CN101673681A - 通孔刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通孔刻蚀方法，在通孔刻蚀中，采用小分子量气体稀释刻蚀气体的浓度。由于小分子量气体在其稀释刻蚀气体的同时，在刻蚀过程中产生的轰击力不足以对通道侧壁造成损伤，因此，刻蚀后得到的通孔光滑、轮廓均匀，在通孔中填充导电材料后，填充密实，减小了通孔中填充导电材料的阻值，保证了通孔具有良好的导电特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤指一种通孔刻蚀方法。
背景技术
通孔作为多层金属层间互连以及器件有源区与外界电路之间连接的通道，在器件结构组成中具有重要的作用。为了保证器件工作的稳定性，要求填充导电材料后的通孔具有良好的导电特性，即阻值越小越好，这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，对通孔刻蚀工艺提出了更高的要求。传统的通孔刻蚀方法采用一次刻蚀完刻蚀终止层(stop layer)的刻蚀工艺，对通孔的损伤较大，随着集成电路的深亚微米尺寸发展，特征尺寸(CD)逐渐变小，这种较大的损伤是不容许的。在半导体制造工艺进入65nm乃至45nm节点工艺之后，通孔刻蚀方法大多采用两阶段刻蚀方法。
图1a～图1d为现有两阶段通孔刻蚀方法的示意图，在现有技术中，通孔刻蚀是指对通孔刻蚀结构进行刻蚀，以获得多层金属间的互连以及器件有源区与外界电路之间连接通路的工艺。
如图1a所示，在半导体衬底或下层金属10材料表面形成通孔刻蚀结构，通孔刻蚀结构包括顺序沉积的粘接层20、刻蚀终止层30、介质层40、辅助刻蚀终止层50、抗反射涂层60及图案化的光致抗蚀剂层70。
其中，辅助刻蚀终止层50与刻蚀终止层30的材料相同，为氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)、碳氧化硅(SiOC)或碳氮化硅(SiNC)等材料中的一种或其任意组合。刻蚀终止层30为通孔刻蚀的停层。粘接层20为增强半导体衬底或下层金属10材料与通孔内连接材料间连接效果的过渡层。粘接层20材料包括钛(Ti)、镍(Ni)或铝铜合金等材料中的一种。介质层40包含绝缘层和/或阻挡层。介质层40材料为磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氟硅玻璃(FSG)以及黑钻石(BD)等材料中的一种或其任意组合。进一步地，为保证光致抗蚀剂的吸光效果，可以增加抗反射涂层60作为吸光层，抗反射涂层60包括深紫外线吸收氧化物(DUO)等。需要说明的是，辅助刻蚀终止层50可以省略。
对于图1a所示的通孔刻蚀结构，现有两阶段通孔刻蚀方法是：首先，如图1b所示，顺序刻蚀抗反射涂层60、辅助刻蚀终止层50和介质层40；其中在刻蚀介质层40时，由于存在均匀性的问题，会存在过刻蚀(over etch)。然后，如图1c所示，移除图案化的光致抗蚀剂层70和抗反射涂层60。最后，如图1d所示，刻蚀所述刻蚀终止层30，为了保证通孔80的导通作用，刻蚀所述刻蚀终止层30的过程包括对粘接层20的过刻蚀。
在现有两阶段通孔刻蚀方法中，利用氩气(Ar)对刻蚀气体进行稀释，以增加刻蚀的均匀性。但是，由于氩气属于大分子量(分子量为40)气体，在其稀释刻蚀气体的同时，会在刻蚀过程中产生较强的轰击力，这种强的轰击力会对通道侧壁造成损伤；加上刻蚀终止层材料是高致密，机械性能较差的材料如SiN，采用现有两阶段通孔刻蚀方法会在通孔底部形成底切(undercut)或回拉(pull back)缺陷，使通孔不光滑，轮廓不均匀。这样，在通孔中填充导电材料后，会使得填充不密实即存在空隙，直接导致阻值增大，从而降低了通孔的导电特性。图2是应用现有通孔刻蚀方法获得的已填充导电材料的通孔底部的截面示意图，如图2所示，填充了导电材料后的通孔80中存在空隙1、空隙2和空隙3。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种通孔刻蚀方法，能够使通孔具有良好的导电特性。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种通孔刻蚀方法，形成通孔刻蚀结构，利用包含有小分子量的稀释气体的刻蚀气体对通孔结构进行刻蚀。
所述通孔刻蚀结构包括顺序沉积的粘接层、刻蚀终止层、介质层、图案化的光致抗蚀剂层。
刻蚀的步骤包括刻蚀介质层；移除图案化的光致抗蚀剂层；进行刻蚀终止层的刻蚀。
所述通孔刻蚀结构包括顺序沉积的粘接层、刻蚀终止层、介质层、辅助刻蚀终止层及图案化的光致抗蚀剂层。
刻蚀的步骤包括顺序刻蚀辅助刻蚀终止层和介质层；移除图案化的光致抗蚀剂层；进行刻蚀终止层的刻蚀。
所述通孔刻蚀结构中包括抗发射涂层；首先刻蚀抗发射涂层。
所述稀释气体是氮气，或氦气。
所述刻蚀气体包括二氟甲烷，氧气，氮气；所述稀释气体为氮气。
所述二氟甲烷的流量为40标准立方厘米/分钟，所述氧气流量为20标准立方厘米/分钟，所述氮气流量为40标准立方厘米/分钟；压力为50Mt。
所述刻蚀气体包括：保护气体、主刻蚀气体、催化气体及稀释气体；
所述保护气体包括二氟甲烷或三氟甲烷中的一种及其组合；所述主刻蚀气体包括八氟化三碳、八氟化四碳、六氟化四碳或六氟化二碳中的一种及其组合；所述催化气体为氧气。所述稀释气体是氮气；
所述保护气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟；所述主刻蚀气体的流量范围为30～70标准立方厘米/分钟；所述催化气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟；所述稀释气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟。
由上述技术方案可见，本发明在通孔刻蚀中，采用小分子量气体如分子量为14的氮气(N2)稀释刻蚀气体的浓度。由于小分子量气体在其稀释刻蚀气体的同时，在刻蚀过程中产生的轰击力不足以对通道侧壁造成损伤，因此，刻蚀后得到的通孔光滑、轮廓均匀，在通孔中填充导电材料后，填充密实，减小了通孔中填充导电材料的阻值，保证了通孔具有良好的导电特性。
另外，在去除通孔刻蚀后残留物时，氮气还有助于去除(高温下C+N-＞CN↑)残留物中的高分子聚合物；此外，由于较小的轰击能量，本发明方法还减少了NiSi的流失。
附图说明
图1a～图1d是说明现有技术通孔刻蚀方法的示意图；
图2是应用现有通孔刻蚀方法获得的已填充导电材料的通孔底部的截面示意图；
图3是应用本发明通孔刻蚀方法获得的已填充导电材料的通孔底部的截面示意图；
图4是采用现有通孔刻蚀方法与本发明通孔刻蚀方法获得的已填充导电材料的通孔的试验阻值比较图。
具体实施方式
尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
应用本发明方法对通孔刻蚀结构进行刻蚀的步骤包括：形成通孔刻蚀结构，利用包含有小分子量的稀释气体的刻蚀气体对通孔结构进行刻蚀。所述小分子量的气体原则上为分子量小于40的，可以用于稀释刻蚀气体的气体，比如是氮气(N2)、氦气(He)等。
对于图1a所示的刻蚀结构，本发明刻蚀的步骤包括：利用包含有小分子量的稀释气体顺序刻蚀抗发射涂层60、辅助刻蚀终止层50和介质层40进行刻蚀；移除图案化的光致抗蚀剂层70和抗反射涂层60；利用包括有小分子量的气体进行刻蚀终止层30的刻蚀。
图1a所示通孔结构仅用于举例的目的，通孔刻蚀结构还可包含其它公知的附加层；此外，图示各层也不是都必须存在的，如抗反射涂层即可根据实际需要使用；图示各层可部分或全部用其它不同层代替。通孔刻蚀的步骤也可以是一次刻蚀完刻蚀终止层的刻蚀工艺。
本发明可应用在其它任意用于刻蚀通孔的通孔刻蚀结构中，只要其中包括有具有高致密，比较脆弱的机械性能较差的材料构成的掩膜。
下面以图1a所示通孔刻蚀结构，不同组成的刻蚀气体为例，对本发明通孔刻蚀步骤进行具体描述。
实施例一。
刻蚀气体包括：保护气体、主刻蚀气体、催化气体及由小分子量的稀释气体。其中，
保护气体包括二氟甲烷(CH2F2)或三氟甲烷(CHF3)中的一种及其组合；主刻蚀气体包括八氟化三碳(C3F8)、八氟化四碳(C4F8)、六氟化四碳(C4F6)或六氟化二碳(C2F6)中的一种及其组合；催化气体为氧气(O2)；稀释气体如氮气(N2)等。所述保护气体用以与所述刻蚀气体共同作用于刻蚀过程中，可在刻蚀过程进行的同时，同步进行光致抗蚀剂层致密化过程；所述稀释气体用以稀释刻蚀气体的浓度，进而增加刻蚀的均匀性。所述保护气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟(sccm)；所述主刻蚀气体的流量范围为30～70sccm；所述催化气体的流量范围为20～60sccm。所述稀释气体的流量范围为20～60sccm。
作为本发明的优选实施例，所述刻蚀气体包括CH2F2、C4F6、O2及N2，压力为50Mt，CH2F2的流量为40sccm，O2的流量为20sccm，N2的流量为40sccm。所述主刻蚀气体、催化气体及保护气体的成分、比例及流量等工艺控制参数为公知工艺，在此不再赞述。
实施例二。
刻蚀气体包括：主刻蚀气体是CH2F2，流量为40sccm；催化气体是O2，流量为20sccm；稀释气体是N2，流量为40sccm。压力为50Mt。
本发明中，稀释气体还可以是其它小分子量的气体，如分子量为4的氦气(He)等。
图3是应用本发明通孔刻蚀方法获得的已填充导电材料的通孔底部的截面示意图，如图3所示，由于通孔80光滑、轮廓均匀，填充了导电材料后不存在空隙，从而减小了通孔中填充导电材料的阻值，保证了通孔具有良好的导电特性。
图4是采用现有通孔刻蚀方法与本发明通孔刻蚀方法获得的已填充导电材料的通孔的试验阻值比较图，如图4所示，横坐标是晶片(Wafer)编号，纵坐标是已填充导电材料通孔的接触阻值。其中第15、16片晶片对应的接触阻值是采用现有刻蚀气体刻蚀后得到的测试结果，第17、18片晶片对应的接触阻值是采用本发明刻蚀气体刻蚀后得到的测试结果。从测试结果明显看出，采用本发明刻蚀气体刻蚀后，已填充导电材料通孔的接触阻值低于采用现有刻蚀气体刻蚀后得到的；而且，采用本发明刻蚀气体刻蚀后，在同一片晶片的不同位置得到的阻值是连续的，而不像第16片晶片上不同位置得到的阻值是不连续的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种通孔刻蚀方法，形成通孔刻蚀结构，其特征在于，利用包含有小分子量的稀释气体的刻蚀气体对通孔结构进行刻蚀。
2.根据权利要求1所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述通孔刻蚀结构包括顺序沉积的粘接层、刻蚀终止层、介质层、图案化的光致抗蚀剂层。
3.根据权利要求2所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，刻蚀的步骤包括刻蚀介质层；移除图案化的光致抗蚀剂层；进行刻蚀终止层的刻蚀。
4.根据权利要求1所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述通孔刻蚀结构包括顺序沉积的粘接层、刻蚀终止层、介质层、辅助刻蚀终止层及图案化的光致抗蚀剂层。
5.根据权利要求4所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，刻蚀的步骤包括顺序刻蚀辅助刻蚀终止层和介质层；移除图案化的光致抗蚀剂层；进行刻蚀终止层的刻蚀。
6.根据权利要求1所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述通孔刻蚀结构中包括抗发射涂层；首先刻蚀抗发射涂层。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述稀释气体是氮气，或氦气。
8.根据权利要求1、2、4或6所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括二氟甲烷，氧气，氮气；所述稀释气体为氮气。
9.根据权利要求8所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述二氟甲烷的流量为40标准立方厘米/分钟，所述氧气流量为20标准立方厘米/分钟，所述氮气流量为40标准立方厘米/分钟；压力为50Mt。
10.根据权利要求1、2、4或6所述的通孔刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括：保护气体、主刻蚀气体、催化气体及稀释气体；
所述保护气体包括二氟甲烷或三氟甲烷中的一种及其组合；所述主刻蚀气体包括八氟化三碳、八氟化四碳、六氟化四碳或六氟化二碳中的一种及其组合；所述催化气体为氧气。所述稀释气体是氮气；
所述保护气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟；所述主刻蚀气体的流量范围为30～70标准立方厘米/分钟；所述催化气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟；所述稀释气体的流量范围为20～60标准立方厘米/分钟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100317 |