CN101819933A

CN101819933A - 一种含碳层的等离子刻蚀方法

Info

Publication number: CN101819933A
Application number: CN 201010110096
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
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2010-09-01

Abstract

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，在刻蚀步骤中，向反应腔内提供一刻蚀气体，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侧壁保护层，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，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。

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)，来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7所示的弧形轮廓线，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的关键尺寸偏移(CD shift)。所以现有工艺通常会在刻蚀的同时在刻蚀反应气体中添加侧壁保护气体，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、无反应腔污染的刻蚀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种刻蚀含碳层的等离子刻蚀方法，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：

一种刻蚀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侧壁保护层，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。

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碳层；

图2为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20进行第一次刻蚀步骤后所得到的结构示意图；

图3为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20上形成的界面进行第一次侧壁钝化步骤后所得到的结构示意图；

图4为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20进行第二次刻蚀步骤后所得到的结构示意图；

图5为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20上形成的界面进行第二次侧壁钝化步骤后所得到的结构示意图。

图6为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20刻蚀后最终形成的结构示意图。

图7为现有技术的刻蚀含碳硅层的侧壁的弧形轮廓线示意图。

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，在刻蚀步骤中，向反应腔内提供一刻蚀气体，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侧壁保护层，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。

本发明含碳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11与第二掩膜层20材料的选择使得在利用第一掩膜层11刻蚀第二掩膜层20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，请参考图2至图5，图2为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20进行第一次刻蚀步骤后所得到的结构示意图，图3为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20上形成的界面进行第一次侧壁钝化步骤后所得到的结构示意图，图4为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20进行第二次刻蚀步骤后所得到的结构示意图，图5为根据本发明的一个具体实施例的本发明方法对含碳的第二掩膜层20上形成的界面进行第二次侧壁钝化步骤后所得到的结构示意图。由图2所示，界面50a和50b是由第一次刻蚀步骤形成，其中界面包括侧壁50b。在此刻蚀步骤中，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，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，刻蚀气体还可以包括含氮成份或含氢成份的气体，例如，H₂或N₂或NH₃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，从而实现对第二掩膜层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，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，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刻蚀到一定深度D1时停止刻蚀步骤，并切换进入如图3所示的聚合物侧壁钝化步骤。

请参阅图3，在形成图3所示的结构的侧壁钝化步骤中，向反应腔内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50b形成含硫成份的侧壁保护层21b和保护层21a，侧壁保护层21b会阻止在随后的刻蚀步骤中刻蚀反应气体与侧壁反应，从而保护侧壁50b不会在下一次刻蚀步骤中被破坏，因而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。本发明中硫成份的沉积反应气体中的硫可以在与等离子体作用下与刻蚀界面的侧壁50b中的碳结合形成聚合物保护层21b(比如，含碳硫键化合物)沉积在侧壁50b上。在侧壁钝化步骤中通入含硫成份的气体可以是H₂S、COS、S_xC_y、硫与卤素的化合物如S_xCl_y、S_xF_y、S_xBr_y等(其中，x，y是大于或等于1的自然数)。作为一种实施方式的举例，在侧壁钝化步骤中，含硫成份的气体的流量可以是100sccm，侧壁钝化步骤持续约1秒，使得含硫成份的气体中的硫和含碳第二掩膜层30的侧壁50b上的碳形成碳硫键化合物。由于碳硫键比碳氧或碳氢键结合得更紧密，所以在下一步刻蚀步骤(图4所示)中，刻蚀反应气体(如O₂或H₂)就不会与侧壁50b中的碳反应，使得侧壁50b的形貌不因被刻蚀而改变。当然，在侧壁钝化步骤中，也可以通过控制被处理晶圆表面的温度，比如使其低于室温达到0℃以下时，等离子体中的硫也会部分地直接形成固体，而附着在侧壁50b的表面上，固体硫也会在侧壁50b上形成保护层，有利于在下一步的刻蚀步骤中进行侧壁保护，在反应完成后，对晶圆升温到足够高，比如90℃，这些硫就会升华被去除掉了。在完成形成图3所示结构的侧壁钝化步骤后，停止此侧壁钝化步骤，并切换进入形成如图4所示结构的刻蚀步骤。

请再参阅图4，在形成图4所示的结构的刻蚀步骤中，刻蚀反应气体、反应条件与形成图2所示结构的刻蚀步骤相同或作些许调整，使第二掩膜层20刻蚀到一定深度D2(形成新的界面51a与51b)时停止刻蚀步骤，并切换进入如图5所示的聚合物侧壁钝化步骤。

请再参阅图5，在形成图5所示的结构的侧壁钝化步骤中，沉积反应气体、反应条件与形成图3所示结构的侧壁钝化步骤相同或作些许调整，使图4所形成的界面51a、51b上形成侧壁保护层22b和保护层22a。然后，再停止此侧壁钝化步骤，并切换进入下一个刻蚀步骤。

交替循环前述刻蚀步骤和聚合物侧壁钝化步骤，直到刻蚀到达目标深度。最终形成如图6的刻蚀结构。

需要说明的是，在形成图3所示的结构时，聚合物保护层21a也会形成在界面50a表面。但，聚合物保护层21a会在随后的刻蚀步骤中会与刻蚀气体比如氧反应消耗掉一部分，并且由于会很快被入射的等离子轰击，使得聚合物保护层21a被轰击掉，所以在整个刻蚀步骤中，刻蚀形成的沟道仍然垂直的向下延伸，而侧壁聚合物21b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。

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。

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硫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，完成整个含碳层刻蚀的处理步骤。此外，根据本发明的精神和思想，对图1所示的基片40上的第二掩膜层20进行刻蚀处理之前，也可以先进入侧壁钝化步骤，在侧壁钝化步骤中所用的沉积气体包括含硫成份的气体，通过控制施加在晶圆上的低频(如，2MHZ)的射频功率的大小，通过离子入射实现对目标有机物层(第二掩膜层20)的刻蚀，虽然刻蚀速度相对较慢，但是会在第一掩膜层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含硫成份的气体而形成的耐等离子体腐蚀的侧壁保护层。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。

作为一种实施方式，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对第二掩膜层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实现刻蚀时的参数设置，气压可以是10mT，RF功率700/0W(60MHZ/2MHZ)，H2流量100sccm，持续2秒。

图6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21b、22b使得第二掩膜层刻蚀界面的侧壁50b、51b基本垂直，达到了较佳的刻蚀效果。

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

1.一种刻蚀含碳层的等离子刻蚀方法，包括：

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侧壁保护层，附着在所述刻蚀界面的侧壁表面；

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

7.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。

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。