控制回蝕刻截面輪廊的方法和裝置的製作方法
2023-04-24 05:14:11 4
專利名稱：控制回蝕刻截面輪廊的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路及其半導體器件的製程。更具體地說，本發明提供了一種用於控制回蝕刻(Etchback)截面輪廓的方法和裝置。僅作為示例，本發明已被用於製作兩金屬層之間的電路連線。但應被認識到的是本發明有更廣泛的應用範圍。
背景技術：
集成線路或「IC」已從在單個矽的晶片上製作少量相互連接的器件發展到包含數百萬個器件。現今IC提供遠遠超過最初想像的性能和複雜程度。為了提高複雜程度及線路密度(即，可封裝在一給定的晶片面積上的器件數目)，最小器件的線寬，又稱為器件的「幾何規格」(Geometry)，已隨著每代IC的推出而變得愈來愈小。現在製作的半導體器件具有小於百萬分之一米的四分之一的線寬。
增加線路密度不但增加了IC的複雜度和性能，還為消費者提供了更低成本的部件。一臺IC製造設備可花費數百萬，甚或數十億美元。每臺製造設備將有一定的晶片處理量，而每一片晶片上將有一定數目的IC。因此，通過將一個IC的每個器件做得愈小，就會在每片晶片上製作愈多的器件，從而增加該製造設備的產量。因IC製造中使用的每個製程都有限制，故將器件做得更小很具挑戰。也就是說，一個給定的製程通常只能做小到某個線寬尺寸，再小則將要麼製程、要麼器件的布局需要改變。這樣一個限制的例子就是在兩個金屬層之間製造低電阻的、可靠的電路連線。
用晶片代工廠為加工客戶的集成電路已發展多年。無加工設備的晶片公司通常設計客戶集成線路。這種客戶集成線路需要生產一套通常稱為「光罩(reticles)」的客戶掩膜版。例如中國上海的中芯國際集成電路製造有限公司(SMIC)就是一家從事代工服務的晶片公司。雖然無加工設備的晶片公司和代工服務已增長多年，但很多的限制仍然存在。例如，兩個金屬層之間的電接觸窗(electrical contacts)通常具有有限的可靠度和導電率。這些以及其他的限制在本說明書中尤其是在以下段落中進行描述。
圖1到圖6是在二層金屬層間製作電接觸窗的傳統方法的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。該方法包括步驟110的介層洞(via)蝕刻，步驟120的BARC回蝕刻，130的溝槽(Trench)蝕刻，步驟140的灰化(Ashing)，步驟150的停止層(StopLayer)去除(Remove)，以及步驟160的溝槽和介層洞填充。在步驟110介層洞蝕刻中，介層洞112穿過氮氧化矽層114和FSG層116而製成。FSG中通常含有氧化矽及氟。氮氧化矽層114位於FSG層116之上。介層洞112中具有由部分氮化矽層118形成的介層洞底部(viabottom)113。氮化矽層118的其餘部分則位於FSG層116之下。氮化矽層118沉積於金屬層119的表面上。在步驟120的BARC回蝕刻中，一層BARC層被填入介層洞112，然後再被回蝕刻以形成BARC層122。BARC表示底部防反射塗層。此BARC材料是一種傳統類型的光阻材料。在步驟130的溝槽蝕刻，BARC層122被進一步回蝕刻以形成BARC層132。另外，氮氧化矽層114的一部分和FSG層116的一部分被去除而形成溝槽134。溝槽134具有溝槽底部136，溝槽底部136的一部分由BARC組成而另一部分由FSG組成。在步驟140灰化中，BARC層132從介層洞112中被去除掉。在步驟150停止層去除中，氮化矽層118的形成介層洞底部113的那部分被去除。接著，金屬層119被暴露於介層洞112和溝槽134之中。在步驟160溝槽和介層洞填充中，介層洞112和溝槽134被導電物質例如銅填充，以形成導電填充層162。導電填充層162在金屬層119和金屬層164之間形成一個電接觸窗。部分金屬層164位於氮氧化矽層114的表面上。此電接觸窗通常具有有限的導電率和可靠度。
因此，需要改進電接觸窗的製作技術。
發明內容
本發明涉及集成電路及其半導體器件的製程。更具體地說，本發明提供了一種用於控制回蝕刻截面輪廓的方法和裝置。僅作為示例，本發明已被用於製作兩金屬層之間的電路連線。但應被認識到的是本發明有更廣泛的應用範圍。
在一個具體實施例中，本發明提供了一種製作電接觸窗的開口的方法。該方法包括對第一介電層進行第一蝕刻以形成一個第一介層洞、及第二介電層，並用BARC材料填充該第一介層洞以形成第一BARC層。另外，該方法還包括對該第一BARC層進行第二蝕刻以形成第二BARC層。該第二蝕刻在該第二BARC層的第一圓周形區域具有第一蝕刻率，而在該第二BARC層的第一中央區域具有第二蝕刻率。該第一圓周形區域環繞於該第一介層洞側壁，該第一中央區域環繞於該第一介層的中心。該第一蝕刻率大於該第二蝕刻率，該第一圓周形區域高於該第一中央區域。該第二BARC層的第一上表面明顯具有一個第一凸形。另外，該方法包括對該第二介電層進行第三蝕刻以形成一個溝槽和第三BARC層。該溝槽具有一個槽底面，該槽底面明顯沒有任何環繞於該第三BARC層側壁的尖刺。該第三BARC層的第二上表面明顯具有一個第二凸形。另外，該方法包括去除該第三BARC層以形成一個第二介層洞。
在另一個實施例中，一種製作電接觸窗的方法包括對第一保護層和第一介電層進行第一蝕刻以形成第一介層洞、第二保護層和第二介電層。該第一保護層位於該第一介電層上。另外，該方法還包括用BARC材料填充該第一介層洞以形成第一BARC層，以及對該第一BARC層進行第二蝕刻以形成第二BARC層。該第二蝕刻在該第二BARC層的第一圓周形區域具有第一蝕刻率，而在該第二BARC層的第一中央區域具有第二蝕刻率。該第一圓周形區域環繞於該第一介層洞側壁，該第一中央區域環繞於該第一介電層的中心。該第一蝕刻率大於該第二蝕刻率，該第一圓周形區域高於該第一中央區域。另外，該方法包括對第二保護層和第二介電層進行第三蝕刻以形成一個溝槽和第三BARC層。該溝槽具有一個槽底面，該槽底面上明顯沒有任何環繞於該第三BARC層側壁的尖刺。另外，該方法包括去除該第三BARC層以形成一個第二介層洞。該第二介層洞的橫截面小於該溝槽的橫截面。另外，該方法包括對停止層進行第四蝕刻以形成一個第三介層洞，並用導電材料填充該溝槽和該第三介層洞。該介電層位於該停止層上。
通過本發明可獲得很多優於傳統技術的優點。在一些實施例中，本方法降低了電接觸窗的電阻並增加了器件的可靠性。另外，本方法還提供一種與傳統技術兼容的工藝，無須對傳統設備與工藝進行大的變動。根據實施例，這些優點可部分或全部地獲得。這些及其他優點將通過本說明書尤其是下列段落進行更加詳細的描述。
本發明的各種其他目的、特性、優點將參考以下的詳述及附圖而更加清楚。
圖1到圖6是製作兩個金屬層間的電接觸窗的傳統方法的示意圖；圖7是由用圖1-6所示的方法得到的BARC層的凹形截面輪廓示意圖；圖8是由圖1-6所示的方法得到的溝槽蝕刻過程中的圍欄現象(fencing effect)的示意圖；圖9是由圖1-6所示的方法得到的電接觸窗中的圍欄現象的示意圖；圖10-18是根據本發明的一個實施例製作兩層導電層間的電接觸窗的方法的示意圖。
具體實施例方式
本發明涉及集成電路及其半導體器件的製程。更具體地說，本發明提供了一種用於控制回蝕刻(Etchback)截面輪廓的方法和裝置。僅作為示例，本發明已被用於製作兩金屬層之間的電路連線。但應被認識到的是本發明有更廣泛的應用範圍。
圖7是使用圖1-6所示的方法製作的BARC層的凹形橫截面輪廓示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。在傳統製作電接觸窗的方法中在步驟120的BARC回蝕刻中，BARC回蝕刻層122通常有一個凹形上表面124。凹形上表面124有環繞於氮氧化矽層114和FSG層116的側壁的圓周形區域720、還有環繞於介層洞112中心的中央區域722。圓周形區域720通常高於中央區域722。凹形上表面可能由一次或多次蝕刻得到。例如，步驟120通常採用幹蝕刻。離子束(ion flux)710通常包含帶有水平速度分量712與垂直速度分量714的離子。水平速度分量712與垂直速度分量714的比率值決定了夾角716。離子束710的所有離子的夾角716的平均值通常會超過20度。具有較大夾角716的離子不能到達圓周形區域720；因此，在圓周形區域720上的蝕刻率就小於中央區域722的蝕刻率。另外，若在步驟120使用的等離子密度小，則氮氧化矽層114表面上的電子密度亦很小。隨之而來的是，環繞於氮氧化矽層114和FSG層116側壁上的低密度負電荷通常不能有效地將正離子吸引到圓周形區域或從而增加此區域的蝕刻率。
圖8是由圖1-6所示的方法得到的溝槽蝕刻過程中的圍欄現象的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。在傳統製作電接觸窗的方法中，在步驟130溝槽蝕刻中，FSG區810和820被去除以形成溝槽134。溝槽134有溝槽底部830，溝槽底部830上至少包含FSG尖刺(spike)840和850、以及凹形BARC上表面860。FSG尖刺840和850通常會導致FSG圍欄現象。
圖9是由圖1-6所示的方法得到的電接觸窗中的圍欄現象的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。在形成電接觸窗的傳統方法中，在步驟160的溝槽和介層洞填充中，導電填充層162形成於尖刺840和850之上。尖刺840和850抬高了導電填充層162的熱應力。熱應力會在製作半導體器件過程中的高溫回火(anneal)中造成熱崩潰。這就會使半導體製造的良率降低。另外，此熱應力通常還會降低成品半導體器件的耐熱力(thermal tolerance)。因此這些器件在高溫下只有有限的壽命或只能工作於有限的溫度下。再者，尖刺840或850可增加導電填充層162的接觸電阻，而導電填充層162是用於金屬層119和金屬層164間的電連接的。該增加的接觸電阻增加了能耗量從而降低了半導體器件的性能。
圖10-18是根據本發明的一個實施例製作兩層導電層間的電接觸窗的方法的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。該方法包括下列步驟1、步驟1000是介層洞蝕刻；2、步驟1100是具有截面輪廓的BARC回蝕刻；3、步驟1200是具有截面輪廓的溝槽蝕刻；4、步驟1300是灰化；5、步驟1400是停止層去除；6、步驟1500是溝槽和介層洞填充。
上述順序的步驟提供了根據本發明一個實施例的方法。只要不超出本權利要求的範圍，其他的替換也可被提供，其中增加一些步驟、去除其中的一個或更多的步驟、或改變其中的一個或更多的步驟的順序。本發明的進一步細節將通過本說明書尤其是下列段落進行敘述。
在步驟1000的介層洞蝕刻中，介層洞1020穿過保護層1030和介電層1040製成。此製造步驟通常使用傳統的幹蝕刻工藝。保護層1030位於介電層1040的表面上。例如，保護層1030由氮氧化矽、氮化矽、氧化矽、其他介電質材料、或它們的混合物製成。介電層1040可以用氧化矽、FSG、氮化矽、其他介電質材料或它們的混合物製成。FSG通常包含氧化矽和氟。或者，保護層1030和介電層1040可以合併成一層。可在保護層1030和介電層1040之間或/和在保護層1030的上表面插入一層或幾層附加層。如圖10所示，介層洞1020具有由部分的停止層1050形成的介層洞底面1022。例如，停止層1050由氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、其他材料或它們的混合物製成。停止層1050的另一部分位於介電層1040之下。或者，停止層1050和介電層1040可合併成一層。可在停止層1050和介電層1040之間或/和在停止層1050的底部表面之下插入一層或幾層。如圖10所示，停止層1050被沉積在導電層1060的表面之上。導電層1060可由銅、鋁、鎢、多晶矽、其他導電材料或它們的混合物製成。
在步驟1100的BARC回蝕刻中，一個BARC層填入介層洞1020，然後被回蝕刻以形成BARC層1120。在回蝕刻前，此BARC層可將介層洞1020全填滿或只填一部分。而且，在回蝕刻前此BARC層可能流溢於介層洞1020外。BARC層1120通常由傳統光阻材料構成。該回蝕刻採用氧、其他氣體、或它們的混合物的幹蝕刻技術。
根據本發明的一個實施例，步驟1100中的等離子發生器中的電子溫度至少要達到4eV，以避免形成如圖7所示的凹形上表面124。優選的是，該電子溫度應該高於4eV但低於10eV。為了使電子溫度超過4eV，等離子艙中的氣體壓力應降低至40mTorr(毫託)以下。或者，也可採取其他能使電子加溫的方法。如圖16所示，低氣壓還可改善離子束1620的不均勻性。離子束1620中的離子通常包含帶有水平速度分量1622及垂直速度分量1624的離子。水平速度分量1622與垂直速度分量1624的比率決定了夾角1626。離子束1620中的全部離子的夾角1626的平均值通常小於10度，而最好小於5度。另外，等離子艙中的等離子密度超過106個/m3。
圖16是根據前面討論過的本發明一個實施例的工藝條件下所得到的BARC層的凸形截面輪廓的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。在步驟1100的BARC回蝕刻中，BARC回蝕刻層1120通常會出現凸形而不是凹形的上表面1610。凸形上表面1610有一個環繞在保護層1030和介電層1040的側壁的圓周形區域1612及一個環繞在介層洞1020中心的中央區域1614。圓周形區域1612通常低於而不是高於中央區域1614。
凸形上表面1610可能是由一次或多次蝕刻得到的。有著較小夾角1626的離子易於抵達圓周形區域1612；因此，圓周形區域1612上的蝕刻率不會明顯異於中央區域1614。另外，因如前所述用於步驟1100的等離子具有高等離子密度，所以保護層1030表面上的電子密度就大。隨之而來的是，環繞於保護層1030和介電層1040的側壁上的高密度負電荷可有效地將正離子吸引到圓周形區域1612，這樣就增加了此區域的蝕刻率。高蝕刻率使得圓周形區域1612低於中央區域1614，因此而形成了凸形上表面1610。
在步驟1200的溝槽蝕刻中，BARC層1120進一步被回蝕刻以形成BARC層1220。另外，保護層1030的一部分和FSG層的一部分1020被去除以形成溝槽1230。溝槽1230有槽底面1232；槽底面1232的一部分是由BARC構成而另一部分是由介電材料如FSG所構成。根據本發明的一實施例，步驟1200使用幹蝕刻技術並利用含氟成分及氧成分的混合氣體。該含氟成分氣體可以是CF4、C2F6、C4F8、其他氣體或它們的混合物。該含氧成分的氣體可以是O2、其他氣體、或它們的混合物。該含氟氣體在混合氣體中佔有相當的體積比例。例如體積比例為90％-100％。
圖17是根據本發明一實施例的溝槽蝕刻中沒有圍欄現象的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。在步驟1200的溝槽蝕刻中，介電區域1710和1720被去除以形成溝槽1230。溝槽1230有溝槽底部1232，溝槽底部1232包括凸形BARC上表面1730。如圖17所示，溝槽底部1232不包含任何通常如圖8所示的傳統技術中形成的尖刺。故可大大消除圍欄現象。
圖18是根據本發明另一實施例的溝槽蝕刻中沒有圍欄現象的示意圖。這些圖僅僅是舉例，它們不能過分限制本權利要求的範圍。本領域中的普通技術人員可做出許多變更、替換、及修改。在步驟1200溝槽蝕刻中，介電區域1810和1820被去除以形成溝槽1230。溝槽1230有溝槽底部1232，溝槽底部1232包括凸形BARC上表面1830。如圖18所示，溝槽底部1232不包含任何通常如圖8所示的傳統方法得到的尖刺，而是包含有谷形區域1840和1842，故可明顯消除圍欄現象。
在步驟1300灰化中，BARC層1220被從介層洞1020中去除。溝槽底部1232沒有傳統方法通常所得到的尖刺。例如灰化步驟使用幹蝕刻技術。幹蝕刻可以利用氧氣且所產生的BARC層1220的蝕刻率大約高於介電層1040蝕刻率的100倍。也可採用其他蝕刻工藝。
步驟1400的停止層去除中，形成介層洞底部1022的那部份停止層1050被去除。隨之而來的是，金屬層1060暴露於介層洞1020和溝槽1230之中。例如，停止層1050由氮化矽組成，而去除停止層可用含氟氣體。此含氟氣體可以是CF4、C2F6、C4F8、其他氣體、或它們的混合物。
在步驟1500的溝槽或介層洞填充中，介層洞1020和溝槽1230被填入導電材料以形成導電填充層1520。該導電材料可以是銅、鋁、鎢、多晶矽、其他導電材料、或它們的混合物。導電填充層1520在導電層1060和導電層1540之間形成一個電接觸窗。導電層1540的一部分位於保護層1030表面之上。導電層1540和1060可由銅、鋁、鎢、多晶矽、其他導電材料、或它們的混合物組成。導電層1540和1060的成分可以相同也可不同。上表面可用化學機械拋光技術進行拋光。
儘管本發明是參照其特定的優選實施例來描述的，但本領域的技術人員應該理解，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節的各種修改。
權利要求
1.一種製作電接觸窗的開口的方法，此方法包括對第一介電層進行第一蝕刻，形成第一介層洞和第二介電層；用BARC材料填充該第一介層洞，形成第一BARC層；對該第一BARC層進行第二蝕刻，形成第二BARC層，該第二蝕刻在該第二BARC層的第一圓周形區域具有第一蝕刻率，而在該第二BARC層的第一中央區域具有第二蝕刻率，該第一圓周形區域環繞於該第一介層洞側壁，第一中央區域環繞於該第一介層洞的中心，該第一蝕刻率大於該第二蝕刻率，該第一圓周形區域高於該第一中央區域，該第二BARC層的第一上表面明顯具有第一凸形；對該第二介電層進行第三蝕刻，形成一個溝槽和第三BARC層，該溝槽具有一個槽底面，該槽底面上明顯沒有任何環繞於該第三BARC層側壁的尖刺，該第三BARC層的第二上表面明顯具有第二凸形；去除該第三BARC層，形成第二介層洞。
2.如權利要求1所述的方法，其中該第二蝕刻採用等離子，該等離子具有高於4eV的電子溫度。
3.如權利要求2所述的方法，其中該電子溫度小於10eV。
4.如權利要求3所述的方法，其中該等離子具有小於40mTorr的氣體壓力。
5.如權利要求4所述的方法，其中該第二蝕刻包括幹蝕刻，該幹蝕刻採用多個離子，該多個離子分別具有多個速度，該多個速度相對於垂直該介電層的上表面的方向分別具有多個夾角，該多個夾角的平均值小於10度。
6.如權利要求5所述的方法，其中該多個夾角的平均值小於5度。
7.如權利要求6所述的方法，其中該第二蝕刻採用等離子，該等離子具有一個等離子密度，該等離子密度大於1016個/m3。
8.如權利要求1所述的方法，其中該第二蝕刻採用氧氣。
9.如權利要求1所述的方法，進一步包括用導電材料填充該溝槽和該第二介層洞。
10.如權利要求1所述的方法，其中該第一介電層包括下列中的至少一個氧化矽，FSG，和氮化矽。
11.一種製作電接觸窗的方法，此方法包括對第一保護層和第一介電層進行第一蝕刻，形成第一介層洞、第二保護層和第二介電層，該第一保護層位於該第一介電層之上；用BARC材料填充該第一介層洞，形成第一BARC層；對該第一BARC層進行第二蝕刻，形成第二BARC層，該第二蝕刻在該第二BARC層的第一圓周形區域具有第一蝕刻率，而在該第二BARC層的第一中央區域具有第二蝕刻率，該第一圓周形區域環繞於該第一介層洞側壁，該第一中央區域環繞於該第一介電層洞的中心，該第一蝕刻率大於該第二蝕刻率，該第一圓周形區域高於該第一中央區域；對第二保護層和第二介電層進行第三蝕刻，形成一個溝槽和第三BARC層，該溝槽具有一個槽底面，該槽底面上明顯沒有任何環繞於該第三BARC層側壁的尖刺；去除該第三BARC層，形成第二介層洞，該第二介層洞的橫截面小於該溝槽的橫截面；對停止層進行第四蝕刻，形成第三介層洞，該介電層位於該停止層之上；用導電材料填充該溝槽和該第三介層洞。
12.如權利要求11方法，其中該第二蝕刻採用等離子，該等離子具有高於4eV的電子溫度。
13.如權利要求12所述的方法，其中該電子溫度小於10eV。
14.如權利要求12所述的方法，其中該等離子具有小於40mTorr的氣體壓力。
15.如權利要求11所述的方法，其中該第二蝕刻包括一個幹蝕刻，該幹蝕刻採用多個離子，該多個離子分別具有多個速度，該多個速度相對於該介電層的上表面在垂直方向上分別具有各自的夾角，該多個夾角的平均值小於10度。
16.如權利要求15所述的方法，其中該多個夾角的平均值小於5度。
17.如權利要求11所述的方法，其中該第二蝕刻採用等離子，該等離子具有一個等離子密度，該等離子密度大於1016個/m3。
18.如權利要求11所述的方法，其中該第一介電層包括下列中的至少一個氧化矽，FSG，和氮化矽。
19.如權利要求11所述的方法，其中該導電材料包括下列中的至少一個銅，鋁，鎢，和多晶矽。
20.如權利要求11所述的方法，其中該保護層包括氮氧化矽，而該停止層包括氮化矽。
全文摘要
一種控制回蝕刻截面輪廓的方法和裝置。包括對第一介電層進行第一蝕刻，形成第一介層洞和第二介電層；用BARC材料填充第一介層洞，形成第一BARC層；對第一BARC層進行第二蝕刻，形成第二BARC層。第二蝕刻在第二BARC層的第一圓周形區域具有第一蝕刻率，而在第二BARC層的第一中央區域具有第二蝕刻率。第一圓周形區域環繞於第一介層洞側壁，第一中央區域環繞於第一介層的中心。第一蝕刻率大於第二蝕刻率，第一圓周形區域高於第一中央區域。對第二介電層進行第三蝕刻，形成一個溝槽和第三BARC層。該溝槽的槽底面上明顯沒有任何環繞於第三BARC層側壁的尖刺。
文檔編號H01L21/02GK1635623SQ20031012296
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者吳漢明, 鄺亞鐳, 宋偉基 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司