使導體露出的刻蝕方法

2023-06-03 08:54:16 3

專利名稱：使導體露出的刻蝕方法
發明
背景技術：
領域本發明一般涉及半導體加工，尤其是使用八氟環丁烷(C4F8)刻蝕二氧化矽(SiO2)和使用四氟甲烷(CF4)刻蝕氮化鈦(TiN)的刻蝕方法。
背景技術：
在半導體工業中，利用反應離子刻蝕(RIE)技術在半導體晶片上打開電路路徑。用反應離子刻蝕技術形成的一種結構例如是將不同的層中導體進行電連接的通路。反應離子刻蝕技術是等離子(氣態)刻蝕的一種變體，其中半導體晶片置於一個射頻(RF)電極上，然後將刻蝕物質從等離子抽取出來並向待刻蝕物體表面加速。化學刻蝕反應的發生可以去除該表面的部分物質。反應離子刻蝕在半導體加工中是一種最為常用的刻蝕技術。
參見圖1，顯示了一種傳統的半導體結構10，它包括刻蝕前的層12和層14。結構10包含導體層14，它包含圍繞著導體層18(例如，銅或鋁)的介電層16(例如，二氧化矽(SiO2)層)；位於導體層14的上面的覆蓋層20(例如，氮化鈦(TiN)層)；位於覆蓋層20上面的介電層22(例如，二氧化矽(SiO2)層)；位於介電層22上面的另一介電層24(例如，氮化矽(Si3N4)層)；和已圖形化的光刻膠層26。
典型的反應離子刻蝕方法在一個等離子腔中進行，該等離子腔包含兩種射頻設置，例如，約2MHz(底部射頻源電極)和約27MHz(頂部偏壓功率電極)。下面描述一種用於疊層的反應離子刻蝕方法，該疊層具有以下厚度6μm的光刻膠層26(例如，Gpoly)，4000的氮化矽介電層24,4500的二氧化矽介電層22和250-350的氮化鈦覆蓋層20。傳統的反應離子刻蝕方法可能包括以下步驟使用氬氣(Ar)、四氟甲烷(CF4)和一氧化碳(CO)，去除汙垢，刻蝕介電層24，刻蝕介電層22，然後兩步刻蝕覆蓋層20。第一個覆蓋層刻蝕步驟可能使用氬(Ar)，八氟環丁烷(C4F8)，氧(O2)和三氟甲烷(CHF3)，第二個覆蓋層刻蝕步驟可能使用氬(Ar)，三氟化氮(NF3)。最後，進行氧(O2)等離子化學處理(灰化)將導體18上殘餘的反應離子刻蝕聚合物去除。
在介電刻蝕工具中去除氮化鈦(TiN)的常規反應離子刻蝕工藝會遇到許多問題。首先，會使工具老化，更特殊的是會使刻蝕速率下降，使隨後的反應離子刻蝕處理的一致性降低，從而降低產量。其次，典型的等離子處理會使晶片剝蝕。例如，上述方法顯示了在晶片的切口處增高的靜電放電缺陷(ESD)。一種針對這種情況的解決辦法是採用金屬刻蝕體系，而不是介電刻蝕體系。然而，這些體系會引起覆蓋層20下保留的導電層18(如Al)的輪廓產生缺陷。也就是說，它們對鋁不具有選擇性。
綜上所述，該領域中存在對改良反應離子刻蝕工藝的需求，該技術又不會受相關技術問題的影響。

發明內容
本發明包含刻蝕介電層和位於導體上的覆蓋層以使導體露出的方法。在一個實施方案中，該方法包含使用含有八氟環丁烷(C4F8)的刻蝕二氧化矽(SiO2)的化學物質，和含有四氟甲烷(CF4)的用於刻蝕氮化鈦(TiN)的化學物質。該方法可阻止刻蝕速率的劣化，並表現出減少的靜電放電缺陷。
本發明的第一個方面涉及露出導體的刻蝕方法，該方法包括如下步驟以含有八氟環丁烷(C4F8)的化學物質刻穿含二氧化矽(SiO2)的第一介電層；以含四氟甲烷(CF4)的化學物質刻穿含氮化鈦(TiN)的覆蓋層，以使導體露出。
本發明的第二方面包含一種用於露出導體的刻蝕方法，該方法包括以下步驟刻穿含有氮化矽(Si3N4)的第一介電層；以含有約13-17標準立方釐米(sccm)八氟環丁烷(C4F8)氣流的化學物質刻穿含有二氧化矽(SiO2)的第二介電層；以含有135-165標準立方釐米四氟甲烷(CF4)氣流的化學物質刻穿含氮化鈦(TiN)的覆蓋層，以使導體露出。
本發明的第三個方面涉及露出疊層下面的導體的方法，該疊層由上至下包括圖形化的光刻膠層、氮化矽(Si3N4)層、二氧化矽(SiO2)層、氮化鈦(TiN)覆蓋層，該方法包括以下步驟刻穿所述氮化矽(Si3N4)；採用以下列條件所述刻穿二氧化矽(SiO2)約90-110mTorr(mT)的壓力，在大約27MHz及2MHz下約950-1050W的射頻能量，約375-425標準立方釐米的Ar氣氣流，約13-17標準立方釐米的八氟環丁烷(C4F8)及約5-7標準立方釐米的O2；採用以下列條件刻穿含氮化鈦(TiN)的氮化鈦層約255-285mT的壓力，在約27MHz條件下的約1350-1450W的射頻能量及在約2MHz下的約650-750W的射頻能量，約135-165標準立方釐米的四氟甲烷(CF4)及約90-110標準立方釐米的N2氣流。
從下面的本發明的實施方案的詳細說明中將清楚地了解本發明的前述及其它特性。


本發明的實施方案將根據下面的附圖進行詳細描述，其中相同的標記指示相同的部件，其中圖1顯示了一種在刻蝕前含有介電層的常規半導體結構。
圖2-6顯示了根據本發明的刻蝕方法的一個實施方案。
應當指出，該發明的附圖不是按比例繪製的。附圖的目的僅僅是為了描述發明的一些典型特徵，因此不應認為是限制本發明的範圍。附圖中，相同的編號代表著各圖間的相同部件。
具體實施例方式
參考附圖，圖2-6顯示了根據本發明形成開口以露出導體的刻蝕方法的一個實施方案。通過光刻膠提供開口的圖形。該法改進了傳統的方法，從而減少了靜電放電缺陷(ESD)並且不降低刻蝕速率。該方法在典型的電介質反應離子刻蝕(RIE)工具中進行，而不是在一種金屬反應離子刻蝕(RIE)工具中進行。所使用的反應離子刻蝕腔能夠採用兩種射頻設置，即約2MHz(底部射頻源電極)和約27MHz(頂部偏壓功率電極)。
該方法從傳統的半導體結構100開始，該結構100包括含有介電層112的疊層(有時指大通路墊疊層(large-via pad stack))，與圖1所示相似。結構100包括導體層114，該導體層包含圍繞著導體118(例如銅或鋁的導體)的介電層116(例如，二氧化矽(SiO2)，或任何其它合適的介電材料的層)。導體118上疊層包括覆蓋層120，該層包括位於導體層114上的氮化鈦(TiN)；介電層122，它包括位於覆蓋層120上的二氧化矽(SiO2)；另一介電層124，它包括位於介電層122上的氮化矽(Si3N4)層；和圖形化的光刻膠126。圖形化的光刻膠126包括待形成所述開口以露出導體118的圖形。介電層122可包括任何二氧化矽(SiO2)型材料，比如氫化的氧碳化矽(SiCOH)，Novellus公司的CORALTM，矽酸四乙酯(Si(OC2H5)4)(TEOS)，摻F的TEOS(FTEOS)，摻F的矽酸鹽玻璃(FSG)，未摻雜矽酸鹽玻璃(USG)，硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)等。覆蓋層120可包括任何典型的氮化鈦基覆蓋材料。
採用具有以下厚度的疊層描述本發明6μm的光刻膠126(例如Gpoly)，4000的氮化矽介電層124，4500的包含二氧化矽的介電層122和250-350含氮化鈦的覆蓋層120。應當認識到，當疊層厚度不同時，至少刻蝕時間可適當變化。
如圖2所示，該方法的初始步驟包括清除汙垢200。該清除汙垢步驟可去除刻蝕前的光刻步驟中留下的殘留物，這將允許對氮化矽表面更均勻的刻蝕。在一個實施方案中，通過N2和H2氣流進行汙垢去除。本說明書及權利要求中，將會用到術語「約X-Y」。該近似要理解為適用於所述範圍中的下限值及上限值。去除汙垢步驟將需約8-12秒。該去除汙垢步驟也可以包括使用如下附加條件固定晶片的卡盤90(圖2-6)，壓力約為18-22Torr的He，卡盤溫度可為約18-22℃。
如圖3所示，隨後是穿透介電層124如氮化矽的刻蝕202。所用的刻蝕條件202可以是任何常規的方法的。例如，刻蝕條件202可包括使用氬(Ar)，四氟甲烷(CF4)，三氟甲烷(CHF3)及氧(O2)等的氣流。舉例來說，可以使用Dupont的商品名為Freon23的三氟甲烷(CHF3)(也稱為氟仿)。刻蝕202可以持續約40-50秒。卡盤90壓力可以是例如約18-20Torr的氦(He)，卡盤90的溫度可以是約18-20℃。
然後，如圖4所示，刻蝕含有二氧化矽(SiO2)的介電層122。在一個實施方案中，刻蝕化學處理204包括採用下列條件約90-110mTorr的壓力，在27MHz及2MHz頻率下約950-1050W的射頻能量，約375-425標準立方釐米的氬(Ar)氣流，約13-17標準立方釐米的八氟環丁烷(C4F8)及約5-7標準立方釐米的氧(O2)。刻蝕204可以持續約80-95秒。刻蝕204還可以採用下列條件固定晶片的卡盤90壓力約為18-22Torr的He，卡盤溫度可以為約18-22℃。
參照圖5，下一步包括刻蝕含有氮化鈦(TiN)的覆蓋層120。刻蝕206可以採用以下條件約255-285mTorr的壓力，在約27MHz頻率下1350-1450W的射頻能量及在2MHz頻率下約650-750W的射頻能量，約135-165標準立方的四氟甲烷(CF4)及約90-110標準立方釐米的氮(N2)氣流。刻蝕206可以持續約85-100秒。刻蝕206也可以採用以下條件固定晶片卡盤90壓力約為18-22Torr的He，卡盤溫度可以為約18-22℃。
圖6顯示了下一步，包括進行灰化步驟208以從導體118上去除殘留的反應離子刻蝕聚合物。灰化步驟208可以包括任何目前已知或今後開發出的基於氧的灰化化學處理。
上述的發明提供了刻蝕二氧化矽(SiO2)及氮化鈦(TiN)兩步法。該方法與傳統反應離子刻蝕方法相比，對Al具有選擇性，並且耗費更少的光刻膠126。該法改進了傳統的工藝，使靜電放電缺陷(ESD)減少，而刻蝕速率則不會劣化。此外，該方法在典型的絕緣反應離子刻蝕工具中進行，而不是在金屬反應離子工具中進行。
儘管結合上述的特定實施方案對本發明進行了描述，然而許多替換、修改及變化對那該領域的技術人員來說是很明顯的。相應地，本發明中上述提及的實施方案是為了舉例說明，而不是有所限制。根據下面的權利要求，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，可以做出多種變化。
權利要求
1.一種露出導體的刻蝕方法，該方法包括以下步驟使用含有八氟環丁烷(C4F8)的化學物質刻蝕穿含有二氧化矽(SiO2)的第一介電層；使用含有四氟甲烷(CF4)的化學物質刻穿含有氮化鈦(TiN)的覆蓋層，以露出導體。
2.權利要求1的方法，其中第一介電層刻蝕步驟包括採用以下條件約90-110mTorr的壓力，在約27MHz和約2MHz下的950-1050W的射頻能量，約375-425標準立方釐米(sccm)的氬(Ar)氣流，約13-17標準立方釐米的八氟環丁烷(C4F8)，及約5-7標準立方釐米的氧(O2)。
3.權利要求1的方法，其中覆蓋層刻蝕步驟包括採用下列條件約255-285mT的壓力，在約27MHz下1350-1450W的射頻能量及在約2MHz下約650-750W的射頻能量，約135-165標準立方釐米的四氟甲烷(CF4)和約90-110標準立方釐米的氮(N2)的氣流。
4.權利要求1的方法，其中每一個刻蝕步驟均在反應離子刻蝕工具中進行。
5.權利要求1的方法，其中每一個刻蝕步驟均包括採用下列條件固定晶片的卡盤壓力約為18-22Torr的氦(He)，卡盤溫度約為18-22℃。
6.權利要求1的方法，該方法進一步包括刻蝕步驟前的去除汙垢步驟。
7.權利要求6的方法，其中去除汙垢步驟包括採用含氮(N2)及氫(H2)的氣流。
8.權利要求1的方法，該方法進一步包括在刻蝕第一介電層前，刻穿含有氮化矽(Si3N4)的第二介電層，第二介電層位於第一介電層之上。
9.權利要求1的方法，該方法進一步包括刻蝕覆蓋層之後的灰化步驟。
10.一種露出導體的刻蝕方法，該方法包括以下步驟刻穿含有氮化矽(Si3N4)的第一介電層；採用含有約13-17標準立方釐米八氟環丁烷(C4F8)氣流的化學處理刻穿含有二氧化矽(SiO2)的第二介電層；和採用約135-165標準立方釐米四氟甲烷(CF4)氣流的化學處理刻穿含有氮化鈦(TiN)的覆蓋層，以露出導體。
11.權利要求10的方法，其中第二介電層刻蝕步驟包括採用以下條件約90-110mTorr的壓力，在約27MHz及約2MHz下約950-1050W的射頻能量，所述氣流還包含約375-425標準立方釐米的氬(Ar)和約5-7標準立方釐米的氧(O2)。
12.權利要求10的方法，其中覆蓋層刻蝕步驟包括採用以下條件約255-285mTorr的壓力，在約27MHz下1350-1450W的射頻能量及在2MHz下約650-750W的射頻能量，且該氣流進一步包括約90-110標準立方釐米的氮(N2)。
13.權利要求10的方法，其中每一個刻蝕步驟均在反應離子刻蝕工具中進行。
14.權利要求10的方法，其中每一個刻蝕步驟均包括採用以下條件晶片固定卡盤壓力約為18-22Torr的氦(He)，卡盤溫度為約18-22℃。
15.權利要求10的方法，該方法進一步包括第一次刻蝕步驟前的去除汙垢步驟，去除汙垢步驟包括使用氮(N2)和氫(H2)的氣流。
16.權利要求15的方法，其中去除汙垢步驟包括採用以下附加條件晶片固定卡盤壓力約為18-22Torr的氦(He)，卡盤溫度為約18-22℃。
17.權利要求10的方法，該方法進一步包括刻蝕覆蓋層後的灰化步驟。
18.一種露出疊層下的導體的方法，該疊層從上至下包括圖形化的光刻膠、氮化矽(Si3N4)層、二氧化矽(SiO2)層、氮化鈦(TiN)覆蓋層，該方法包括以下步驟刻穿氮化矽(Si3N4)層；用以下條件刻穿二氧化矽(SiO2)層約90-110mTorr的壓力，在約27MHz及約2MHz下約950-1050W的射頻能量，約375-425標準立方釐米的氬(Ar)、約13-17標準立方釐米的八氟環丁烷(C4F8)及約5-7標準立方釐米的氧(O2)的氣流；用以下條件刻穿氮化鈦(TiN)層約255-285mTorr的壓力，在約27MHz下約1350-1450W的能量及在2MHz下約650-750W的能量，約135-165標準立方四氟甲烷(CF4)和約90-110標準立方釐米的氮(N2)的氣流。
19.權利要求18的方法，其中該刻蝕步驟在去除汙垢步驟之後，而位於灰化步驟之前。
20.權利要求18的方法，其中每一個刻蝕步驟包括採用以下條件晶片固定卡盤壓力約為18-22Torr的氦(He)，卡盤溫度可以為約18-22℃。
全文摘要
公開了在導體上刻蝕介電層及覆蓋層以露出導體的刻蝕方法。在一個實施方案中，該方法包括使用含有八氟環丁烷(C
文檔編號H01L21/28GK1967777SQ20061015420
公開日2007年5月23日 申請日期2006年9月13日 優先權日2005年11月1日
發明者J·J·梅扎佩萊 申請人:國際商業機器公司