6为采用本发明第一实施例中去除残留聚合物后的器件剖面图；

图7为本发明第二实施例的双镶嵌刻蚀结构形成方法的流程图；

图8为本发明第二实施例中形成层间介质层后的器件剖面示意图；

图9为本发明第二实施例中形成通孔后的器件剖面图；

图10为本发明第二实施例中形成沟槽后的器件剖面示意图；

图11为本发明第二实施例中去除残留聚合物后的器件剖面图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明的刻蚀后残留聚合物的去除方法，先利用含氢的等离子体气体对残留聚合物中的F^-离子进行了去除，然后，再利用含氧的等离子体气体对余下的聚合物进行去除。本发明的聚合物去除方法，还通过大量实验确定了较为合适的工艺条件，实现了对聚合物的较为彻底的去除。图5为本发明第一实施例的流程图，下面结合图5对本发明的第一实施例进行详细说明。

首先，提供刻蚀后的衬底(S501)。本步中提供的刻蚀后衬底可以是已刻蚀形成接触孔、通孔等各类刻蚀结构的衬底，如，可以是刻蚀后在层间介质层内形成通孔的衬底。本实施例中，该刻蚀后的衬底如图2中所示，由硅衬底101和衬底上的介质层102组成，本实施例中，该介质层102为氧化硅层。利用光刻胶103为掩膜在介质层102内形成了刻蚀结构，为了确保刻蚀结构具有较好的侧壁形状，在刻蚀过程中需要产生一定的附着于刻蚀结构侧壁上的聚合物210。本实施例中，该刻蚀过程中所用的刻蚀气体至少包含了CF₃、CF₄、CH₂F₂、CHF₃和C₄F₈等碳氟气体中的一种。

在刻蚀后，必须要将这些聚合物210去除，否则其将成为颗粒污染源，影响器件的成品率和可靠性。然而，这种在刻蚀过程中产生的聚合物的成份相当复杂，具有很强的难以氧化和去除的碳氟键(C-F)，难以去除。为了能将刻蚀后残留的聚合物210去除干净，且对器件结构影响不大，本实施例中，对该刻蚀后的衬底进行了两次等离子体处理。

第一次等离子体处理为利用含氢的气体对所述衬底进行的第一等离子体处理(S502)。本实施例中所用的含氢气体为氢气(H₂)，其可以打破聚合物中稳定的碳氟键(C-F)，将F^-离子快速带离，大大减少聚合物中残留的F^-离子量。该第一等离体处理可以在室温下进行，所用的功率在100W至800W之间，如为300W、600W等，处理的时间在5秒至30秒之间，如为20秒，所通入的氢气的流量在50sccm至800sccm之间，如为500sccm，腔室的压力保持在50至200mTorr之间，如为100mTorr、150mTorr等。

第二次等离子体处理为利用含氧的气体对所述衬底进行的第二等离子体处理(S503)。本实施例中，所用含氧气体为氧气(O₂)，在本发明的其他实施例中，所用的含氧气体还可以为臭氧(O₃)等其他含氧气体。该第二等离体处理可以在室温下进行，所用的功率在100W至600W之间，如为200W、400W等，处理的时间在5秒至30秒之间，如为20秒，所通入的氧气的流量在5sccm至50sccm之间，如为10sccm、20sccm，腔室的压力保持在10至100mTorr，如为15mTorr、50mTorr等。

图6为采用本发明第一实施例中去除残留聚合物后的器件剖面图，如图6所示，采用本实施例的两步等离子体处理的方法去除刻蚀后的残留聚合物后，形成的刻蚀结构601不仅维持了小孔径，且所附着的聚合物也被较好地去除了。

之所以采用本实施例中的聚合物去除方法可以达到上述效果是由于在第一等离子体处理过程中已由氢气带走了大部分的F^-离子，在进行第二等离子体处理过程中，利用包括含氧气体在内的等离子体去除余下的聚合物时，不会再由于F^-离子的存在而导致刻蚀结构的孔径变大，仍能保持原有的孔径。

本实施例中，当刻蚀后形成的刻蚀结构的孔径为104nm时，如果直接采用传统的氧气等离子体进行聚合物的去除，则去除聚合物后的孔径变为了108nm，对形成的图形的尺寸有较大的影响；如果采用本发明的两步等离子体处理方法进行聚合物去除，则去除聚合物后的孔径仍可以保持不变，为104nm。

为了达到更好的去除效果，提高去除效率，在第一等离子体处理和/或第二等离子体处理过程中，还可以通入载气体，该载气体通常为不活泼的气体，如氮气、氩气或氦气等。本实施例中，在第一等离子体处理过程中除了通入氢气外，还通入了载气体——氮气，并将氢气与氮气的流量比设置在3∶1至20∶1之间，如为10∶1。在第二等离子体处理过程中除了通入氧气外，还通入了载气体——氩气，并将氧气与氩气的流量比设置在1∶30至1∶10之间，如为1∶20。

利用本发明的刻蚀结构的形成方法还可以形成质量较好的刻蚀结构，本发明的第二实施例以双镶嵌结构为例，说明了采用本发明的方法形成具有较好质量的双镶嵌刻蚀结构的详细过程。

图7为本发明第二实施例的双镶嵌刻蚀结构形成方法的流程图，图8至12为说明本发明第二实施例的双镶嵌刻蚀结构形成方法的器件剖面示意图，下面结合图7至12对本发明的第二实施例进行详细说明。

首先，提供衬底(S701)。因双镶嵌结构是用于形成层间金属导线连接的，在该衬底表面上应具有至少一处导电区域，且后面最终形成的双镶嵌结构的底部是与该衬底表面上的导电区域相连的，或者说，本发明的双镶嵌结构是建立在衬底表面的部分导电区域之上的，以实现两层间的电连接。

然后，在该衬底上形成刻蚀停止层(S702)。该层是用于保护下面的衬底材料的，要求其在刻蚀速率方面要低于其上的生长的介质层，以防止后面刻蚀介质层发生过刻蚀时会损伤到下面的衬底材料。在0.13微米以上的工艺中，该层一般采用氮化硅材料，而0.13微米以下的工艺中，为了与低k值的介质材料更好地匹配，常改用含氧、氮的碳硅化合物材料作为刻蚀停止层。本实施例中选用的是含氮的碳硅化合物。

接着，在刻蚀停止层上沉积层间介质层(S703)。图8为本发明第二实施例中形成层间介质层后的器件剖面示意图(图中未示出衬底中的导电区域)，如图8所示，衬底801上为刻蚀停止层802，在其上又形成了层间介质层803。对于高集成度、高速器件，为降低寄生电容，该介质层必须选择低k值的介质层，如利用化学气相沉积方法形成的掺氟的氧化硅(FSG)，掺碳的氧化硅(CDO)，未掺杂的氧化硅(USG)层，或者采用旋涂的方式(SOD)利用液态的胶状氧化硅基材料形成的多孔介质层等。本实施例中选用的是具有低k值的化学气相沉积方法制成的黑钻石(BD，Black Diamond)材料。

再接着，在介质层803上涂布光刻胶并进行图形化处理，再以该光刻胶为掩膜对介质层803进行刻蚀形成通孔(S704)。图9为本发明第二实施例中形成通孔后的器件剖面图，如图9所示，本步刻蚀工艺中，为保持较好的侧壁形状，在通孔901的侧壁处附着了一些刻蚀后的聚合物910。

本实施例中，是直接以光刻胶为掩膜对通孔进行刻蚀的，在本发明的其他实施例中，还可以在层间介质层803上再形成一层硬掩膜层(如可以生长一层氮化硅层作为硬掩膜)，先对该硬掩膜进行图形化处理，再以其为掩膜对其下的层间介质层803进行刻蚀形成通孔；或者在对该硬掩膜层进行图形化后，再以光刻胶及该硬掩膜层一起作为掩膜进行通孔的刻蚀，该硬掩膜层的存在，可以令形成的通孔边缘形状更好。

对于双镶嵌的刻蚀结构，形成通孔后，还要再进行图形化处理并刻蚀形成沟槽(S705)。图10为本发明第二实施例中形成沟槽后的器件剖面示意图，如图10所示，形成的沟槽1001下方的通孔901可以有一个或多个，其是根据电路的功能设计安排每一个沟槽下所对应的通孔的情况，通常至少会有一个。形成沟槽1001后，还需要将位于通孔901底部的刻蚀停止层102去除，该步去除可以是湿法腐蚀去除也可以是干法刻蚀去除，本实施例中，利用的是干法刻蚀的方法。

形成双镶嵌的刻蚀结构后，需要在其内填充金属实现层间的电连接，但是，如图10所示，在刻蚀形成双镶嵌的过程中，在沟槽1001及通孔901内，存在大量的刻蚀后聚合物1010，如果不能将这些聚合物1010去除，其会成为产品内部的颗粒污染源，影响后面填充金属的质量，进而影响到器件的电连接性能。为了能在保持双镶嵌结构的尺寸不变的情况下，将各刻蚀结构(本实施例中的通孔和沟槽)内的聚合物1010去除，本实施例中，在形成所需的刻蚀结构后，还进行了两步等离子体处理。

第一次等离子体处理为利用含氢的气体对所述衬底进行的第一等离子体处理(S706)。本实施例中所用的含氢气体为氢气(H₂)，其可以打破聚合物中稳定的C-F键，将F^-离子快速带离，大大减少聚合物中残留的F^-离子量。该第一等离体处理可以在室温下进行，所用的功率在300W至800W之间，如为400W、600W等，处理的时间在5秒至30秒之间，如为20秒，所通入的氢气的流量在300sccm至800sccm之间，如为500sccm，腔室的压力保持在50至200mTorr，如为100mTorr、150mTorr等。

第二次等离子体处理为利用含氧的气体对所述衬底进行的第二等离子体处理(S707)。本实施例中，所用含氧气体为臭氧(O₃)。在本发明的其他实施例中，还可以是氧气(O₂)等其他含氧气体。该第二等离体处理可以在室温下进行，所用的功率在200W至600W之间，如为300W、400W等，处理的时间在5秒至30秒之间，如为20秒，所通入的氧气的流量在5sccm至50sccm之间，如为10sccm、20sccm，腔室的压力保持在10至100mTorr，如为15mTorr、50mTorr等。

图11为本发明第二实施例中去除残留聚合物后的器件剖面图，如图11所示，采用本实施例的两步等离子体处理的方法去除刻蚀后的残留聚合物后，形成的沟槽1001及其下的通孔901不仅保持了较小的孔径，且所附着的聚合物的去除效果也较好。

至此，形成了具有较好质量的双镶嵌的刻蚀结构。接着，可以在其内填充金属(通常为铜或钨等)，形成层间的电连接。

同样地，为了达到更好的去除效果，提高去除效率，在第一等离子体处理和/或第二等离子体处理过程中，也可以通入载气体，该载气体通常可为不活泼的气体，如氮气、氩气或氦气等。本实施例中，在第一等离子体处理过程中除了通入氢气外，还通入了载气体——氮气，并将氢气与氮气的流量比设置在3∶1至20∶1之间，如为10∶1。在第二等离子体处理过程中除了通入氧气外，还通入了载气体——氩气，并将氧气与氩气的流量比设置在1∶30至1∶10之间，如为1∶20。

本实施例中，用于去除聚合物的第一等离子体处理和第二等离子处理是在形成沟槽后再进行的，在本发明的其他实施例中，还可以在形成通孔及沟槽后分别进行一次(每一次都包括第一等离子体处理和第二等离子体处理)。

本实施例中，先刻蚀形成了通孔，再刻蚀形成沟槽，在本发明的其他实施例中，还可以先形成沟槽，再形成通孔，其去除聚合物的操作同样既可以在形成沟槽和通孔后各进行一次(每一次都包括第一等离子体处理和第二等离子体处理)，也可以仅在形成通孔后进行。

本实施例中，S705中的刻蚀形成沟槽、S706中的第一等离子体处理和S707中的第二等离子体处理均在同一台等离子体刻蚀设备中原位(in suit)完成的，在本发明的其他实施例中，也可以在刻蚀形成沟槽后(此时，所用的刻蚀设备不一定为等离子体刻蚀设备)，再利用其他等离子体设备进行第一等离子体处理和第二等离子体处理，如等离子体灰化设备等。

本发明的第二实施例是以双镶嵌刻蚀结构为例，说明了本发明刻蚀结构的形成方法，在本发明的其他实施例中，还可以对其他更简单、或更复杂的刻蚀结构进行类似的去除聚合物的处理，以得到具有较好质量的刻蚀结构。在本发明上述两个实施例的启示下，这一应用上的延伸对于本领域的普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1、一种刻蚀后残留聚合物的去除方法，其特征在于，包括步骤：

提供刻蚀后的衬底；

利用氢气对所述衬底进行第一等离子体处理；

利用氧气和/或臭氧对所述衬底进行第二等离子体处理。

2、如权利要求1所述的去除方法，其特征在于：所述第一等离子体处理和所述第二等离子体处理过程中还通入了载气体。

3、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述载气体至少包含氮气、氩气或氦气中的一种。

4、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述氢气与所述载气体的流量比在3∶1至20∶1之间。

5、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述氧气和/或臭氧与所述载气体的流量比在1∶30至1∶10之间。

6、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述第一等离子体处理的功率在100W至800W之间。

7、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述第一等离子体处理的腔室压力在50至200mTorr之间。

8、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述第一等离子体处理中通入的氢气的流量在50sccm至800sccm之间。

9、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述第二等离子体处理的功率在200W至600W之间。

10、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述第二等离子体处理的腔室压力在10至100mTorr之间。

11、如权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述第二等离子体处理中通入的氧气和/或臭氧的流量在5sccm至50sccm之间。

12、一种刻蚀结构的形成方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底；

利用掩膜在所述衬底上形成刻蚀结构的图案；

对所述衬底进行刻蚀，形成所述刻蚀结构；

利用氢气对所述刻蚀后的衬底进行第一等离子体处理；

利用氧气和/或臭氧对所述刻蚀后的衬底进行第二等离子体处理。

13、如权利要求12所述的形成方法，其特征在于：所述第一等离子体处理和所述第二等离子体处理过程中还通入了载气体。

14、如权利要求13所述的形成方法，其特征在于：所述载气体至少包含氮气、氩气或氦气中的一种。

15、如权利要求13所述的形成方法，其特征在于：所述氢气与所述载气体的流量比在3∶1至20∶1之间。

16、如权利要求13所述的形成方法，其特征在于：所述氧气和/或臭氧与所述载气体的流量比在1∶30至1∶10之间。

17、如权利要求12所述的形成方法，其特征在于：所述刻蚀、第一等离子体处理和第二等离子体处理是利用同一台等离子体刻蚀设备完成。