[发明专利]用水蒸汽和稀释气体增强的氢灰化

说明书

技术领域

本发明一般性地涉及集成电路制造中材料的等离子刻蚀。具体地，本 发明涉及光刻胶的灰化。

背景技术

在硅集成电路制造中广泛使用等离子刻蚀技术。其中一个工艺步骤通 常被称为电介质刻蚀，该步骤被用于形成穿过电介质层的孔，从而在集成 电路的不同层之间提供垂直电连接。在图1的横截面图中示意性地示出了 一种原型过孔(via)结构。形成在晶片表面上的下电介质层10在其表面 内形成有导电构件(feature)12。上电介质层14沉积在下电介质层10和 其导电构件12的上方。平面光刻胶16层被旋涂在未图案化的上电介质层 14上，利用步进式光刻机按照辐射图案对其进行曝光形成穿过光刻胶层 16的掩膜孔18，从而形成具有掩膜孔18的光刻掩膜，掩膜孔18位于导电 构件12上方并借助过孔与其电连接。在上电介质层14和光刻胶层16之间 可能还形成有其它层，例如刻蚀硬掩膜或者抗反射涂层。被光刻掩膜覆盖 的晶片被放进等离子刻蚀反应器中，在其中上电介质层14被向下刻蚀到 导电构件从而形成过孔20。典型地，可以使用相同的刻蚀反应器来刻蚀抗 反射涂层和硬掩膜(如果有的话)，而对不同的层使用不同的刻蚀化学试 剂。电介质刻蚀通常利用碳氟化合物，例如使用六氟丁二烯(C₄F₆)。

在电介质刻蚀之后，利用铝或铜等金属填充过孔20从而提供与导电构 件12的垂直电连接。对于双镶嵌结构，通常使用铜金属化，过孔20被上 电介质层14下部的更短的过孔代替，其连接至在顶部水平延伸的沟槽 (trench)，两者同时用铜填充。对于接触层的金属化，下电介质层10被 活性硅层代替，并且导电构件12也由硅构成，但是在过孔20的界面处可 能有复合硅化物和栅极氧化物，在这种情况下过孔20被称为接触孔。

在完成电介质刻蚀后，一些光刻胶可能残留在电介质层14顶部，或者 刻蚀残余物(通常是碳质材料)可能残留在过孔18内。残余物可能在过 孔20的侧面上形成多聚物涂层22，这有助于产生垂直的刻蚀轮廓，或者 残余物形成被隔离的刻蚀残余物24(包括在过孔20底部的一些)。类似 的多聚物涂层可能覆盖光刻胶的剩余部分产生硬化外表面。金属填充过程 要求过孔20包覆上一层保形的衬里(包括阻挡层)，并且在通过电化学 镀覆(ECP)工艺进行铜金属化时，铜层可以作为晶种层和电镀电极。目 前，阻挡层通常是TaN/Ta双层，并且阻挡层和铜晶种层可以通过先进溅 射法进行沉积。重要的是在沉积过孔的衬里层之前将光刻胶和其它残余物 从结构中除去，因为它们分解粘附在过孔侧壁上并且增大了过孔底部的接 触电阻，两者都会影响器件的良率和可靠性。

等离子灰化(plasma ashing)早已被用于在刻蚀之后除去光刻胶和其 它残余物。氧等离子体对于刻蚀除去碳基材料层非常有效。尽管以前在被 设计来批处理大量晶片的筒状灰化器中进行灰化，更新的技术采用单晶片 等离子灰化器，其或者是一个单独的刻蚀反应器或者是在用于电介质刻蚀 的同样的等离子刻蚀反应器中进行的单独处理步骤。

当电介质层由二氧化硅形成、具有SiO₂的近似化学组成和约3.9的介 电常数时，传统的灰化工艺是有效的。但是用于先进集成电路所需的更低 介电常数电介质时会遇到很多困难。早期的低介电常数电介质是通过用氟 掺杂二氧化硅使介电常数降低到约3.5来形成的。更低的低-3介电常数可 以通过氢化的氧碳化硅(silicon oxycarbide)来得到，例如加利福尼亚州 Santa Clara的Applied Materials公司的Black Diamond电介质。更低的低于 3的介电常数可以通过沉积这些材料并使其多孔化来得到。这些材料的氧 灰化引起了很多问题。氧等离子体不仅攻击碳质光刻胶的残余物和其它残 余物，它也会消耗氧碳化硅中的碳，从而增大其介电常数。多孔介电材料 相对易碎，并且更容易被氧等离子体破坏，原因是部分氧穿透进入孔中以 及孔的坍缩。