CN102097360B - 刻蚀连接孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刻蚀连接孔的方法，在刻蚀反应腔内，刻蚀连接孔的过程中，当连接孔底部出现聚合物时，执行清除连接孔底部聚合物的步骤，所述清除采用的源功率大于等于2000瓦；不采用偏置功率；采用氮气与一氧化碳的比例为0.6～2，一氧化碳的流量为30～80标准立方厘米/分钟sccm。采用本发明的方法，能够有效解决连接孔断路的问题，使得接触孔与下面的金属硅化物电性连接，或者通孔与下层的金属电性连接。

Description

刻蚀连接孔的方法

技术领域

本发明涉及半导体元器件制造技术领域，特别涉及一种刻蚀连接孔的方法。

背景技术

目前，在半导体器件的制作过程中，连接孔作为多层金属层间互连以及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。连接孔分为接触孔(contact)和通孔(via)。图1为具有接触孔和通孔的半导体器件剖面示意图。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，通孔103与沟槽104连通，作为多层金属层间的互连。

随着半导体技术代的不断提高，连接孔的特征尺寸不断缩小，制程要求连接孔的特征尺寸缩小(CDshrinkage)也相应变大，意味着刻蚀偏移量(etchbias)的不断变大，etchbias等于刻蚀后检测(AfterEtchInspection，AEI)的特征尺寸减去显影后检测(AfterDevelopmentInspection，ADI)的特征尺寸，这里刻蚀后检测的特征尺寸为刻蚀连接孔后，连接孔底部的特征尺寸，显影后检测的特征尺寸为未刻蚀连接孔前，光阻胶显影后的特征尺寸。如果要求AEI与ADI之间的差值较大的话，则刻蚀连接孔时需要在连接孔的侧壁上不断堆积聚合物，使得异向刻蚀顺利进行，以减少AEI的特征尺寸。那么刻蚀连接孔时，不但会在连接孔的侧壁堆积聚合物，而且会在连接孔的底部堆积聚合物。

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，为清楚介绍接触孔的形成，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。以在刻蚀反应腔内刻蚀图1中的接触孔为例，结合图2a至2e，对现有技术中刻蚀接触孔的方法进行说明，其包括以下步骤：

步骤21、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22、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。该步骤中采用产生的聚合物较少的刻蚀气体。层间介质层一般为氧化层。

步骤23、继续对层间介质层203进行第二步主刻蚀，该步骤中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，所以氮化层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，如图2c所示。

步骤24、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25、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。

在上述步骤中，每一步都有可能产生聚合物，这些聚合物就会越来越多地堆在接触孔的底部，而对于去除剩余氮化层的刻蚀气体来说，由于该刻蚀气体主要用于将氮化层中的N-Si键断裂，形成氟化硅等挥发性气体排出刻蚀反应腔，所以基本上无法去除含碳、氢、氧和氟元素的聚合物，因此很容易导致接触孔断路(CTopen)的问题，即接触孔无法与下面的金属硅化物电性连接。

通孔的刻蚀工艺与接触孔大致相同，所以同样会产生相同的问题，即通孔无法与下层的金属电性连接。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：连接孔断路的问题，即接触孔无法与下面的金属硅化物电性连接，或者通孔无法与下层的金属电性连接。

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：

本发明公开了一种刻蚀连接孔的方法，在刻蚀反应腔内，刻蚀连接孔的过程中，当连接孔底部出现聚合物时，执行清除连接孔底部聚合物的步骤，所述清除采用的源功率大于等于2000瓦；不采用偏置功率；采用氮气与一氧化碳的比例为0.6～2，一氧化碳的流量为30～80标准立方厘米/分钟sccm。

清除聚合物时，刻蚀反应腔内进一步包括氦气，所述氦气的流量大于500sccm。

清除聚合物时，刻蚀反应腔内的压力小于30毫托。

所述连接孔包括接触孔和通孔，在对接触孔进行第一步主刻蚀层间介质层至氮化层的上方之后接触孔底部出现聚合物，或者在对接触孔进行第二步主刻蚀层间介质层至氮化层之后接触孔底部出现聚合物，或者在去除接触孔底部剩余的氮化层的步骤当中接触孔底部出现聚合物。

所述连接孔包括接触孔和通孔，在对通孔进行第一步主刻蚀金属间介质层至通孔高度的1/2至5/6之后通孔底部出现聚合物，或者在对通孔进行第二步主刻蚀金属间介质层至氮化层之后通孔底部出现聚合物，或者在去除通孔底部剩余的氮化层的步骤当中通孔底部出现聚合物。

由上述的技术方案可见，本发明在第一步主刻蚀连接孔之后，或者在第二步主刻蚀连接孔之后，或者在去除剩余氮化层的步骤当中，将连接孔底部的聚合物去除，确保去除剩余氮化层的步骤完成之后，接触孔与下面的金属硅化物电性连接，或者通孔与下层的金属电性连接。本发明在刻蚀连接孔的过程中加入清除连接孔底部聚合物的步骤，不但能够确保清理下的聚合物顺利从刻蚀反应腔抽出，而且在刻蚀接触孔的过程中，既不会对光阻胶层以及底部抗反射层产生影响，也不会氧化金属硅化物层；在刻蚀通孔的过程中，既不会对光阻胶层以及底部抗反射层产生影响，也不会氧化下层的金属。

附图说明

图1为具有接触孔和通孔的半导体器件剖面示意图。

图2a至2e为现有技术刻蚀接触孔的具体结构示意图。

图3为本发明第一实施例在刻蚀反应腔内刻蚀接触孔的方法的流程示意图。

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：在第一步主刻蚀连接孔之后，或者在第二步主刻蚀连接孔之后，或者在去除剩余氮化层的步骤当中，将连接孔底部的聚合物去除，确保去除剩余氮化层的步骤完成之后，接触孔与下面的金属硅化物电性连接，或者通孔与下层的金属电性连接。

现有技术在刻蚀接触孔的过程中，每一步都有可能在接触孔底部产生聚合物。例如在对接触孔进行第一步主刻蚀层间介质层至氮化层的上方之后接触孔底部出现聚合物，或者在对接触孔进行第二步主刻蚀层间介质层至氮化层之后接触孔底部出现聚合物，或者在去除接触孔底部剩余的氮化层的步骤当中接触孔底部出现聚合物。

本发明第一实施例在刻蚀反应腔内刻蚀接触孔的方法的流程示意图如图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。该步骤中采用产生的聚合物较少的刻蚀气体。层间介质层一般为氧化层。

步骤33、清除刻蚀底部抗反射层时，或者第一步主刻蚀时在接触孔底部以及刻蚀反应腔内悬浮的聚合物。

该步骤中清除聚合物，在小于30毫托的低压下进行，低压有利于将聚合物从刻蚀反应腔内抽走，低压的优选值为15毫托、20毫托或25毫托；采用高的源功率，大于等于2000瓦，优选为2500瓦、3000瓦或3500瓦，较高的源功率能够有效将聚合物分离，从而随稀释气体被抽出刻蚀反应腔；不采用偏置功率，即偏置功率为零，以减少聚合物被抽出刻蚀反应腔时向下的方向性。本步骤中还采用氦气作为稀释气体，氦气的流量大于500标准立方厘米/分钟(sccm)，优选为800sccm、1000sccm或1500sccm；采用氮气和一氧化碳相结合，对聚合物进行刻蚀，氮气与一氧化碳的比例控制在0.6～2，其中一氧化碳的流量为30～80sccm，优选为40sccm、50sccm或60sccm。这样，一氧化碳中的氧元素可以有效去除聚合物，而且氮气和一氧化碳相结合能够在去除聚合物的同时，保护光阻胶层以及底部抗反射层不被一氧化碳中的氧元素氧化，如果光阻胶层以及底部抗反射层被氧化，就会导致接触孔CD变大，偏离目标值的问题。

需要说明的是，本发明关键的技术方案为氮气和一氧化碳相结合，使得在清除聚合物的过程中，不会将光阻胶层以及底部抗反射层氧化损耗，以及较高的源功率和不采用偏置功率，能够确保清理下的聚合物顺利从刻蚀反应腔抽出。

步骤34、继续对层间介质层203进行第二步主刻蚀，该步骤中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，所以氮化层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，如图2c所示。

步骤35、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36、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。

由于加入了步骤33，虽然在步骤34和35中还会产生聚合物，但后续产生的聚合物在接触孔底部的堆积，与现有技术相比，显然大大减少，所以经过步骤36，去除剩余的氮化层，就很容易显露出下面的金属硅化物层205，因此也就不存在CTopen的问题。

本发明第二实施例在刻蚀反应腔内刻蚀接触孔的方法，与第一实施例不同的是，清除聚合物的步骤在对层间介质层203进行第二步主刻蚀之后，灰化光阻胶层201以及底部抗反射层202之前进行，具体工艺参数与第一实施例相同。本实施例清除了刻蚀底部抗反射层时，或者第一步主刻蚀时，或者第二步主刻蚀时在接触孔底部以及刻蚀反应腔内悬浮的聚合物。第二步主刻蚀由于采用刻蚀氧化层和氮化层选择比较高的刻蚀气体，所以产生的聚合物尤其严重。所以在第二步主刻蚀之后再清除聚合物，达到了比第一实施例更好的效果。

本发明第三实施例在刻蚀反应腔内刻蚀接触孔的方法，与第一实施例不同的是，在去除剩余氮化层的步骤当中，进行聚合物去除的步骤，具体工艺参数与第一实施例相同。本实施例清除了刻蚀底部抗反射层时，或者第一步主刻蚀时，或者第二步主刻蚀时在接触孔底部以及刻蚀反应腔内悬浮的聚合物，确保最终去除剩余氮化层的步骤完成之后，接触孔与下面的金属硅化物电性连接。而且，由于聚合物的清除，加入在去除剩余氮化层的步骤当中，较薄的氮化层，很容易使得下面的金属硅化物层显露出来，本实施例中清除聚合物的步骤采用氮气和一氧化碳相结合，不会在清除聚合物的过程中，将下面的金属硅化物层氧化，导致半导体器件出现缺陷。

在上述各个实施例中，聚合物被有效去除，CTopen的现象明显降低，采用现有技术的方法刻蚀接触孔，接触孔出现CTopen的数量达到200～300颗(ea)，而采用本发明的方法之后，接触孔出现CTopen的数量只有不到10ea。

在后段中刻蚀通孔的工艺与接触孔大致相同，虽然刻蚀的材质有所不同，但也分为两步主刻蚀和去除剩余刻蚀终止层的步骤。

具体地，刻蚀通孔的方法包括以下步骤：

步骤41、在低介电常数绝缘材料层上依次涂布底部抗反射层和光阻胶层，曝光显影所述光阻胶层，定义通孔的位置，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。低介电常数绝缘材料层可以为黑金刚石(BD)材料、氟化玻璃(FSG)等，称为金属间介质层(IMD)。

步骤42、以曝光显影后的光阻胶层和底部抗反射层为掩膜，对低介电常数绝缘材料层进行第一步主刻蚀，控制刻蚀速率和刻蚀时间，到整个通孔高度的1/2至5/6时，刻蚀停止。该步骤中采用产生的聚合物较少的刻蚀气体。

步骤43、继续对低介电常数绝缘材料层进行第二步主刻蚀，该步骤中采用刻蚀低介电常数绝缘材料层和氮化层选择比较高的刻蚀气体，即刻蚀低介电常数绝缘材料层的速率远大于刻蚀氮化层的速率，由于氮化层位于低介电常数绝缘材料层的下面，所以氮化层作为刻蚀终止层，刻蚀到氮化层时，刻蚀终止，但仍会刻蚀部分氮化层。

步骤44、去除所述光阻胶层和底部抗反射层。

步骤45、去除通孔底部剩余的氮化层，以显露出下面的金属。金属互连层一般采用铜作为金属互连材料，所以显露出的是下层金属铜。

同样，在上述步骤中，每一步都有可能产生聚合物，例如在对通孔进行第一步主刻蚀金属间介质层至通孔高度的1/2至5/6之后通孔底部出现聚合物，或者在对通孔进行第二步主刻蚀金属间介质层至氮化层之后通孔底部出现聚合物，或者在去除通孔底部剩余的氮化层的步骤当中通孔底部出现聚合物。这些聚合物就会越来越多地堆在接触孔的底部而无法去除，使得在执行完成步骤45之后，通孔无法与下面的金属电性连接。在本发明在步骤42和步骤43之间，或者在步骤43或44之间，或者在执行步骤45的过程中，加入清除通孔底部聚合物的步骤，具体工艺参数与清除接触孔底部聚合物相同。关键的技术方案为氮气和一氧化碳相结合，使得在步骤42和步骤43之间，或者在步骤43或44之间加入清除聚合物的步骤时，不会将光阻胶层以及底部抗反射层氧化损耗；在执行步骤45的过程中，加入清除聚合物的步骤时，虽然氮化层很薄，容易显露出下面的金属，但不会将下面的金属氧化；以及较高的源功率和不采用偏置功率，能够确保清理下的聚合物顺利从刻蚀反应腔抽出。

总之，本发明清除聚合物的气体中，不采用氧气，在刻蚀接触孔的过程中，既不会对光阻胶层以及底部抗反射层产生影响，也不会氧化金属硅化物层；在刻蚀通孔的过程中，既不会对光阻胶层以及底部抗反射层产生影响，也不会氧化下层的金属。而本发明所采用的一氧化碳，即兼顾了清除聚合物的作用，又没有氧气那样很强的氧化性，所以选用一氧化碳作为主要气体。

需要说明的是，为了更好的达到清除聚合物的效果，还可以在刻蚀连接孔的过程中加入多步清除聚合物的步骤，即同时在第一步主刻蚀连接孔之后、在第二步主刻蚀连接孔之后，或者在去除剩余氮化层的步骤当中，加入本发明所述清除聚合物的步骤。

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 (4)

1.一种刻蚀连接孔的方法，在刻蚀反应腔内，刻蚀连接孔的过程中，当连接孔底部出现聚合物时，执行清除连接孔底部聚合物的步骤，所述清除采用的源功率大于等于2000瓦；不采用偏置功率；采用氮气与一氧化碳的比例为0.6～2，一氧化碳的流量为30～80标准立方厘米/分钟；刻蚀反应腔内的压力小于30毫托。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，清除聚合物时，刻蚀反应腔内进一步包括氦气，所述氦气的流量大于500标准立方厘米/分钟。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述连接孔包括接触孔和通孔，在对接触孔进行第一步主刻蚀层间介质层至氮化层的上方之后接触孔底部出现聚合物，或者在对接触孔进行第二步主刻蚀层间介质层至氮化层之后接触孔底部出现聚合物，或者在去除接触孔底部剩余的氮化层的步骤当中接触孔底部出现聚合物。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述连接孔包括接触孔和通孔，在对通孔进行第一步主刻蚀金属间介质层至通孔高度的1/2至5/6之后通孔底部出现聚合物，或者在对通孔进行第二步主刻蚀金属间介质层至氮化层之后通孔底部出现聚合物，或者在去除通孔底部剩余的氮化层的步骤当中通孔底部出现聚合物。