CN102543836B - 通孔的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本实施例公开了一种通孔的刻蚀方法，包括：提供基底，所述基底包括层间介质ILD层和位于ILD层上表面的包括通孔图案的掩膜层；在各向异性刻蚀腔体中，对所述基底进行各向异性刻蚀，所述各向异性刻蚀在所述通孔图案内纵向上去除掉预设厚度的ILD层材料，所述预设厚度小于所述ILD层的厚度；在各向异性刻蚀腔体中，调整刻蚀气体的组分和配比，对经过各向异性刻蚀的基底进行各向同性刻蚀，所述各向同性刻蚀在横向上去除掉预设尺寸的ILD层材料，以满足通孔形貌的要求。本发明实施例在异性刻蚀腔体内实现各向同性刻蚀，省去了在两个不同类型的腔体间传送的时间，减少了通孔刻蚀所需的时间，缩短了产品的生产周期。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地说，涉及一种通孔的刻蚀方法。
背景技术
随着超大规模集成电路(ULSI，Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。在超大规模集成电路的制造过程中，有几百个制作工序，为了节省产品的制造时间，因此尽量减少各个工序的时间就变得很重要了。
在Al布线制程中，通孔是将位于层间介质层(ILD)上下两面的两层金属层连接起来的通道，为了保证在通孔中注入导电用的金属时，通孔的侧壁和台阶良好的覆盖，通孔的下部侧壁为竖直的直孔，上部侧壁需为与下部侧壁的夹角大于90°的斜坡，上部侧壁的形貌似碗口，现有技术中通孔的刻蚀过程一般分为两步进行，如图1-图3所示，包括以下步骤：
如图1所示，提供基底，所述基底包括层间介质ILD层11和位于ILD层上表面的包括通孔图案的掩膜层12，通孔图案如标号14所示，另外还包括位于ILD层下表面的金属层13；
参见图2，在各向同性刻蚀腔体对所述基底进行各向同性刻蚀，所述各向同性刻蚀在所述通孔图案区域，在横向上和纵向上去除掉一定厚度的ILD层材料，形成类似碗口形貌的沟槽15，该过程中要求刻蚀气体在刻蚀ILD层材料时，尽量少的刻蚀掩蔽层，即对刻蚀气体的选择比要求较高，此处的选择比为ILD层材料的刻蚀速率与掩膜层材料的刻蚀速率之比；
参见图3，将经过各向同性刻蚀的基底传送到各向异性刻蚀腔体，在各向异性刻蚀腔体对该基底进行各向异性刻蚀，所述各向异性刻蚀在所述通孔图案内纵向上去除掉剩余厚度的ILD层材料，形成通孔，该步骤刻蚀为了更好的实现ILD层的上下两层金属的互连，可以刻蚀掉一定厚度的金属层13的金属材料，刻蚀后形成通孔16，完成两步刻蚀并填充金属后的通孔的形貌如图4所示。
但是，现有技术中的通孔刻蚀过程需要在两种不同类型的腔体中进行，产品晶片需在两个不同类型的腔体间传送，传送过程就需要浪费一些时间，因此就造成了产品生产过程时间的浪费。
发明内容
本发明实施例提供一种通孔的刻蚀方法，较现有技术减少了通孔刻蚀所需的时间，缩短了产品的生产周期。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种通孔的刻蚀方法，包括：
提供基底，所述基底包括层间介质ILD层和位于ILD层上表面的包括通孔图案的掩膜层；
在各向异性刻蚀腔体中，对所述基底进行各向异性刻蚀，所述各向异性刻蚀在所述通孔图案内纵向上去除掉预设厚度的ILD层材料，所述预设厚度小于所述ILD层的厚度；
在各向异性刻蚀腔体中，调整刻蚀气体的组分和配比，对经过各向异性刻蚀的基底进行各向同性刻蚀，所述各向同性刻蚀在横向上去除掉预设尺寸的ILD层材料，以满足通孔形貌的要求。
优选的，所述预设厚度为所述ILD层厚度的80％-90％。
优选的，所述ILD层的厚度为所述预设厚度为 
优选的，所述预设尺寸为
优选的，在进行所述各向同性刻蚀过程的同时，也对所述掩膜层进行刻蚀，所述各向同性刻蚀完成时，所述掩膜层的厚度被刻蚀掉80％以上。
优选的，在所述各向同性刻蚀过程中，所述掩膜层的刻蚀速率和所述ILD层的刻蚀速率的比为1.5-2∶1。
优选的，对所述经过各向异性刻蚀的基底进行各向同性刻蚀后，还包括：
在各向异性刻蚀腔体中，对经过各向同性刻蚀的基底进行过刻蚀，所述过刻蚀去除掉所述各向同性刻蚀后剩余厚度的ILD层材料，在所述ILD层内形成通孔。
优选的，所述各向异性刻蚀、各向同性刻蚀和过刻蚀的条件为：电源功率在400W-800W以内，各向异性刻蚀腔体内的气压在200MT-250MT以内，各向异性刻蚀腔体内的磁场大小在30G-50G以内。
优选的，所述各向同性刻蚀过程与各向异性刻蚀过程所加的偏置电压的大小和方向相同。
优选的，所述各向异性刻蚀的刻蚀气体包括CF4、CHF3和氩气，其中，CF4的浓度在16sccm-20sccm以内，CHF3的浓度在40sccm-50sccm以内，氩气的浓度在80sccm-120sccm以内。
优选的，CF4的浓度为18sccm，CHF3的浓度为45sccm，氩气的浓度为100sccm。
优选的，所述各向同性刻蚀的刻蚀气体包括氧气、CF4、CHF3和氩气，其中，氧气的浓度在72sccm-78sccm以内，CF4的浓度在90sccm-110sccm以内，CHF3的浓度在18sccm-22sccm以内，氩气的浓度在54sccm-66sccm以内。
优选的，氧气的浓度为70sccm，CF4的浓度为100sccm，CHF3的浓度为20sccm，氩气的浓度为60sccm。
优选的，所述过刻蚀采用的刻蚀气体包括氧气、CF4和CHF3，其中，氧气的浓度在38sccm-44sccm以内，CF4的浓度在16sccm-20sccm以内，CHF3的浓度在18sccm-22sccm以内。
优选的，氧气的浓度为40sccm，CF4的浓度为18sccm，CHF3的浓度为20sccm。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例中，发明人研究发现刻蚀剖面的形貌与刻蚀气体的浓度有一定关系，通过控制刻蚀过程中刻蚀气体的浓度，就可以控制刻蚀剖面的形貌。本发明实施例在各向异性刻蚀腔体中，通过控制刻蚀气体的浓度，实现了各向同性刻蚀的效果，并且本发明实施例中先进行各向异性刻蚀，再进行各向同性刻蚀，使得通孔的形貌与现有技术中的通孔的形貌相类似，满足了通孔形貌的要求。
本发明实施例通过在异性刻蚀腔体内实现各向同性刻蚀，使得两步刻蚀步骤只需在一个刻蚀腔体内进行，省去了现有技术中还需在两个不同类型的腔体间传送所消耗的时间，进而加快了通孔刻蚀工艺的速度，减少了通孔刻蚀所需的时间，缩短了产品的生产周期。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1-图3为现有技术中通孔的刻蚀方法的示意图；
图4为采用现有技术中通孔的刻蚀方法形成的通孔形貌的电子显微照片；
图5-图7为本发明实施例公开的通孔的刻蚀方法的示意图；
图8为本发明另一实施例公开的通孔的刻蚀方法中过刻蚀步骤的示意图；
图9为采用本发明实施例中的通孔的刻蚀方法形成的通孔形貌的电子显微照片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术部分所述，现有技术中在两个不同类型的刻蚀腔体中进行通孔的刻蚀，由于产品在两个腔体间的传送时间属于非工艺操作时间，造成了产品生产过程时间的浪费，本领域技术人员往往认为各向异性刻蚀仅能在各项异性的刻蚀腔室中进行，而各向同性刻蚀仅能在各向同性刻蚀腔室中进行，但是发明人研究发现，通过控制刻蚀过程中刻蚀气体的组分和配比，能够控制刻蚀剖面的形貌，因此，本发明实施例在各向异性刻蚀腔体中，通过控制刻蚀气体的浓度，实现了各向同性刻蚀的效果，使得通孔的刻蚀在一个刻蚀腔体中即可实现，省去了产品在两个腔体间传送的时间，缩短了产品的生产周期。
本发明实施例公开的通孔的刻蚀方法的剖面图如图5-图7所示，包括以下步骤：
参见图5，提供基底，基底可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以包括混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。此外，基底还可以包括其它的材料，例如外延层或掩埋层的多层结构。虽然在此描述了可以选择的基底材料的几个示例，但是可以作为基底的任何材料均落入本发明的精神和范围。
本实施例中的基底包括ILD层21和位于ILD层上表面的包括通孔图案的掩膜层22，标号24表示通孔图案，另外所述基底还包括位于ILD层下表面的金属层23；
其中，所述掩膜层22可以为光刻胶层，也可以为由光刻胶层、抗反射层和硬掩膜层构成的复合结构，或者其他可以作为掩膜层的材料或结构，本实施例对掩膜层的材料和结构不做具体限定，但可以作为掩膜层的任何材料和结构均落入本发明的精神和保护范围。
参见图6，在各向异性刻蚀腔体中，对所述基底进行各向异性刻蚀，所述各向异性刻蚀在所述通孔图案内纵向上去除掉预设厚度的ILD层材料，所述预设厚度小于所述ILD层的厚度；
本步骤中要求在刻蚀ILD层时，对掩膜层的刻蚀量要尽量少，即刻蚀气体的选择比要较高。经各向异性刻蚀后的基底上在所述通孔图案下形成了一个直孔，但并未穿透ILD层，各向异性刻蚀后形成的直孔的形貌如标号25所示，该直孔的深度，即所述预设厚度为所述ILD层厚度的80％-90％，具体的，本实施例中的所述ILD层的厚度可以为
优选为
所述预设厚度可为
另外，本实施例中的各向异性刻蚀的横向尺寸可为
如图7所示，在各向异性刻蚀腔体中，调整刻蚀气体的组分和配比，对经过各向异性刻蚀的基底进行各向同性刻蚀，所述各向同性刻蚀在横向上去除掉预设尺寸的ILD层材料，以满足通孔形貌的要求。
本发明实施例中所述横向是指垂直于通孔深度的方向，纵向是指沿通孔深度方向。
需要强调的是，本实施例中通过调整刻蚀气体的组分和配比，在各向同性刻蚀过程与各向异性刻蚀过程所加的偏置电压的大小和方向相同的情况下，在各向异性刻蚀腔体实现了各向同性刻蚀的效果。
本实施例中所述预设尺寸为
即在各向异性刻蚀形成的直孔25(见图6)的基础上，在该直孔25的上部侧壁区域，再向四周(沿横向)刻蚀掉
的ILD层材料，形成一个斜坡，类似碗口形貌的通孔26，如图7中所示。若本实施例中的各向异性刻蚀的横向尺寸为
且所述预设尺寸为
那么，所述斜坡的上部边沿的横向尺寸是下部边沿的横向尺寸(即直孔的横向尺寸)的2倍左右。
本实施例中在进行所述各向同性刻蚀过程的同时，也对所述掩膜层进行刻蚀，所述各向同性刻蚀完成时，所述掩膜层被刻蚀掉80％以上。具体的，为了满足通孔形貌的要求，在所述各向同性刻蚀过程中，所述掩膜层的刻蚀速率和所述ILD层的刻蚀速率的比为(1.5-2)∶1，优选为2∶1，完成各向同性刻蚀后的掩膜层形貌如图中所示。
本实施例中的各向同性刻蚀过程中，同时加快掩膜层的刻蚀速率，可以更便于通孔上部的碗口形貌的形成，但是掩膜层的刻蚀速率又不能过快，以避免各向同性刻蚀未完成时，掩膜层就已被完全刻蚀掉，进而破坏ILD层的形貌，导致产品的电性降低。
需要说明的是，本实施例中的各向同性刻蚀过程中，除了对ILD层有一个横向的刻蚀外，同时还可以对ILD层有纵向的刻蚀，即加深孔的深度，去除掉各向异性刻蚀中在纵向上未刻蚀掉的ILD层材料，进而形成通孔26，为下一步的金属的注入，使ILD层上下两层金属导通创造条件。
另外，本实施例中通过控制刻蚀时间，来实现对各个刻蚀步骤的刻蚀厚度的控制，以满足各步骤刻蚀形貌的要求。
本发明实施例通过控制刻蚀气体的组分和配比，在各向异性刻蚀腔体中实现了各向同性刻蚀的效果，使得在一个刻蚀腔体中即可完成通孔的刻蚀过程，满足了通孔形貌的要求，省去了产品在两个刻蚀腔体间传送的过程，缩短了产品的生产周期。
需要说明的是，现有技术中是先进行各向同性刻蚀，再进行各向异性刻蚀，而本实施例中正好相反，为了满足通孔形貌的要求，要先进行各向异性刻蚀，再进行各向同性刻蚀，并且为了在各向异性刻蚀腔体中实现各向同性刻蚀的效果，以及满足通孔上部碗口形貌的要求。
本领域技术人员一般认为，刻蚀过程中最好使刻蚀气体的选择比较高，即在刻蚀过程中，对掩膜层的损坏尽量越小越好，本发明现有技术的各向同性刻蚀过程也是这样的，最好对掩膜层的刻蚀越小越好，而本实施例中反其道而行，为了在通孔上部形成碗口的形貌，在进行各向同性刻蚀时需同时对掩膜层进行刻蚀，最好在各向同性刻蚀完成时，掩膜层和通孔图案中剩余的ILD层材料也正好完全被刻蚀掉，以便于各向同性刻蚀过程的进行。
并且，本领域技术人员所公知的技术是，由于各向同性刻蚀和各向异性刻蚀所需的偏置电压的大小和方向是不相同的，因此若要实现不同的刻蚀效果，就必须在不同的刻蚀腔体内进行刻蚀，即各向同性刻蚀在各向同性刻蚀腔体内进行，各向异性刻蚀在各向异性刻蚀腔体内进行。而发明人经过研究发现，在各向异性刻蚀腔体内，并且在不改变偏置电压的大小和方向的情况下，通过调整刻蚀气体的组分和配比，也可以实现各向同性刻蚀的效果，克服了现有技术的技术偏见，并且通过改变现有技术中的刻蚀顺序，也可以满足通孔形貌的要求。
本发明另一实施例也公开了一种通孔的刻蚀方法，与上一实施例所不同的是，本实施例中在进行各向同性刻蚀之后，还包括过刻蚀的步骤，如图8所示，在各向异性刻蚀腔体中，对经过各向同性刻蚀的基底进行过刻蚀，所述过刻蚀去除掉所述各向同性刻蚀后剩余厚度的ILD层材料，在所述ILD层内形成通孔。
本实施例的方法由于增加了过刻蚀的步骤，因此不论各向同性刻蚀过程中是否对ILD层材料进行纵向刻蚀，也可以保证在ILD层内形成通孔，过刻蚀后形成通孔27，如图8所示。
本实施例中对过刻蚀过程的控制，也是通过根据刻蚀气体的刻蚀速率，控制刻蚀时间实现的，一般情况下，过刻蚀的刻蚀深度为
并且，若本实施例中的各向同性刻蚀过程中掩膜层被完全刻蚀掉，该过刻蚀过程允许刻蚀掉一定厚度的ILD层材料。
本实施例中在过刻蚀过程中，为了ILD层上下的金属层更好的导通，可能会刻蚀掉一定厚度的ILD层下表面的金属层材料，但是对刻蚀掉的下层金属层的厚度没有特别限制，只要保证形成通孔即可。同时，为了避免过刻蚀过程刻蚀掉过多的金属层材料，本实施例还可以结合等离子刻蚀机的终点检测系统，使得在形成适当的过刻蚀时停止刻蚀。
下面以具体的刻蚀条件为例，说明本实施例的通孔刻蚀过程。
本实施例中的各向异性刻蚀、各向同性刻蚀和过刻蚀的条件为：电源功率在400W-800W以内，各向异性刻蚀腔体内的气压在200MT-250MT以内，各向异性刻蚀腔体内的磁场大小在30G-50G以内。即各向同性刻蚀过程与各向异性刻蚀过程所加的偏置电压的大小和方向相同。
在进行各向异性刻蚀时，刻蚀气体包括CF4、CHF3和氩气，其中，CF4的浓度在16sccm-20sccm以内，CHF3的浓度在40sccm-50sccm以内，氩气的浓度在80sccm-120sccm以内。优选的，CF4的浓度为18sccm，CHF3的浓度为45sccm，氩气的浓度为100sccm。
在进行各向同性刻蚀时，刻蚀气体包括氧气、CF4、CHF3和氩气，其中，氧气的浓度在72sccm-78sccm以内，CF4的浓度在90sccm-110sccm以内，CHF3的浓度在18sccm-22sccm以内，氩气的浓度在54sccm-66sccm以内。优选的，氧气的浓度为70sccm，CF4的浓度为100sccm，CHF3的浓度为20sccm，氩气的浓度为60sccm。
在进行过刻蚀时，采用的刻蚀气体包括氧气、CF4和CHF3，其中，氧气的浓度在38sccm-44sccm以内，CF4的浓度在16sccm-20sccm以内，CHF3的浓度在18sccm-22sccm以内。优选的，氧气的浓度为40sccm，CF4的浓度为18sccm，CHF3的浓度为20sccm。
从上述数据可以看出，与各向异性刻蚀的刻蚀气体的组分配比进行对比，进行各向同性刻蚀时采用的刻蚀气体中，增加了氧气，提高了CF4的浓度，降低了CHF3和氩气的浓度，且CF4和氧气的浓度之比也较大。
根据各种气体的特点可知，CHF3和氩气的主要作用是保证各向异性刻蚀的方向性，即在纵向上的刻蚀效果较好，而CF4和氧气的浓度之比的增大，可以使各向同性刻蚀的效果更好，在各向同性刻蚀过程中，氧气和CF4浓度的增加，可以减少侧壁聚合物的形成，即减少对通孔侧壁的保护，加快横向刻蚀的速度，通过控制CF4和氧气的浓度之比，也可以提高对掩膜层的刻蚀速度，同时保留适当浓度的CHF3和氩气，使得各向同性刻蚀过程也有一定的纵向刻蚀深度，以便在通孔上部形成碗口形貌，以满足通孔形貌的要求。
并且，过刻蚀的过程中的刻蚀气体去掉了氩气，也减少了其它气体的浓度，使得过刻蚀的纵向刻蚀速度不至于过快，使得过刻蚀效果更容易控制。
采用上述条件，完成通孔的刻蚀并注入金属后的通孔形貌如图9所示，从图9和图1的对比中可以看出，采用本发明实施例的方法形成的通孔的形貌与现有技术中的通孔形貌类似，可以满足通孔形貌的要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (12)
1.一种通孔的刻蚀方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底包括层间介质ILD层和位于ILD层上表面的包括通孔图案的掩膜层；
在各向异性刻蚀腔体中，对所述基底进行各向异性刻蚀，所述各向异性刻蚀在所述通孔图案内纵向上去除掉预设厚度的ILD层材料，所述预设厚度小于所述ILD层的厚度；
在各向异性刻蚀腔体中，调整刻蚀气体的组分和配比，对经过各向异性刻蚀的基底进行各向同性刻蚀，所述各向同性刻蚀在横向上去除掉预设尺寸的ILD层材料，以满足通孔形貌的要求，其中，所述各向同性刻蚀过程与各向异性刻蚀过程所加的偏置电压的大小和方向相同；
在进行所述各向同性刻蚀过程的同时，也对所述掩膜层进行刻蚀，所述各向同性刻蚀完成时，所述掩膜层的厚度被刻蚀掉80%以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设厚度为所述ILD层厚度的80%-90%。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述ILD层的厚度为
所述预设厚度为
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设尺寸为
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述各向同性刻蚀过程中，所述掩膜层的刻蚀速率和所述ILD层的刻蚀速率的比为1.5-2：1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，对所述经过各向异性刻蚀的基底进行各向同性刻蚀后，还包括：
在各向异性刻蚀腔体中，对经过各向同性刻蚀的基底进行过刻蚀，所述过刻蚀去除掉所述各向同性刻蚀后剩余厚度的ILD层材料，在所述ILD层内形成通孔。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述各向异性刻蚀、各向同性刻蚀和过刻蚀的条件为：电源功率在400W-800W以内，各向异性刻蚀腔体内的气压在200MT-250MT以内，各向异性刻蚀腔体内的磁场大小在30G-50G以内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述各向异性刻蚀的刻蚀气体包括CF4、CHF3和氩气，其中，CF4的浓度在16sccm-20sccm以内，CHF3的浓度在40sccm-50sccm以内，氩气的浓度在80sccm-120sccm以内。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，CF4的浓度为18sccm，CHF3的浓度为45sccm，氩气的浓度为100sccm。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述各向同性刻蚀的刻蚀气体包括氧气、CF4、CHF3和氩气，其中，氧气的浓度在72sccm-78sccm以内，CF4的浓度在90sccm-110sccm以内，CHF3的浓度在18sccm-22sccm以内，氩气的浓度在54sccm-66sccm以内。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述过刻蚀采用的刻蚀气体包括氧气、CF4和CHF3，其中，氧气的浓度在38sccm-44sccm以内，CF4的浓度在16sccm-20sccm以内，CHF3的浓度在18sccm-22sccm以内。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，氧气的浓度为40sccm，CF4的浓度为18sccm，CHF3的浓度为20sccm。
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| JP2001024058A (ja) * | 1999-07-13 | 2001-01-26 | Matsushita Electronics Industry Corp | コンタクトホールの形成方法 |
-
2010
- 2010-12-21 CN CN201010597890.0A patent/CN102543836B/zh active Active
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