CN102403219B - 一种铜制程等离子刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜制程等离子刻蚀方法，为解决刻蚀过程中铜原子被溅射出来暴露到反应腔引起刻蚀速率偏移的问题。在刻蚀含硅绝缘层直到露出下层的铜的过程中，本发明的刻蚀方法在刻蚀过程中保持原有刻蚀气体流量的同时提高含氧气体的流量。提高了氧气和刻蚀气体的混合比后，暴露在反应腔内的铜引起的刻蚀速率偏移问题被抑制，更易于获得长期、均一、稳定的加工效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种铜制程的等离子刻蚀方法。
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也称电容耦合型反应腔(CCP)。在将处理气体导入反应腔室内的同时，在上下部电极间施加高频电压，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。等离子处理装置也可以是电感耦合型的(ICP)，射频电源施加到电感线圈，线圈中的电磁场扩散到反应腔中产生等离子体。在放置加工晶圆的下电极上通常会施加一个低频的射频电压，通过调节该低频射频源可以调节下电
极上晶圆上表面的鞘层(sheath)的厚度从而调节等离子体中的带电粒子的能量，使带电粒子垂直入射到晶圆上，从而使得等离子刻蚀具有方向性。
如图1a所示，在铜制程干法刻蚀中下层的导体铜被上层的停止层和绝缘层覆盖，绝缘层可以是SiO2或SiN层。通过光刻胶形成绝缘层上的图形，然后再利用刻蚀气体向下刻蚀直到如图1b所示露出下面的铜。其中刻蚀气体通常包括氟碳化合物来刻蚀绝缘层，也通入少量地氧气以控制侧壁的形状与反应的速度。但是在刻蚀进行到最后阶段，停止层被刻穿铜露出表面时，垂直入射的离子会对铜进行轰击，铜原子会被溅射出来。部分溅射出来的铜原子会到达反应腔侧壁或者上电极，也可能沉积在加工晶圆表面。而铜在刻蚀气体刻蚀绝缘层的反应过程当中可以起催化剂的作用，改变刻蚀的速率，比如有铜存在反应腔内时，同样参数条件下刻蚀SiO2的速率会比没有铜时的高。相反在刻蚀SiN时有铜的存在会使刻蚀速率降低。由于每一次刻蚀过程当中的铜都会被溅射出来所以铜原子的数量在上电极会随时间而积累，这就造成了刻蚀速率会随着时间的积累偏移越来越大。刻蚀加工的一致性就无法保证。
所以业界需要一个全面有效而简单的方法以解决铜造成的离子刻蚀中的刻蚀速率偏移，在长期的刻蚀过程中保持一致的反应速率。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种铜制程中的等离子刻蚀方法，在保证刻蚀速率的同时抑制刻蚀过程中溅射到反应腔内的铜颗粒对反应速率造成的影响。为解决上述问题，本发明提出一种等离子刻蚀方法，包括：放置基片到等离子反应腔的基座，其中基片上包括含铜材料层和覆盖在含铜材料层上的含硅绝缘层，含硅绝缘层上覆盖有图形化的掩膜层；通过供气装置向反应腔供应刻蚀气体和氧化性气体并对含硅绝缘层进行刻蚀；判断含铜材料层是否已经暴露，在含铜材料层暴露时停止刻蚀；其特征在于该图形化掩膜层是有机材料制成，(当刻蚀气体是CF4时)氧化性气体的气体流量大于刻蚀气体流量的1/3。其中有机材料制成的掩膜层可以是光刻胶，氧化性气体选自O2，CO2，N2O，O3之一或者其混合物，刻蚀气体选自氟碳化合物。当氧化性气体为O2时，O2气体流量小于刻蚀气体流量的1/2以保证刻蚀速率。当氧化性气体是CO2，CO2气体流量小于刻蚀气体流量的3/4以保证刻蚀速率。当刻蚀气体是C4F8时，氧化性气体流量大于刻蚀气体流量的1倍小于刻蚀气体流量的2.5倍。
其中该图形化掩膜层也可以是无机材料制成，氧化性气体的气体流量大于刻蚀气体流量的1/6，小于刻蚀气体流量的1/4。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过改变刻蚀气体和侧壁保护气体的供气方式实现整个晶圆表面具有不同的刻蚀气体和侧壁保护其它的混合比，最终抵消其它因素造成的刻蚀不均一效果实现均一的刻蚀效果。
附图说明
图1a是本发明应用到的铜制程干刻蚀开始前的材料结构；
图1b是本发明应用到的铜制程干刻蚀完成后的材料结构；
图2为采用本发明的刻蚀方法与采用现有技术刻蚀形成的刻蚀速率偏移效果的对比示意图；
具体实施方式
现有技术中在有铜溅射情况下刻蚀率发生了显著的偏移，本发明是通过对刻蚀工艺的优化，从而抑制溅射铜对生产工艺的影响。发明人经过研究发现溅射铜在存在有大量氧化性气体的氛围中时，铜对刻蚀反应的催化作用不明显，这样就能抑制铜暴露在反应腔时对刻蚀反应速率造成的偏移，反应腔腔体状态的复原速度也大大加快。
本发明在刻蚀过程中除了通入刻蚀气体如氟碳化合物外还通入大量的氧化性的气体，该氧化性气体可以是O2、CO2、N2O，O3或者其它具有氧化功能的气体。与现有技术中氧化性气体通入量只有0-100sccm，相比本发明为了达到抑制铜的催化作用的目的，选择了远大于传统需求量的氧化气体通入量。
氧气通入量的选择受到很多因素的影响：
刻蚀气体的不同造成刻蚀反应的过程略有不同，则要达到本发明目的氧气通入量会有不同；
含氧气体成分不同也会造成含氧气体通入量不同，比如O3的通入量就可以少于O2；
刻蚀的不同阶段对含氧气体的需求量不同，在刻蚀如图1所示的氧化硅、氮化硅、停止层时由于刻蚀深度不同，刻蚀的材料不同所以氧化气体的需求量也不同；
掩膜材料不同也会影响氧化性气体的需求量，比如采用如图1所示的用光刻胶作为掩膜时，由于光刻胶属于有机物本身会消耗氧气所以，所以为了达到本发明的目的就需要更多的氧气流入反应腔。
上述不同的因素均对反应腔中的氧气需求量造成影响，下面以其中一种典型情况来显示本发明的一个实施例。当刻蚀气体选则CF4，氧化性气体选自O2，掩膜选择光刻胶时经过发明人实验发现当CF4通入量仍然是500sccm时，O2/CF4的流量比例选择在大于3∶10时，也就是O2流量大于150sccm时能够达到明显的抑制铜的催化作用的效果。在气压100mt，60MHZ高频射频电源为1500W，2MHZ低频射频电源为1800W，刻蚀气体CF4通入500sccm的运行情况下进行不同含氧气体流量刻蚀效果的测试，具体效果请参考图2。图2中分别依次显示了在不同氧气流量下，在有铜暴露于反应腔内和无铜暴露在反应腔内时的刻蚀速率。从图中可以看到在氧气流量大于等于150sccm时即使是在有铜暴露的情况下也与无铜暴露情况下的刻蚀速率接近，也就是当O2流量大于等于150sccm时铜的催化作用被有效的抑制了。但是当氧气通入量过大比如大于250sccm时，O2限制了刻蚀的进行，整体的刻蚀速率会下降，造成生产效率降低。在对生产效率要求较高的场合就要求氧气的通入量要小于250sccm，也就是O2/CF4的流量比选择在＜1/2。所以抑制铜的催化作用的同时要保证最高的刻蚀率的情况下O2/CF4的流量比选择1/2～1/3是最佳比例。上述有机材料掩膜层除了光刻胶外也可以选择其它材料，如无定型碳层或者其它与SiO2或SiN具有足够的刻蚀选择比的材料。
其它情况相同，选择CO2作为氧化性气体，CF4仍作为刻蚀气体时进行测试可以获得在1/3～3/4的CO2/CF4的流量比会取得最佳的效果。
同样情况下也可以选择无机材料作为掩膜层，也就是掩膜层不会与含氧气体反应时1/5～1/4的O2/CF4的流量比会取得最佳的效果。
其它情况相同，选择C4F8作为刻蚀气体，O2仍作为氧化性气体时可以选择1∶1～2.5∶1的O2/C4F8的气体流量比会取得最佳的效果。如果不选择光刻胶作为掩膜而用其它不会与氧反应的材料作为掩膜的话2/5～2/3的O2/C4F8的流量比会取得最佳的效果。
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 (4)
1.一种铜制程等离子刻蚀方法，用以抑制铜暴露在反应腔时对刻蚀反应速率造成的偏移，所述刻蚀方法包括：
放置基片到等离子反应腔的基座，其中基片上包括含铜材料层和覆盖在含铜材料层上的含硅绝缘层，含硅绝缘层上覆盖有图形化的掩膜层，其中，所述含硅绝缘层包括氧化硅与氮化硅，所述图形化的掩膜层为有机材料；
通过供气装置向反应腔供应刻蚀气体和氧化性气体并对含硅绝缘层进行刻蚀，所述刻蚀气体选自CF4；
侦测到含铜材料层暴露时停止刻蚀；
在刻蚀过程中，刻蚀气体与氧化性气体的流量比满足以下关系中的一个：(1)、氧化性气体为氧气时，氧化性气体与刻蚀气体的流量比在1/3～1/2之间；(2)氧化性气体为CO2时，氧化性气体与刻蚀气体的流量比在1/3～3/4之间。
2.如权利要求1所述的铜制程等离子刻蚀方法，其特征在于，所述图形化的掩膜层是光刻胶。
3.一种铜制程等离子刻蚀方法，用以抑制铜暴露在反应腔时对刻蚀反应速率造成的偏移，所述刻蚀方法包括：
放置基片到等离子反应腔的基座，其中基片上包括含铜材料层和覆盖在含铜材料层上的含硅绝缘层，含硅绝缘层上覆盖有图形化的掩膜层，其中，所述含硅绝缘层包括氧化硅与氮化硅，所述图形化的掩膜层为不与含氧气体反应的无机材料；
通过供气装置向反应腔供应刻蚀气体和氧化性气体并对含硅绝缘层进行刻蚀，其中，所述刻蚀气体选自CF4，所述氧化性气体为氧气；
判断含铜材料是否暴露，当含铜材料层暴露时停止刻蚀；
在刻蚀过程中，氧化性气体与刻蚀气体的流量比在1/5～1/4之间。
4.一种铜制程等离子刻蚀方法，用以抑制铜暴露在反应腔时对刻蚀反应速率造成的偏移，所述刻蚀方法包括：
放置基片到等离子反应腔的基座，其中基片上包括含铜材料层和覆盖在含铜材料层上的含硅绝缘层，含硅绝缘层上覆盖有图形化的掩膜层，其中，所述含硅绝缘层包括氧化硅与氮化硅；
通过供气装置向反应腔供应刻蚀气体C4F8和氧化性气体O2并对含硅绝缘层进行刻蚀，
侦测到含铜材料层暴露时停止刻蚀；
在刻蚀过程中，刻蚀气体与氧化性气体的流量比满足以下关系中的一个：(1)、图形化的掩膜层为光刻胶时，氧化性气体与刻蚀气体的流量比在1～2.5之间；(2)图形化的掩膜层为不与氧反应的材料时，氧化性气体与刻蚀气体的流量比在2/5～2/3之间。
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