除去光刻膠和蝕刻殘渣的方法
2023-06-25 05:41:46
專利名稱：除去光刻膠和蝕刻殘渣的方法
技術領域：
本發明涉及等離子體處理，特別地涉及在半導體微型製造中在蝕刻工藝之後接著清洗和除去光刻膠和蝕刻殘渣。
背景技術：
等離子體處理系統用於製造和處理半導體、集成電路、顯示器和其它器件或材料，以便從基片如半導體基片上除去材料，或在其上沉積材料。等離子體處理半導體基片，將集成電路的圖案從平板印刷掩模中轉印到基片上或在基片上沉積電介質或導電膜，在工業上已成為標準方法。在其中蝕刻各類膜的半導體處理中，仍存在一體化的挑戰和折衷。常規地，使介電層構圖具有通道供沉積導電材料形成垂直觸點。在構圖工藝過程中，抗蝕刻的光刻膠層和/或硬質掩模層沉積在暴露於選擇圖案並顯影的介電層上。然後在等離子體環境中蝕刻層狀結構，在該環境內構圖的光刻膠層確定了介電層內的通道。在蝕刻步驟之後，經常在蝕刻過的地形和腔室表面上觀察到光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣(例如聚合物碎片)。在等離子體清洗(也稱為就地灰化)中一體化的挑戰之一是，成功地除去光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣，同時避免腐蝕周圍層。已知的系統已採用一步灰化方法，其中在整個灰化工藝過程中維持施加到基片上的偏壓恆定。滷代烴氣體常用於介電層如氧化物和最近含SiOC的低k介電材料的蝕刻上。已知這些氣體生成氟烴聚合物蝕刻產物，該產物在介電蝕刻過程中可沉積在工藝腔室的內表面上以及沉積在基片表面上。
圖1示出了一步灰化工藝的例示性截面視圖。在從結構100中除去光刻膠106的常規一步灰化工藝過程中，從腔室壁中剝離/蝕刻氟烴聚合物(常稱為記憶效應)並且可進攻下面的介電層104和覆蓋層102(例如SiN，SiC)，從而導致介電層的刻面(faceting)108和覆蓋層的損失110，有時甚至擊穿覆蓋層102並進攻下面的導電層(例如銅)。由於靠近腔室壁處高的氟烴聚合物濃度導致在晶片邊緣處這一效應可能非常高。或者，結構100也可含有氟烴聚合物沉積物。在常規的一步灰化工藝過程中，可在含氧等離子體內除去光刻膠。為了避免後灰化殘渣的形成，向基片支架上施加一定的偏壓功率。在該工藝過程中，來自前一介電蝕刻的在腔室壁上的氟烴沉積物也被蝕刻，從而在等離子體內釋放氟基團。當向基片支架上施加偏壓時，這些氟基團可腐蝕下面的介電膜並消耗覆蓋層。通過降低偏壓或施加零偏壓，可降低介電膜的腐蝕和覆蓋層的消耗，但仍可觀察到後蝕刻殘渣。可能導致上述腔室問題的常規一步灰化工藝，可包括下述等離子體工藝條件腔室壓力＝50mTorr，RF偏壓＝150W，氧氣流速＝200sccm。在半導體的製造中，常在工藝腔室內進行常規的一步灰化工藝，在所述工藝腔室內，內部腔室表面(和待灰化的基片)可含有來自前一介電蝕刻工藝的氟烴基聚合物沉積物。或者，可在已清洗掉來自前面蝕刻工藝中的聚合物沉積物的工藝腔室內進行一步灰化工藝。
發明概述本發明的目的是提供等離子體處理方法，從基片上除去光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣，並與一步灰化相比，降低周圍基片層的腐蝕。使用兩步就地等離子體灰化工藝，利用含有含氧氣體的工藝氣體(process gas)來實現上述和其它目的。在第一灰化步驟過程中，向基片駐留其上的基片支架施加第一低或零偏壓電平(level)，同時在第二灰化步驟過程中施加第二偏壓電平。在其中向基片施加低或零偏壓的第一灰化步驟過程中，在基片上和在工藝腔室的內表面/壁上的大量光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣被蝕刻並從腔室中除去，同時最小化其餘基片層的腐蝕。在第二灰化步驟過程中，施加增加的偏壓，和持續灰化工藝，一直到除去光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣。
附圖簡述參考下述詳細說明，特別地當結合附圖考慮時，本發明更全面的理解和它的許多附帶優點將容易地變得顯而易見，其中圖1示出了一步灰化工藝的例示性截面視圖；圖2示出了兩步灰化工藝的例示性截面視圖；圖3圖示了在灰化工藝過程中覆蓋層的損失；圖4A-4C示出了灰化工藝的發射光譜圖(OES)；和圖5圖示了介電側壁的損失。
實施方案的詳細說明在本發明的一個實施方案中，利用兩步等離子體灰化工藝，從處理腔室內除去光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣。在其中向基片駐留其上的基片支架施加零或低偏壓的第一灰化步驟過程中，來自前一蝕刻工藝的大量光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣被蝕刻並從腔室中除去，且其餘基片層的腐蝕最小。在第二灰化步驟過程中，向基片支架施加增加的偏壓，和持續灰化工藝，一直到除去光刻膠和/或硬質掩模殘餘物和後蝕刻殘渣。本發明的兩步就地灰化工藝通過滿足至少下述之一可減少許多上述缺點1)最小化覆蓋層的消耗；2)最小化地形頂部處的介電刻面/腐蝕，並降低後蝕刻/臨界尺寸(CD)偏壓；3)最小化後灰化殘渣；4)最小化就地灰化過程中低k介電膜誘導的損壞(「k」值下降)；和5)提供自動腔室乾洗，進而增加腔室清洗之間的平均時間。圖2示出了兩步灰化工藝的例示性截面視圖。在兩步氧氣灰化工藝中的第一灰化步驟120之中，在晶片上的光刻膠106和在腔室壁(未示出)與晶片上沉積的氟烴聚合物112被蝕刻。當施加零或低偏壓時，最小化介電層104的腐蝕和覆蓋層102的消耗。在第一灰化步驟120之中，乾洗腔室的任何聚合物殘渣。第一灰化步驟120的長度可以基於時間和可留下小量的後蝕刻殘渣110和可能在基片上的小量光刻膠106。在第二灰化步驟130之中，施加偏壓，和進行灰化，其時間足以除去任何後灰化殘渣110和任何殘留光刻膠106。兩步就地灰化工藝的工藝參數空間(space)，可以例如利用20-1000mTorr的腔室壓力，20-1000sccm的工藝氣體流速，和在第一灰化步驟中小於約100W的RF偏壓，和在第二灰化步驟中大於約100W的RF偏壓。儘管披露了如此使用的RF偏壓，但也可使用DC偏壓，或者可以使用DC偏壓替代RF偏壓。另外，在灰化工藝過程中可改變腔室壓力。例如，第一步的腔室壓力可不同於第二步。此外，在灰化工藝過程中可改變工藝氣體的組成。例如，第一步的工藝氣體(和在工藝氣體內不同氣體的流速比)可不同於第二步。可單獨使用工藝氣體如氧氣，但也可與其它氣體(例如惰性稀有氣體，如He和Ar，和N2)結合使用。或者，在兩步工藝過程中，當基本上所有(但不是全部)聚合物已從腔室中除去時，可施加偏壓，以便增加產量，但代價是再引入常規一步工藝的一些影響。此外，儘管如上所述僅僅使用單一的偏壓，但也可使用可變的偏壓。例如，在第二步之前、之中或之後，偏壓可從0W(連續或逐步(例如遞增10W))增加到約100W。如上所述，第一步的持續時間應當足夠長到完全從腔室壁和晶片表面上除去氟烴材料。例如，第一步的持續時間範圍可以是10秒-100秒，優選第一步的持續時間範圍是20-50秒。類似地，第二步的持續時間應當足夠長到除去任何後蝕刻殘渣和任何殘留的光刻膠。例如，第二步的持續時間範圍可以是10秒-100秒，優選第二步的持續時間範圍是20-50秒。或者，在圖2的兩步灰化工藝中，可使用終點檢測來確定第一步120和第二步130的終點。終點檢測的一種可能方法是，監控當表明所有(或基本上所有)聚合物(和可能地光刻膠)已從腔室中除去時來自等離子體區域的部分發光光譜，例如，表明這種除去的物質具有482.5nm(CO)、775.5nm(F)和440nm(SiF4)的波長，且可使用發射光譜(OES)來測定的部分光譜。在相應於那些頻率的發射程度超過規定閾值(例如降低到基本上為零或增加到高於特定程度)之後，認為第一步已完成。也可使用提供終點信息的其它波長。在第一步的終點之後，第二步優選利用50-200％的過度灰化(overash)，以除去任何殘留的後灰化殘渣(PAR)。也就是說，若第一步在50秒內完成，則第二步應當是25秒供50％過度灰化和50秒供100％過度灰化。通過檢驗過度灰化到不同程度的一系列基片，可經驗地確定過度灰化的實際大小。在第一個實施例中，圖3圖示了在灰化工藝過程中覆蓋層102的損失。當在灰化工藝之後，掃描電鏡(SEM)圖像內覆蓋層變薄時，測量覆蓋層的損失120。測量三種灰化工藝的覆蓋層損失120a)在具有聚合物沉積物的兩步灰化工藝(在第一步中零偏壓，在第二步中增加的偏壓)；b)在清潔腔室內的常規一步灰化工藝；和c)在具有聚合物沉積物的腔室內的常規一步灰化工藝。在這些灰化工藝中的工藝條件是a)第一灰化步驟腔室壓力＝50mTorr，RF偏壓＝0W，氧氣流速200sccm；第二灰化步驟腔室壓力＝20mTorr，RF偏壓＝150W，氧氣流速＝20sccm；Ar/O2流速＝200/20sccm；b)腔室壓力＝50mTorr，RF偏壓＝150W，氧氣流速200sccm；和c)腔室壓力＝50mTorr，RF偏壓＝150W，氧氣流速200sccm。當與一步灰化工藝(b)和(c)比較時，在以上的兩步灰化工藝(a)中觀察到降低的覆蓋層損失120。例如，如表1所示，覆蓋層的損失以順序c)＞b)＞a)下降。結果，兩步工藝提供最小化覆蓋層損失的灰化方法。 表1灰化工藝覆蓋層損失(nm)晶片中心晶片邊緣a 18 18b 24 24c 36 36在第二個實施例中，圖4A-4C示出了灰化工藝的OES圖。可使用OES監控在上述工藝過程中，在腔室內(包括基片表面)氟烴聚合物從表面上的剝離。在圖4A-4C內的OES圖分別應當於以上提及的a)-c)灰化工藝。在圖4A中，進行兩步灰化工藝，同時監控相當於CO(482.5nm)和F(775.5nm)物質的發光信號。在第一灰化步驟過程中(施加零偏壓)，在CO和F信號的起始最大強度後，這兩個信號其後單一地下降，並在第一灰化步驟終點處顯示出相對低含量的CO和F物質。在第二灰化步驟過程中(施加偏壓)，維持低的F信號程度，但CO信號在達到新的低含量之前顯示出最大強度，並在剩餘的灰化工藝中維持所述新的低含量。重要的是，在圖4A中的OES圖表示出了在第一步終點之前達到相對低量的CO和F物質含量。因此，F和CO信號(和/或其它OES信號)可用於測定確定第一灰化步驟的終點。也可根據CO信號(和/或其它OES信號)確定在圖4A中第二灰化步驟的終點。圖4B示出了在清潔腔室內在常規的一步灰化工藝過程中的OES圖表。圖4C示出了在具有聚合物沉積物的腔室內，在常規的一步灰化工藝過程中的OES圖表。大的CO和F信號示出了在偏壓存在下在灰化工藝過程中這些物質的高含量。與圖4C相比，在圖4B中觀察到顯著下降的CO和F含量，但與當偏壓關閉時圖4A的第一步相比時，在圖4C中，在偏壓啟動情況下，觀察到較高的CO和F含量。重要的是，圖4A-4C說明了可利用OES監控對灰化工藝有害且可能導致介電層刻面和覆蓋層損失的等離子體物質(例如F)的存在。此外，可利用OES測定等離子體時間段的終點，在該終點處有害物質大量存在於等離子體環境中。在半導體的製造中，在灰化工藝過程中發生的對介電層側壁的損壞是關鍵的。在等離子體灰化之後，可通過測量因暴露於HF蝕刻溶液中導致的介電側壁的損失來評價損壞。在第三個實施例中，圖5圖示了介電側壁的損失。在暴露於HF溶液之後，當在介電層104的頂部130和中部132處除去時，測量圖5中的介電側壁損失。圖5中的試驗結構進一步含有SiN層106和SiC層102。使用以上提及的三種灰化工藝(a)-(c)中的每一種，和另外使用d)在比工藝a)的第一灰化步驟低的腔室壓力和高的氧氣流速下的兩步灰化工藝，測量介電側壁的損失。在灰化工藝d)中的工藝條件是第一灰化步驟腔室壓力＝20mTorr，RF偏壓＝0W，氧氣流速500sccm；第二灰化步驟腔室壓力＝20mTorr，RF偏壓＝150W，氧氣流速20sccm，Ar/O2流速＝200/20sccm。將等離子體灰化過的基片暴露於0.5％HF溶液下5秒-30秒。表2示出了對於灰化工藝a)-d)，30秒HF暴露時側壁損失的SEM分析。總之，兩步灰化工藝d)(其中使用較低的腔室壓力和較高的氧氣流速)比兩步工藝a)的介電側壁損失(和因此在灰化工藝過程中的側壁損壞)低。另外，在清潔腔室內進行的一步工藝d)，顯示出比均在具有聚合物沉積物的腔室內進行的一步工藝c)和兩步工藝a)低的介電側壁損失。
表2灰化工藝側壁損失132(nm) 側壁損失130(nm)中心 邊緣 中心 邊緣a 22.5 23.5 20.0 30.0b 16.5 20.5 15.5 22.0c 28.5 31.5 28.0 30.0d 12.0 18.0 10.0 9.0鑑於上述教導，本發明的許多改性和改變是可能的。因此應當理解，可在所附權利要求的範圍內，而不是此處具體所述的實踐本發明。
權利要求
1.一種就地灰化的方法，它包括引入含有含氧氣體的工藝氣體；在等離子體處理腔室內生成等離子體；將基片暴露於等離子體下，其中基片駐留在基片支架上；通過施加第一偏壓到基片支架上進行第一灰化步驟；和通過施加第二偏壓到基片支架上進行第二灰化步驟，其中第二偏壓大於第一偏壓。
2.權利要求1的方法，其中含氧氣體包括氧氣。
3.權利要求1的方法，其中工藝氣體進一步包括惰性氣體。
4.權利要求3的方法，其中惰性氣體包括He、Ar和N2中的至少一種。
5.權利要求1的方法，其中第一偏壓小於約100W，和第二偏壓大於約100W。
6.權利要求1的方法，其中第一偏壓小於約50W。
7.權利要求1的方法，其中第一偏壓基本上等於零。
8.權利要求1的方法，其中第二偏壓大於120W。
9.權利要求1的方法，其中第二灰化步驟進一步包括在第二灰化步驟中利用至少一種不同於第一灰化步驟的腔室壓力和工藝氣體流速。
10.權利要求1的方法，其中第一灰化步驟進一步包括檢測來自等離子體的發光；和根據發光確定第一灰化步驟的狀態。
11.權利要求10的方法，其中發光的檢測提供確立終點的方式。
12.權利要求10的方法，其中發光來源於激發物質且代表第一灰化步驟狀態的信息。
13.權利要求10的方法，其中發光來源於CO和含氟物質中的至少一種。
14.權利要求13的方法，其中含氟物質是氟。
15.權利要求1的方法，其中第二灰化步驟進一步包括檢測來自等離子體的發光；和根據發光確定第二灰化步驟的狀態。
16.權利要求15的方法，其中發光來源於激發物質且代表第二灰化步驟狀態的信息。
17.權利要求16的方法，其中發光來源於CO和含氟物質中的至少一種。
18.權利要求17的方法，其中含氟物質是氟。
19.權利要求1的方法，進一步包括檢測來自等離子體的發光；和根據發光確定第一和第二灰化步驟的狀態。
20.權利要求19的方法，其中發光來源於激發物質且代表第一和第二灰化步驟狀態的信息。
21.權利要求19的方法，其中發光來源於CO和含氟物質中的至少一種。
22.權利要求21的方法，其中含氟物質是氟。
23.權利要求1的方法，其中第二灰化步驟的長度是第一灰化步驟長度的50％至300％。
24.權利要求1的方法，其中工藝氣體的流速為20sccm至1000sccm。
25.權利要求1的方法，其中含氧氣體的流速為20sccm至1000sccm。
26.權利要求2的方法，其中氧氣的流速為20sccm至1000sccm。
27.權利要求1的方法，其中第一灰化步驟內工藝氣體的流速為20sccm至1000sccm。
28.權利要求1的方法，其中第二灰化步驟內工藝氣體的流速為20sccm至1000sccm。
29.權利要求1的方法，其中工藝氣體的流速在第一和第二灰化步驟之間是變化的。
30.權利要求1的方法，其中在處理腔室內的壓力為20mTorr至1000mTorr。
31.權利要求1的方法，其中在第一灰化步驟中，在處理腔室內的壓力為20mTorr至1000mTorr。
32.權利要求1的方法，其中在第二灰化步驟中，在處理腔室內的壓力為20mTorr至1000mTorr。
33.權利要求1的方法，其中處理腔室內的壓力在第一和第二灰化步驟之間是變化的。
34.一種就地處理的方法，該方法包括引入含有含氧氣體的工藝氣體；在等離子體處理腔室內生成等離子體；將基片暴露於等離子體下，其中基片駐留在基片支架上；通過施加第一偏壓到基片支架上進行清洗步驟；和通過施加第二偏壓到基片支架上進行灰化步驟，其中第二偏壓大於第一偏壓。
全文摘要
提供等離子體灰化的方法，以除去在介電層的前一等離子體蝕刻過程中形成的光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣。灰化方法使用牽涉兩步的等離子體工藝和含氧氣體，其中在第一清洗步驟中向基片施加低或零偏壓，從基片上除去大量光刻膠殘餘物和蝕刻殘渣，另外從腔室表面上蝕刻並除去有害的氟烴殘渣。在第二步清洗步驟中向基片施加增加的偏壓，以便從基片上除去剩餘的光刻膠和蝕刻殘渣。兩步工藝降低在常規的一步灰化工藝中常常觀察到的記憶效應。可使用終點檢測方法監控灰化工藝。
文檔編號H01L21/311GK1647257SQ03808542
公開日2005年7月27日 申請日期2003年1月17日 優先權日2002年4月16日
發明者V·巴拉蘇布拉馬尼亞姆, M·萩原, E·西村, K·稻澤 申請人:東京電子株式會社