专利名称：用一氧化二氮的回蚀方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造方法，特别涉及集成电路(Integrated Circuit，IC)结构的有机插塞制作方法。
背景技术：
在半导体集成电路(IC)制造中，器件如元件的晶体管在通常由硅制成的半导体晶片衬底上形成。在制造过程中，不同的材料淀积在不同的层上以制成所需的IC。通常导电层包括形成图案的金属线、多晶硅晶体管栅极以及类似物，其间通过电介质材料互相绝缘。该电介质材料由二氧化硅(SiO2)制成以使半导体结构不同层上的导线绝缘。因为半导体电路越来越快和越来越紧凑，工作频率不断提高以及半导体器件中的导线间的距离不断缩短。这使得电路的耦合电容水平不断升高，其具有减慢半导体器件工作速度的缺点。所以应用能够有效隔离导线以防止耦合电容变大的电介质层很重要。
一般，集成电路中的耦合电容与形成电介质层的材料的介电常数k成正比。如上所述，已有技术的集成电路中的电介质层由SiO2形成，其介电常数约为4.0。由于半导体器件不断提高的线密度和工作频率，所以由SiO2形成的电介质层不能如希望的那样有效绝缘导线以避免耦合电容变大。
一种用作低k电介质的特别材料为有机硅化物玻璃(OSG)。OSG是一种可以用旋涂法(Spin-on)或化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法淀积的低k材料。常用的OSG的k值在2.6到2.8之间。多孔有机硅化物玻璃(Porous Organosilicate Glass，pOSG)也可用作低k材料。通常用旋涂法来应用pOSG类的多孔材料，以及控制溶剂的挥发以获取所需的多孔结构。
通常低k材料应用于采用铜双镶嵌工艺的IC制造中。双镶嵌结构中运用刻蚀工艺制作出用于线路的沟槽和用于通孔的孔。然后对通孔和沟槽进行金属化以形成互相连接的线路。两个公知的双镶嵌方案分别称为先刻蚀通孔的工艺和先刻蚀沟槽的工艺。
在双镶嵌工艺中，必须防止通孔出现刻面和形成栅栏。为了防止出现这些问题，应用有机插塞。产生有机插塞的方法不应该影响IC结构或影响很小。因此对于具有OSG电介质材料的IC结构而言，有机插塞的产生不应影响OSG层或影响很小。
发明内容
本发明公开了一种在通孔内产生有机插塞的方法。通孔位于具有硅基电介质材料的集成电路(IC)结构中。在一个例子中，该通孔位于具有第一光刻胶层、第二中间层和第三有机硅化物玻璃(OSG)层的IC结构中。该第二中间层可以包括保护层或硬掩模层。
本发明产生有机插塞的方法包括将有机化合物，比如，底层抗反射涂层(BARC)应用到IC结构。该有机化合物填充通孔。然后本方法将一氧化二氮(N2O)气体通入反应器，然后在反应器内产生等离子体。绝大部分的有机化合物被去除，留下占据通孔的有机插塞。去除有机化合物的步骤也被称为“回蚀”工艺。为了控制对有机材料的去除步骤，应用一定浓度的N2O气体以达到受控的灰化速率。另外，也可以和N2O气体一起使用惰性气体之类的稀释剂进一步取得所需的刻蚀速率。
产生有机插塞可以在用于IC结构的刻蚀和/或光刻胶去除的同一个反应器内进行。通常在双镶嵌工艺中产生有机插塞，双镶嵌工艺包括先刻蚀通孔的工艺和先刻蚀沟槽的工艺。
本发明的实施例如附图所示，其中图1是能够去除具有光刻胶层和OSG层的IC结构上的光刻胶的设备示意图。
图2是在先刻蚀通孔的双镶嵌工艺中去除光刻胶的流程图。
图3A到图3H是图2流程图中通孔刻蚀和去除光刻胶过程的等尺寸图。
图4是在先刻蚀沟槽的双镶嵌工艺中去除光刻胶的流程图。
图5A到图5H是图4流程图中通孔刻蚀和去除光刻胶过程的等尺寸图。
具体实施例方式
以下参照构成本发明的一部分的附图和用实施例的方式来对本发明进行详细描述。这些实施例足够详细，以使本领域的技术人员可以依此实施本发明，而且必须了解实施例也可以有其它的形式，以及在不离开权利要求的构思和范围下可以实现结构上、逻辑上和电的变化。因此，下面的具体实施方式
并不是限制性的。请注意附图中的附图标记的第一位数字指附图的序号，除此在多个附图中相同的部件用相同的附图标记来表示。
图1是能去除带OSG层的IC结构上的光刻胶的系统，该系统也能对硬掩模和电介质进行蚀刻。该系统是平行板等离子系统100，比如加州Fremont的Lam Research Corporation(Lam)出品的200mm EXELAN HPT系统。另外，也可以使用Lam的EXELAN 2300系列。系统100的反应室内具有内室102，其由一台连接到反应器壁上的出口的真空泵104维持所需的真空压力。来自气体源106的供应气体可以向等离子反应器内供应刻蚀气体。通过双频率设置可以在反应器内产生中等密度的等离子体，其中通过匹配网络110向通电的电极112提供来自RF电源108的RF能量。该RF电源108能以27MHz和2MHz的频率提供RF能量。电极114是接地电极。衬底116由通电的电极112支撑，以及由激发为等离子态的等离子体刻蚀和/或去除光刻胶。也可以使用其它电容耦合的反应器，如向两个电极输送RF能量的，比如美国专利No.6,090,304所述的双频等离子刻蚀反应器。
在其它类型的等离子反应器中，比如诱导(感应)耦合反应器，电子回旋加速器谐振(ECR)等离子反应器，螺旋等离子反应器或其它类似的设备中，也可以产生等离子体。该等离子反应器中常用RF能、微波能、磁能等等作为能源产生中密度到高密度的等离子体。比如，Lam ResearchCorporation出产的Transformer Coupled Plasma刻蚀反应器可以产生高密度的等离子体，该反应器也称为诱导(感应)耦合反应器。
图2是在先刻蚀通孔的双镶嵌工艺中去除光刻胶的流程图。去除光刻胶过程包括在含硅电介质材料中产生有机插塞的方法。在示例中，含硅电介质材料是OSG层。其中的IC结构包括第一有机光刻胶层、第二中间层、第三OSG层、第四阻障层。举例而非限制地，光刻胶层是Shipley Company出品的193nm光刻胶或248nm光刻胶等有机光刻胶。第二中间层是保护层，该保护层由保护材料构成，如可以是二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)，以及任何其它含有硅和氧的材料。保护层可以在光刻胶层的再加工中起到保护OSG层的作用。第三层是OSG层，其包括材料，如加州San Jose的Novellus Systems出品的CORALTM，和加州Santa Clara的Applied Materials出品的BLACK DIAMONDTM，或者任何其它OSG材料。另外，本领域的技术人员应该了解多孔有机硅化物玻璃(pOSG)材料也可作为OSG材料，作为举例而非限制，这些pOSG的中空的体积大于30％。第四阻障层由氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或其它硅基材料构成。阻障层提供防止铜扩散的保护。
图2中的流程图描述了先刻蚀通孔工艺的方法200，其中在IC结构上刻蚀通孔，而第二中间层是保护层。如上文所述，该方法包括产生有机插塞以保护通孔。该方法从步骤202开始，在这一步骤中，IC结构被置于反应器100内。该IC结构包括有通孔图案的光刻胶层，本领域的技术人员应了解图案化的通孔或沟槽的产生意味着在第一光刻胶层完成了光刻。正如现有技术中公知的，光刻采用光敏感的光刻胶，其被烘烤和在受控的光源下曝光。光通过掩模，该掩模转移所需图案。
在步骤204中，在第二保护层和第三OSG层刻蚀通孔。作为举例而非限制，通孔被一直刻蚀到阻障层上停止。在步骤206中，向反应室中通入N2O并产生等离子体。在步骤208中，等离子体将光刻胶从IC结构上去除，并产生挥发性的副产品，比如二氧化碳(CO2)。对去除光刻胶的方法的更详细的讨论在与本申请同时申请的名称为“有机硅化物玻璃的一氧化二氮去除光刻胶的方法”的专利申请中有更加详细的描述，在此通过参考引入本发明。
本方法然后产生通孔的有机插塞。该有机插塞用于防止通孔刻面，以及在刻蚀沟槽的过程中保护阻障层。在步骤210中，通过采用有机旋涂技术的有机材料的应用制作有机插塞。有机材料是抗反射涂层(ARC)或底层抗反射涂层(BARC)。有机的BARC和/或ARC设计为吸收光。
在步骤212中，按照下文所述工艺参数，向反应器100中通入N2O。在步骤214中，激发N2O气体，并对BARC或有机材料进行回蚀以产生所需的“有机插塞”。作为举例而非限制，有机插塞具有与所需的沟槽等高，或者超过所需的沟槽高度。插塞必须足够高以防止形成栅栏和通孔刻面。
本领域的技术人员在获悉本发明公开的内容后应了解，尽管本发明的例子描述了在OSG层中产生有机插塞，有机插塞也能在其它公知的含硅电介质材料，比如二氧化硅(SiO2)、氟化硅玻璃(FSG)，或其它类似含硅电介质材料中产生。另外，本领域的技术人员在获悉本发明公开的内容后即可知，示例中的保护层并不是有效产生有机插塞所必须的。
在一实施例中，该工艺的参数为，操作压力10～1000mTorr，RF电源的功率范围在0到1000W之间，N2O的流动速率是50～2000sccm。在进一步的实施例中，RF电源提供27MHz和2MHz或更高的RF能，工艺的参数为，操作压力50～600mTorr，27MHz RF能为50～200W，2MHz RF能为50～200W，N2O的流动速率是150～1000sccm。更进一步的实施例用于200mm晶片或衬底，工艺的参数为，操作压力100～350mTorr，27MHz RF能为100～150W，2MHz RF能为100～150W，N2O的流动速率是100～500scem。在上述各实施例中可以应用惰性气体作为稀释剂，惰性气体包括氩气、氦气、氖气、氪气、氙气之类的惰性气体。惰性气体可用于控制有机插塞的刻蚀速率。
表1显示了在系统100用N2O回蚀有机BARC的多种不同的工艺参数。表1中所示是有机光刻胶的有机灰化速率。但是，本领域的技术人员应该知道BARC的灰化速率与光刻胶的刻蚀速率相近。
表1 用N2O去除有机化合物的工艺参数
在表1中，不同序号中用到不同的工艺参数。所有的工艺是在20℃，200mm晶片上进行。每轮工艺中，压力、能量和N2O流动速率都有变化。最终的有机灰化去除速率在表1最右边显示。
本领域的技术人员应明白，表1中混合气体的最佳流动速率和比例会随着等离子刻蚀室的类型、衬底尺寸以及其它公知变量的变化而变化。另外，本领域的技术人员应明白，在实施本发明时，对温度、能量水平和气压的选择可以大幅度变动，而在此特别说明的只是示例，并非限制。
为了去除一部分BARC，通常希望获得去除BARC的低灰化速率。低灰化速率能更好地控制插塞高度。在实施例中，插塞的高度被控制在低于OSG/中间层界面。这样，与光刻胶层的刻蚀工艺不同的是，回蚀过程具有比光刻胶层的去除速率低的去除速率。在有机插塞材料层和第二保护层之间有很高的选择性。
在步骤216中，应用了另一光刻胶层。该光刻胶的图案用于沟槽刻蚀工艺。在该方法的步骤218中，在第二保护层和第三OSG层刻蚀沟槽。在步骤220中通入N2O。在步骤222中，N2O气体被激发，并去除有机插塞和光刻胶层。根据与本申请同时申请的标题为“有机硅化物玻璃的一氧化二氮去除光刻胶的方法”的专利申请中记载的工艺参数，通入和激发N2O，在此通过参考结合进本申请。
表2中将N2O去除工艺与其它在回蚀工艺中所用的其他气体进行了比较。作为举例而非限制，这些其他气体或混合气体可包括氨气(NH3)、氧气(O2)和氮氢混合气(N2/H2)。在比较气体时，使用了一种傅立叶变换红外(FTIR)分光光度计来检测OSG材料的变化。为比较应用了一空白CORALTM晶片作为OSG材料。在实验中，CORALTM晶片暴露在不同的气体中以测量Si-C峰与SiO峰的比例。Si-C与SiO表示OSG材料的变化。
表2 各类气体的对比
表2显示了N2O导致SiC/SiO比例变化最小，这说明OSG材料受N2O去除光刻胶的影响最小。请注意N2O与NH3的去除光刻胶速度相似，但是N2O去除光刻胶的能量需求比NH3去除光刻胶的低很多。另外，N2O去除光刻胶不会像NH3去除光刻胶那样产生颗粒。如表2所示，N2O的氧化性比O2温和得多，因此对OSG材料的氧化较少。因为氧化会提高OSG材料的k值，OSG材料较少的氧化是需要的。
图3A到图3H是图2流程图中通孔刻蚀和去除光刻胶过程的等尺寸图。图3A显示IC结构的等尺寸图，其具有第一有机光刻胶(PR)层302，第二中间保护(CAP)层304，第三OSG层306和第四阻障层308。如上文所述，IC结构置于反应器100内。图3B显示了在步骤204中经过通孔刻蚀后的IC结构，该通孔310刻蚀在第二保护层304和第三OSG层306。
图3C显示了经过步骤206通入N2O，以及步骤208去除光刻胶层302后的IC结构。剩余的IC结构包括保护层304和通孔310。
图3D显示了如步骤210所述，应用有机材料如BARC312后的IC结构。图3E的通孔310内具有有机插塞314。通过通入N2O产生有机插塞314，然后根据步骤212和214对有机插塞314进行回蚀。图3F显示了如步骤216所述，添加一层光刻胶层316后的IC结构。光刻胶层316图案化用于沟槽刻蚀。
图3G显示了根据沟槽刻蚀步骤218刻蚀沟槽318。沟槽318被刻蚀到第二保护层和第三OSG层。有机插塞314防止通孔310的刻面。图3H描绘了如步骤220和222所述，用N2O去除光刻胶和有机插塞后的IC结构。请注意，在去除有机插塞的灰化速率无需像在回蚀过程中那样受到控制。作为举例而非限制，这种控制是通过保持低灰化速率而建立起来的。
图4是在先刻蚀沟槽的双镶嵌工艺中去除光刻胶的流程图。光刻胶层用于带有含硅电介质材料(比如OSG层)的IC结构中。该IC结构包括第一有机光刻胶层，第二中间层，第三OSG层，第四阻障层。如上所述，光刻胶层是有机光刻胶。第二中间层是硬掩模层，该层由硬掩模材料如氮化硅(Si3N4)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)和碳化硅(SiC)构成。用硬掩模材料来代替保护层是因为IC结构在刻蚀流程中直接暴露于等离子体而没有光刻胶层的保护。第三层是OSG层，如CORALTM和BLACKDIAMONDTM，或者任何其它含硅的电介质材料。另外，如上所述，可以将多孔有机硅化物玻璃(pOSG)物质作为OSG材料，第四阻障层由上述氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)之类的阻障材料制成。
图4中的流程图描述了在带有中间硬掩模层的结构中先刻蚀沟槽的方法400。该方法从步骤402开始，在这一步骤中，IC结构置于反应器100内。该IC结构包括有沟槽图案化到光刻胶层，在步骤404中，沟槽被刻蚀到第二中间硬掩模层中。
在步骤406中，向反应室中通入N2O产生等离子体。该去除光刻胶工艺的参数与上述的参数相似。等离子体将光刻胶从结构上去除，并产生挥发性的副产品，比如CO2。该方法在第一光刻胶层和第二硬掩模层之间有很高的选择性。另外，在第一光刻胶层和第三OSG层之间有很高的选择性。
在步骤408中，将另一层第一光刻胶层应用到IC结构。该另一层第一光刻胶层上的图案用于刻蚀通孔。在步骤410中，在该第二硬掩模层和第三OSG层刻蚀通孔。本领域的技术人员都明白，通孔刻蚀的气体和工艺参数取决于参数的变化，如硬掩模材料和OSG材料的类型。
在步骤412中，按照上述的工艺参数，向反应器100中通入N2O。激发N2O气体，形成等离子体，用N2O等离子体对形成通孔图案的光刻胶层进行去除。
本发明然后产生通孔的有机插塞。在步骤414中，通过首先应用BARC或ARC之类的有机材料来产生有机插塞。在步骤416中，使用N2O对BARC或ARC进行回蚀来产生如上述的所需的有机插塞。
在步骤418中，使用前面刻蚀的硬掩模层上的沟槽图案对第三OSG层刻蚀沟槽。如上文所述，刻蚀沟槽中涉及的气体和工艺参数取决于IC结构参数，如硬掩模材料和OSG材料。最后，在步骤420中，用N2O等离子体来去除有机插塞。请注意，在去除有机插塞中不必像在回蚀过程中那样控制灰化速率。作为实施例而非限制，在该回蚀过程中通过具有较低灰化速率建立控制。
图5A到图5J是图4流程图中通孔刻蚀和去除过程500的等尺寸图。图5A中的IC结构具有第一有机光刻胶(PR)层502，第二中间硬掩模层504，第三OSG层506和第四阻障层508。第一有机光刻胶层中有图案化到其中的沟槽510。如上文所述，IC结构置于反应器100内。图5B显示了在经历步骤404后的IC结构，在第二硬掩模层504刻蚀该沟槽510。
图5C显示了由步骤406向反应室100通入N2O后的IC结构。N2O转化为等离子体对光刻胶层502进行去除，留下沟槽刻蚀的硬掩模层504。
图5D显示了如步骤408所述，应用另一层光刻胶层512后的IC结构。图5E显示如步骤410所述，通孔514刻蚀到IC结构。图5F显示了如步骤412所述，经过另一次N2O去除光刻胶过程以去除光刻胶层512后的IC结构。
如步骤414所述，通过应用BARC516之类的有机材料来产生有机插塞。图5G显示了带有BARC516的IC结构。图5H描绘了用如步骤416所述，的N2O气体对ARC516进行回蚀来产生所需的有机插塞518后的IC结构。在图5I中，如步骤418所述，对含硅电介质材料，即OSG层已经刻蚀所需深度的沟槽。最后，图5J显示了带有所需沟槽510和通孔514的IC结构。通过通入如步骤420所述的N2O等离子体去除有机插塞获得最终的IC结构。
尽管说明书中的描述包含诸多限制，但这并不意味着对权利要求的范围作出限制，而仅仅是本发明一些优选实施例的示例说明。对于本领域的技术人员而言，在看过本说明书后，其它更多的实施方式也是显而易见的。因此，本发明的范围由所附的权利要求以及与此要求保护的权利相当的全部范围所决定。
权利要求
1.一种在通孔内产生有机插塞的方法，所述通孔位于具有含硅电介质材料的集成电路(IC)结构中，所述方法包括第一步，应用有机化合物于集成电路(IC)结构，所述有机化合物填充所述通孔和所述IC的表面；第二步，将一氧化二氮(N2O)气体通入反应器；第三步，在所述反应器产生等离子体；第四步，除去所述有机化合物的一部分以便所述有机插塞占据所述通孔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机化合物是抗反射涂层(ARC)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机化合物是底层抗反射涂层(BARC)。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将稀释剂和所述N2O气体混合产生混合气，以及将所述混合气通入所述反应器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述稀释剂是惰性气体。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生所述有机插塞的所述方法应用于双镶嵌工艺中进行的多个步骤中的一个步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含硅电介质材料选自包括有机硅化物玻璃(OSG)、二氧化硅(SiO2)和氟化硅玻璃(FSG)的一组材料。
8.一种在通孔中产生有机插塞的方法，所述通孔位于具有第一光刻胶层、第二中间层和第三含硅电介质材料层的集成电路结构中，所述方法包括第一步，将有机化合物应用到IC结构中，所述有机化合物构成为填充通孔和所述IC的表面；第二步，将一氧化二氮(N2O)气体通入反应器；第三步，在所述反应器产生等离子体；第四步，除去所述有机化合物的一部分，以在通孔中产生所述有机插塞。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机化合物是抗反射涂层(ARC)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机化合物是底层抗反射涂层(BARC)。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将稀释剂与所述N2O气体混合产生混合气，以及将所述混合气通入所述反应器。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述稀释剂是惰性气体。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，产生所述有机插塞的所述方法应用于双镶嵌工艺中进行的多个步骤中的一个步骤。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述含硅电介质材料选自包括有机硅化物玻璃(OSG)、二氧化硅(SiO2)和氟化硅玻璃(FSG)的一组材料。
15.一种在通孔中产生有机插塞的方法，所述通孔位于具有第一光刻胶层、第二中间层和第三含硅电介质材料层的集成电路结构中，所述方法包括第一步，将有机化合物应用到IC结构，其中所述有机化合物是底层抗反射涂层(BARC)，所述有机化合物构成为填充所述通孔和所述IC的表面；第二步，将一氧化二氮(N2O)气体通入反应器；第三步，在所述反应器产生等离子体；第四步，除去所述有机化合物的一部分，以在所述通孔中产生所述有机插塞。
16.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将稀释剂与所述N2O气体混合产生混合气，和将所述混合气通入所述反应器。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述稀释剂是惰性气体。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述含硅电介质材料选自包括有机硅化物玻璃(OSG)、二氧化硅(SiO2)和氟化硅玻璃(FSG)的一组材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，产生所述有机插塞的所述方法应用于双镶嵌工艺中进行的多个步骤中的一个步骤。
全文摘要
本发明公开了一种在通孔中产生有机插塞的方法，所述通孔位于具有硅基电介质材料的集成电路(IC)中，产生所述有机插塞的所述方法包括应用有机化合物，比如底层抗反射涂层。所述有机化合物填充通孔。然后将一氧化二氮(N
文档编号H01L21/02GK1864257SQ200480029165
公开日2006年11月15日 申请日期2004年10月5日 优先权日2003年10月8日
发明者拉奥·安纳普勒格德, 朱海伦 申请人:兰姆研究公司