CN101800175A

CN101800175A - 一种含硅绝缘层的等离子刻蚀方法

Info

Publication number: CN101800175A
Application number: CN 201010110100
Authority: CN
Inventors: 倪图强; 高山星一; 陶铮
Original assignee: Advanced Micro Fabrication Equipment Inc Shanghai
Current assignee: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: CN101800175B

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，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；在侧壁钝化步骤中，提供一含硫成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含硫成份的聚合物，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含硅绝缘层或低k介电层(比如，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(CDshift)。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。

现有技术中，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，并同时添加含硫成份的气体。含硫成份的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，因为O₂会与侧壁保护气体中的硫反应形成SO₂，不仅减弱了刻蚀速率与侧壁保护的效果，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。

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

本发明的目的在于提供一种刻蚀含硅绝缘层的方法，其不仅能够提供较好的形貌控制，而且可以实现高精度、快速高效、无反应腔污染的刻蚀。

本发明是通过以下技术方法实现的：

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，提供一含硫成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含硫成份的聚合物，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。

其中含硅绝缘层选自SiO₂、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃N₄中的一种。

可选的，所述刻蚀气体包括所述刻蚀气体包括氟碳化合物CxFy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。其中刻蚀气体进一步包括Ar或O₂或二者的混合气体

可选的，所述含硫成分气体包括COS、H₂S、CS₂、S₂Cl₂、S₂F₂、SF₂、SF₄、S₂F₁₀、S_xBr_y中的一种或至少两种的混合物，其中x、y均为大于或等于1的自然数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

使用本发明的等离子刻蚀方法，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硫成份的反应气体而专门进行侧壁钝化反应，使刻蚀步骤和侧壁钝化步骤更高效、刻蚀或侧壁钝化处理的速率更高，并且不会产生如现有技术中将刻蚀反应气体和含硫成份的反应气体因混合反应而导致的整体刻蚀速率低和反应腔污染问题。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。

附图说明

图1示出了运用本发明一个具体实施例的刻蚀方法来刻蚀的晶圆结构图，它包括运用本发明刻蚀方法来刻蚀的含硅绝缘层30；

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，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；在侧壁钝化步骤中，提供一含硫成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含硫成份的聚合物，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硫成份的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硫成份的反应气体因混合反应而导致的整体刻蚀速率低和反应腔污染问题。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，目标刻蚀层是含硅的绝缘层30，可以是由SiO₂组成，也可以是多孔SiO₂或者掺杂了有机物质的Low-K材料。本发明刻蚀的含硅材料30除了包括硅氧化合物(如，SiO₂、SiOF、SiOC、SiOCH等)外，也可以是Si₃N₄。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，也可以是由其它不会与刻蚀气体反应的材料制成，比如金属掩膜。

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可以选择性地添加惰性气体(如：氩气)和O₂。在刻蚀气体通入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。如图2a所示在刻蚀到第一深度D1后，刻蚀气体在刻蚀界面形成第一界面，包括底部界面50a和侧壁界面50b。第一个刻蚀步骤完成，绝缘层刻蚀到D1深度时停止供刻蚀气体，并开始切换沉积气体进入侧壁钝化步骤。

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，不仅不会影响沉积速率和效果，而且也彻底杜绝因二者混合而产生SO₂，导致反应腔被污染的问题。

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，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，虽然在刻蚀气体和含硫成份的气体会有一段时间在反应腔内共存，从而会有部分SO₂产生，但是产生SO₂的量有限，其在业内是可以接受的，相对现有技术仍然有技术优势。

在侧壁钝化步骤中通入含硫气体比如H₂S、SxCy、COS、硫与卤素的化合物如S_xCl_y、S_xF_y、S_xBr_y(其中，x，y是大于或等于1的自然数)等。在侧壁钝化步骤中保持反应腔内气压在50mT，通入COS气体达到气体流量500sccm，施加射频功率700W/0W(对应射频功率60MHZ/2MHZ)，持续时间约为2秒钟。在经过侧壁钝化步骤后，如图2b中所示，在界面50上产生一层含硫的侧壁钝化保护层31。该侧壁钝化保护层31包括在刻蚀界面的底部界面50a的侧壁钝化保护层31a和沉积在刻蚀界面的侧部界面50b的侧壁钝化保护层31b。完成一个刻蚀-侧壁钝化步骤循环后，继续进行第二个刻蚀-侧壁钝化的步骤循环。如图2c所示，在新的刻蚀步骤中，上一个侧壁钝化步骤中的界面50底面的侧壁钝化保护层31a被入射的等离子轰击去除，刻蚀气体向下继续刻蚀。在上个刻蚀步骤中形成的氟碳壁聚会物由于有含硫物质的保护不会被含氧的反应物氧化，所以侧壁的侧壁钝化保护层31b可以抵抗刻蚀气体对侧壁的刻蚀。在第二次刻蚀步骤使绝缘层的刻蚀深度达到如图2c所示的D2时停止刻蚀，形成新的刻蚀界面51，新的刻蚀界面51包括底面51a和侧壁51b。随后再次切换进入侧壁钝化步骤，侧壁钝化步骤中侧壁钝化反应气体、反应条件与形成图2b所示结构的侧壁钝化步骤相同或作些许调整，使图2c所形成的界面51a、51b上形成侧壁钝化保护层。如图2d所示沉积或附着新的侧壁钝化保护层31到新的刻蚀界面51，其中侧壁钝化保护层31包括侧壁保护层31b和底部保护层31a。

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会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流量之类的调整手段很难保证长时间维持侧壁保护聚合物完整。特别是在较高深宽比(比如深宽比＞20)的刻蚀应用场合下，这部分被破坏的侧壁侧壁钝化保护层会对刻蚀的最终效果造成很大的影响。所以本发明采用交替刻蚀和侧壁钝化步骤，并在侧壁钝化步骤中添加含硫气体以在刻蚀界面侧壁形成硫碳化合物，可以有效地保证刻蚀界面侧壁的形状，强化侧壁保护层的强度、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。由于刻蚀气体中的O₂和沉积气体中的含硫气体不是同时通入反应腔的，所以也就不会有现有技术出现的SO₂污染反应腔的问题产生。

在侧壁钝化步骤中，除了添加含硫气体作为侧壁钝化反应气体外，也可以使用或添加氟碳化合物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)在侧壁补充形成聚合物，以形成更好的侧壁保护。这些气体可以是CH₄、C₂H₄、CHF₃、CH₂F₂、CH₃F等气体。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。这样在含硫保护层的基础上额外添加的侧壁钝化保护层对刻蚀步骤中侧壁的保护更有效。

如图2e所示是采用本发明刻蚀方法多次交替进行刻蚀-侧壁钝化步骤后的绝缘层刻蚀效果图，其中侧壁保护层31是根据本发明方法形成的侧壁保护层。在用含硫气体作为侧壁保护气体时的侧壁保护层31是含硫的聚合物，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。在完成整个沟道或通孔刻蚀后就可以进入下一步处理步骤。再交替循环前述刻蚀步骤和侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达目标深度。

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，而且不会出现如现有技术中因含氧成份的刻蚀气体和含硫成份的气体混合共同参与刻蚀反应而使氧与硫反应生成SO₂，造成反应腔和排气系统的污染。

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，提供一含硫成份的反应气体，在等离子体作用下，在所述刻蚀界面的侧壁形成含硫成份的聚合物，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。

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2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，所述含硫成份的反应气体选自COS、H₂S、CS₂、S₂Cl₂、S₂F₂、SF₂、SF₄、S₂F₁₀中的一种或所列气体中的至少两种的混合物。

6.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含硫成份的反应气体为成份含硫与卤素的化合物气体。

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。

9.如权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含硫成份的反应气体还包括额外的聚合物形成气体碳氢化合物。