CN101593692A

CN101593692A - 刻蚀方法

Info

Publication number: CN101593692A
Application number: CNA2008101136963A
Authority: CN
Inventors: 王新鹏; 沈满华; 孙武; 尹晓明
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: CN101593692B

Abstract

本发明公开了一种刻蚀方法，包括提供一具有介质层的衬底，所述介质层包括刻蚀停止层和位于所述刻蚀停止层上的中间介质层；用第一气体对所述中间介质层进行第一刻蚀，刻蚀停止在所述中间介质层内；用第二气体对所述刻蚀停止层和所述中间介质层进行第二刻蚀，第二刻蚀停止在所述刻蚀停止层内；在第二刻蚀之后还包括用第三气体对所述刻蚀停止层进行第三刻蚀，其中，第三气体对刻蚀停止层的刻蚀速率，大于第二气体对刻蚀停止层的刻蚀速率；第三气体对中间介质层的刻蚀速率小于第二气体对中间介质层的刻蚀速率。本发明的技术方案利用不同的刻蚀气体对介质层进行选择性的刻蚀，可以减小刻蚀后的中间介质层的根部的凹陷问题。

Description

刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种刻蚀方法。

背景技术

超大规模集成电路通常需要一层以上的金属层提供足够的互连能力，因此金属层之间的互连，器件有源区与外界电路之间的连接通过已填充导电材料的通孔或者沟槽实现，且为保证器件工作的稳定性，要求通孔或者沟槽间无电连接，使得对通孔刻蚀工艺的严格控制变得非常重要。随着器件的密集程度和工艺的复杂程度不断增加，这对通孔和沟槽刻蚀工艺提出了更高的要求。

目前，在半导体制造中，传统的形成接触孔的做法是通过刻蚀衬底的介质层，在介质层中形成通孔，然后向接触孔中填入金属。通常介质层从衬底至介质表面方向依次包括：刻蚀停止层及中间介质层。在刻蚀时，首先对中间介质层进行主刻蚀，主刻蚀停止在中间介质层内；然后进行过刻蚀，过刻蚀将剩余的中间介质层刻尽，或者为了保证中间介质层被完全打开，过刻蚀在刻尽中间介质层之后继续对刻蚀停止层进行刻蚀，刻蚀掉部分厚度的刻蚀停止层，最后再用其它方法去除剩余的刻蚀停止层，这样就形成了沟槽或通孔。

例如，在2008年3月12日公开的，公开号为：CN101140882A的中国专利申请中，公开了一种通孔刻蚀方法。该方法包括形成通孔刻蚀结构，通孔刻蚀结构包含顺序沉积的粘接层、刻蚀停止层、中间介质层及图案化的光致抗蚀剂层，例如光刻胶层。刻蚀步骤为：移除光致抗蚀剂层；对中间介质层进行第一刻蚀，刻蚀调部分厚度的中间介质层；对中间介质层进行第二刻蚀，将中间介质层刻尽。

在上述刻蚀中通常采用等离子体干法刻蚀工艺，传统的等离子干法刻蚀工艺是在反应室内通入刻蚀气体，在一定的温度和压力下，利用高频功率源以一定的功率提供高频电压，在等离子体生成空间中将混合气体激发成为等离子体状态。在激发状态，高能等离子体轰击衬底表面的介质层，并将其转化为挥发性成分由真空系统排出。

图1为利用传统方法得到的刻蚀剖面图，如图1所示，衬底上具有光刻胶层140，并且衬底包括：介质层110，介质层110包括：刻蚀停止层120和形成在刻蚀停止层120上的中间介质层130。在刻蚀后的中间介质层130的根部具有凹陷150。所述凹陷150在制造的器件中严重影响器件的性能。

上述中间介质层的根部凹陷的问题存在于焊垫(PAD)、接触孔、沟槽或者其它需要经过刻蚀介质层形成的结构中。

发明内容

本发明提供了一种刻蚀方法，该方法可以减小刻蚀后中间介质层根部凹陷问题。

本发明的提供的刻蚀方法，包括：

提供一具有介质层的衬底，所述介质层包括刻蚀停止层和位于所述刻蚀停止层上的中间介质层；

用第一气体对所述中间介质层进行第一刻蚀，刻蚀停止在所述中间介质层内；

用第二气体对所述刻蚀停止层和所述中间介质层进行第二刻蚀，其中

第二刻蚀停止在所述刻蚀停止层内；

在第二刻蚀之后还包括用第三气体对所述刻蚀停止层进行第三刻蚀，其中，

第三气体对刻蚀停止层的刻蚀速率，大于第二气体对刻蚀停止层的刻蚀速率；第三气体对中间介质层的刻蚀速率小于第二气体对中间介质层的刻蚀速率。

可选的，所述第二气体和第三气体中包括含氟碳化化合物气体，并且第二气体中的氟原子含量小于第三气体中氟原子含量。

可选的，所述第三气体中氩气所占比例为53％-62％。

可选的，所述第三气体包括：八氟化四碳和一氧化碳，所述第三气体中八氟化四碳所占比例为5％-7.2％；所述第三气体中一氧化碳所占比例为27％-34％。

可选的，所述第三刻蚀在反应室内进行，所述反应室内压力为40mT-50mT。

可选的，所述第三刻蚀的电源功率为950W-1050W。

可选的，所述第二气体包括：氧气和氩气，所述第二气体中氧气所占比例为0.7％-1.3％，所述第二气体中氩气所占比例为70％-90％。

可选的，所述第二气体包括：八氟化四碳，所述第二气体中八氟化四碳所占比例为3％-5％。

可选的，所述第二刻蚀在反应室内进行，所述反应室内压力为90mT-110mT。

可选的，所述第二刻蚀的电源功率为600W-900W。

可选的，所述第一气体包括四氟化碳、三氟甲烷、一氧化碳和氧气。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案采用三步刻蚀的方法，在第二刻蚀和第三刻蚀中利用不同的刻蚀气体，第三气体对刻蚀停止层的刻蚀速率，大于第二气体对刻蚀停止层的刻蚀速率；第三气体对中间介质层的刻蚀速率小于第二气体对中间介质层的刻蚀速率，这样在第三刻蚀刻蚀到沟槽底部时由于第三气体对刻蚀停止层的刻蚀速率大于第二气体对刻蚀停止层的刻蚀速率，这样使第三气体对中间介质层的刻蚀速率减小，对刻蚀停止层的刻蚀速率增大，从而减小了第三刻蚀中对中介介质层的过度刻蚀，也就减小了刻蚀后的中间介质层根部的凹陷问题。

在本发明的可选的技术方案中，第二气体和第三气体中包括含氟碳化合物气体，并且第二气体中的氟原子含量小于第三气体中氟原子含量，使第三气体对中间介质层和刻蚀停止层的刻蚀速率差值减小，从而减小了对中介介质层的过度刻蚀，也就减小了刻蚀后的中间介质层根部的凹陷问题。

在本发明的可选的技术方案中，减少了第三气体中氩气的含量，从而减轻了对介质层的轰击，因此进一步减小刻蚀后的中间介质层的根部凹陷问题。

附图说明

图1是传统方法刻蚀之后的刻蚀剖面示意图；

图2是本发明的一实施例的刻蚀方法流程图；

图3是本发明的刻蚀方法在焊垫的形成过程中，第一刻蚀之后的刻蚀剖面示意图；

图4是本发明的刻蚀方法在焊垫的形成过程中，第二刻蚀之后的刻蚀剖面示意图；

图5是本发明的刻蚀方法在焊垫的形成过程中，第三刻蚀之后的刻蚀剖面示意图；

图6是利用现有技术和本发明的刻蚀方法形成的刻蚀剖面对照示意图。

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，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。

为了清楚，在下面的描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在传统的刻蚀方法中，如图1所示，首先去除衬底表面的光刻胶层140，然后进行两步刻蚀，对衬底的中间介质层130进行主刻蚀，刻蚀掉部分的中间介质层130，使刻蚀停止在中间介质层130；然后对剩余的中间介质层130和刻蚀停止层120进行过刻蚀，充分地打开刻蚀停止层，刻蚀掉刻蚀停止层120的厚度为M。

因为传统的等离子干法刻蚀工艺利用刻蚀气体的等离子体轰击衬底表面的介质层，并将其转化为挥发性成分由真空系统排出。经过发明人分析得知，在传统方法的第二步刻蚀过程中，由于刻蚀停止层120硬度大于中间介质层130，因此在刻蚀到刻蚀停止层120表面时刻蚀气体对刻蚀停止层120的刻蚀速率小于对中间介质层130的刻蚀速率，因此这样就造成对介质层的横向刻蚀，在中间介质层130的根部形成凹陷150。

从而，发明人提供了一种刻蚀方法，包括下列步骤：

用第二气体对所述刻蚀停止层和所述中间介质层进行第二刻蚀，其中，

第二刻蚀停止在所述刻蚀停止层内；

在第二刻蚀之后还包括用第三气体对所述刻蚀停止层进行第三刻蚀，

其中，

所述第二气体和第三气体中可以包括含氟碳化化合物气体，并且第二气体中的氟原子含量小于第三气体中氟原子含量。

所述第三气体中氩气所占比例可以为53％-62％。

所述第三气体可以包括：八氟化四碳和一氧化碳，所述第三气体中八氟化四碳所占比例为5％-7.2％；所述第三气体中一氧化碳所占比例为27％-34％。

所述第三刻蚀在反应室内进行，所述反应室内压力可以为40mT-50mT。

所述第三刻蚀的电源功率可以为950W-1050W。

所述第二气体可以包括：氧气和氩气，所述第二气体中氧气所占比例可以为0.7％-1.3％，所述第二气体中氩气所占比例可以为70％-90％。

所述第二气体可以包括：八氟化四碳，所述第二气体中八氟化四碳所占比例可以为3％-5％。

所述第二刻蚀在反应室内进行，所述反应室内压力可以为90mT-110mT。

所述第二刻蚀的电源功率可以为600W-900W。

所述第一气体可以包括四氟化碳、三氟甲烷、一氧化碳和氧气。

下面结合本发明的刻蚀方法在65nm工艺下焊垫(PAD)的形成中的应用，对本发明进行进一步说明。如图2至图5所示：

在形成PAD的步骤中，如图2所示包括以下步骤：

S1：提供一具有介质层220的衬底。

所述衬底包括金属层210，位于金属层210上层的介质层220，在衬底上具有光刻胶层230。所述介质层220包括刻蚀停止层240和位于刻蚀停止层240上层的中间介质层250。其中，刻蚀停止层240用来减小刻蚀对所述金属层210的伤害，例如SiN层、NDC(SiCN)层，在本实施例中刻蚀停止层SiN厚度可以为700埃；中间介质层250用来起到绝缘和保护作用。在本实施例中，中间介质层250包括下层的SiO₂层255和上层的SiON层258。其中，SiO₂层255厚度可以为4000埃，SiON层258厚度可以为4000埃，光刻胶层230为掩模层，用来使刻蚀气体在衬底表面选择性的刻蚀，光刻胶层230厚度可以为12000埃。

S2：用第一气体对所述中间介质层250进行第一刻蚀。

第一刻蚀采用干法刻蚀，将衬底置于反应室内，所述反应室内压力为250mT。利用电源功率为2400W的射频电源将包括CF4、CHF₃、CO和O₂的第一气体电离为等离子体。第一刻蚀采用各向异性刻蚀，通过加在衬底垂直方向的电场，使第一气体的等离子体沿电场方向轰击衬底的表面，从而沿垂直衬底方向刻蚀介质层220。第一刻蚀经过42秒，如图3所示，停止在中间介质层250的SiO₂层255内，刻蚀大部分的中间介质层250，还剩余约三分之一也就是约1300埃左右的SiO₂层255。

S3：用第二气体对所述刻蚀停止层240和所述中间介质层250进行第二刻蚀。

第二刻蚀采用干法刻蚀，将衬底置于反应室内，所述反应室内压力可以为100mT，较低的反应室内压力，使得等离子体轰击介质层的强度减小，因此减小了介质层分布的凹陷。

在第二刻蚀中利用包括O₂的第二气体对剩余的中间介质层250和刻蚀停止层240进行刻蚀。O₂可以和第二刻蚀中的聚合物反应，从而减少了聚合物，使得刻蚀的速率加快，从而得到刻蚀剖面更好的沟槽。

其中，所述第二气体中O₂所占比例可以为0.7％-1.3％、1％。

其中，第二气体还可以包括：C₄F₈、N₂和Ar。在本实施例中，所述第二气体中C₄F₈所占比例为3％-5％，因为C₄F₈对刻蚀停止层的刻蚀速率大于对中间介质层的刻蚀速率，因此增加C₄F₈在第二气体中的比例，从而增大了第二气体对刻蚀停止层和中间介质层的刻蚀选择比，因此减轻了中间介质层根部凹陷的问题。

其中，第二气体中Ar所占比例可以为70％-90％，例如80％、88.3％。在传统方法在过刻蚀中，刻蚀气体中氩气所占比例通常大于90％。该方案中减少了Ar气在第二气体中的比例，使Ar离子对介质层的轰击减弱，从而使介质层根部的凹陷减弱。

所述第二刻蚀的电源功率可以为600W-900W。

具体可以为：如图4所示，利用射频电源将第二气体电离为等离子体，第二刻蚀采用各向异性刻蚀，通过加在衬底垂直方向的电场，使第二气体的等离子体沿电场方向轰击介质层220，从而沿垂直衬底方向刻蚀介质层220。经过60秒，刻蚀停止在刻蚀停止层240中，刻蚀掉100埃，还剩余600埃刻蚀停止层240。该方案通过减小电源的功率，从而使Ar对介质层的轰击减弱，从而进一步减小了介质层刻蚀剖面根部凹陷的问题。

S4：用第三气体，对所述刻蚀停止层240进行第三刻蚀。

具体为：如图5所示，用Ar所占比例小于60％的第三气体对所述刻蚀停止层进行第三刻蚀，充分打开刻蚀停止层240，刻蚀掉200埃的刻蚀停止层240，也就是在第三刻蚀之后，还剩余约400埃的刻蚀停止层240。之后去除刻蚀停止层240，便形成了PAD的沟槽，在沟槽中填入金属，就完成了PAD的制作。

其中，第三刻蚀采用干法刻蚀，将衬底至于反应室内，所述反应室内压力为40mT，在第三刻蚀中利用包括CO的第三气体对剩余的刻蚀停止层240进行刻蚀。

其中，所述第三气体中CO所占比例可以为27％-34％，例如30％、32％。

其中，第三气体还可以包括：C₄F₈、N₂和Ar。

其中，第三气体中Ar所占比例可以为53％-62％，例如55％、58％。

其中，第三气体中C₄F₈所占比例为5％-7.2％，例如6％、7％，因为在第二刻蚀和第三刻蚀中，氟原子对中间介质层的刻蚀速率小于对刻蚀停止层的刻蚀速率，因此使第三气体中氟原子的含量大于第二气体中的含量，这样可以使第三刻蚀对刻蚀停止层的刻蚀速率加快。

除此之外，也可以通过其它的方法使第三气体对刻蚀停止层的刻蚀速率，大于第二气体对刻蚀停止层的刻蚀速率；第三气体对中间介质层的刻蚀速率小于第二气体对中间介质层的刻蚀速率。

其中，第三刻蚀的电源功率可以为1000W。

利用射频电源将第三气体电离为等离子体，第三刻蚀采用各向异性刻蚀，通过加在衬底垂直方向的电场，使第三气体的等离子体沿电场方向轰击刻蚀停止层240，从而沿垂直衬底方向继续对刻蚀停止层240刻蚀。

相比传统方法中的过刻蚀，本实施例中的第三刻蚀使得刻蚀停止层240的充分打开，而且该步骤采用了较低的反应室内压力，较低的电源功率，并且减少了Ar气在第三气体中的比例，这些条件使得等离子体轰击介质层的强度减小，因此减小了介质层分布的凹陷。因为C₄F₈对SiN的刻蚀速率大于对SiO₂的刻蚀速率，因此本实施例中增加第三气体中C4F8的比例。而且考虑到CO可以和刻蚀中的聚合物反应，因此本实施例中，还在第三气体中增加了CO，这样使得刻蚀同样深度的沟槽，第三刻蚀对SiO₂层的侧壁刻蚀作用减小。而且还有效的去除了刻蚀过程中的聚合物。

图6中，左侧为采用传统方法的刻蚀之后的沟槽剖面图610，右侧为采用上述实施例刻蚀之后得到的沟槽的刻蚀剖面图620。如图6所示，采用实施例的刻蚀方法得到的沟槽的刻蚀剖面图620中中间介质层的根部630，没有传统方法中的中间介质层根部640凹陷的问题，因此可知采用上述实施例刻蚀之后沟槽的刻蚀剖面的凹陷问题得到明显改善。

除上述方案之外，本发明的刻蚀方法还可以用在其它对刻蚀介质层刻蚀的工艺步骤中，例如接触孔或沟槽的刻蚀中。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1、一种刻蚀方法，包括：

用第二气体对所述刻蚀停止层和所述中间介质层进行第二刻蚀，其特征在于，

第二刻蚀停止在所述刻蚀停止层内；

2、如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体和第三气体中包括含氟碳化合物气体，并且第二气体中的氟原子含量小于第三气体中氟原子含量。

3、如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第三气体中氩气所占比例为53％-62％。

4、如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第三气体包括：八氟化四碳和一氧化碳，所述第三气体中八氟化四碳所占比例为5％-7.2％；所述第三气体中一氧化碳所占比例为27％-34％。

5、如权利要求4所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第三刻蚀在反应室内进行，所述反应室内压力为40mT-50mT。

6、如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第三刻蚀的电源功率为950W-1050W。

7、如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体包括：氧气和氩气，所述第二气体中氧气所占比例为0.7％-1.3％，所述第二气体中氩气所占比例为70％-90％。

8、如权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二气体包括：八氟化四碳，所述第二气体中八氟化四碳所占比例为3％-5％。

9、如权利要求8所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀在反应室内进行，所述反应室内压力为90mT-110mT。

10、如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀的电源功率为600W-900W。

11、如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一气体包括四氟化碳、三氟甲烷、一氧化碳和氧气。