CN101483135A

CN101483135A - 含碳层的刻蚀方法

Info

Publication number: CN101483135A
Application number: CNA2008102053718A
Authority: CN
Inventors: 埃文·皮尔斯
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai; Advanced Micro Fabrication Equipment Inc
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2009-07-15

Abstract

一种含碳层的刻蚀方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有含碳层；以含氧气体与含硅气体作为混合刻蚀气体，在等离子体刻蚀所述含碳层以形成含碳层图形的同时，所述刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层。本发明保证后续半导体器件尺寸符合要求，提高半导体器件的质量及良品率。

Description

含碳层的刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及含碳层的刻蚀方法。

背景技术

随着半导体器件的集成度越来越高，半导体器件的临界尺寸也在不断减小，并且在形成金属互连结构的过程中，通孔的深宽比也在不断提高。在刻蚀形成通孔过程中，为了能使被刻蚀膜层被完全刻蚀，形成贯穿该膜层的通孔，而避免产生刻蚀残留的现象，需要将定义出通孔图形的光刻胶层厚度减小；然而光刻胶层的厚度过薄的话，会产生很多问题。为了解决这些问题，现有技术在形成光刻胶层之前，先形成一无定形碳层作为刻蚀阻挡层。

现有技术在形成通孔过程中，采用无定形碳层作为刻蚀阻挡层的具体工艺如下：如图1所示，在半导体衬底10上形成层间绝缘层12，所述半导体衬底10与层间绝缘层12之间有晶体管及金属布线层等。在层间绝缘层12上形成含碳层14，所述含碳层14为无定形碳层。在含碳层14上旋涂光刻胶层16，经过曝光显影工艺后，在光刻胶层16上定义出光刻胶图形17，其中，还可以在光刻胶层16与阻挡层14之间形成防反射层，用以提高光刻胶层的分辨率，防止尺寸精度下降。

如图2所示，以光刻胶层16为掩膜，沿通孔光刻胶图形17刻蚀含碳层14至露出层间绝缘层12，形成含碳层图形18，所述刻蚀方法为等离子体干法刻蚀，所采用的刻蚀气体为氧气或氧气与一氧化碳混合气体或氧气与二氧化硫混合气体。用灰化法去除光刻胶层16，然后再采用湿法刻蚀法去除光刻胶层16的残留物。

如图3所示，以含碳层14为掩膜，沿含碳层图形18刻蚀层间绝缘层12至露出半导体衬底10，形成工艺所需器件19。

现有技术中，用等离子体刻蚀法刻蚀含碳层，形成含碳层图形时，由于氧气等含氧气体和碳发生化学刻蚀具有各向同性，虽然等离子体刻蚀具有各向异性，能通过电压对刻蚀方向进行控制，但是含氧气体与碳的反应在刻蚀总量中所占比例更高，所以仍然会在形成含碳层图形时，在刻蚀阻挡层侧壁上产生侵蚀，使得其侧壁上产生底切(undercut)，使后续以阻挡层为掩膜，刻蚀层间绝缘层形成通孔过程中，通孔的临界尺寸(Critical Dimension)会发生变化，降低了半导体器件的质量。

发明内容

本发明解决的问题是，在刻蚀含碳层的过程中，防止或减少在含碳层的上端形成底切，从而导致后续工艺尺寸不符合要求的不足。

为解决上述问题，本发明一种含碳层的刻蚀方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有含碳层；以含氧气体与含硅气体作为混合刻蚀气体，在等离子体刻蚀所述含碳层以形成含碳层图形的同时，所述刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层。

可选的，在含碳层的整个侧壁形成保护层。

可选的，所述含氧气体包括氧气或一氧化碳或二氧化硫或上述气体的两种或三种气体的混合物。

可选的，所述含硅气体包括硅烷或正硅酸乙酯或四氟化硅或四氯化硅或上述气体的两种或两种以上气体的混合物。

可选的，所述含硅气体流量占混合刻蚀气体总流量的5％～50％。

可选的，所述保护层的厚度为150埃～400埃。

可选的，所述含碳层的材料是无定形碳。

一种层间绝缘层的刻蚀方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有层间绝缘层和含碳层；以含氧气体与含硅气体作为混合刻蚀气体，在等离子体刻蚀所述含碳层以形成含碳层图形的同时，所述刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层；以含碳层为掩膜，沿含碳层图形刻蚀层间绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在刻蚀形成含碳层图形过程中，在含碳层图形侧壁形成保护层，防止在刻蚀时由于含氧气体刻蚀的各向同性使含碳层图形上产生底切，进而保证后续半导体器件尺寸符合要求，提高半导体器件的质量及良品率。

附图说明

图1至图3是现有形成通孔工艺中采用含碳层作为刻蚀阻挡层的示意图；

图4是本发明刻蚀含碳层的具体实施方式流程图；

图5是本发明刻蚀层间绝缘层的具体实施方式流程图；

图6至图9是本发明形成通孔工艺中刻蚀含碳层的第一实施例示意图；

图10至图14是本发明形成通孔工艺中刻蚀含碳层的第二实施例示意图。

具体实施方式

图4是本发明刻蚀含碳层的具体实施方式流程图。作为一种实施方式，所述含碳层通常作为一种含碳掩膜层，来刻蚀设置于其下的其他层。如图4所示，执行步骤S1，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有含碳层。

在形成含碳层之前，所述半导体衬底上已形成有晶体管等半导体器件及金属布线层，层间绝缘层等。所述含碳层可以是无定形碳层。

执行步骤S2，以含氧气体与含硅气体作为混合刻蚀气体，在等离子体刻蚀所述含碳层以形成含碳层图形的同时，所述刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层。

采用等离子体刻蚀方法刻蚀含碳层形成通孔图形，在刻蚀气体中加入硅烷、四氟化硅、四氯化硅或正硅酸乙酯，与刻蚀气体中的氧气或臭氧反应，在通孔图形的侧壁形成二氧化硅保护层。

本发明在刻蚀形成含碳层图形过程中，在含碳层图形侧壁形成保护层，用以保护掩膜层，防止在刻蚀时由于含氧气体刻蚀的各向同性使而使含碳层图形上方产生底切，进而保证后续半导体器件尺寸符合要求，提高半导体器件的质量及良品率。

作为一种较佳实施方式，本发明在刻蚀形成含碳层图形过程中，在含碳层上方的光刻胶层上，也可能会沉积有少量的二氧化硅，可以通过控制刻蚀反应装置的各种参数，比如，离子能量、射频功率、射频频率、反应腔内的气压等，尽量减少沉积于光刻胶层上方的二氧化硅，而在含碳层图形的垂直侧壁上形成二氧化硅保护层。或者，在刻蚀过程中，也可以通过控制偏置电压(Vdc)来移除沉积于光刻胶层上方的二氧化硅。

图5是本发明刻蚀层间绝缘层的具体实施方式流程图。如图5所示，执行步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有层间绝缘层和含碳层；执行步骤S12，以含氧气体与含硅气体作为刻蚀气体，等离子体刻蚀含碳层形成含碳层图形的同时，刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层；执行步骤S13，以含碳层为掩膜，沿含碳层图形刻蚀层间绝缘层。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

图6至图9是本发明形成通孔工艺中刻蚀含碳层的第一实施例示意图。如图6所示，在半导体衬底100上用化学气相沉积法形成厚度为5000埃～15000埃的层间绝缘层102，其中层间绝缘层102的材料可以是二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等；所述半导体衬底100与层间绝缘层102之间形成有晶体管及金属布线层等。在层间绝缘层102上形成含碳层104，所述含碳层104的材料为无定形碳，厚度为1000埃～2000埃；形成以无定形碳为材料的含碳层104的方法为化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法。在含碳层104上旋涂光刻胶层106，经过曝光显影工艺后，在光刻胶层106上定义出通孔光刻胶图形107，其中，还可以在光刻胶层106与含碳层104之间形成以有机物质为材料的防反射层，用以提高光刻胶层的分辨率，防止尺寸精度下降。

如图7所示，以光刻胶层106为掩膜，以含氧气体与含硅气体作为刻蚀气体110，沿通孔光刻胶图形107，等离子体化刻蚀含碳层104至露出层间绝缘层102，形成通孔含碳层图形108；其中，在刻蚀的过程中，含氧气体与含硅气体反应产生的二氧化硅，在通孔含碳层图形108侧壁沉积厚度为150埃～400埃的保护层112。

本实施例中，刻蚀气体110中含氧气体包括氧气或一氧化碳或二氧化硫或上述气体的两种或三种气体的混合物。含硅气体包括硅烷或正硅酸乙酯或四氟化硅或四氯化硅或上述气体的两种或两种以上气体的混合物。所述含硅气体流量占混合刻蚀气体总流量的5％～50％。

刻蚀气体110具体混合如下：可以是氧气与硅烷的混合气体，其中氧气流量占气体总流量的50％～95％，硅烷流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是氧气、一氧化碳与硅烷的混合气体，其中氧气与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，硅烷流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是氧气、二氧化硫与硅烷的混合气体，其中氧气与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，硅烷流量占气体总流量的5％～50％。所述氧气与硅烷反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110还可以是氧气与正硅酸乙酯的混合气体，其中氧气流量占气体总流量的50％～95％，正硅酸乙酯流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是氧气、一氧化碳与正硅酸乙酯的混合气体，其中氧气与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，正硅酸乙酯流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是氧气、二氧化硫与正硅酸乙酯的混合气体，其中氧气与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，正硅酸乙酯流量占气体总流量的5％～50％。所述氧气与正硅酸乙酯反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110还可以是氧气与四氟化硅的混合气体，其中氧气流量占气体总流量的50％～95％，四氟化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是氧气、一氧化碳与四氟化硅的混合气体，其中氧气与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，四氟化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是氧气、二氧化硫与四氟化硅的混合气体，其中氧气与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，四氟化硅流量占气体总流量的5％～50％。所述氧气与四氟化硅反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110还可以是氧气与四氯化硅的混合气体，其中氧气流量占气体总流量的50％～95％，四氯化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是氧气、一氧化碳与四氯化硅的混合气体，其中氧气与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，四氯化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是氧气、二氧化硫与四氯化硅的混合气体，其中氧气与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，四氯化硅流量占气体总流量的5％～50％。所述氧气与四氯化硅反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110可以是臭氧与硅烷的混合气体，其中臭氧流量占气体总流量的50％～95％，硅烷流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是臭氧、一氧化碳与硅烷的混合气体，其中臭氧与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，硅烷流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是臭氧、二氧化硫与硅烷的混合气体，其中臭氧与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，硅烷流量占气体总流量的5％～50％。所述臭氧与硅烷反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110可以是臭氧与正硅酸乙酯的混合气体，其中臭氧流量占气体总流量的50％～95％，正硅酸乙酯流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是臭氧、一氧化碳与正硅酸乙酯的混合气体，其中臭氧与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，正硅酸乙酯流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是臭氧、二氧化硫与正硅酸乙酯的混合气体，其中臭氧与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，正硅酸乙酯流量占气体总流量的5％～50％。所述臭氧与正硅酸乙酯反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110还可以是臭氧与四氟化硅的混合气体，其中臭氧流量占气体总流量的50％～95％，四氟化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是臭氧、一氧化碳与四氟化硅的混合气体，其中臭氧与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，四氟化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是臭氧、二氧化硫与四氟化硅的混合气体，其中臭氧与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，四氟化硅流量占气体总流量的5％～50％。所述臭氧与四氟化硅反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

刻蚀气体110还可以是臭氧与四氯化硅的混合气体，其中臭氧流量占气体总流量的50％～95％，四氯化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110还可以是臭氧、一氧化碳与四氯化硅的混合气体，其中臭氧与一氧化碳的流量占气体总流量的50％～95％，四氯化硅流量占气体总流量的5％～50％；刻蚀气体110可以是臭氧、二氧化硫与四氯化硅的混合气体，其中臭氧与二氧化硫的流量占气体总流量的50％～95％，四氯化硅流量占气体总流量的5％～50％。所述臭氧与四氯化硅反应在通孔阻挡层图形108侧壁形成以二氧化硅为材料的保护层112。

如图8所示，用灰化法去除光刻胶层106，然后再采用湿法刻蚀法去除光刻胶层106的残留物。以含碳层104和保护层112为掩膜，沿含碳层图形108刻蚀层间绝缘层102至露出半导体衬底100，形成通孔109，所述刻蚀方法为干法刻蚀。

如图9所示，用等离子体刻蚀法去除含碳层104和保护层112，所述刻蚀气体可以是氧气，氧气与一氧化碳混合气体，氧气与二氧化硫混合气体，臭氧，臭氧与一氧化碳混合气体或臭氧与二氧化硫混合气体。

除本实施例外，还可以用此方法形成双镶嵌结构中的沟槽，其中不需要完全将层间绝缘层刻蚀至露出半导体衬底。

实施例二

图10至图14是本发明形成通孔工艺中刻蚀含碳层的第二实施例示意图。如图10所示，在半导体衬底200上用化学气相沉积法形成厚度为5000埃～15000埃的层间绝缘层202，其中层间绝缘层202的材料可以是二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等；所述半导体衬底200与层间绝缘层202之间形成有晶体管及金属布线层等。在层间绝缘层202上形成含碳层204，所述含碳层204的材料为无定形碳，厚度为1000埃～2000埃；形成以无定形碳为材料的含碳层204的方法为化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法。

继续参考图10，在含碳层204上用等离子体增强化学气相沉积法或原子层沉积法形成顶盖层203，所述顶盖层203的材料为氮氧化硅或硅等；顶盖层203的厚度为300埃～500埃；所述顶盖层203的作用为作为刻蚀保护层在后续刻蚀过程中保护其下方的膜层不受刻蚀气体的影响。用旋涂法在顶盖层203上形成防反射层205，其材料可以是有机物质，厚度为300埃～500埃；作用为用以提高后续光刻胶层的分辨率，防止尺寸精度下降。在防反射层205上旋涂光刻胶层206，经过曝光显影工艺后，在光刻胶层206上定义出通孔光刻胶图形207；所述曝光过程中采用的激光为氟化氪激光、氟化氩激光等。

如图11所示，以光刻胶层206为掩膜，沿通孔光刻胶图形207刻蚀防反射层205和顶盖层203至露出含碳层204，形成通孔图形208，所述刻蚀方法为干法刻蚀。用灰化法去除光刻胶层206，然后再采用湿法刻蚀法去除光刻胶层206的残留物。

本实施例中，还可以在用湿法刻蚀法去除光刻胶层206的同时去除防反射层205。

如图12所述，以防反射层205和顶盖层203为掩膜，以含氧气体与含硅气体作为刻蚀气体210，沿通孔图形208，等离子体化刻蚀含碳层204至露出层间绝缘层202，形成通孔含碳层图形209；其中，在刻蚀的过程中，含氧气体与含硅气体反应产生的二氧化硅，在通孔含碳层图形209侧壁沉积厚度为150埃～400埃的保护层212。

本实施例中，刻蚀气体210可以是与实施例一相同的气体成分。

如图13所示，去除防反射层205和顶盖层203；以含碳层204和保护层212为掩膜，沿通孔含碳层图形209刻蚀层间绝缘层202至露出半导体衬底200，形成通孔211，所述刻蚀方法为干法刻蚀。

如图14所示，用等离子体刻蚀法去除含碳层204和保护层212。

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

1.一种含碳层的刻蚀方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有含碳层；

以含氧气体与含硅气体作为混合刻蚀气体，在等离子体刻蚀所述含碳层以形成含碳层图形的同时，所述刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层。

2.如权利要求1所述含碳层的刻蚀方法，其特征在于，在含碳层的整个侧壁形成保护层。

3.如权利要求1所述含碳层的刻蚀方法，其特征在于，所述含氧气体包括氧气或一氧化碳或二氧化硫或上述气体的两种或三种气体的混合物。

4.如权利要求1所述含碳层的刻蚀方法，其特征在于，所述含硅气体包括硅烷或正硅酸乙酯或四氟化硅或四氯化硅或上述气体的两种或两种以上气体的混合物。

5.如权利要求4所述含碳层的刻蚀方法，其特征在于，所述含硅气体流量占混合刻蚀气体总流量的5％～50％。

6.如权利要求1所述含碳层的刻蚀方法，其特征在于，所述保护层的厚度为150埃～400埃。

7.如权利要求1所述含碳层的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳层的材料是无定形碳。

8.一种层间绝缘层的刻蚀方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有层间绝缘层和含碳层；

以含氧气体与含硅气体作为混合刻蚀气体，在等离子体刻蚀所述含碳层以形成含碳层图形的同时，所述刻蚀气体反应产生的二氧化硅在含碳层图形的侧壁形成保护层；

以含碳层为掩膜，沿含碳层图形刻蚀层间绝缘层。