CN100576498C

CN100576498C - 通孔的形成方法

Info

Publication number: CN100576498C
Application number: CN200710040980A
Authority: CN
Inventors: 沈满华; 王新鹏; 刘乒; 孙武
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2027-05-21
Also published as: CN101312149A

Abstract

本发明公开了一种通孔的形成方法，包括步骤：提供衬底，且所述衬底上具有介质层；利用掩膜在所述介质层上定义通孔图案；利用第一预刻蚀气体进行第一预刻蚀，去除未被所述掩膜保护的所述介质层的一部分；利用第二预刻蚀气体进行第二预刻蚀，且所述第二预刻蚀气体的碳/氟比小于所述第一预刻蚀气体的碳/氟比；进行主刻蚀，去除未被所述掩膜保护的第一介质层。采用本发明的通孔形成方法，可以在保持较小孔径的情况下，形成质量较好的通孔。

Description

通孔的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种通孔的形成方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的迅速发展，芯片的集成度越来越高，元器件的尺寸越来越小，因器件的高密度、小尺寸引发的各种效应对半导体工艺制作结果的影响也日益突出。其中一个典型的例子是小孔径通孔的制作：随着器件尺寸的缩小，芯片制作中需要形成的各种孔的尺寸也进一步缩小，然而，当所需形成的孔尺寸在110nm以下时，由于光刻中曝光机曝光极限的原因，很难仅利用光刻技术定义出孔径符合要求的通孔图案。

为形成小孔径的通孔，现在常利用刻蚀过程中产生的附着于侧壁上的聚合物(polymer)来缩小孔尺寸。图1到图4是利用现有技术形成通孔的器件剖面示意图。其中，图1为现有技术中形成光刻图案后的器件剖面示意图，如图1所示，在硅衬底100上生长停止层101，其通常为氮化硅层或碳化硅层，然后，在该停止层101上生长第一介质层102，其通常为低K值的氧化硅层，再在该介质层102上覆盖一层第二介质层——盖层(cap)103。接着，在该盖层103上形成第三介质层——抗反射层104，再接着，利用光刻胶105在抗反射层104表面上定义通孔图案。由于受到光刻中曝光极限的限制，该通孔图案110的孔径a1可能会略大于预计要形成的通孔的孔径。用光刻胶定义通孔图案后，进行刻蚀以形成通孔，现有技术中，该通孔的刻蚀分为两步，第一步为预刻蚀，第二步为主刻蚀。

图2为现有技术中预刻蚀后的器件剖面示意图，如图2所示，预刻蚀时，将未被光刻胶保护的区域中的抗反射层104与盖层103去除，为了形成较小孔径的通孔，该步预刻蚀会利用产生聚合物较多的预刻蚀气体，如CF4/CHF3，以形成较多的聚合物210保护侧壁。

图3为现有技术中主刻蚀后的器件剖面示意图，如图3所示，利用预刻蚀和主刻蚀过程中产生的聚合物310共同在主刻蚀过程中实现对通孔侧壁的保护，以形成具有较小孔径的通孔。

图4为现有技术中形成通孔后的器件剖面示意图，如图4所示，在去除光刻胶和聚合物后，形成了小孔径的通孔401，其孔径a2与光刻形成的通孔图案的孔径a1相比变得更小，通常可以缩小15nm左右。但是，由图中可以看到，由于大量聚合物的存在，刻蚀形成的通孔的侧壁较为粗糙，在显微镜下对形成的通孔表面进行观察时，各通孔的边缘均不清晰，表现出一种类似衍射条纹的形状。尤其对于利用193nm光刻胶定义图案的小孔径通孔，因193nm光刻胶更易变形，由其定义形成的通孔出现的衍射条纹现象更为严重。

在超大规模集成电路飞速发展的今天，对半导体制作工艺的要求已日益严格，对形成的器件的精密度提出了更高的期望，上述利用现有技术形成的小孔径通孔质量较差，影响到了集成电路内的电连接质量，必须加以解决。

还可以在公开号为CN1797216的中国专利申请中了解到更多有关形成小孔径通孔的信息。

发明内容

本发明提供一种通孔的形成方法，可以形成质量较好的小孔径通孔。

本发明提供一种通孔的形成方法，包括步骤：

提供衬底，且在所述衬底上具有介质层；

利用掩膜在所述介质层上定义通孔图案；

利用第一预刻蚀气体进行第一预刻蚀；

利用第二预刻蚀气体进行第二预刻蚀，且所述第二预刻蚀气体的碳/氟比小于所述第一预刻蚀气体的碳/氟比；

进行主刻蚀，去除未被所述掩膜保护的第一介质层。

其中，所述介质层可以为氧化硅层。

其中，所述第一预刻蚀气体至少包含CH₂F₂、CHF₃和C₄F₈中的一种。

其中，所述第二预刻蚀气体可以包含CF₄和O₂。

其中，所述通孔的孔径可以由所述第一预刻蚀确定。

其中，所述介质层的厚度可以在4000至

之间，所述第一预刻蚀的刻蚀深度在

至

之间，所述第二预刻蚀的刻蚀深度在

至

之间。

本发明具有相同或相应技术特征的一种通孔的形成方法，包括步骤：

提供衬底，且在所述衬底上具有第一介质层、位于第一介质层之上的第二介质层和位于第二介质层上的第三介质层；

利用掩膜在所述第三介质层上定义通孔图案；

利用第一预刻蚀气体进行第一预刻蚀；

进行主刻蚀，去除未被所述掩膜保护的第一介质层。

其中，在所述第一预刻蚀中去除未被所述掩膜保护的所述第三介质层；在所述第二预刻蚀中至少去除未被所述掩膜保护的所述第二介质层。

其中，所述第二预刻蚀气体可以包含CF₄。

其中，所述第二预刻蚀气体还可以包含O₂。

其中，所述掩膜为193nm光刻胶。

其中，所述第一介质层厚度可以在

至

之间，所述第二介质层厚度在

至

之间，所述第三介质层厚度在

至

之间。

其中，在所述衬底与所述第一介质层之间还包含一层停止层，所述停止层为氮化硅层或含氮的碳化硅层。

其中，所述通孔的孔径由所述第一预刻蚀确定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的通孔形成方法，将预刻蚀分为了第一预刻蚀和第二预刻蚀两步，其中，第一预刻蚀采用了产生聚合物较多的、高碳/氟比的第一预刻蚀气体进行刻蚀，以形成小孔径的通孔，第二预刻蚀则采用了产生聚合物较少，甚至不产生聚合物的、碳/氟比较低的第二预刻蚀气体进行刻蚀，以减少在第一预刻蚀过程中在掩膜及介质层的刻蚀侧壁上形成的聚合物，经过该预刻蚀处理后，再进行通孔的主刻蚀处理，可以在保持较小孔径的情况下，避免因聚合物过多，导致的通孔侧壁较为粗糙的现象，并最终形成质量较好的小孔径通孔。

附图说明

图1为现有技术中形成光刻图案后的器件剖面示意图；

图2为现有技术中完成预刻蚀后的器件剖面示意图；

图3为现有技术中完成主刻蚀后的器件剖面示意图；

图4为现有技术中形成通孔后的器件剖面示意图；

图5为本发明通孔形成方法的流程图；

图6为本发明第一实施例中的衬底的器件剖面示意图；

图7为本发明第一实施例中形成掩膜图案后的器件剖面示意图；

图8为本发明第一实施例中完成第一预刻蚀后的器件剖面示意图；

图9为本发明第一实施例中完成第二预刻蚀后的器件剖面示意图；

图10为本发明第一实施例中完成主刻蚀后的器件剖面示意图；

图11为本发明第一实施例中形成通孔后的器件剖面示意图；

图12为本发明第二实施例中的衬底的器件剖面示意图；

图13为本发明第二实施例中形成掩膜图案后的器件剖面示意图；

图14为本发明第二实施例中完成第一预刻蚀后的器件剖面示意图；

图15为本发明第二实施例中完成第二预刻蚀后的器件剖面示意图；

图16为本发明第二实施例中完成主刻蚀后的器件剖面示意图；

图17为本发明第二实施例中形成通孔后的器件剖面示意图。

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。

图5为本发明的通孔形成方法的流程图，图6至图11为本发明第一实施例中的器件剖面图，下面结合图5至图11对本发明的第一实施例时行详细说明。

首先，提供衬底(S501)，所述衬底上已形成刻蚀通孔前所需的各层介质层。图6为本发明第一实施例中的衬底的器件剖面示意图，如图6所示，本实施例中，在硅衬底100上依次形成了停止层101、第一介质层102、第二介质层103和第三介质层104。其中，由于本实施例中需要形成的通孔的目标孔径较小，如为90nm的孔径，停止层101采用了富含氮的碳化硅材料，其厚度大约在

至

之间，如为

第一介质层102通常属于层间介质层，其要求具有低K值，本实施例中，该第一介质层102为低K值的氧化硅层，如可以是掺磷、掺硼或掺磷硼的氧化硅层，其厚度可以在至

之间，如为

第二介质层103作为盖层，其可以是以正硅酸乙酯(TEOS)为原料制成的氧化硅层，厚度可以在

至

之间，如

第三介质层104作为抗反射层(BARC)，其厚度可以在

至

之间，如为

然后，利用掩膜在第三介质层上定义通孔图案(S502)。图7为本发明第一实施例中形成掩膜图案后的器件剖面示意图，如图7所示，本实施例中，利用193nm光刻胶105在第三介质层上定义了通孔图案，其中，因为受到曝光极限的限制，此时形成的通孔图案的孔径a1大于设定的孔径，如为115nm。为了兼顾形成小孔径通孔时的产生较多聚合物的要求，和形成高质量通孔时的通孔侧壁较光滑的要求，本实施例中，将通孔的预刻蚀过程分为了第一预刻蚀和第二预刻蚀两步。

利用第一预刻蚀气体进行第一预刻蚀(S503)。图8为本发明第一实施例中完成第一预刻蚀后的器件剖面示意图，如图8所示，以光刻胶105为掩膜进行第一预刻蚀，为了形成孔径小于光刻形成的图案孔径a1的小孔径通孔，该第一预刻蚀采用的第一预刻蚀气体具有较高的碳/氟比，以在第一预刻蚀过程中产生较多的聚合物810，该聚合物810附着在侧壁上，可以减少侧壁的横向刻蚀，达到缩小通孔孔径的目的。本实施例中，第一预刻蚀气体可以至少包含CH₂F₂、CHF₃和C₄F₈中的一种，其会在第一预刻蚀中产生较多的聚合物。本步第一预刻蚀完成后，在第三介质层上形成的孔径应与最终要实现的通孔的目标孔径相同，即其要比起光刻定义的通孔图案中的孔径a1有所缩小。

本实施例中，该第一预刻蚀仅去除了未被光刻胶105保护的第三介质层，与现有刻蚀过程相比，减少了刻蚀的时间和刻蚀的深度，减轻了在产生较多聚合物时易发生变形的193nm光刻胶的形变程度。

再接着，利用第二预刻蚀气体进行第二预刻蚀(S504)。图9为本发明第一实施例中完成第二预刻蚀后的器件剖面示意图，如图9所示，为了防止形成的聚合物过多导致的通孔侧壁粗糙、质量下降的现象，该第二预刻蚀中所用的第二预刻蚀气体的碳/氟比较小，其产生很少的聚合物甚至不产生聚合物；如，本实施例中，在第二预刻蚀气体中采用了产生聚合物较少的碳/氟比较小的CF₄。另外，在本发明的其他实施例中，为了进一步减少第一预刻蚀过程中产生的聚合物，还可以在第二预刻蚀气体中加入能刻蚀去除聚合物的气体，如氧气(O₂)。因此，在第二预刻蚀后，可以不增加或减少刻蚀孔901内的聚合物，甚至可以实现在刻蚀孔901内不再有聚合物。

注意到，第二预刻蚀的刻蚀时间或刻蚀深度是需要进行折衷考虑的，如果第二预刻蚀的刻蚀时间过长，或者说刻蚀深度较大，会导致前面第一预刻蚀中利用较多聚合物而在第三介质层内形成的小孔径变大，结果导致在主刻蚀后形成的通孔的孔径变大，不能起到缩小通孔孔径的目的；但是，如果第二预刻蚀的刻蚀时间过短，或者说刻蚀深度较小，则会对聚合物的抑制(第二预刻蚀过程中不增加聚合物)或去除(第二预刻蚀过程中减少了聚合物)效果较差，仍会在侧壁上附着有较多的聚合物，不能真正起到平滑通孔侧壁的作用，使得在主刻蚀后形成的通孔侧壁仍较为粗糙，改善通孔质量的效果不明显。

本实施例中，在第二预刻蚀中将刻蚀深度设定为仅去除了未被光刻胶105保护的第二介质层，或去除了第二介质层及一少部分的第一介质层的程度。此时，由于在第一预刻蚀过程中已在第三介质层104内形成了小孔径的刻蚀孔，在第二预刻蚀完成后，即使在第三介质层104和光刻胶105的侧壁上附着的聚合物没有增加或逐渐减少，在第二介质层103内形成的刻蚀孔仍会以第三介质层104内形成的具有较小孔径的刻蚀孔为准，即形成的是具有较小的孔径的(与第一预刻蚀后形成的孔径相同的)刻蚀孔。如图9中所示，第二预刻蚀后形成的孔径为a3，其与光刻后形成的通孔图案的孔径a1相比有所缩小(应与目标孔径一致)。

预刻蚀步骤完成后，进行主刻蚀处理(S505)。图10为本发明第一实施例中完成主刻蚀后的器件剖面示意图，如图10所示，本步主刻蚀刻蚀去除了未被光刻胶105保护的通孔区域内的第一介质层，停止于位于第一介质层102下的停止层101。对于主刻蚀而言，其刻蚀的时间较长，刻蚀的深度也较深，刻蚀时需要具有较好的方向性，为此，在刻蚀第一介质层时，可以利用能产生一定量的聚合物的刻蚀气体，以保护孔侧壁，形成方向性较好的通孔。本实施例中采用了包含CHF₃或CH₂F₂的刻蚀气体，其刻蚀结果如图10所示，在刻蚀形成的孔内壁上附着了一定量的聚合物1010。

主刻蚀后，去除光刻胶105及用作抗反射层的第三介质层104，并清洗去孔侧壁上附着的聚合物，形成通孔。图11为本发明第一实施例中形成通孔后的器件剖面示意图，如图11所示，采用本发明的形成方法，在主刻蚀后，沿前面第一预刻蚀时在第三介质层内形成的较小孔径a3形成了通孔1101，在本实施例中，a3为90nm。利用本发明的两步预刻蚀的方法，先利用较多的聚合物形成较小的孔径(第一预刻蚀)，再减少或去除形成通孔过程中所产生的聚合物总量(第二预刻蚀)，结果在保持较小孔径的前提下，形成了侧壁光滑、质量较好的通孔。

本实施例中，分别由第二介质层和第三介质层作为盖层和抗反射层，在本发明的其他实施例中，也可以利用一种介质层既形成盖层，也作为抗反射层使用。此时，第二介质层和第三介质层可以合为一层，在第一预刻蚀时，刻蚀该层的一部分，在第二预刻蚀时，再刻蚀去除该层。

图12至图17为本发明第二实施例中的器件剖面图，下面结合图5以及图12至图17对本发明的第二实施例时行详细说明。

首先，提供衬底(S501)，且所述衬底上已形成刻蚀通孔前所需的介质层。图12为本发明第二实施例中的衬底的器件剖面示意图，如图12所示，本实施例中，在硅衬底1201上形成了介质层1202，本实施例中，该用于形成通孔的介质层为氧化硅层，其厚度在至

之间，如为

然后，利用掩膜在介质层上定义通孔图案(S502)。图13为本发明第二实施例中形成掩膜图案后的器件剖面示意图，如图13所示，本实施例中，利用光刻胶1301在介质层上定义了通孔图案1302，其中，因为受到曝光极限的限制，此时形成的通孔图案的孔径b1可能会大于设定的孔径，如，本实施例中需要形成的通孔孔径为100nm的孔径，但在本步光刻后形成通孔图案的孔径b1可能为115nm。为了形成预计的目标小孔径(100nm)通孔，要求在刻蚀时产生较多聚合物，而为了要形成高质量通孔，要求形成的通孔的侧壁较光滑，为此，本实施例中，将通孔的预刻蚀过程分为了第一预刻蚀和第二预刻蚀两步。

利用第一预刻蚀气体进行第一预刻蚀(S503)。图14为本发明第二实施例中完成第一预刻蚀后的器件剖面示意图，如图14所示，以光刻胶1301为掩膜进行第一预刻蚀，为了形成孔径小于光刻形成的图案孔径b1的小孔径通孔，该第一预刻蚀采用的第一预刻蚀气体需要具有较高的碳/氟比，其可以产生较多的聚合物。该聚合物附着在侧壁上，可以减少侧壁的横向刻蚀，达到缩小孔径的目的。本实施例中，第一预刻蚀气体至少包含CH₂F₂、CHF₃和C₄F₈中的一种。

本实施例中，该第一预刻蚀仅去除了未被光刻胶1301保护的介质层的一小部分，如仅刻蚀去除

至

左右，其刻蚀的时间较短或刻蚀的深度较小，因该步刻蚀而产生的聚合物1410对光刻胶1301侧壁形状的影响不会很大，同时，因其在该步所用的仍是聚合物较多的第一预刻蚀气体，其在介质层上形成的浅刻蚀孔的孔径b2要小于光刻后形成的通孔图案的孔径b1。第一预刻蚀完成后，形成的浅刻蚀孔的孔径即为最终要形成的通孔的目标孔径，即，在本实施例中，第一预刻蚀后的孔径b2应为100nm。

再接着，利用第二预刻蚀气体进行第二预刻蚀(S504)。图15为本发明第二实施例中完成第二预刻蚀后的器件剖面示意图，如图15所示，为了防止形成的聚合物过多导致的通孔侧壁粗糙、质量下降的现象，该第二预刻蚀中所用的第二预刻蚀气体的碳/氟比较小，其产生很少的聚合物甚至不产生聚合物。另外，在刻蚀过程中，还可以加入能刻蚀去除第一预刻蚀时产生的聚合物的气体，因此，在本步第二预刻蚀后，可以减少刻蚀孔1501内的聚合物，甚至在本步后实现刻蚀孔1501内不再有聚合物。

本实施例中，采用的第二预刻蚀气体包含产生聚合物较少的碳/氟比较小的CF₄，以及可以去除部分聚合物的O₂，在本发明的其他实施例中，还可以采用包含其他碳/氟比较小的碳氟气体的刻蚀气体为第二预刻蚀气体。

注意到，第二预刻蚀的刻蚀时间或刻蚀深度是需要进行折衷考虑的，如果第二预刻蚀的刻蚀时间过长，或者说刻蚀深度较大，将使形成的通孔的孔径变大，而如果第二预刻蚀的刻蚀时间过短，或者说刻蚀深度较小，将不能真正起到平滑通孔侧壁的作用，不能实现改善通孔质量的目的。本实施例中，在第二预刻蚀中将刻蚀深度设定为再去除一小部分未被光刻胶1301保护的介质层，如可以在第二预刻蚀中再刻蚀去除

至

左右的介质层。此时，由于在第一预刻蚀过程中已在介质层1202内形成了小孔径的刻蚀孔，在第二预刻蚀完成后，仍可以在介质层1202内形成较小孔径的刻蚀孔。另外，由于在第二预刻蚀过程中，介质层1202和光刻胶1301的侧壁上附着的聚合物不会增加或逐渐减少，因聚合物过多而导致的孔侧壁粗糙的现象也会有所改善。

预刻蚀步骤完成后，进行主刻蚀处理(S505)。图16为本发明第二实施例中完成主刻蚀后的器件剖面示意图，如图16所示，本步主刻蚀将未被光刻胶1301保护的通孔区域内的介质层全部刻蚀去除。主刻蚀的刻蚀时间较长，为了能在主刻蚀过程中保护孔侧壁，实现方向性较好的刻蚀，其所用的刻蚀气体仍需要产生一定量的聚合物，如可以采用包含CHF₃的刻蚀气体。主刻蚀后的结果如图16所示，在刻蚀形成的孔内壁上附着了一定量的聚合物1610。

主刻蚀后，去除光刻胶1301，并进行清洗去孔内壁上附着的聚合物，形成通孔。图17为本发明第二实施例中形成通孔后的器件剖面示意图，如图17所示，采用本发明的形成方法后，最终形成了孔径为b2的通孔1701。本实施例中，需要形成的是100nm的通孔，但光刻后形成的通孔图案的孔径b1为115nm，利用本发明的两步预刻蚀的方法，最终形成了满足目标的100nm的通孔，且形成的通孔侧壁光滑、质量较好。

本发明的通孔形成方法，将预刻蚀分为了两步，第一预刻蚀主要是实现较小的孔径，为此其需要产生较多的聚合物；第二预刻蚀主要是令通孔壁光滑，为此其需要不产生聚合物或去除第一预刻蚀过程中产生的聚合物(总之，是减少整个通孔形成过程中侧壁上附着的聚合物的问题)。注意到，为了防止在后续的第二预刻蚀中减少聚合物而引起形成的通孔孔径有所变大，在本发明的其他实施例中，还可以将第一预刻蚀过程中产生的聚合物的量设置得比通常现有的预刻蚀中的更多(相同刻蚀深度时)，这样可以确保第二预刻蚀去除聚合物提高通孔质量的同时，仍能保持通孔的小孔径。

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。