CN102097359B

CN102097359B - 接触孔的刻蚀方法

Info

Publication number: CN102097359B
Application number: CN 200910201057
Authority: CN
Inventors: 王新鹏; 张海洋
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: CN102097359A

Abstract

本发明公开了一种接触孔的刻蚀方法：对层间介质层进行第一步主刻蚀，将刻蚀进行到氮化层的上方时停止；对所述层间介质层进行第二步主刻蚀，以层间介质层下的氮化层作为刻蚀终止层；所述第一步主刻蚀采用的源功率为1500～3000瓦；偏置功率为2000～4000瓦；氩气的流量为500～1500sccm；所述第二步主刻蚀采用的源功率为500～2000瓦；偏置功率为500～2000瓦；氦气的流量为100～1000sccm。本发明还公开了采用上述方法形成的接触孔。本发明形成的接触孔，增加了接触孔金属空隙填充能力，提高了接触孔Rc均匀性，减少了CT open缺陷，减少了接触孔和栅极结构相连通而短路的可能。

Description

接触孔的刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种接触孔的刻蚀方法。

背景技术

目前，在半导体器件的制作过程中，接触孔（CT）作为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。图1为具有接触孔的半导体器件剖面示意图。在刻蚀接触孔之前，在半导体衬底上已经形成栅极结构、有源区、有源区表面的金属硅化物、以及覆盖栅极结构和有源区的氮化层和沉积于氮化层表面的层间介质层（ILD），等等，为清楚介绍接触孔，上述结构及结构之间的连接关系属于公知常识就不再赘述。接触孔101与半导体器件有源区上的金属硅化物层102电性连接。

现有技术中接触孔的形状有多种，有如图1所示的直角形状，还有倒梯形形状，等等。随着半导体技术代的不断提高，接触孔的特征尺寸不断缩小，其深宽比（aspect ratio）也不断增大，那么具有直角形状的接触孔的金属空隙填充（gap fill）能力就比较差，即后续向接触孔内填充金属时，由于接触孔自上而下都比较直，所以不容易向里面填充金属。

具有倒梯形形状的接触孔，孔内自上而下呈一定的坡度，其完全斜的形状孔不能很好地控制接触电阻（Rc）均匀性，因为接触孔本身的关键尺寸均匀性较难控制，一般关键尺寸均匀性较差，如果再加上角度的均匀性不好，那么填充在接触孔中的金属的体积就很难保证较好的均匀性，接触孔中的金属体积均匀性与Rc均匀性相关，所以具有倒梯形形状的接触孔一般Rc均匀性都比较差。而且，具有倒梯形形状的接触孔，其侧壁自上而下呈一定的坡度，在整个刻蚀的过程中，都需要不断在接触孔的侧壁堆积聚合物，但聚合物的堆积不但在接触孔的侧壁，而且同时会在接触孔的底面，处于接触孔底面的聚合物又无法在刻蚀过程中及时去除，因此很容易导致接触孔断路（CT open）的问题，即接触孔无法与下面的金属硅化物电性连接。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：增加接触孔的金属空隙填充能力，提高接触孔Rc均匀性以及减少CT open的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种接触孔的刻蚀方法，所述刻蚀在刻蚀反应腔内进行，该方法包括：

在层间介质层表面依次涂布底部抗反射层和光阻胶层，对所述光阻胶层进行曝光显影，定义接触孔的位置，然后以曝光显影后的光阻胶层为掩膜，对其下的底部抗反射层进行刻蚀；

以曝光显影后的光阻胶层和底部抗反射层为掩膜，对所述层间介质层进行第一步主刻蚀，将刻蚀进行到氮化层的上方时停止；所述刻蚀气体包括四氟化碳；

对所述层间介质层进行第二步主刻蚀，以层间介质层下的氮化层作为刻蚀终止层；所述刻蚀气体包括碳元素和氟元素的比例大于1：4的气体；

所述光阻胶层以及底部抗反射层的灰化；

去除接触孔底面剩余的氮化层，以显露出下面的金属硅化物层；

所述第一步主刻蚀采用的源功率为1500～3000瓦；偏置功率为2000～4000瓦；稀释气体氩气的流量为500～1500标准立方厘米每分钟sccm；

所述第二步主刻蚀采用的源功率为500～2000瓦；偏置功率为500～2000瓦；稀释气体氦气的流量为100～1000sccm。

所述第一步主刻蚀源功率和偏置功率的比例为1～2。

所述第二步主刻蚀源功率和偏置功率的比例为0.5～2。

所述去除接触孔底面剩余的氮化层时，刻蚀气体包括氦气和一氧化碳；

所述氦气的流量为100～800sccm；所述一氧化碳的流量为0～30sccm。

所述第一步主刻蚀和第二步主刻蚀时刻蚀反应腔内的压力为5～40毫托。

本发明还公开了一种接触孔，包括与接触孔开口面接触的上面部分和与接触孔底面接触的下面部分，开口特征尺寸大于底面的特征尺寸，所述上面部分的高度占接触孔高度的1/2至2/3，上面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔开口面所在平面的夹角为88～90度；

下面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔底面所在平面的夹角为75～85度。

由上述的技术方案可见，本发明提供了一种具有两种角度的接触孔以及该接触孔的形成方法。该接触孔包括与接触孔开口面接触的上面部分和与接触孔底面接触的下面部分，其开口特征尺寸大于底面的特征尺寸。在刻蚀到氮化层之前，即接触孔的上面部分，占接触孔高度的1/2至2/3部分，上面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔开口面所在平面的夹角为88～90度；而接触孔的下面部分，其侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔底面所在平面的夹角为75～85度。使得与现有技术中的接触孔相比，增加了接触孔的金属空隙填充能力，提高了接触孔Rc均匀性，减少了CT open的缺陷，以及减少了接触孔和栅极结构相连通而短路的可能。

附图说明

图1为具有接触孔的半导体器件剖面示意图。

图2a至2e为本发明刻蚀具有两种角度的接触孔的具体剖视结构示意图。

图3为本发明在刻蚀反应腔内刻蚀具有两种角度的接触孔的方法流程示意图。

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，对本发明进一步详细说明。

本发明的核心思想是：本发明公开了一种具有两种角度的接触孔，该接触孔包括与接触孔开口面接触的上面部分和与接触孔底面接触的下面部分，其开口特征尺寸大于底面的特征尺寸。在刻蚀到氮化层之前，即接触孔的上面部分，占接触孔高度的1/2至2/3部分，上面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔开口面所在平面的夹角为88～90度；而接触孔的下面部分，其侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔底面所在平面的夹角为75～85度。本发明还公开了具有上述形状的接触孔的制作方法：

所述光阻胶层以及底部抗反射层的灰化；

结合图2a至2e，对本发明具有两种角度的接触孔的刻蚀进行说明。本发明在刻蚀反应腔内刻蚀具有两种角度的接触孔的方法流程示意图如图3所示：

步骤31、请参阅图2a，对光阻胶层201进行曝光显影，定义接触孔的位置，然后以曝光显影后的光阻胶层为掩膜，对其下的底部抗反射层202进行刻蚀。其中，底部抗反射层作为吸光层，可以选择使用，可以为有机抗放射层、或含硅的有机抗放射层、及氮氧化硅等。

步骤32、请参阅图2b，以曝光显影后的光阻胶层201和底部抗反射层202为掩膜，对层间介质层203进行第一步主刻蚀，控制刻蚀速率和刻蚀时间，将刻蚀进行到如图2b所示的氮化层204的上方时停止，该步骤中形成与接触孔开口面接触的上面部分，刻蚀了接触孔高度的1/2至2/3，接触孔侧壁与水平面垂直。所述接触孔侧壁与水平面垂直时一种理想状态，一般在实际工艺中角度都能够达到88～90度，所述88～90度为上面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔开口面所在平面的夹角。层间介质层一般为氧化层。该步骤在低压5～40毫托下进行，优选值为10毫托、20毫托或30毫托；采用较高的源功率和偏置功率；采用产生的聚合物较少的刻蚀气体四氟化碳（CF₄），用于提高刻蚀速率的氧气，以及稀释气体氩气。其中能够将该部分的接触孔刻蚀成直角形状的关键技术方案为高源功率和偏置功率的设置，以及采用了分子量较大的氩气，其离子轰击强，使得形成部分的接触孔侧壁比较垂直。源功率的范围为1500～3000瓦，偏置功率的范围为2000～4000瓦，其两者的比例优选在1～2之间。氩气的流量为500～1500标准立方厘米每分钟（sccm），优选为900sccm、1100sccm或1200sccm。

步骤33、继续对层间介质层203进行第二步主刻蚀，该步骤仍然在低压5～40毫托下进行，优选值为10毫托、20毫托或30毫托；采用刻蚀氧化层和氮化层选择比较高的刻蚀气体，即刻蚀氧化层的速率远大于刻蚀氮化层的速率，例如C4F6,C4F8,C5F8,CH2F2,CHF3等，此类刻蚀气体的特点是碳元素和氟元素的比例较高，一般大于1：4，但刻蚀过程会产生较多的聚合物。刻蚀反应腔内的气体还包括氧气和氦气。氮化层204作为刻蚀终止层，刻蚀到氮化层时，刻蚀终止，但仍会刻蚀部分氮化层。而且刻蚀过程中产生的较多聚合物在接触孔的侧壁堆积，形成了如图2c所示，下面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔底面所在平面的夹角为75～85度。需要说明的是，在该步骤中虽然产生了较多的聚合物，而且可能在接触孔的底面堆积，但与形成倒梯形形状的接触孔相比，聚合物数量大大减少，因为该步骤的刻蚀只是刻蚀接触孔高度的一部分，而不像倒梯形形状的接触孔，需要在整个刻蚀过程中在接触孔侧壁堆积聚合物，所以不会出现CT open的缺陷。而且本步骤中关键的技术方案是较低源功率和偏置功率的设置，以及采用了分子量较小的氦气，氦气的离子轰击能力比较弱，很难将侧壁上堆积的聚合物轰击掉，从而保持接触孔下面部分的收缩形状。其中，源功率的范围为500～2000瓦，偏置功率的范围为500～2000瓦，其两者的比例优选在0.5～2之间。氦气的流量为100～1000sccm，优选为450sccm、600sccm或650sccm。

步骤34、请参阅图2d，光阻胶层201以及底部抗反射层202的灰化，即去除所述光阻胶层201和底部抗反射层202。

步骤35、请参阅图2e，去除接触孔底部剩余的氮化层，以显露出下面的金属硅化物层205。该步骤中刻蚀反应腔内的气体包括氦气和一氧化碳，其流量分别为100～800sccm，0～30sccm。该步骤中氦气和一氧化碳的采用，更加优化了接触孔下面部分的收缩效果。

综上，具有两种角度的接触孔形状已经形成，如图2e中接触孔的剖视图所示，该接触孔的开口特征尺寸大于底面的特征尺寸，该接触孔的侧壁包括与接触孔开口面接触的上面部分的侧壁和与接触孔底面接触的下面部分的侧壁，上面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔开口面所在平面的夹角为88～90度，下面部分的侧壁向接触孔外倾斜且与接触孔底面所在平面的夹角为75～85度。本发明所形成的接触孔，所具有的优点如下：

一、由于接触孔下面部分的侧壁具有很大向外倾斜的角度，所以较之直角形状的接触孔，更容易向接触孔内填充金属；

二、该接触孔在上面的1/2～2/3部分仍然保持很直的形状，只在剩下高度的位置向里侧收缩，这样接触孔的上面部分对于Rs起绝大部分贡献作用，其关键尺寸可以很好的控制，对Rs的影响会小很多，所以较之倒梯形形状的接触孔，具有较好的Rc均匀性；

三、该接触孔只在第二步主刻蚀中，在侧壁堆积聚合物，使得接触孔下面部分的侧壁具有很大向外倾斜的角度，而不像倒梯形形状的接触孔，需要在整个刻蚀过程中在接触孔侧壁堆积聚合物，所以产生的聚合物数量大大减少，减少了出现CT open缺陷的可能；

四、本发明形成的具有两种角度的接触孔，由于在接触孔下面部分的侧壁具有很大向外倾斜的角度，即接触孔离栅极结构的距离较远，所以与具有直角形状的接触孔相比，减少了接触孔和栅极结构相连通而短路的可能。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种接触孔的刻蚀方法，所述刻蚀在刻蚀反应腔内进行，该方法包括：

以曝光显影后的光阻胶层和底部抗反射层为掩膜，对所述层间介质层进行第一步主刻蚀，将刻蚀进行到氮化层的上方时停止；所述第一步主刻蚀气体包括四氟化碳；

对所述层间介质层进行第二步主刻蚀，以层间介质层下的氮化层作为刻蚀终止层；所述第二步主刻蚀气体包括碳元素和氟元素的比例大于1：4的气体；

所述光阻胶层以及底部抗反射层的灰化；

其特征在于，所述第一步主刻蚀采用的源功率为1500～3000瓦；偏置功率为2000～4000瓦；稀释气体氩气的流量为500～1500标准立方厘米每分钟sccm；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步主刻蚀源功率和偏置功率的比例范围为1～2。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二步主刻蚀源功率和偏置功率的比例范围为0.5～2。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述去除接触孔底面剩余的氮化层时，刻蚀气体包括氦气和一氧化碳；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一步主刻蚀和第二步主刻蚀时刻蚀反应腔内的压力为5～40毫托。