TWI442469B - A plasma etching method for carbon - containing layer - Google Patents

Description

一種含碳層的等離子刻蝕方法

本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及一種含碳層的等離子刻蝕方法。

刻蝕工藝是指在製造半導體器件過程中採用化學溶液或腐蝕性氣體或等離子體除去晶圓內或晶圓表面膜層中不需要的部分的工藝。通常主要用化學溶液進行刻蝕的方法為濕法刻蝕，採用腐蝕性氣體或等離子體進行刻蝕的方法為幹法刻蝕。目前，可以使電路圖形變得更精細的幹法刻蝕得到越來越廣泛的使用。

濕法刻蝕中，用強酸的化學反應進行各向同性刻蝕，即使被掩膜覆蓋的部分也可以被刻蝕。相反，幹法刻蝕用反應離子刻蝕，其中，用例如等離子態的鹵素的腐蝕性化學氣體和等離子態離子進行刻蝕。因此，幹法刻蝕可以實現只在晶圓上按垂直方向進行刻蝕的各向異性刻蝕，所以，幹法刻蝕適用于要求高精度的精細工藝，例如，適用於甚大型積體電路(VLSI)工藝。

傳統的等離子處理裝置包含導入處理氣體的反應腔室，所述反應腔室內配置有由一對上部電極和下部電極組成的平行平板電極。在將處理氣體導入反應腔室內的同時，在下部電極上施加高頻電壓，在電極間形成高頻電場，在高頻電場的作用下形成處理氣體的等離子體。

現有工藝在刻蝕絕緣層或低k介電質層(比如，主要成份為SiO₂ 或SiOC)時，在形成通孔圖形的過程中，通常採用C_x F_y 化合物，在被刻蝕的目標層含碳時會在刻蝕氣體中添加O₂ ，該C_x F_y 化合物可以是CF₄ 、C₂ F₆ 、C₃ F₈ 、C₄ F₈ 、C₄ F₆ 、C₅ F₈ 等。經過高頻電場的作用，形成等離子體，對絕緣層進行刻蝕。由於光刻膠的強度不夠，所以光刻膠在絕緣層刻蝕中很容易被入射的等離子體中的離子轟擊而造成變形，所以現在工業界常用光刻膠為掩膜來刻蝕一層硬掩膜層(比如無定形碳)，以作為刻蝕下層絕緣層的硬掩膜。在從光刻膠的圖形轉移到硬掩膜的圖形過程中，要保證被轉移到硬掩膜上的圖形不會變形就要保證在刻蝕硬掩膜的過程中不會發生側壁刻蝕，並最終造成尺寸偏移。為了保證對含碳硬掩膜層足夠的刻蝕速率，刻蝕氣體在等離子條件下必須能夠和刻蝕的目標材料自發反應，現有技術通常用氧氣。但是這樣一來刻蝕就不具有了方向性，成為等方向性刻蝕(isotropic etch)。在器件精度要求越來越高的趨勢下，這無疑不能滿足刻蝕要求。側壁被刻蝕造成的典型外觀特徵就是從掩膜向下刻蝕中側壁出現如圖3所示的弧形輪廓線。具體地，如圖3所示，在以第一掩膜層11’對第二掩膜層20’進行刻蝕的過程中，由於所述第二掩膜層20’沒有採用任何保護措施，其輪廓線一定程度上從所述第一掩膜層11’的邊緣向裏凹陷，形成如圖3所示的弧形輪廓線。所述弧形輪廓線使得刻蝕所得的線條尺寸與掩膜所定義的線條尺寸出現很大偏移(CD shift)。所以現有工藝通常會在刻蝕的同時添加側壁保護氣體，以使側壁不被刻蝕氣體刻蝕掉。

除了刻蝕含碳掩膜層要用到側壁保護氣體和刻蝕氣體的混合氣體，位於光刻膠下的防反射層(ARC)由於也要用刻蝕氣體來刻蝕形成所需的圖形，所以也需要在刻蝕的同時在刻蝕反應氣體中添加側壁保護氣體以使刻蝕形成的圖形更精確。

用刻蝕氣體和側壁保護氣體的混合氣體同時供應反應，可以實現非等向性刻蝕(anisotropic etch)，但是對刻蝕速率會有很大的影響，造成刻蝕率降低，而且由於刻蝕氣體、側壁保護氣體和刻蝕目標層甚至目標層上的掩膜層均參與了整個反應過程，整個反應過程受多個因素的影響，不同的因素相互作用，所以很難調試獲得最佳的刻蝕參數配置，即使獲得了也要付出大量人力和時間。

在刻蝕有機物材料層如無定形碳或聚合物層時，通常會用O₂ 刻蝕，並同時添加含硫氣體。含硫氣體中的硫會在側壁和碳形成碳硫鍵，防止氧與側壁上的碳反應，或者在溫度低於室溫時，可以在側壁形成硫的沉積層，在刻蝕完成後加溫，沉積的硫就昇華去除掉了。但是這樣的側壁保護也存在問題，O₂ 會與側壁保護氣體反應形成SO₂ ，不僅減弱了刻蝕與側壁保護，還會對整個反應腔和排氣系統形成污染。SO₂ 還會造成光刻膠的刻蝕選擇比下降，進一步會造成圖形尺寸精度下降。如果同時加入的是碳氫化合物來形成聚合物，刻蝕氣體中的氧氣也會將形成在側壁的聚合物消耗掉，從而降低了整體刻蝕速率且無法保證側壁不被刻蝕。

所以業界需要一個全面解決等離子刻蝕中側壁保護的方法，以實現高精度、快速高效、無反應腔污染的刻蝕。

本發明解決的問題是提供一種含碳層的刻蝕方法實現含碳層的精確刻蝕，獲得較佳的側壁輪廓，同時實現高精度、快速高效、無反應腔污染的刻蝕。

為解決上述問題，本發明提供一種刻蝕步驟與側壁鈍化步驟交替進行的刻蝕方法，包括：在刻蝕步驟中，提供一刻蝕氣體在等離子體作用下對所述含碳層進行刻蝕，並刻蝕至一定深度，以露出一刻蝕介面，所述刻蝕介面包括側壁；在側壁鈍化步驟中，提供一含碳氫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含碳氫成份的聚合物，沉積在所述刻蝕介面的側壁表面；交替循環所述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。

所述刻蝕氣體包括含氧氣體，該含氧氣體選自O₂ 、CO、CO₂ 中的一種或至少兩種的混合物。

所述刻蝕氣體包括含氮或含氫氣體與含碳層進行還原反應，所述含氮或含氫成份的刻蝕氣體包括N₂ 或H₂ 或NH₃ 或N₂ 、H₂ 及NH₃ 中的至少兩種混合氣體。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：通過交替進行的刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，在實現對含碳層高效刻蝕的同時完成對側壁的保護，獲得較佳的刻蝕精度，使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕出來的形貌不會出現弓形，也不會出現關鍵尺寸偏移的問題，且不會對整個刻蝕系統產生污染，最終提高了產能。

本發明提供一種刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法，包括相互獨立進行的刻蝕步驟和側壁鈍化步驟(側壁保護步驟)，並且在刻蝕過程中交替循環所述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。其中，刻蝕步驟，提供一刻蝕氣體在等離子體作用下對所述含碳層進行刻蝕，並刻蝕至一定深度，以露出一刻蝕介面，所述刻蝕介面包括側壁；在側壁鈍化步驟中，提供一含碳氫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含碳氫成份的聚合物，沉積在所述刻蝕介面的側壁表面。

使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕含碳層，可以使刻蝕步驟和側壁鈍化步驟相互獨立進行而不會互相干擾、影響，在刻蝕步驟中僅向反應腔內通入刻蝕反應氣體而專門進行刻蝕反應，而在側壁鈍化步驟時僅向反應腔內通入含碳氫成份的沉積反應氣體而專門進行沉積反應，使刻蝕步驟和側壁鈍化步驟更高效、刻蝕或沉積處理的速率更高，並且不會產生如現有技術中將刻蝕反應氣體和含含碳氫成份的沉積反應氣體因混合反應而導致的整體刻蝕速率低的問題。同時，使用本發明的等離子刻蝕方法刻蝕出來的形貌不會出現弓形，也不會出現關鍵尺寸偏移的問題。

本發明等離子刻蝕方法可以應用在典型的如電容耦合型(CCP)或電感耦合型(ICP)反應腔中。在電容耦合型反應腔中，通過施加高頻射頻電場(如13MHZ或60MHZ)到上下電極之間，以產生足夠的等離子體。還可以進一步施加低頻射頻功率(比如2MHZ)到放置處理基片的下電極，以控制離子入射的能量。在採用ICP等離子反應腔時，高頻射頻源被施加到一個或多個電感線圈，線圈中流過的電流產生的高頻電磁場穿過絕緣材料的(如，石英)視窗被耦合到反應腔中，反應腔中的氣體被電離後產生等離子體。在採用ICP等離子體反應腔時，低頻射頻功率源與在採用CCP等離子源一樣，可以被接到放置處理基片的下電極以控制離子入射的能量。

圖1示出了根據本發明一個具體實施例的基片結構圖，它包括運用本發明刻蝕方法來刻蝕的含碳層。如圖1所示，在基片40上沉積有一層氧化矽層30，在所述氧化矽層30之上設置有待刻蝕的含碳的第二掩膜層20，該第二掩膜層20可以選自無定形碳或者其他有機物層，比如碳氫化合物。在第二掩膜層20之上設置圖形化的第一掩膜層11，通過第一掩膜層11將圖形轉移到第二掩膜層20上。因此，第一掩膜層與第二掩膜層材料的選擇使得在利用第一掩膜層刻蝕第二掩膜層時具有很高的選擇比(selectivity)。在本實施例中，第一掩膜層11可以是含矽材料的層，比如，這種含矽材料的掩膜層可以選自於SiO₂ 、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃ N₄ 材料層中的一種。但是本領域技術人員應當理解，在保證符合工藝要求的選擇比的前提下，上述第一掩膜層材料的選擇可擴展到其他材料。

在利用第一掩膜層11刻蝕含碳的第二掩膜層20時，本發明將整個刻蝕過程分成交替進行的刻蝕步驟和側壁鈍化步驟(側壁保護步驟)，直到刻蝕到達目標深度。具體而言，在刻蝕步驟中向反應腔中通入刻蝕氣體與含碳的第二掩膜層材料20反應，其中該刻蝕氣體可以是任何可以與該含碳的第二掩膜層材料20反應的氣體，優選的，該刻蝕氣體可以是含氧成份的氣體，例如，所述含氧成份的氣體選自於O₂ 、CO、CO₂ 中的一種或至少兩種的混合物。所述含氧成份的刻蝕氣體與含碳材料反應生成二氧化碳。根據本發明的一個具體實施例，刻蝕氣體進一步包括含氮成份或含氫成份的氣體，例如，刻蝕氣體也可以是H₂ 、N₂ 或其化合物NH₃ 等還原類氣體或N₂ 、H₂ 及NH₃ 中的至少兩種混合氣體，其與含碳的第二掩膜層材料20反應生成烷類和氨氣，實現對第二掩膜層20的刻蝕。作為一種實施方式，在進行此刻蝕步驟時，向反應腔內通入含氧成份的刻蝕氣體使反應腔中的氣壓達到10mT時，並向下電極同時施加60MHZ/2MHZ的射頻功率源到反應腔中點燃形成等離子體，其功率，並分別控制60MHZ/2MHZ射頻功率源的功率為700/0W，其中含氧成份的刻蝕氣體的流量為100SCCM，持續約二秒左右使第二掩膜層20(以下簡稱為“含碳層20”，以凸顯本發明的發明目的)刻蝕到一定深度時停止刻蝕步驟，並切換進入隨後的側壁鈍化步驟。如圖2a中是刻蝕到第一深度D1時的結構圖，其中通過刻蝕後形成介面，包括刻蝕形成的底部介面50a和側壁50b。其中刻蝕形成的介面實際上部分存在側壁刻蝕的情況，但是由於刻蝕時間很短(比如2秒)，側壁被刻蝕的深度相對整個要刻蝕的含碳層20溝道的深度比例很小，可以忽略，所以圖中未畫出。刻蝕步驟完成後切換進入側壁鈍化步驟，如圖2b所示，在所述側壁鈍化步驟中，提供一含碳氫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含碳氫成份的聚合物，沉積在所述刻蝕介面形成如圖2b所示的聚合物層21。聚合物層21包括側壁聚合物層21b和底面聚合物層21a。接下來，再進入刻蝕步驟，提供刻蝕氣體在等離子體作用下對所述含碳層20進行刻蝕，其中底部聚合物21a會被等離子轟擊而消除，所以刻蝕介面能夠垂直向下延伸至第二深度D2(其中，包括刻蝕形成的底部介面51a和側壁51b)，以露出一刻蝕介面，形成如圖2c所示的結構。如圖2d所示，再切換進入側壁鈍化步驟，在前述的側壁聚合物層21b上形成新的側壁聚合物22b來保護側壁51b，並形成新的底部聚合物層22a來保護底部介面51b。交替循環前述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達如圖2e所示的目標深度，其中，形成了新的聚合物層23來保護刻蝕形成的介面。

上述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟的切換可以是突變式的，亦即，在一次刻蝕步驟完成後準備切換進入隨後的側壁鈍化步驟時，確保刻蝕氣體從反應腔中被完全排空後再通入側壁鈍化步驟的氣體，這樣可以保證在側壁鈍化步驟中的反應氣體不包含前一步驟的刻蝕反應氣體，從而不會使二者混合，不會影響沉積速率和效果。

當然，上述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟的切換也可以是漸進式的，亦即，在一次刻蝕步驟完成後準備切換進入隨後的側壁鈍化步驟時，並不等刻蝕氣體從反應腔中被完全排空後再通入側壁鈍化步驟的氣體，比如，在反應腔內還剩少量刻蝕氣體時就開始通入沉積反應氣體，隨著刻蝕氣體被逐漸抽走，沉積反應氣體在反應腔內的濃度逐漸提高到一定程度，沉積反應過程在整個等離子反應中就會占主導，反應進入側壁鈍化步驟。在這種切換方式下，雖然在刻蝕氣體和沉積氣體會有一段時間在反應腔內共存，但是二者共存的量很少，時間也很短，其在業內是可以接受的，相對現有技術仍然有技術優勢。

由於本發明的刻蝕方法將刻蝕步驟和側壁鈍化步驟分開，使得刻蝕步驟中的氧與側壁鈍化步驟中的含碳氫成份的反應氣體分別存在於不同步驟中，兩者發生反應互相抵消或影響的機制就不存在了，所以刻蝕的速度和效率比現有技術更高，沉積的速度和效率也比現有技術更高，二者的反應氣體更容易調試優化。

本發明中刻蝕步驟和側壁鈍化步驟交替進行，多個刻蝕-沉積循環後達到所要的刻蝕深度，完成整個有機物層刻蝕的處理步驟。此外，根據本發明的精神和思想，對圖1所示的基片上的第二掩膜層20進行刻蝕處理時，也可以先進入側壁鈍化步驟，通過調控低頻(2MHZ)的射頻功率的大小，實現通過離子轟擊對目標有機物層(第二掩膜層20)的刻蝕，雖然刻蝕速度相對較慢，但是在第一掩膜層11開口處形成一小段刻蝕溝道，溝道側壁形成了本發明在側壁鈍化步驟中添加聚合物保護氣體而形成的耐腐蝕的側壁保護層。在完成側壁鈍化步驟後接下來再進入正式的刻蝕-沉積循環步驟。

採用含氧成份的刻蝕氣體刻蝕有機材料構成的第二掩膜層20，在刻蝕步驟完成後進入側壁鈍化步驟時，沉積氣體也可以選擇更容易形成聚合物的氣體，比如C₂ H₄ 、CH₄ 等碳氫化合物，在刻蝕的側壁形成聚合物保護層。在這些聚合物保護層形成後，雖然在接下來的刻蝕步驟中有些聚合物保護層會與刻蝕氣體比如氧反應而消耗掉一部分，但是由於刻蝕形成的底部很快被入射的等離子轟擊，使得底部不存在聚合物，所以在整個刻蝕步驟中，刻蝕形成的溝道仍然垂直地向下延伸，而側壁聚合物在消耗掉之前仍然能提供較好的側壁保護。所以只要控制好刻蝕的時間和刻蝕氣體流量等參數，使得在刻蝕步驟中側壁的聚合物不被全部消耗完，側壁仍能得到較好的保護。這樣交替的側壁保護與刻蝕經過多個循環到達目標刻蝕深度，而且側壁也具有相對好的外觀輪廓。

當上述刻蝕氣體採用H₂ 、N₂ 或其化合物NH₃ 等還原類氣體生成烷類和氨氣以實現第二掩膜層20的刻蝕時，在刻蝕步驟中可以參照用含氧成份的刻蝕氣體完成刻蝕時的參數設置，氣壓可以是10mT，射頻功率為700/0W(對應60MHZ/2MHZ)，H2的流量為100sccm，反應持續2秒。

根據本發明的一個優選實施例，所述含碳氫成份的反應氣體為分子式為CxHy或CxHyFz成份的氣體，其中x、y、z為大於或等於1的自然數。更具體地，所述含碳氫成份的反應氣體包括以下至少一項或多項：CH₄ 、C₂ H₄ 、C₃ H₆ 、C₃ H₈ 、CHF₃ 、CH₂ F₂ 、CH₃ F。需要說明的是，本領域技術人員應當理解，所述含碳氫成份的反應氣體的選擇並不限於上述具體氣體，其不能夠用於限定本發明，具體碳氫成份的反應氣體的選擇可根據實際工藝來確定。

圖2e是採用本發明方法刻蝕含碳掩膜層20後的效果圖，其中側壁鈍化步驟中形成的側壁保護層23使得含碳層20刻蝕介面的側壁基本垂直，達到了較佳的刻蝕效果。相對于現有技術用含硫氣體和含氧氣體的混合物來刻蝕，不僅刻蝕時速度更快，更容易調試而且不會由於氧和硫反應形成SO₂ 而造成對反應腔和排氣系統的污染。而且用聚合物做側壁保護相對於用硫做側壁保護更容易在後續的處理流程中被去除，使得工藝更簡化整體效果更好。

本發明的刻蝕含碳層的等離子刻蝕方法可以用於刻蝕任何含碳的材料層，包括無定形碳層、由有機物組成的層。所述由有機物組成的層是聚合物層、抗反射層(ARC)、底部抗反射層(BARC)、含碳掩膜層中的一種或多種。

本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為准。

11．．．第一掩膜層

20．．．第二掩膜層

21．．．聚合物層

21a．．．底面聚合物層

21b．．．側壁聚合物層

22a．．．底部聚合物層

22b．．．側壁聚合物層

30．．．氧化矽層

40．．．基片

50a．．．底部介面

50b．．．側壁

D1．．．第一深度

D2．．．第二深度

11’．．．第一掩膜層

20’．．．第二掩膜層

圖1是根據本發明的一個具體實施例的包括被刻蝕的有機物層的基片結構示意圖；

圖2a為根據本發明的一個具體實施例對有機物層20進行第一次刻蝕步驟後所得到的結構示意圖；

圖2b為根據本發明的一個具體實施例對有機物層20進行第一次側壁鈍化步驟後所得到的結構示意圖；

圖2c為根據本發明的一個具體實施例對有機物層20進行第二次刻蝕步驟後所得到的結構示意圖；

圖2d為根據本發明的一個具體實施例對有機物層20進行第二次側壁鈍化步驟後所得到的結構示意圖；

圖2e為根據本發明的一個具體實施例對有機物層20完成刻蝕後所得到的結構示意圖；

圖3是現有技術中的含碳層刻蝕結果示意圖。

其中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的物理層。

11‧‧‧第一掩膜層

20‧‧‧第二掩膜層

21b‧‧‧側壁聚合物層

30‧‧‧氧化矽層

40‧‧‧基片

51a‧‧‧底部介面

51b‧‧‧側壁

D2‧‧‧深度

Claims (11)

1. 一種含碳層的等離子刻蝕方法，其中所述含碳層作為掩膜層刻蝕位于其下方的氧化硅層，所述含碳層是無定形碳層，包括：刻蝕步驟，提供一刻蝕氣體在等離子體作用下對所述含碳層進行刻蝕，並刻蝕至一定深度，以露出一刻蝕介面，所述刻蝕介面包括側壁；側壁鈍化步驟，提供一含碳氫成份的反應氣體，在等離子體作用下，在所述刻蝕介面的側壁形成含碳氫成份的聚合物，沉積在所述刻蝕介面的側壁表面；交替循環所述刻蝕步驟和側壁鈍化步驟，直到刻蝕到達目標深度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述刻蝕氣體包括含氧成份的氣體。
3. 如申請專利範圍第2項所述的刻蝕方法，其中，所述含氧成份的氣體選自於O₂ 、CO、CO₂ 中的一種或至少兩種的混合物。
4. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述刻蝕氣體進一步包括含氮成份或含氫成份的氣體。
5. 如申請專利範圍第4項所述的刻蝕方法，其中，所述含氮或含氫成份的刻蝕氣體包括N₂ 或H₂ 或NH₃ 或N₂ 、H₂ 及NH₃ 中的至少兩種混合氣體。
6. 如申請專利範圍第1項所述的刻.蝕方法，其中，所述含碳氫成份的反應氣體為分子式為C_x H_y 或C_x H_y F_z 成份的氣體，其中x、y、z為大於或等於1的自然數。
7. 如申請專利範圍第6項所述的刻蝕方法，其中，所述 含碳氫成份的反應氣體選自於CH₄ 、C₂ H₄ 、C₃ H₆ 、C₃ H₈ 、CHF₃ 、CH₂ F₂ 、CH₃ F中的一種或至少兩種的混合物。
8. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述含碳層包括由有機物組成的層。
9. 如申請專利範圍第8項所述的刻蝕方法，其中，所述由有機物組成的層是聚合物層、抗反射層(ARC)、底部抗反射層(BARC)、含碳掩膜層中的一種或多種。
10. 如申請專利範圍第1項所述的刻蝕方法，其中，所述含碳層上方有一層含矽材料的掩膜。
11. 如申請專利範圍第10項所述的刻蝕方法，其中，所述含矽材料的掩膜選自於SiO₂ 、SiOF、SiOC、SiOCH、Si₃ N₄ 材料層中的一種。