CN101728260B

CN101728260B - 通孔刻蚀方法

Info

Publication number: CN101728260B
Application number: CN2008102245968A
Authority: CN
Inventors: 张海洋; 陈海华; 黄怡; 赵林林
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: CN101728260A

Abstract

本发明公开了一种通孔刻蚀方法，形成通孔刻蚀结构后对通孔进行刻蚀，对通孔刻蚀结构中的底部防反射涂层进行刻蚀时，采用溴化氢气体刻蚀，得到锥形孔结构。本发明提供的方法可以在不更改现有曝光和显影方法基础上，使刻蚀的通孔特征尺寸达到所要求的通孔特征尺寸。

Description

通孔刻蚀方法

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、底部防反射涂层60及图案化的光致抗蚀剂层70。

其中，刻蚀终止层30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为通孔刻蚀的停止层。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，底部防反射涂层60作为吸光层，底部防反射涂层60包括深紫外线吸收氧化物(DUO)等。

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，按照图案化的光致抗蚀剂层70，刻蚀底部防反射涂层60后，对介质层40进行主刻蚀；

在本步骤中，光致抗蚀剂层70进行图案化的过程为：对光致抗蚀剂层70上的图形进行曝光和显影后，就得到了图案化的光致抗蚀剂层70，图案化的效果取决于现有的曝光和显影技术；

在本步骤中，刻蚀底部防反射涂层60采用干法刻蚀，采用的刻蚀气体通常采用氟碳化合物化学气体，比如三氟化碳氢(CHF3)或者四氟化碳(CF4)，刻蚀后剖面为矩形结构，作为进行主刻蚀的刻蚀窗口；

在本步骤中，对介质层40进行主刻蚀采用干法刻蚀，采用的主刻蚀气体通常为氟碳化合物化学气体，比如八氟化三碳(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；

然后，主刻蚀到刻蚀终止层30后终止，如图1c所示，移除图案化的光致抗蚀剂层70和刻蚀剩余的底部防反射涂层60；

在这里，移除图案化的光致抗蚀剂层70和刻蚀剩余的底部防反射涂层60采用灰化方法和全湿去胶法，这样得到了剖面为矩形结构的通孔80；

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。

目前刻蚀的通孔特征尺寸是由图案化的光致抗蚀剂层70预留的通孔尺寸确定的，如图1b所示，随着器件尺寸的减小，通孔的特征尺寸也会减小，所以在光致抗蚀剂层70进行图案化时，采用现有的曝光和显影方法，会导致所预留的通孔尺寸比预先设置的通孔特征尺寸大。比如，如图2所示，设定的通孔特征尺寸为10纳米或9纳米，但是由于现有的曝光和显影的方法限制，对光致抗蚀剂层70进行图案化后，只能得到预留11纳米的通孔尺寸。这样，如果不更改现有的曝光和显影方法，就无法缩小通孔的特征尺寸，但是更改现有的曝光和显影方法会增加成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种通孔刻蚀方法，该方法能够在不更改现有曝光和显影方法基础上，使刻蚀的通孔特征尺寸达到所要求的通孔特征尺寸。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案具体是这样实现的：

一种通孔刻蚀方法，形成通孔刻蚀结构后对通孔进行刻蚀，对通孔刻蚀结构中的底部防反射涂层进行刻蚀时，采用溴化氢气体刻蚀，得到锥形孔结构。

所述得到锥形孔结构的倾斜角度由HBr浓度和底部防反射涂层的厚度确定。

所述得到锥形孔结构的倾斜角度为为arctg〔底部反射涂层预留的通孔特征尺寸/(底部防反射涂层厚度×2)〕。

所述沉积刻蚀底部防反射涂层的厚度为1000埃，采用的所述HBr浓度为10～200秒/平方厘米，得到的锥形孔角度为60～90度。

所述底部防反射涂层为吸光层。

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、底部防反射涂层和图案化的光致抗蚀剂层。

对通孔进行刻蚀包括按照图案化的光致抗蚀剂层刻蚀底部防反射涂层后，按照得到的锥形孔结构底部窗口刻蚀介质层；移除图案化的光致抗蚀剂层和刻蚀剩余的底部防反射涂层；进行刻蚀终止层的刻蚀。

所述移除图案化的光致抗蚀剂层和刻蚀剩余的底部防反射涂层采用灰化方法和全湿去胶法进行。

由上述技术方案可见，本发明利用溴化氢(HBr)对底部防反射涂层刻蚀时会产生锥形孔结构的特性，按照图案化的光致抗蚀剂层，采用HBr刻蚀底部防反射涂层，从而在对介质层进行主刻蚀时，缩小了图案化的光致抗蚀剂层为通孔预留的尺寸，使刻蚀的通孔特征尺寸小于图案化的光致抗蚀剂层为通孔预留的尺寸。由于刻蚀的通孔特征尺寸不像现有技术那样是由图案化的光致抗蚀剂层的尺寸确定的，而是由HBr刻蚀底部防反射涂层所形成的锥形孔结构底部窗口尺寸确定的，因此，本发明在不更改现有曝光和显影方法基础上，即不需要增加曝光和显影成本的基础上，使刻蚀的通孔特征尺寸达到所要求的通孔特征尺寸。

附图说明

图1a～图1d是说明现有技术通孔刻蚀方法的通孔形成剖面示意图；

图2为现有技术表示由图案化的光致抗蚀剂层70的尺寸确定刻蚀的通孔尺寸的剖面示意图；

图3a～图3d为本发明提出的通孔刻蚀方法的通孔形成剖面示意图；

图4为本发明提出的通孔刻蚀方法流程图；

图5为本发明采用HBr刻蚀底部防反射涂层60的剖面示意图；

图6为本发明采用HBr刻蚀底部防反射涂层60后再采用得到的锥形孔结构底部窗口刻蚀介质层40后得到的通孔剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

如背景技术所述，为了减小器件上形成通孔的特征尺寸，可以精确光致抗蚀剂层70形成的图案，保证预留的通孔尺寸为设定的较小特征尺寸。为了精确光致抗蚀剂层70形成的图案，就需要对现有技术的曝光和显影技术进行提高，这不仅难以实现且会大幅度提高成本。

因此，为了在不更改现有曝光和显影方法基础上，使刻蚀得到的通孔也可以达到设定的比较小的通孔特征尺寸，本发明利用HBr对底部防反射涂层60刻蚀时会产生锥形孔结构的特性，按照图案化的光致抗蚀剂层70，采用HBr刻蚀底部防反射涂层60得到锥形孔结构，从而在对介质层40进行主刻蚀时采用锥形孔接口的底部作为窗口进行刻蚀，从而缩小了图案化的光致抗蚀剂层70为通孔预留的尺寸，使刻蚀的通孔特征尺寸小于图案化的光致抗蚀剂层70为通孔预留的尺寸。

图3a～图3d为本发明提出的通孔刻蚀方法的通孔形成剖面示意图，采用图3a～图3d所示的示意图，以图4说明本发明提供的通孔刻蚀方法，其具体步骤为：

步骤401、从图3a～图3b，按照图案化的光致抗蚀剂层70，采用HBr刻蚀底部防反射涂层60后，对介质层40进行主刻蚀；

在本步骤中，刻蚀底部防反射涂层60采用干法刻蚀，采用的刻蚀气体为HBr，HBr对底部防反射涂层60刻蚀时会产生锥形孔结构的特性，所以导致刻蚀的底部防反射涂层60后得到的为锥形孔，锥形孔的角度和HBr浓度和底部防反射涂层60的厚度有关系，根据刻蚀工艺的需要，可以对HBr浓度和底部防反射涂层60的厚度进行调整。

例如，在图案化的光致抗蚀剂层70后预留的通孔特征尺寸为11纳米，而需要得到的通孔特征尺寸为9纳米，则采用HBr刻蚀底部防反射涂层60形成的锥形孔角度为arctg〔2纳米/(底部防反射涂层60厚度×2)〕。在这里，锥形孔角度为锥形孔截面和垂直面构成的角度，即图3b中表示的角度a。

还例如，沉积刻蚀底部防反射涂层60的厚度为1000埃，采用的HBr浓度为10～200秒/平方厘米，得到的锥形孔角度为60～90度。

在本步骤中，对介质层40进行主刻蚀采用干法刻蚀，采用的主刻蚀气体通常为氟碳化合物化学气体，比如C₃F₈、C₄F₈、C₄F₆或C₂F₆中的一种及其组合，在主刻蚀时，刻蚀窗口为采用HBr刻蚀底部防反射涂层60后形成的锥形孔结构的底部。

步骤402、主刻蚀到刻蚀终止层30后终止，如图3c所示，移除图案化的光致抗蚀剂层70和刻蚀剩余的底部防反射涂层60；

在这里，移除图案化的光致抗蚀剂层70和刻蚀剩余的底部防反射涂层60采用灰化方法和全湿去胶法。

步骤403、如图3d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。

经过图4所示的过程，在采用蚀刻后检测(AEI，after etch inspection)刻蚀得到的通孔特征尺寸时，该特征尺寸为采用HBr刻蚀底部防反射涂层60后形成的锥形孔结构底部窗口尺寸。

图5为本发明采用HBr刻蚀底部防反射涂层60的剖面示意图，从图5可以看出，采用HBr刻蚀底部防反射涂层60，刻蚀得到的为一个锥形孔结构，锥形孔底部小于锥形孔顶部，锥形孔的角度取决于HBr浓度和底部防反射涂层60的厚度，锥形孔的底部截面宽度取决于锥形孔的角度和锥形孔顶部的截面宽度，锥形孔顶部的截面宽度为底部防反射涂层60预留的通孔特征尺寸。

图6为本发明采用HBr刻蚀底部防反射涂层60后再采用得到的锥形孔结构底部窗口刻蚀介质层40后得到的通孔剖面示意图，可以看出，得到的通孔特征尺寸小于采用现有技术得到通孔的特征尺寸。

综上，本发明得到的通孔特征尺寸是由HBr刻蚀底部防反射涂层60得到的锥形底部尺寸决定的，对HBr刻蚀底部防反射涂层60的步骤进行调整，就可以使得到的锥形底部尺寸不同，从而得到符合设定比较小特征尺寸的通孔。

以上举较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种通孔刻蚀方法，形成通孔刻蚀结构后对通孔进行刻蚀，其特征在于，对通孔刻蚀结构中的底部防反射涂层进行刻蚀时，采用溴化氢气体刻蚀，得到锥形孔结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得到锥形孔结构的倾斜角度由HBr浓度和底部防反射涂层的厚度确定。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述得到锥形孔结构的倾斜角度为为arctg〔底部反射涂层预留的通孔特征尺寸/(底部防反射涂层厚度×2)〕。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉积刻蚀底部防反射涂层的厚度为1000埃，采用的所述HBr浓度为10～200秒/平方厘米，得到的锥形孔角度为60～90度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部防反射涂层为吸光层。

6.如权利要求1或2所述的方法，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、底部防反射涂层和图案化的光致抗蚀剂层。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对通孔进行刻蚀包括按照图案化的光致抗蚀剂层刻蚀底部防反射涂层后，按照得到的锥形孔结构底部窗口刻蚀介质层；移除图案化的光致抗蚀剂层和刻蚀剩余的底部防反射涂层；进行刻蚀终止层的刻蚀。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述移除图案化的光致抗蚀剂层和刻蚀剩余的底部防反射涂层采用灰化方法和全湿去胶法进行。