CN101593725A

CN101593725A - 接触孔的形成方法

Info

Publication number: CN101593725A
Application number: CNA2008101139961A
Authority: CN
Inventors: 沈满华; 王新鹏; 张世谋; 孙武
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-02

Abstract

本发明公开了一种接触孔的形成方法，包括提供衬底，在衬底上具有掩模介质层，在所述掩模介质层上形成以氟化氪为曝光光源的光刻胶层；对所述光刻胶层光刻，形成具有第一通孔的刻蚀阻挡层；使用第一气体对掩模介质层进行第一刻蚀，在掩模介质层中形成向衬底方向直径逐渐缩小的第二通孔，第二通孔和第一通孔连通；对衬底进行第二刻蚀，形成接触孔。该方法有效的消除刻蚀的步骤中，在衬底中刻蚀阻挡层掩蔽的区域形成的刻蚀孔洞，并且使得光刻胶的成本降低。

Description

接触孔的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种接触孔的形成方法。

背景技术

半导体制造过程中，光刻是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀的硅片上。这些结构首先以图形形式制作在掩模版上。光源透过掩模版对光刻胶层曝光，把图形转移到硅片表面的光刻胶层上，通过显影、烘焙等步骤，形成刻蚀阻挡层。刻蚀阻挡层在硅片需要刻蚀的区域对应有通孔，然后用刻蚀工艺把掩模图形成像在下面的硅片上。刻蚀是用化学或者物理方法有选择的从硅片表面去除不需要的材料的过程，刻蚀的基本目标就是在硅片上复制掩模图形。硅片有刻蚀阻挡层覆盖的区域在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀，因此这层刻蚀阻挡层的掩蔽用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性的对刻蚀阻挡层的通孔区域刻蚀，去掉未被保护的区域。经过刻蚀之后，就在硅片上形成了接触孔，也就是集成电路中的电路图形，例如接触孔。

上述的光刻胶通常有三种成份，树脂或基体材料、感光化合物(PAC，photoactive compound)、以及可控制光刻胶机械性能并使其保持液体状态的溶剂。光刻胶最实用的两个性能是灵敏度和分辨率。灵敏度越高曝光速度越快。通常光刻胶按照曝光光源的种类进行分类，较常用的曝光光源为准分子激光，其中包括波长248nm的氟化氪(KrF)和波长193nm的氟化氩(ArF)。

因为光刻需要曝光光源的波长和光刻的特征尺寸相匹配，因此由于特征尺寸(CD)逐步减小，以KrF为曝光光源的光刻胶(简称KrF光刻胶)由于曝光光源的波长较长，因此光刻之后刻蚀阻挡层中的通孔的直径较大，从而在后续的刻蚀步骤后接触孔的CD较大，不能满足要求。

在2003年12月10日公开的，授权公告号为：CN1268982C的中国专利中公开了一种用于形成防反射膜的涂布液组合物、光刻胶层合体以及光刻胶图案形成方法。所说的用于形成防反射膜的涂布液组合物是用于形成在与ArF准分子激光相对应的正型光刻胶层上层的防反射膜的涂布液组合物，同时还提供一种在使用与ArF准分子激光相对应的光刻胶来形成极微细光刻胶图案的过程中，用于形成图案头部形状的改善效果优良的上层防反射膜的涂布液组合物。在上述专利中使用了ArF为曝光光源的光刻胶来形成极微细光刻胶图案。

由于ArF准分子激光的光源波长较短，因此现有技术中，常以ArF作为曝光光源，相应的光刻胶为以ArF为曝光光源的光刻胶(简称ArF光刻胶)，采用ArF光刻胶相应的光刻之后刻蚀阻挡层中的通孔的直径较小，从而在后续的刻蚀步骤后接触孔的CD可以满足该工艺对较小CD的要求。但是ArF光刻胶的灵敏度非常高，因此在ArF光刻胶光刻形成刻蚀阻挡层之后，如图1所示，在刻蚀的步骤中除形成接触孔10之外，会在刻蚀阻挡层掩蔽的区域存在刻蚀的孔洞20，这些孔洞会给器件的性能带来很大影响。例如，在接触孔淀积金属时，所述孔洞也被淀积金属，这样可能形成短路，以致器件失效。

发明内容

本发明提供了一种接触孔的形成方法，有效的消除了刻蚀步骤中，在衬底被刻蚀阻挡层掩蔽的区域形成的刻蚀孔洞。

本发明提供的一种接触孔的形成方法，包括：提供衬底，在所述衬底上具有掩模介质层，在所述掩模介质层上形成以氟化氪为曝光光源的光刻胶层；

对所述光刻胶层光刻，形成具有第一通孔的刻蚀阻挡层；

使用第一气体对所述掩模介质层进行第一刻蚀，在所述掩模介质层中形成向衬底方向直径逐渐缩小的第二通孔，所述第二通孔和所述第一通孔连通；

对所述衬底进行第二刻蚀，形成接触孔。

可选的，所述第一气体包括氟化碳氢化合物气体。

可选的，所述的氟化碳氢化合物气体为CH₂F₂、CHF₃、CHF中的任意一种。

可选的，所述的第一气体中氟化碳氢化合物气体所占的比例小于50％。

可选的，所述的第一气体中氟化碳氢化合物气体所占的比例为3％。

可选的，所述的第一气体还包括四氟化碳和/或三氟甲烷。

可选的，所述掩模介质层包括抗反射层和/或阻挡层。

可选的，所述第二刻蚀包括：对衬底的主刻蚀和过刻蚀。

可选的，所述的主刻蚀使用第二气体，所述第二气体包括四氟化碳和/或三氟甲烷。

可选的，所述的过刻蚀使用第三气体，所述第三气体包括O2。

可选的，所述的第三气体中O2所占的比例为0.46％±1％。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案提供的接触孔的形成方法中使用KrF光刻胶，因为KrF光刻胶的灵敏度较低，因此有效的消除了刻蚀的步骤中，在刻蚀阻挡层掩蔽的区域形成的刻蚀孔洞。

本发明的优选技术方案在对掩模介质层的第一刻蚀中利用氟化碳氢化合物气体使掩模介质层中的第二通孔向衬底方向直径逐渐减小，第一通孔的直径减小25nm±5nm达到了较小CD的工艺要求，因此即实现了消除刻蚀的步骤中，在刻蚀阻挡层掩蔽的区域形成的刻蚀孔洞，又得到了所需的较小CD的接触孔。

附图说明

图1为利用现有技术刻蚀后的衬底表面立体图；

图2为根据本发明一实施例的接触孔的形成方法的流程图；

图3为一种接触孔的剖面示意图；

图4为根据本发明一实施例的制造方法形成的一种接触孔的剖面示意图；

图5为用现有技术和本发明得到的接触孔的电学特性的对比图。

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。

在现有技术中，较大特征尺寸的工艺中，例如90nm工艺，通常使用KrF光刻胶。由于KrF光刻胶的曝光光源的波长较长，因此现有技术中KrF光刻胶不适合应用到较小特征尺寸的半导体制造工艺中，例如特征尺寸为90nm工艺中。因此，现有技术中，较小特征尺寸的半导体制造工艺中，也就是90nm以下工艺中，例如65nm工艺中，通常使用ArF光刻胶，因为这种光刻胶的曝光光源的波长较短。

但是，本发明的发明人经过研究发现，在半导体制造过程中，利用ArF光刻胶，在刻蚀后检查(AEI)中发现，在衬底表面被刻蚀阻挡层遮掩的地方存在刻蚀形成孔洞。这是由于ArF光刻胶的灵敏度较高，因此容易在刻蚀步骤中被刻穿，从而刻蚀之后在被刻蚀阻挡层遮掩的地方存在刻蚀形成孔洞。如果下一步向接触孔中淀积金属，那么这些孔洞也会被淀积金属，这样就可能会造成器件的短路，使得器件失效。

然而，相比ArF光刻胶，KrF光刻胶的灵敏度较差，不易在刻蚀步骤中被刻穿。因此，本发明的技术方案利用第一气体对光刻胶和衬底之间的掩模介质层例如抗反射层(BARC)，进行第一刻蚀。掩模介质层对应于刻蚀阻挡层的第一通孔的位置被刻蚀，从而在掩模介质层中形成向衬底方向直径逐渐减小的第二通孔，第一通孔和第二通孔连通。因为，第二通孔直径逐渐减小，因此，第二通孔和衬底接触的部分，直径比第一通孔直径减小25nm±5nm。

接下来在第二刻蚀过程中，刻蚀阻挡层和掩模介质层将衬底要保留的区域遮掩。第一刻蚀过程中，在掩模介质层中形成的第二通孔将衬底要进行刻蚀的区域暴露出来。第二刻蚀在衬底中形成接触孔，因为所述第二通孔底部的尺寸已经减小到所要达到的直径，因此在第二刻蚀后，接触孔的CD符合小尺寸的要求，并且由于KrF光刻胶的灵敏度较差，不易在刻蚀步骤中被刻穿，因此在衬底中被刻蚀阻挡层所遮挡的区域不会存在孔洞。

其中，所述第一气体包括氟化碳氢化合物气体。因为氟化碳氢化合物气体中的氢原子可以和掩模介质层形成聚合物，所述聚合物附着在掩模介质层被刻蚀出的第二通孔的侧壁上，从而在第一刻蚀逐步向下进行的过程中，所述第二通孔的直径逐渐减小。当第一刻蚀过程中，刻蚀到衬底上表面时，第二通孔直径比第一通孔的直径减小25nm±5nm。达到了较小CD的工艺要求。

下面结合图2，以接触孔的形成过程为例，对本发明的技术方案做详细说明。

步骤A101：如图3所示，提供一衬底200，在衬底上具有掩模介质层201，在所述掩模介质层201上形成光刻胶层205，所述光刻胶层205为以氟化氩为曝光光源的光刻胶。

其中，所述掩模介质层201包括：阻挡层203和在阻挡层203上形成的抗反射层(BARC)204。所述阻挡层203形成在衬底200上，用来保护衬底上表面，例如氮化硅的化合物。通常BARC是用有机或无机绝缘材料，在形成光刻胶层205之前被加到衬底上，用来减小来自光刻胶层205下面层的光反射。

步骤A102：对所述光刻胶层205光刻。如图4所示，形成刻蚀阻挡层301；具体为，KrF光源通过具有掩模图形的掩模版曝光。曝光之后光刻胶层被光照的区域发生化学变化，然后再用显影液显影，以正性光刻胶为例，曝光之后光刻胶层被光照的区域发生化学变化，因此在显影之后被洗掉，而没有被光照射的区域不能被洗掉，因此保留，形成刻蚀阻挡层301。在刻蚀阻挡层301中具有第一通孔303。

步骤A103：使用包括氟化碳氢化合物气体的第一气体，对掩模介质层201进行第一刻蚀，形成和第一通孔303连通的第二通孔306。

可选的实施方式为：干法刻蚀。可选的，CH₂F₂在第一气体中的含量为3％。

在第一刻蚀期间，可选的，采用各向异性刻蚀，刻蚀的方向性可以通过控制电源偏压来实现。本实施例中，对掩模介质层201的刻蚀目的是打开掩模介质层201，露出下层的衬底。因此电源偏压使电场方向垂直于衬底方向，包括CH₂F₂的第一气体的等离子体在电场的作用下主要延平行电场方向运动，轰击被刻蚀层的表面，是向衬底方向的刻蚀。

通过控制电源功率可以控制刻蚀速率。

通过对第一刻蚀条件的控制，使第一刻蚀把掩模介质层201被刻穿，停止在衬底200的上表面。

可选的，掩模介质层201为阻挡层203和在阻挡层上形成的BARC层204。第一刻蚀把阻挡层203和BARC层204刻穿，停止在衬底200上表面。除此之外，掩模介质层201还可以包括阻挡层203或BARC层204。

由于并且氟化碳氢化合物气体，例如CH₂F₂中的氢原子和掩模介质层201形成聚合物302，从而所述聚合物302附着在刻蚀剖面上，所述刻蚀剖面也就是掩模介质层被刻蚀出的第二通孔306的侧壁。因此聚合物302的附着，使得随着第一刻蚀的向下进行，刻蚀出的第二通孔306直径越来越小。在第一刻蚀之后，衬底200上层的掩模介质层201被刻穿，第一刻蚀停止在衬底200上表面。在第一刻蚀完成后第二通孔306和衬底200接触的部分的直径和所要得到的接触孔的直径相同，所述相同可以包括合格范围内的误差。

下面以CH₂F₂为例说明。

从图4中可以看出，利用CH₂F₂可以和掩模介质层生成聚合物302的特性，第二通孔306的侧壁被聚合物302附着，使得第二通孔306的侧壁为倾斜状，第二通孔306的上部直径大于下部直径。因此虽然光刻之后刻蚀阻挡层的第一通孔303直径较大，但是经过第一刻蚀之后掩模介质层的第二通孔306在衬底表面的直径已经减小到符合较小CD工艺要求的直径。也就是第二通孔306底部的直径比第一通孔303减小了25±5nm，例如光刻之后第一通孔303的直径为150±10nm，该尺寸不能满足65nm的工艺条件，在第一刻蚀之后第二通孔306的直径为125±10nm，满足了65nm的工艺条件。

步骤A104：对衬底200进行第二刻蚀。

接触孔的制造过程中，通常衬底包括：下层的刻蚀停止层304，刻蚀停止层上层的低介电层305。

可选的，所述第二刻蚀包括主刻蚀和过刻蚀。

所述主刻蚀采用各向异性干法刻蚀工艺。刻蚀的方向性可以通过控制电源偏压来实现。刻蚀速率可以通过控制电源功率实现。

工艺的持续时间根据刻蚀时间，等离子体的特定反射波长，激光干涉，以及其它技术来控制。

所述主刻蚀的第二气体可选的包括：四氟化碳和三氟甲烷中的至少一种。可选的，第二气体还包括氩气、氮气、

在上述工艺过程中，低介电层被刻穿，使刻蚀停止在刻蚀停止层304中。

本发明的发明人经过研究发现：虽然在过刻蚀中的加入氧气O₂会提高刻蚀速率。但是使用ArF光刻胶时，因为ArF光刻胶的灵敏度高，因此在过刻蚀时通常不使用O₂，如果使用O₂会使ArF光刻胶形成的刻蚀阻挡层被刻穿。因此在本发明的优选技术方案中，采用KrF光刻胶，因为KrF光刻胶的灵敏度差，因此在过刻蚀使用的第三气体中包括O₂，O₂不会把光刻胶层刻穿。

其中可选的，O₂占第三气体含量的0.46％±0.1％。

过刻蚀可选的采用各向异性干法刻蚀工艺，工艺的持续时间根据刻蚀时间，等离子体的特定反射波长，激光干涉，以及其它技术来控制。刻蚀期间，刻蚀的方向性可以通过控制偏压功率来实现。在上述工艺过程中，使刻蚀停止层304被刻尽。

所述主刻蚀的第三气体可选的包括O₂.

可选的，第三气体还包括八氟环丁烷。

可选的，第三气体还包括氩气和氮气。

上述技术方案提供的半导体器件的制造方法通过使用KrF光刻胶，因为KrF光刻胶的了灵敏度较低，因此有效的消除了刻蚀的步骤中，在刻蚀阻挡层掩蔽的区域形成的刻蚀孔洞，同时在对抗反射层的第一刻蚀中利用二氟甲烷使掩模介质层的第二通孔CD减小到所需的要求，因此即消除了在刻蚀阻挡层掩蔽的区域形成的刻蚀孔洞，又得到了所需CD的接触孔。

图5为用现有技术和本发明得到的半导体器件的电学特性的对比图。该图为65nm工艺中，对器件上的接触孔淀积铜之后的测试。横坐标为：对不同数量点测试得到的击穿电压的平均值；纵坐标为测试点的数量占接触孔总数的百分比。其中，左侧曲线对利用现有技术得到接触孔的测试曲线，；右侧是利用本发明的技术方案得到的接触孔的测试曲线。从图5中可以看出，利用现有技术因为在衬底中存在孔洞，淀积金属之后，当加电压时这些孔洞会使接触孔之间的介质被击穿，从而引起接触孔的短路，因此现有技术得到的曲线击穿电压比利用本发明的技术方案得到的曲线的击穿电压低。而且理想状况下，无论取多或少的测试点，击穿电压应该相同，因此现有技术的曲线相比与本发明技术方案的曲线取值越多击穿电压变化越大，因此反映了现有技术因为存在孔洞所以电学特性差。

本发明的技术方案中把KrF应用到了特征尺寸为65nm的工艺条件中，利用的KrF光刻胶的价格远远低于ArF，因此本发明大大降低了成本。

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、一种接触孔的形成方法，其特征在于：

提供衬底，在所述衬底上具有掩模介质层，在所述掩模介质层上形成以氟化氪为曝光光源的光刻胶层；

对所述光刻胶层光刻，形成具有第一通孔的刻蚀阻挡层；

对所述衬底进行第二刻蚀，形成接触孔。

2、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述第一气体包括氟化碳氢化合物气体。

3、如权利要求2所述的形成方法，其特征在于：所述的氟化碳氢化合物气体包括：CH₂F₂、CHF₃、CHF中的任意一种。

4、如权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述的第一气体中氟化碳氢化合物气体所占的比例小于50％。

5、如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述的第一气体中氟化碳氢化合物气体所占的比例为3％。

6、如权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述的第一气体还包括四氟化碳和/或三氟甲烷。

7、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述掩模介质层包括抗反射层和/或阻挡层。

8、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述第二刻蚀包括：对衬底的主刻蚀和过刻蚀。

9、如权利要求8所述的形成方法，其特征在于：所述的主刻蚀使用第二气体，所述第二气体包括四氟化碳和/或三氟甲烷。

10、如权利要求8所述的形成方法，其特征在于：所述的过刻蚀使用第三气体，所述第三气体包括O₂。

11、如权利要求8所述的形成方法，其特征在于：所述的第三气体中O₂所占的比例为0.46％±0.1％。