含碳層的刻蝕方法
2023-05-23 23:13:56
專利名稱：含碳層的刻蝕方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及含碳層的刻蝕方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成度越來越高，半導體器件的臨界尺寸也在不斷減 小，並且在形成金屬互連結構的過程中，通孔的深寬比也在不斷提高。在刻 蝕形成通孔過程中，為了能使被刻蝕膜層被完全刻蝕，形成貫穿該膜層的通 孔，而避免產生刻蝕殘留的現象，需要將定義出通孔圖形的光刻膠層厚度減
小；然而光刻膠層的厚度過薄的話，會產生很多問題。為了解決這些問題， 現有技術在形成光刻膠層之前，先形成一無定形碳層作為刻蝕阻擋層。
現有技術在形成通孔過程中，採用無定形碳層作為刻蝕阻擋層的具體工 藝如下如圖l所示，在半導體襯底10上形成層間絕緣層12,所述半導體襯底 10與層間絕緣層12之間有電晶體及金屬布線層等。在層間絕緣層12上形成含 碳層14,所述含碳層14為無定形碳層。在含碳層14上旋塗光刻膠層16,經過 曝光顯影工藝後，在光刻膠層16上定義出光刻膠圖形17,其中，還可以在光 刻膠層16與阻擋層14之間形成防反射層，用以提高光刻膠層的解析度，防止 尺寸精度下降。
如圖2所示，以光刻膠層16為掩膜，沿通孔光刻膠圖形17刻蝕含碳層14至 露出層間絕緣層12,形成含碳層圖形18,所述刻蝕方法為等離子體幹法刻蝕， 所採用的刻蝕氣體為氧氣或氧氣與 一氧化碳混合氣體或氧氣與二氧化硫混合 氣體。用灰化法去除光刻膠層16,然後再採用溼法刻蝕法去除光刻膠層16的 殘留物。
3如圖3所示，以含碳層14為掩膜，沿含碳層圖形18刻蝕層間絕緣層12至露 出半導體襯底IO,形成工藝所需器件19。
現有技術中，用等離子體刻蝕法刻蝕含碳層，形成含碳層圖形時，由於 氧氣等含氧氣體和碳發生化學刻蝕具有各向同性，雖然等離子體刻蝕具有各 向異性，能通過電壓對刻蝕方向進行控制，但是含氧氣體與碳的反應在刻蝕 總量中所佔比例更高，所以仍然會在形成含碳層圖形時，在刻蝕阻擋層側壁 上產生侵蝕，使得其側壁上產生底切(undercut),使後續以阻擋層為掩膜， 刻蝕層間絕緣層形成通孔過程中，通孔的臨界尺寸(Critical Dimension)會發 生變化，P爭低了半導體器件的質量。
發明內容
本發明解決的問題是，在刻蝕含碳層的過程中，防止或減少在含碳層的 上端形成底切，從而導致後續工藝尺寸不符合要求的不足。
為解決上述問題，本發明一種含碳層的刻蝕方法，包括提供半導體襯 底，所述半導體襯底上形成有含碳層；以含氧氣體與含矽氣體作為混合刻蝕 氣體，在等離子體刻蝕所述含碳層以形成含^^層圖形的同時，所述刻蝕氣體 反應產生的二氧化矽在含碳層圖形的側壁形成保護層。
可選的，在含碳層的整個側壁形成保護層。
可選的，所述含氧氣體包括氧氣或一氧化碳或二氧化硫或上述氣體的兩 種或三種氣體的混合物。
可選的，所述含矽氣體包括矽烷或正矽酸乙酯或四氟化矽或四氯化矽或 上述氣體的兩種或兩種以上氣體的混合物。
可選的，所述含矽氣體流量佔混合刻蝕氣體總流量的5% 50%。
可選的，所述保護層的厚度為150埃 400埃。
可選的，所述含碳層的材料是無定形碳。
一種層間絕緣層的刻蝕方法，包括提供半導體村底，所述半導體襯底上依次形成有層間絕緣層和含碳層；以含氧氣體與含矽氣體作為混合刻蝕氣 體，在等離子體刻蝕所述含碳層以形成含碳層圖形的同時，所述刻蝕氣體反
應產生的二氧化矽在含碳層圖形的側壁形成保護層；以含碳層為掩膜，沿含 碳層圖形刻蝕層間絕緣層。
與現有技術相比，本發明具有以下優點在刻蝕形成含碳層圖形過程中， 在含碳層圖形側壁形成保護層，防止在刻蝕時由於含氧氣體刻蝕的各向同性 使含碳層圖形上產生底切，進而保證後續半導體器件尺寸符合要求，提高半 導體器件的質量及良品率。
圖1至圖3是現有形成通孔工藝中採用含碳層作為刻蝕阻擋層的示意圖； 圖4是本發明刻蝕含碳層的具體實施方式
流程圖； 圖5是本發明刻蝕層間絕緣層的具體實施方式
流程圖； 圖6至圖9是本發明形成通孔工藝中刻蝕含碳層的第一實施例示意圖； 圖10至圖14是本發明形成通孔工藝中刻蝕含碳層的第二實施例示意圖。
具體實施例方式
圖4是本發明刻蝕含碳層的具體實施方式
流程圖。作為一種實施方式， 所述含碳層通常作為一種含碳掩膜層，來刻蝕設置於其下的其他層。如圖4 所示，執行步驟S1，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有含碳層。
在形成含碳層之前，所述半導體襯底上已形成有電晶體等半導體器件及 金屬布線層，層間絕緣層等。所述含碳層可以是無定形碳層。
執行步驟S2,以含氧氣體與含矽氣體作為混合刻蝕氣體，在等離子體刻 蝕所述含碳層以形成含碳層圖形的同時，所述刻蝕氣體反應產生的二氧化矽 在含^^層圖形的側壁形成保護層。
採用等離子體刻蝕方法刻蝕含碳層形成通孔圖形，在刻蝕氣體中加入矽烷、四氟化石圭、四氯化石圭或正矽酸乙酯，與刻蝕氣體中的氧氣或臭氧反應， 在通孔圖形的側壁形成二氧化矽保護層。
本發明在刻蝕形成含碳層圖形過程中，在含碳層圖形側壁形成保護層， 用以保護掩膜層，防止在刻蝕時由於含氧氣體刻蝕的各向同性使而使含碳層 圖形上方產生底切，進而保證後續半導體器件尺寸符合要求，提高半導體器 件的質量及良品率。
作為一種較佳實施方式，本發明在刻蝕形成含碳層圖形過程中，在含碳 層上方的光刻膠層上，也可能會沉積有少量的二氧化矽，可以通過控制刻蝕 反應裝置的各種參數，比如，離子能量、射頻功率、射頻頻率、反應腔內的 氣壓等，儘量減少沉積於光刻膠層上方的二氧化矽，而在含碳層圖形的垂直 側壁上形成二氧化矽保護層。或者，在刻蝕過程中，也可以通過控制偏置電
壓(Vdc)來移除沉積於光刻膠層上方的二氧化矽。
圖5是本發明刻蝕層間絕緣層的具體實施方式
流程圖。如圖5所示，執 行步驟Sll,提供半導體襯底，所述半導體襯底上依次形成有層間絕緣層和含 碳層；執行步驟S12，以含氧氣體與含矽氣體作為刻蝕氣體，等離子體刻蝕含 碳層形成含碳層圖形的同時，刻蝕氣體反應產生的二氧化矽在含碳層圖形的 側壁形成保護層；執行步驟S13,以含碳層為掩膜，沿含碳層圖形刻蝕層間絕 緣層。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。 實施例一
圖6至圖9是本發明形成通孔工藝中刻蝕含碳層的第一實施例示意圖。如 圖6所示，在半導體襯底100上用化學氣相沉積法形成厚度為5000埃 15000埃 的層間絕緣層102,其中層間絕緣層102的材料可以是二氧化矽、氮化矽或氮 氧化矽等；所述半導體襯底100與層間絕緣層102之間形成有電晶體及金屬布線層等。在層間絕緣層102上形成含碳層104,所述含碳層104的材料為無定形碳，厚度為1000埃 2000埃；形成以無定形碳為材料的含碳層104的方法為化學氣相沉積法或等離子體增強化學氣相沉積法。在含碳層104上旋塗光刻膠層106,經過曝光顯影工藝後，在光刻膠層106上定義出通孔光刻膠圖形107，其
層，用以提高光刻膠層的解析度，防止尺寸精度下降。
如圖7所示，以光刻膠層106為掩膜，以含氧氣體與含矽氣體作為刻蝕氣體IIO,沿通孔光刻膠圖形107,等離子體化刻蝕含碳層104至露出層間絕緣層102,形成通孔含碳層圖形108;其中，在刻蝕的過程中，含氧氣體與含矽氣體反應產生的二氧化矽，在通孔含碳層圖形108側壁沉積厚度為150埃 400埃的保護層112。
本實施例中，刻蝕氣體110中含氧氣體包括氧氣或一氧化碳或二氧化硫或上述氣體的兩種或三種氣體的混合物。含矽氣體包括珪烷或正矽酸乙酯或四氟化矽或四氯化矽或上述氣體的兩種或兩種以上氣體的混合物。所述含矽氣體流量佔混合刻蝕氣體總流量的5%~50%。
刻蝕氣體110具體混合如下可以是氧氣與矽烷的混合氣體，其中氧氣流量佔氣體總流量的50%~95%,矽烷流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體IIO還可以是氧氣、 一氧化碳與矽烷的混合氣體，其中氧氣與一氧化碳的流量佔氣體總流量的50%~95%,矽烷流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體IIO可以是氧氣、二氧化硫與矽烷的混合氣體，其中氧氣與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50%~95%，矽烷流量佔氣體總流量的5% 50%。所述氧氣與矽烷反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的保護層112。
刻蝕氣體11 O還可以是氧氣與正矽酸乙酯的混合氣體，其中氧氣流量佔氣體總流量的50%~95%,正矽酸乙酯流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110還可以是氧氣、 一氧化碳與正矽酸乙酯的混合氣體，其中氧氣與一氧化碳
的流量佔氣體總流量的50%~95%，正矽酸乙酯流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是氧氣、二氧化硫與正矽酸乙酯的混合氣體，其中氧氣與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50%~95%，正矽酸乙酯流量佔氣體總流量的5% 50%。所述氧氣與正矽酸乙酯反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的保護層112。
刻蝕氣體lIO還可以是氧氣與四氟化矽的混合氣體，其中氧氣流量佔氣體總流量的50% 95%,四氟化矽流量佔氣體總流量的5°/。~50%;刻蝕氣體110還可以是氧氣、 一氧化碳與四氟化矽的混合氣體，其中氧氣與一氧化碳的流量佔氣體總流量的50% 95%,四氟化矽流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是氧氣、二氧化硫與四氟化矽的混合氣體，其中氧氣與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50%~95%,四氟化矽流量佔氣體總流量的5%~50%。所述氧氣與四氟化矽反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的保護層112。
刻蝕氣體11 O還可以是氧氣與四氯化矽的混合氣體，其中氧氣流量佔氣體總流量的50% 95%,四氯化矽流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110還可以是氧氣、 一氧化碳與四氯化矽的混合氣體，其中氧氣與一氧化碳的流量佔氣體總流量的50% 95%,四氯化矽流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是氧氣、二氧化硫與四氯化矽的混合氣體，其中氧氣與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50% 95%,四氯化矽流量佔氣體總流量的5%~50%。所述氧氣與四氯化矽反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的保護層112。
刻蝕氣體lIO可以是臭氧與矽烷的混合氣體，其中臭氧流量佔氣體總流量的50% 95%,矽烷流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110還可以是臭氧、一氧化碳與矽烷的混合氣體，其中臭氧與 一氧化碳的流量佔氣體總流量的50% 95%,矽烷流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是臭氧、二氧化硫與矽烷的混合氣體，其中臭氧與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50% 95%,矽烷流量佔氣體總流量的5%~50%。所述臭氧與矽烷反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化-圭為材料的保護層112。
刻蝕氣體110可以是臭氧與正矽酸乙酯的混合氣體，其中臭氧流量佔氣體總流量的50%~95%，正矽酸乙酯流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體IIO還可以是臭氧、 一氧化碳與正矽酸乙酯的混合氣體，其中臭氧與一氧化碳的流量佔氣體總流量的50%~95%,正珪酸乙酯流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是臭氧、二氧化硫與正矽酸乙酯的混合氣體，其中臭氧與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50°/0 95%,正矽酸乙酯流量佔氣體總流量的5°/。~50%。所述臭氧與正矽酸乙酯反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的保護層112。
刻蝕氣體11 O還可以是臭氧與四氟化矽的混合氣體，其中臭氧流量佔氣體總流量的50%~95%，四氟化矽流量佔氣體總流量的5% 50%;刻蝕氣體110還可以是臭氧、 一氧化碳與四氟化矽的混合氣體，其中臭氧與一氧化碳的流量佔氣體總流量的50% 95%,四氟化石圭流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是臭氧、二氧化硫與四氟化矽的混合氣體，其中臭氧與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50% 95%,四氟化矽流量佔氣體總流量的5%~50%。所述臭氧與四氟化矽反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的保護層112。
刻蝕氣體lIO還可以是臭氧與四氯化矽的混合氣體，其中臭氧流量佔氣體總流量的50%~95%,四氯化矽流量佔氣體總流量的5% 50%;刻蝕氣體110還可以是臭氧、 一氧化碳與四氯化矽的混合氣體，其中臭氧與一氧化碳的流量佔氣體總流量的50%~95%,四氯化矽流量佔氣體總流量的5%~50%;刻蝕氣體110可以是臭氧、二氧化硫與四氯化矽的混合氣體，其中臭氧與二氧化硫的流量佔氣體總流量的50% 95%,四氯化矽流量佔氣體總流量的5% 50%。所 述臭氧與四氯化矽反應在通孔阻擋層圖形108側壁形成以二氧化矽為材料的 保護層112。
如圖8所示，用灰化法去除光刻膠層106，然後再採用溼法刻蝕法去除光 刻膠層106的殘留物。以含碳層104和保護層112為掩膜，沿含碳層圖形108刻 蝕層間絕緣層102至露出半導體襯底100，形成通孔109,所述刻蝕方法為幹法 刻蝕。
如圖9所示，用等離子體刻蝕法去除含碳層104和保護層112,所述刻蝕 氣體可以是氧氣，氧氣與一氧化碳混合氣體，氧氣與二氧化硫混合氣體，臭 氧，臭氧與一氧化碳混合氣體或臭氧與二氧化硫混合氣體。
除本實施例外，還可以用此方法形成雙鑲嵌結構中的溝槽，其中不需要 完全將層間絕緣層刻蝕至露出半導體襯底。
實施例二
圖IO至圖14是本發明形成通孔工藝中刻蝕含碳層的第二實施例示意圖。 如圖IO所示，在半導體襯底200上用化學氣相沉積法形成厚度為5000埃 15000 埃的層間絕緣層202,其中層間絕緣層202的材料可以是二氧化矽、氮化矽或 氮氧化矽等；所述半導體襯底200與層間絕緣層202之間形成有電晶體及金屬 布線層等。在層間絕緣層202上形成含碳層204,所述含碳層204的材料為無定 形碳，厚度為1000埃 2000埃；形成以無定形碳為材料的含碳層204的方法為 化學氣相沉積法或等離子體增強化學氣相沉積法。
繼續參考圖10，在含碳層204上用等離子體增強化學氣相沉積法或原子層 沉積法形成頂蓋層203，所述頂蓋層203的材料為氮氧化矽或矽等；頂蓋層203 的厚度為300埃 500埃；所述頂蓋層203的作用為作為刻蝕保護層在後續刻蝕 過程中保護其下方的膜層不受刻蝕氣體的影響。用旋塗法在頂蓋層203上形成防反射層205,其材料可以是有機物質，厚度為300埃 500埃；作用為用以提 高后續光刻膠層的解析度，防止尺寸精度下降。在防反射層205上旋塗光刻膠 層206,經過曝光顯影工藝後，在光刻膠層206上定義出通孔光刻月交圖形207; 所述曝光過程中採用的雷射為氟化氪雷射、氟化氬雷射等。
如圖ll所示，以光刻膠層206為掩膜，沿通孔光刻膠圖形207刻蝕防反射 層205和頂蓋層203至露出含碳層204，形成通孔圖形208,所述刻蝕方法為幹 法刻蝕。用灰化法去除光刻膠層206，然後再採用溼法刻蝕法去除光刻膠層206 的殘留物。
本實施例中，還可以在用溼法刻蝕法去除光刻膠層206的同時去除防反射 層205。
如圖12所述，以防反射層205和頂蓋層203為掩膜，以含氧氣體與含矽氣 體作為刻蝕氣體210,沿通孔圖形208,等離子體化刻蝕含碳層204至露出層間 絕緣層202,形成通孔含碳層圖形209;其中，在刻蝕的過程中，含氧氣體與 含矽氣體反應產生的二氧化矽，在通孔含碳層圖形209側壁沉積厚度為150埃 400埃的保護層212。
本實施例中，刻蝕氣體210可以是與實施例一相同的氣體成分。
如圖13所示，去除防反射層205和頂蓋層203;以含^^友層204和保護層212 為掩膜，沿通孔含碳層圖形209刻蝕層間絕緣層202至露出半導體襯底200,形 成通孔211,所述刻蝕方法為幹法刻蝕。
如圖14所示，用等離子體刻蝕法去除含碳層204和保護層212。
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準。
權利要求
1. 一種含碳層的刻蝕方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有含碳層；以含氧氣體與含矽氣體作為混合刻蝕氣體，在等離子體刻蝕所述含碳層以形成含碳層圖形的同時，所述刻蝕氣體反應產生的二氧化矽在含碳層圖形的側壁形成保護層。
2. 如權利要求1所述含碳層的刻蝕方法，其特徵在於，在含碳層的整個側壁形成保護層。
3. 如權利要求1所述含碳層的刻蝕方法，其特徵在於，所述含氧氣體包括氧氣或一氧化碳或二氧化疏或上述氣體的兩種或三種氣體的混合物。
4. 如權利要求1所述含碳層的刻蝕方法，其特徵在於，所述含矽氣體包括矽 烷或正矽酸乙酯或四氟化矽或四氯化矽或上述氣體的兩種或兩種以上氣體 的混合物。
5. 如權利要求4所述含碳層的刻蝕方法，其特徵在於，所述含矽氣體流量佔 混合刻蝕氣體總流量的5% 50%。
6. 如權利要求1所述含碳層的刻蝕方法，其特徵在於，所述保護層的厚度為 150埃 400埃。
7. 如權利要求1所述含碳層的刻蝕方法，其特徵在於，所述含碳層的材料是 無定形碳。
8. —種層間絕緣層的刻蝕方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上依次形成有層間絕緣層和含碳層；以含氧氣體與含矽氣體作為混合刻蝕氣體，在等離子體刻蝕所述含碳層以 形成含碳層圖形的同時，所述刻蝕氣體反應產生的二氧化矽在含碳層圖形 的側壁形成保護層；以含碳層為掩膜，沿含碳層圖形刻蝕層間絕緣層。
全文摘要
一種含碳層的刻蝕方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有含碳層；以含氧氣體與含矽氣體作為混合刻蝕氣體，在等離子體刻蝕所述含碳層以形成含碳層圖形的同時，所述刻蝕氣體反應產生的二氧化矽在含碳層圖形的側壁形成保護層。本發明保證後續半導體器件尺寸符合要求，提高半導體器件的質量及良品率。
文檔編號H01L21/02GK101483135SQ20081020537
公開日2009年7月15日 申請日期2008年12月31日 優先權日2008年12月31日
發明者埃文·皮爾斯 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司