[发明专利]一种含碳层的等离子刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种含碳层的等离子刻蚀方法。

背景技术

刻蚀工艺是指在制造半导体器件过程中采用化学溶液或腐蚀性气体或等离子体除去晶圆内或晶圆表面膜层中不需要的部分的工艺。通常主要用化学溶液进行刻蚀的方法为湿法刻蚀，采用腐蚀性气体或等离子体进行刻蚀的方法为干法刻蚀。目前，可以使电路图形变得更精细的干法刻蚀得到越来越广泛的使用。

湿法刻蚀中，用强酸的化学反应进行各向同性刻蚀，即使被掩膜覆盖的部分也可以被刻蚀。相反，干法刻蚀用反应离子刻蚀，其中，用例如等离子态的卤素的腐蚀性化学气体和等离子态离子进行刻蚀。因此，干法刻蚀可以实现只在晶圆上按垂直方向进行刻蚀的各向异性刻蚀，所以，干法刻蚀适用于要求高精度的精细工艺，例如，适用于甚大规模集成电路(VLSI)工艺。

传统的等离子处理装置包含导入处理气体的反应腔室，所述反应腔室内配置有由一对上部电极和下部电极组成的平行平板电极。在将处理气体导入反应腔室内的同时，在下部电极上施加高频电压，在电极间形成高频电场，在高频电场的作用下形成处理气体的等离子体。

现有工艺在刻蚀绝缘层或低k介电质层(比如，主要成份为SiO₂或SiOC)时，在形成通孔图形的过程中，通常采用C_xF_y化合物，在被刻蚀的目标层含碳时会在刻蚀气体中添加O₂，该C_xF_y化合物可以是CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₄F₈、C₄F₆、C₅F₈等。经过高频电场的作用，形成等离子体，对绝缘层进行刻蚀。由于光刻胶的强度不够，所以光刻胶在绝缘层刻蚀中很容易被入射的等离子体中的离子轰击而造成变形，所以现在工业界常用光刻胶为掩膜来刻蚀一层硬掩膜层(比如无定形碳)，来作为刻蚀下层绝缘层的硬掩膜。在从光刻胶的图形转移到硬掩膜的图形过程中，要保证被转移到硬掩膜上的图形不会变形就要保证在刻蚀硬掩膜的过程中不会发生侧壁刻蚀，并最终造成尺寸偏移。为了保证对含碳硬掩膜层足够的刻蚀速率，刻蚀气体在等离子条件下必须能够和刻蚀的目标材料自发反应，现有技术通常用氧气。但是这样一来刻蚀就不具有了方向性，成为等方向性刻蚀(isotropic etch)。在器件精度要求越来越高的趋势下，这无疑不能满足刻蚀要求。侧壁被刻蚀造成的典型外观特征就是从掩膜向下刻蚀中侧壁出现如图7所示的弧形轮廓线，使得刻蚀所得的线条尺寸与掩膜所定义的线条尺寸出现很大的关键尺寸偏移(CD shift)。所以现有工艺通常会在刻蚀的同时在刻蚀反应气体中添加侧壁保护气体，以使侧壁不被刻蚀气体刻蚀掉。

除了刻蚀含碳掩膜层要用到侧壁保护气体和刻蚀气体的混合气体，位于光刻胶下的防反射层(ARC)由于也要用刻蚀气体刻蚀形成所需的图形，所以也需要在刻蚀的同时在刻蚀反应气体中添加侧壁保护气体以使刻蚀形成的图形更精确。

用刻蚀气体和侧壁保护气体的混合气体同时供应反应，可以实现非等向性刻蚀(anisotropic etch)，但是对刻蚀速率会有很大的影响，造成刻蚀率降低，而且由于刻蚀气体、侧壁保护气体和刻蚀目标层、甚至目标层上的掩膜层均参与了整个反应过程，整个反应过程受多个因素的影响，不同的因素相互作用，所以很难调试获得最佳的刻蚀参数配置，即使获得了也要付出大量人力和时间。

在刻蚀有机物材料层如无定形碳或聚合物层时，通常会用O₂刻蚀，并同时添加含硫成份的气体。含硫成份的气体中的硫会在侧壁和碳形成碳硫键，防止氧与侧壁上的碳反应，或者在温度低于室温时，可以在侧壁形成硫的沉积层，在刻蚀完成后加温，沉积的硫就升华去除掉了。但是这样的侧壁保护也存在问题，因为O₂会与侧壁保护气体中的硫反应形成SO₂，不仅减弱了刻蚀速率与侧壁保护的效果，还会对整个反应腔和排气系统形成污染。SO₂还会造成光刻胶的刻蚀选择比下降，进一步会造成图形尺寸精度下降。

所以业界需要一个全面解决等离子刻蚀中侧壁保护的方法，以实现高精度、快速高效、无反应腔污染的刻蚀。

发明内容