CN101800174A - 一种含碳层的等离子刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

一种含碳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碳层进行刻蚀，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。利用本方法可以精确刻蚀含碳层，防止污染物产生，同时保证较高的刻蚀速率。

Description

一种含碳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，尤其涉及一种含碳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。

现有工艺在刻蚀绝缘层或低k介电质层(比如，主要成份为SiO₂或SiOC)时，在形成通孔图形的过程中，通常采用C_xF_y化合物，在被刻蚀的目标层含碳时会在刻蚀气体中添加O₂，该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。由于光刻胶的强度不够，所以光刻胶在绝缘层刻蚀中很容易被入射的等离子体中的离子轰击而造成变形，所以现在工业界常用光刻胶为掩膜来刻蚀一层硬掩膜层(比如无定形碳)，以作为刻蚀下层绝缘层的硬掩膜。在从光刻胶的图形转移到硬掩膜的图形过程中，要保证被转移到硬掩膜上的图形不会变形就要保证在刻蚀硬掩膜的过程中不会发生侧壁刻蚀，并最终造成尺寸偏移。为了保证对含碳硬掩膜层足够的刻蚀速率，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，现有技术通常用氧气。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，这无疑不能满足刻蚀要求。侧壁被刻蚀造成的典型外观特征就是从掩膜向下刻蚀中侧壁出现如图3所示的弧形轮廓线。具体地，如图3所示，在以第一掩膜层11’对第二掩膜层20’进行刻蚀的过程中，由于所述第二掩膜层20’没有采用任何保护措施，其轮廓线一定程度上从所述第一掩膜层11’的边缘向里凹陷，形成如图3所示的弧形轮廓线。所述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。

除了刻蚀含碳掩膜层要用到侧壁保护气体和刻蚀气体的混合气体，位于光刻胶下的防反射层(ARC)由于也要用刻蚀气体来刻蚀形成所需的图形，所以也需要在刻蚀的同时在刻蚀反应气体中添加侧壁保护气体以使刻蚀形成的图形更精确。

用刻蚀气体和侧壁保护气体的混合气体同时供应反应，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。

在刻蚀有机物材料层如无定形碳或聚合物层时，通常会用O₂刻蚀，并同时添加含硫气体。含硫气体中的硫会在侧壁和碳形成碳硫键，防止氧与侧壁上的碳反应，或者在温度低于室温时，可以在侧壁形成硫的沉积层，在刻蚀完成后加温，沉积的硫就升华去除掉了。但是这样的侧壁保护也存在问题，O₂会与侧壁保护气体反应形成SO₂，不仅减弱了刻蚀与侧壁保护，还会对整个反应腔和排气系统形成污染。SO₂还会造成光刻胶的刻蚀选择比下降，进一步会造成图形尺寸精度下降。如果同时加入的是碳氢化合物来形成聚合物，刻蚀气体中的氧气也会将形成在侧壁的聚合物消耗掉，从而降低了整体刻蚀速率且无法保证侧壁不被刻蚀。

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、无反应腔污染的刻蚀。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种含碳层的刻蚀方法实现含碳层的精确刻蚀，获得较佳的侧壁轮廓，同时实现高精度、快速高效、无反应腔污染的刻蚀。

为解决上述问题，本发明提供一种刻蚀步骤与侧壁钝化步骤交替进行的刻蚀方法，包括：在刻蚀步骤中，提供一刻蚀气体在等离子体作用下对所述含碳层进行刻蚀，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；在侧壁钝化步骤中，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。

所述刻蚀气体包括含氧气体，该含氧气体选自O₂、CO、CO₂中的一种或至少两种的混合物。

所述刻蚀气体包括含氮或含氢气体与含碳层进行还原反应，所述含氮或含氢成份的刻蚀气体包括N₂或H₂或NH₃或N₂、H₂及NH₃中的至少两种混合气体。

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，在实现对含碳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，且不会对整个刻蚀系统产生污染，最终提高了产能。

附图说明

图1是根据本发明的一个具体实施例的包括被刻蚀的有机物层的基片结构示意图；

图2a为根据本发明的一个具体实施例对有机物层20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对有机物层20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对有机物层20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对有机物层20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对有机物层20完成刻蚀后所得到的结构示意图；

图3是现有技术中的含碳层刻蚀结果示意图。

其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的物理层。

具体实施方式

本发明提供一种刻蚀含碳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碳层进行刻蚀，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；在侧壁钝化步骤中，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。

使用本发明的等离子刻蚀方法刻蚀含碳层，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沉积反应气体而专门进行沉积反应，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沉积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，通过施加高频射频电场(如13MHZ或60MHZ)到上下电极之间，以产生足够的等离子体。还可以进一步施加低频射频功率(比如2MHZ)到放置处理基片的下电极，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的(如，石英)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示出了根据本发明一个具体实施例的基片结构图，它包括运用本发明刻蚀方法来刻蚀的含碳层。如图1所示，在基片40上沉积有一层氧化硅层30，在所述氧化硅层30之上设置有待刻蚀的含碳的第二掩膜层20，该第二掩膜层20可以选自无定形碳或者其它有机物层，比如碳氢化合物。在第二掩膜层20之上设置图形化的第一掩膜层11，通过第一掩膜层11将图形转移到第二掩膜层20上。因此，第一掩膜层与第二掩膜层材料的选择使得在利用第一掩膜层刻蚀第二掩膜层时具有很高的选择比(selectivity)。在本实施例中，第一掩膜层11可以是含硅材料的层，比如，这种含硅材料的掩膜层可以选自于SiO₂、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃N₄材料层中的一种。但是本领域技术人员应当理解，在保证符合工艺要求的选择比的前提下，上述第一掩膜层材料的选择可扩展到其他材料。

在利用第一掩膜层11刻蚀含碳的第二掩膜层20时，本发明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)，直到刻蚀到达目标深度。具体而言，在刻蚀步骤中向反应腔中通入刻蚀气体与含碳的第二掩膜层材料20反应，其中该刻蚀气体可以是任何可以与该含碳的第二掩膜层材料20反应的气体，优选的，该刻蚀气体可以是含氧成份的气体，例如，所述含氧成份的气体选自于O₂、CO、CO₂中的一种或至少两种的混合物。所述含氧成份的刻蚀气体与含碳材料反应生成二氧化碳。根据本发明的一个具体实施例，刻蚀气体进一步包括含氮成份或含氢成份的气体，例如，刻蚀气体也可以是H₂、N₂或其化合物NH₃等还原类气体或N₂、H₂及NH₃中的至少两种混合气体，其与含碳的第二掩膜层材料20反应生成烷类和氨气，实现对第二掩膜层20的刻蚀。作为一种实施方式，在进行此刻蚀步骤时，向反应腔内通入含氧成份的刻蚀气体使反应腔中的气压达到10mT时，并向下电极同时施加60MHZ/2MHZ的射频功率源到反应腔中点燃形成等离子体，其功率，并分别控制60MHZ/2MHZ射频功率源的功率为700/0W，其中含氧成份的刻蚀气体的流量为100SCCM，持续约二秒左右使第二掩膜层20(以下简称为“含碳层20”，以凸显本发明的发明目的)刻蚀到一定深度时停止刻蚀步骤，并切换进入随后的侧壁钝化步骤。如图2a中是刻蚀到第一深度D1时的结构图，其中通过刻蚀后形成界面，包括刻蚀形成的底部界面50a和侧壁50b。其中刻蚀形成的界面实际上部分存在侧壁刻蚀的情况，但是由于刻蚀时间很短(比如2秒)，侧壁被刻蚀的深度相对整个要刻蚀的含碳层20沟道的深度比例很小，可以忽略，所以图中未画出。刻蚀步骤完成后切换进入侧壁钝化步骤，如图2b所示，在所述侧壁钝化步骤中，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形成如图2b所示的聚合物层21。聚合物层21包括侧壁聚合物层21b和底面聚合物层21a。接下来，再进入刻蚀步骤，提供刻蚀气体在等离子体作用下对所述含碳层20进行刻蚀，其中底部聚合物21a会被等离子轰击而消除，所以刻蚀界面能够垂直向下延伸至第二深度D2(其中，包括刻蚀形成的底部界面51a和侧壁51b)，以露出一刻蚀界面，形成如图2c所示的结构。如图2d所示，再切换进入侧壁钝化步骤，在前述的侧壁聚合物层21b上形成新的侧壁聚合物22b来保护侧壁51b，并形成新的底部聚合物层22a来保护底部界面51b。交替循环前述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达如图2e所示的目标深度，其中，形成了新的聚合物层23来保护刻蚀形成的界面。

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沉积反应气体，随着刻蚀气体被逐渐抽走，沉积反应气体在反应腔内的浓度逐渐提高到一定程度，沉积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，虽然在刻蚀气体和沉积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，使得刻蚀步骤中的氧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。

本发明中刻蚀步骤和侧壁钝化步骤交替进行，多个刻蚀-沉积循环后达到所要的刻蚀深度，完成整个有机物层刻蚀的处理步骤。此外，根据本发明的精神和思想，对图1所示的基片上的第二掩膜层20进行刻蚀处理时，也可以先进入侧壁钝化步骤，通过调控低频(2MHZ)的射频功率的大小，实现通过离子轰击对目标有机物层(第二掩膜层20)的刻蚀，虽然刻蚀速度相对较慢，但是在第一掩膜层11开口处形成一小段刻蚀沟道，沟道侧壁形成了本发明在侧壁钝化步骤中添加聚合物保护气体而形成的耐腐蚀的侧壁保护层。在完成侧壁钝化步骤后接下来再进入正式的刻蚀-沉积循环步骤。

采用含氧成份的刻蚀气体刻蚀有机材料构成的第二掩膜层20，在刻蚀步骤完成后进入侧壁钝化步骤时，沉积气体也可以选择更容易形成聚合物的气体，比如C₂H₄、CH₄等碳氢化合物，在刻蚀的侧壁形成聚合物保护层。在这些聚合物保护层形成后，虽然在接下来的刻蚀步骤中有些聚合物保护层会与刻蚀气体比如氧反应而消耗掉一部分，但是由于刻蚀形成的底部很快被入射的等离子轰击，使得底部不存在聚合物，所以在整个刻蚀步骤中，刻蚀形成的沟道仍然垂直地向下延伸，而侧壁聚合物在消耗掉之前仍然能提供较好的侧壁保护。所以只要控制好刻蚀的时间和刻蚀气体流量等参数，使得在刻蚀步骤中侧壁的聚合物不被全部消耗完，侧壁仍能得到较好的保护。这样交替的侧壁保护与刻蚀经过多个循环到达目标刻蚀深度，而且侧壁也具有相对好的外观轮廓。

当上述刻蚀气体采用H₂、N₂或其化合物NH₃等还原类气体生成烷类和氨气以实现第二掩膜层20的刻蚀时，在刻蚀步骤中可以参照用含氧成份的刻蚀气体完成刻蚀时的参数设置，气压可以是10mT，射频功率为700/0W(对应60MHZ/2MHZ)，H2的流量为100sccm，反应持续2秒。

根据本发明的一个优选实施例，所述含碳氢成份的反应气体为分子式为CxHy或CxHyFz成份的气体，其中x、y、z为大于或等于1的自然数。更具体地，所述含碳氢成份的反应气体包括以下至少一项或多项：CH₄、C₂H₄、C₃H₆、C₃H₈、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F。需要说明的是，本领域技术人员应当理解，所述含碳氢成份的反应气体的选择并不限于上述具体气体，其不能够用于限定本发明，具体碳氢成份的反应气体的选择可根据实际工艺来确定。

图2e是采用本发明方法刻蚀含碳掩膜层20后的效果图，其中侧壁钝化步骤中形成的侧壁保护层23使得含碳层20刻蚀界面的侧壁基本垂直，达到了较佳的刻蚀效果。相对于现有技术用含硫气体和含氧气体的混合物来刻蚀，不仅刻蚀时速度更快，更容易调试而且不会由于氧和硫反应形成SO₂而造成对反应腔和排气系统的污染。而且用聚合物做侧壁保护相对于用硫做侧壁保护更容易在后续的处理流程中被去除，使得工艺更简化整体效果更好。

本发明的刻蚀含碳层的等离子刻蚀方法可以用于刻蚀任何含碳的材料层，包括无定形碳层、由有机物组成的层。所述由有机物组成的层是聚合物层、抗反射层(ARC)、底部抗反射层(BARC)、含碳掩膜层中的一种或多种。

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 (12)

1.一种含碳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碳层进行刻蚀，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，所述刻蚀气体包括含氧成份的气体。

3.如权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含氧成份的气体选自于O₂、CO、CO₂中的一种或至少两种的混合物。

4.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体进一步包括含氮成份或含氢成份的气体。

5.如权利要求4所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含氮或含氢成份的刻蚀气体包括N₂或H₂或NH₃或N₂、H₂及NH₃中的至少两种混合气体。

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分子式为C_xH_y或C_xH_yF_z成份的气体，其中x、y、z为大于或等于1的自然数。

7.如权利要求6所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳氢成份的反应气体选自于CH₄、C₂H₄、C₃H₆、C₃H₈、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F中的一种或至少两种的混合物。

8.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳层包括由有机物组成的层。

9.如权利要求8所述的刻蚀方法，其特征在于，所述由有机物组成的层是聚合物层、抗反射层(ARC)、底部抗反射层(BARC)、含碳掩膜层中的一种或多种。

10.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳层包括无定形碳层。

11.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含碳层上方有一层含硅材料的掩膜。

12.如权利要求11所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含硅材料的掩膜选自于SiO₂、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃N₄材料层中的一种。

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