CN101789372A

CN101789372A - 一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法

Info

Publication number: CN101789372A
Application number: CN 201010110102
Authority: CN
Inventors: 倪图强; 高山星一; 陶铮
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai; Pearl Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2010-07-28

Abstract

一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法，包括相互独立进行的刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，并且在刻蚀过程中交替循环所述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达目标深度。其中，刻蚀步骤，提供一刻蚀气体在等离子体作用下对所述含硅的绝缘材料层进行刻蚀，并刻蚀至一定深度，以露出一刻蚀界面，所述刻蚀界面包括侧壁；侧壁钝化步骤，提供一含碳氢成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含碳氢成份的聚合物，沉积或附着在所述刻蚀界面的侧壁表面。本发明的刻蚀方法实现了对含硅绝缘层的快速刻蚀和对侧壁的保护，取得较好的外观轮廓，解决了现有技术刻蚀中刻蚀沟道或通孔出现的弧形侧壁和关键尺寸偏移的问题。

Description

一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法。

背景技术

刻蚀工艺是指在制造半导体器件过程中采用化学溶液或腐蚀性气体或等离子体除去晶圆内或晶圆表面膜层中不需要的部分的工艺。通常主要用化学溶液进行刻蚀的方法为湿法刻蚀，采用腐蚀性气体或等离子体进行刻蚀的方法为干法刻蚀。目前，可以使电路图形变得更精细的干法刻蚀得到越来越广泛的使用。

湿法刻蚀中，用强酸的化学反应进行各向同性刻蚀，即使被掩膜覆盖的部分也可以被刻蚀。相反，干法刻蚀用反应离子刻蚀，其中，用例如等离子态的卤素的腐蚀性化学气体和等离子态离子进行刻蚀。因此，干法刻蚀可以实现只在晶圆上按垂直方向进行刻蚀的各向异性刻蚀，所以，干法刻蚀适用于要求高精度的精细工艺，例如，适用于甚大规模集成电路(VLSI)工艺。

传统的等离子处理装置包含导入处理气体的反应腔室，所述反应腔室内配置有由一对上部电极和下部电极组成的平行平板电极。在将处理气体导入反应腔室内的同时，在下部电极上施加高频电压，在电极间形成高频电场，在高频电场的作用下形成处理气体的等离子体。

现有工艺在刻蚀以现有工艺在刻蚀绝缘层或低k介电层(主要成份为SiO₂，或SiOC)时，形成通孔图形的过程中，通常采用C_xF_y化合物，含碳时会添加O₂，C_xF_y化合物可以是CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈、C₄F₆、C₅F₈等。经过高频电场的作用，形成等离子体，对绝缘层进行刻蚀。为了保证足够的刻蚀速率，刻蚀气体在等离子条件下必须能够和刻蚀的目标材料自发反应，但是这样一来刻蚀就不具有了方向性，成为等方向性刻蚀(isotropic etch)。在器件精度要求越来越高的趋势下无疑不能满足刻蚀要求。出现等方向性刻蚀的典型外观特征是从掩膜向下刻蚀过程中，刻蚀界面的侧壁出现弧形轮廓线，使得刻蚀所得的线条尺寸与掩膜所定义的线条尺寸出现很大偏移(CD shift)。所以现有工艺通常会在刻蚀的同时添加侧壁保护气体，以使侧壁不被刻蚀气体刻蚀掉。

用刻蚀气体和侧壁保护气体同时供应可以实现非等向性刻蚀(anisotropic etch)，但是对刻蚀速率会有很大的影响，造成刻蚀率降低，而且由于刻蚀气体、侧壁保护气体和刻蚀目标层甚至目标层上的掩膜层均参与了整个反应过程，整个反应过程受多个因素的影响，不同的因素相互作用，所以很难调试获得最佳的刻蚀参数配置，即使获得了也要付出大量人力和时间。

同时在刻蚀含硅材料时通常用含卤素的气体，典型的含卤素气体是用含氟气体如氟碳化合物等，在刻蚀形成的沟道或通孔侧壁形成聚合物以保护侧壁。在刻蚀的沟道或通孔具有非常高的深宽比(aspect ratio)时，处于沟道或通孔上端形成的聚合物会被部分入射的离子轰击形成破损，或者上端的聚合物与反应过程中产生的气体或活性物质(radical)反应被消耗，比如在刻蚀SiO₂时反应中产生的O^*会消耗掉部分侧壁聚合物，所以随着刻蚀的不断深入，上层聚合物侧壁保护膜会不同程度地出现破损，从而导致对侧壁出现刻蚀。

所以业界需要一个全面解决等离子刻蚀中侧壁保护的方法，以实现高精度、快速高效、无污染的刻蚀。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种刻蚀含硅绝缘层的方法，在保证刻蚀速率的同时实现对刻蚀侧壁更好的保护，防止侧壁被刻蚀，提供良品率。

为解决上述问题，本发明提出一种刻蚀含硅的绝缘材料层的等离子刻蚀方法，包括：刻蚀步骤，提供一刻蚀气体在等离子体作用下对所述含硅的材料层进行刻蚀，并刻蚀至一定深度，以露出一刻蚀界面，所述刻蚀界面包括侧壁；侧壁钝化步骤，提供一含碳氢成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含碳氢成份的聚合物，沉积或附着在所述刻蚀界面的侧壁表面；交替循环所述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达目标深度。

其中侧壁钝化步骤中的含碳氢成份的反应气体为分子式为C_xH_y或C_xH_yF_z成份的气体，其中x、y与z均为大于或等于1的自然数。比如CH₄或C₂H₄或C₃H₆或C₃H₈或CHF₃或CH₂F₂或CH₃F或所列反应气体中的至少两种的混合气体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过交替进行的刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，在实现对含硅绝缘层高效刻蚀的同时完成对侧壁的保护，获得较佳的刻蚀精度，使用本发明的等离子刻蚀方法刻蚀出来的形貌不会出现弓形，也不会出现关键尺寸偏移的问题。

附图说明

图1是本发明实施例绝缘层刻蚀基片结构示意图；

图2a为根据本发明的一个具体实施例的绝缘层30进行第一次刻蚀步骤后所得到的结构示意图；

图2b为根据本发明的一个具体实施例的绝缘层30进行第一次侧壁钝化步骤后所得到的结构示意图；

图2c为根据本发明的一个具体实施例的绝缘层30进行第二次刻蚀步骤后所得到的结构示意图；

图2d为根据本发明的一个具体实施例的绝缘层30进行第二次侧壁钝化步骤后所得到的结构示意图；

图2e为根据本发明的一个具体实施例的绝缘层30完成整个绝缘层刻蚀后所得到的结构示意图；

具体实施方式

本发明提供一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法，包括相互独立进行的刻蚀步骤和侧壁钝化步骤(侧壁保护步骤)，并且在刻蚀过程中交替循环所述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达目标深度。其中，刻蚀步骤，提供一刻蚀气体在等离子体作用下对所述含硅的绝缘材料层进行刻蚀，并刻蚀至一定深度，以露出一刻蚀界面，所述刻蚀界面包括侧壁；侧壁钝化步骤，提供一含碳氢成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含碳氢成份的聚合物，沉积或附着在所述刻蚀界面的侧壁表面。

使用本发明的等离子刻蚀方法刻蚀含硅绝缘层，可以使刻蚀步骤和侧壁钝化步骤相互独立进行而不会互相干扰、影响，在刻蚀步骤中仅向反应腔内通入刻蚀反应气体而专门进行刻蚀反应，而在侧壁钝化步骤时仅向反应腔内通入含碳氢成份的侧壁钝化反应气体而专门进行侧壁钝化保护反应，使刻蚀步骤和侧壁钝化步骤更高效、刻蚀或沉积处理的速率更高，并且不会产生如现有技术中将刻蚀反应气体和含含碳氢成份的侧壁钝化反应气体因混合反应而导致的整体刻蚀速率低的问题。同时，使用本发明的等离子刻蚀方法刻蚀出来的形貌不会出现弓形，也不会出现关键尺寸偏移的问题。

本发明含硅绝缘层的等离子刻蚀方法可以应用在典型的如电容耦合型(CCP)或电感耦合型(ICP)反应腔中。在电容耦合型反应腔中，通过施加高频射频功率源(如13MHZ或60MHZ)到上下电极之间，以产生等离子体。还可以进一步施加低频射频功率源(比如2MHZ)到放置被处理基片的下电极，以控制离子入射的能量。在采用ICP等离子反应腔时，高频射频功率源被施加到一个或多个电感线圈，线圈中流过的电流产生的高频电磁场穿过绝缘材料(如，石英)的窗口被耦合到反应腔中，反应腔中的气体被电离后产生等离子体。在采用ICP等离子体反应腔时，低频射频功率源与在采用CCP等离子源一样，可以被接到放置处理基片的下电极以控制离子入射的能量。

图1是本发明刻蚀方法应用到绝缘层刻蚀时的结构图。如图1所示，本发明刻蚀的含硅材料30除了SiO₂等硅氧化合物(包括SiOF、SiOC、SiOCH等)外，也可以是Si₃N₄，还可以是多孔或者掺杂了有机物质的Low-K材料。在绝缘层30之上是掩膜层12，该掩膜层可以是含碳的化合物，比如光刻胶或者是无定形碳，也可以是其它不会与刻蚀气体反应的材料制成。

本发明在刻蚀含硅绝缘层时将整个刻蚀过程分成交替进行的刻蚀步骤和侧壁钝化步骤(侧壁保护步骤)。在刻蚀步骤中向反应腔中通入反应气体与含硅的绝缘层材料30反应，其中反应气体可以是氟碳化合物气体，如C₄F₈、C₄F₆、C₅F₈、CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₂F等，也可以是其它含卤素气体，与含硅材料反应。在供应刻蚀反应气体时还会添加惰性气体(如：氩气)和O₂分别作为稀释气体和侧壁聚合物控制气体。作为一种实施方式的举例，在具体反应时，向反应腔内通入刻蚀气体，使反应腔中的气压达到50mT，在刻蚀时施加射频电压60MHZ/2MHZ到反应腔中点燃等离子体，其功率分别为1000W/2000W，其中含C₄F₈/Ar/O₂气体的流量为30/800/30SCCM，持续约5秒左右，使绝缘层刻蚀到如图2a所示的一定深度D1时停止供刻蚀气体，此时经过刻蚀形成第一个刻蚀界面，其中该刻蚀界面包括底部50a部分和侧壁50b部分。完成第一次刻蚀步骤后开始从刻蚀步骤切换进入侧壁钝化步骤。刻蚀步骤和侧壁钝化步骤切换过程可以是渐进的：随着刻蚀气体逐渐被抽走，侧壁钝化反应气体逐渐浓度提高到一定程度，侧壁钝化反应过程在整个等离子反应中占主导，反应进入侧壁钝化步骤。

传统的刻蚀方法利用氟碳化合物或氟碳氢化合物刻蚀SiO₂，在刻蚀过程中氟碳化合物会在侧壁形成很薄的聚合物层，利用该聚合物层保护侧壁实现非等向性刻蚀。传统利用氟碳化合物作为刻蚀气体，在刻蚀过程中产生的聚合物可以在一定程度上保护刻蚀界面的侧壁，但是随着刻蚀孔深宽比的增加，先前形成在侧壁的聚合物会受到部分破坏。该破坏可能来源于入射的等离子，也可能来源于通入的氧气或SiO₂刻蚀中释放出来的氧。如果单靠原有可控参数，比如刻蚀气体的流量，稀释气体和O₂流量等的调整很难保护这些侧壁保护聚合物免受破坏。特别是在较高深宽比的刻蚀应用场合下(比如深宽比＞20)这部分被破坏的侧壁保护层会对刻蚀的最终效果造成很大的影响。

在侧壁钝化步骤中，使用如CH₄、C₂H₄等气体在侧壁形成聚合物以更好地实现侧壁保护。其它如典型的聚合物气体如氟碳化合物或氟碳氢化合物也可以作为本发明中的侧壁保护添加气体。如前所述，由于刻蚀气体氟碳化合物形成的聚合物在刻蚀过程中会被破坏，造成侧壁出现不希望的刻蚀，所以本发明在完成部分刻蚀后通过侧壁钝化步骤生成新的聚合物覆盖在刻蚀界面，特别是刻蚀界面的侧壁以形成更完整的侧壁保护。现有技术中刻蚀气体中的氟碳化合物要兼顾刻蚀与侧壁保护两个目标，所以很难控制各种气体流量，保证刻蚀速率的同时形成足够的侧壁保护。气体侧壁钝化步骤中气体成份选择使得聚合物更容易形成，而且由于侧壁钝化步骤中没有大量氧气的通入，也没有刻蚀SiO₂过程中释放的O^*，所以侧壁聚合物基本不会被破坏。本发明选用碳氢化合物作为侧壁钝化步骤中的聚合物气体可以高效地对侧壁进行保护，从而使得刻蚀形成的沟道或通孔具有更好外形轮廓；使用本发明的等离子刻蚀方法刻蚀出来的形貌不会出现弓形，也不会出现关键尺寸偏移的问题。由于有侧壁钝化步骤提供侧壁保护所以在刻蚀步骤中对侧壁的保护要求不像现有技术那么严格，甚至允许部分侧壁被刻蚀，所以可以提升刻蚀阶段的刻蚀速率，最终整体的刻蚀速率也会比传统混合气体刻蚀方法快，而且侧壁外观形状得到了保证。

在侧壁钝化步骤中保持反应腔内气压在50mT，通入碳氢化合物气体达到气体流量500sccm，施加射频功率700W/0W(对应的射频功率为60MHZ/2MHZ)，持续时间约为2秒钟。经过这样的侧壁钝化步骤获得更好的聚合物侧壁保护，如图2b所示在刻蚀界面50上形成了侧壁保护层31，其中侧壁保护层31包扩底部保护层31a和侧壁保护层31b。

随后再一次进入刻蚀步骤，刻蚀步骤中的参数设置与第一次刻蚀步骤类似。在进行第二次刻蚀步骤之后形成如图2c所示的新的刻蚀界面51a和51b。，经过第二次刻蚀步骤，绝缘层刻蚀深度达到了D2。

为了进一步保护新形成的刻蚀界面完成第二次刻蚀步骤后进入第二次侧壁钝化步骤。与第一次侧壁钝化步骤类似，在完成第二次侧壁钝化步骤后在整个刻蚀界面形成完整的侧壁保护层31。参考图2d所示侧壁保护层31包括底部侧壁保护层31a和侧壁保护层31b。

这样经过多个刻蚀-侧壁钝化步骤的循环最后完成整个绝缘层的刻蚀。如图2e所示是采用本发明刻蚀方法后绝缘层刻蚀效果图，其中侧壁保护层31是根据本发明方法形成的侧壁保护层。在侧壁钝化步骤中用聚合物生成气体生成的聚合物时侧壁保护层31是聚合物层。通过侧壁保护层31的保护在绝缘层30的刻蚀过程中取得较佳的外观轮廓。

上述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤的切换可以是突变式的，亦即，在一次刻蚀步骤完成后准备切换进入随后的侧壁钝化步骤时，确保刻蚀气体从反应腔中被完全排空后再通入侧壁钝化步骤的气体，这样可以保证在侧壁钝化步骤中的反应气体不包含前一步骤的刻蚀反应气体，从而不会使二者混合，不会影响沉积速率和效果。

当然，上述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤的切换也可以是渐进式的，亦即，在一次刻蚀步骤完成后准备切换进入随后的侧壁钝化步骤时，并不等刻蚀气体从反应腔中被完全排空后再通入侧壁钝化步骤的气体，比如，在反应腔内还剩少量刻蚀气体时就开始通入侧壁钝化反应气体，随着刻蚀气体被逐渐抽走，侧壁钝化反应气体在反应腔内的浓度逐渐提高到一定程度，侧壁钝化反应过程在整个等离子反应中就会占主导，反应进入侧壁钝化步骤。在这种切换方式下，虽然在刻蚀气体和侧壁钝化反应气体会有一段时间在反应腔内共存，但是二者共存的量很少，时间也很短，其在业内是可以接受的，相对现有技术仍然有技术优势。

由于本发明的刻蚀方法将刻蚀步骤和侧壁钝化步骤分开，使得刻蚀步骤中的反应气体与侧壁钝化步骤中的含碳氢成份的反应气体分别存在于不同步骤中，两者发生反应互相抵消或影响的机制就不存在了，所以刻蚀的速度和效率比现有技术更高，沉积的速度和效率也比现有技术更高，二者的反应气体更容易调试优化。同时，通过交替进行的刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，在实现对含硅绝缘层高效刻蚀的同时完成对侧壁的保护，获得较佳的刻蚀精度，使用本发明的等离子刻蚀方法刻蚀出来的形貌不会出现弓形，也不会出现关键尺寸偏移的问题，最终提高了产能。

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

1.一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法，包括：

刻蚀步骤，提供一刻蚀气体在等离子体作用下对所述含硅的材料层进行刻蚀，并刻蚀至一定深度，以露出一刻蚀界面，所述刻蚀界面包括侧壁；

侧壁钝化步骤，提供一含碳氢成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含碳氢成份的聚合物，沉积在所述刻蚀界面的侧壁表面；

交替循环所述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达目标深度。

2.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括氟碳化合物C_xF_y或氟碳氢化合物C_xH_yF_z，其中x、y与z均为大于或等于1的自然数。

3.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括C₄F₈、C₄F₆、C₅F₈、CF₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F中的一种或至少两种的混合气体。

4.如权利要求1或2或3所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体进一步包括Ar或O₂或二者的混合气体。

5.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳氢成份的反应气体为分子式为C_xH_y或C_xH_yF_z成份的气体，其中x、y与z均为大于或等于1的自然数。

6.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳氢成份的反应气体为CH₄或C₂H₄或C₃H₆或C₃H₈或CHF₃或CH₂F₂或CH₃F或所列反应气体中的至少两种的混合气体。

7.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含硅绝缘层为含SiO₂、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃N₄的材料层中的一种。

8.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含硅绝缘层为多孔或者掺杂了有机物质的Low-K材料。