专利名称：通孔刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种通孔刻蚀方法。
背景技术：
随着集成电路向深亚微米尺寸发展，器件的密集程度和工艺的复杂程度 不断增加，对工艺过程的严格控制变得更为重要。其中，通孔作为多层金属
成中具有重要作用，使得通孔刻蚀的控制工艺逐渐引起本领域技术人员的重视。
传统的通孔刻蚀方法通常选用在半导体基底上沉积介质层后形成通孔图 形并刻蚀通孔，当前业界对通孔刻蚀方法的研究多集中在此类刻蚀中，申请
号为200410053418. 5、 200410053419. x及200510124653. l的中国专利申请中 均提供了一种此类通孔刻蚀方法，但是，应用此类方法刻蚀通孔时，选用的 刻蚀气体对介质层材料与半导体基底材料的刻蚀选择比难以控制，由此，发 展出了利用易于控制其与半导体基底材料的刻蚀选择比的牺牲层，借以预先 形成有牺牲层材料填充的通孔图形，继而刻蚀通孔图形内的牺牲层材料以形 成通孔的通孔刻蚀方法。
图l为说明现有技术中的通孔刻蚀方法的流程图，如图1所示，当前的通 孔刻蚀步骤包括
步骤1Q0:形成通孔刻蚀基底；
步骤101:在通孔刻蚀基底上沉积牺牲层，此牺牲层填充通孔刻蚀基底内 线缝；
步骤102:刻蚀牺牲层；
步骤103:沉积通孔侧壁层，此通孔侧壁层覆盖牺牲层及通孔刻蚀基底； 步骤104:在通孔侧壁层上沉积介质层； 步骤105:去除覆盖牺牲层上表面的介质层和通孔侧壁层； 步骤106:去除牺牲层，形成通孔。
然而，在现有的通孔刻蚀工艺中，经常产生通孔刻蚀开路缺陷，即通孔 侧壁层内的牺牲层未被完全去除，导致金属层间的互连或器件有源区与外界 电路之间连接的通道受阻，最终影响器件性能。
研究发现，所述通孔刻蚀开路缺陷的产生是由于随着器件尺寸的小型化 发展，器件内线缝的尺寸逐渐减小，使得沉积工艺的工艺窗口逐渐降低，导 致在通孔刻蚀基底上沉积牺牲层时，在通孔刻蚀基底内线缝间形成牺牲层填 充孔洞，致使在刻蚀牺牲层后沉积通孔侧壁层时，通孔侧壁层材料进入该牺 牲层内孔洞，由于牺牲层材料为硅，而通孔侧壁层材料通常包含硅的氧化物 及/或氮氧化物，使得在后续去除牺牲层以形成通孔的步骤中，此填充牺牲层 内孔洞的通孔侧壁层材料将作为位于其下方的牺牲层材料的刻蚀阻挡层，使
的牺牲层材料，继而形成通孔刻蚀开路，造成通孔刻蚀缺陷。
由此，如何抑制通孔侧壁层材料对牺牲层内孔洞的填充，以去除通孔刻 蚀开路缺陷成为本领域技术人员亟待解决的主要问题。
发明内容
本发明提供了一种通孔刻蚀方法，可抑制通孔侧壁层材料对牺牲层内孔 洞的填充。
本发明提供的一种通孔刻蚀方法，包括
在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底；
在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层； 刻蚀所述牺牲层；
沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底； 执行一热氧化或氮氧化制程； 在热氧化或氮氧化后的所述填充层上沉积介质层； 去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层和热氧化或氮氧化后的所述填充
层；
刻蚀牺牲层，形成通孔。
所述牺牲层材料包含多晶硅及/或非晶硅;所述填充层材料包含多晶硅及/
或非晶硅；所述填充层材料与所述牺牲层材料相同。
本发明提供的一种通孔刻蚀方法，包括 在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底；
在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层；
刻蚀所述牺牲层；
沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底；
执行一热氧化或氮氧化制程；
在热氧化或氮氧化后的所述填充层上沉积阻挡层；
在所述阻挡层上沉积介质层；
去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层、阻挡层和热氧化或氮氧化后的所 述填充层；
刻蚀牺牲层，形成通孔。
所述牺牲层材料包含多晶硅及/或非晶硅;所述填充层材料包含多晶硅及/ 或非晶硅;所述填充层材料与所述牺牲层材料相同；所述阻挡层材料为氮化硅。
本发明提供的一种通孔刻蚀方法，包括
在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底；
在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层； 刻蚀所述牺4生层；
沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底； 执行一热氧化制程；
在热氧化后的所述填充层上沉积粘接层；
在所述粘接层上沉积阻挡层；
在所述阻挡层上沉积介质层；
去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层、阻挡层、粘接层和热氧化后的所 述填充层；
刻蚀牺牲层，形成通孔。
所述牺牲层材料包含多晶硅及/或非晶硅；所述填充层材料包含多晶硅及
/或非晶硅；所述填充层材料与所述牺牲层材料相同；所述阻挡层材料为氮化 硅；所述粘接层材料为氮氧化硅。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1.通过在刻蚀后的牺牲层上预先沉积一填充层，以密封沉积牺牲层时在 其内部产生的孔洞，进而通过一热氧化或氮氧化制程形成部分或全部通孔侧 壁层，可阻止所述通孔侧壁层材料对所述牺牲层内孔洞的填充，继而在刻蚀 所述牺牲层时不再存在所述通孔侧壁层材料形成的阻挡层，去除此通孔刻蚀
开路缺陷；
2. 通过控制所述填充层材料与所述牺牲层材料相同，可保证所述通孔侧 壁层内部区域只包含一种材料，进而有利于实现后续刻蚀所述通孔侧壁层内
的牺牲层工艺的精确控制；
3. 通过将在刻蚀后的牺牲层上沉积所述通孔侧壁层的过程分为沉积填 充层和热处理两个步骤，可在形成填充层以密封所述牺牲层内部的孔洞后， 再形成通孔侧壁层，使得所述牺牲层内孔洞对应区域的所述通孔侧壁层厚度 小于或等于所述牺牲层表面其它区域的所述通孔侧壁层厚度，进而使得在后 续刻蚀所述通孔侧壁层内的牺牲层后得到的通孔中不再存在所述通孔侧壁层
材料形成的阻挡层；
4. 通过控制沉积的所述填充层的厚度，可使得不必单独沉积通孔侧壁 层，而是通过对所述填充层进行热处理，以获得所述通孔侧壁层，可在形成 无孔洞的牺牲层的同时，不影响各制程间的整合。
图1为说明现有技术中的通孔刻蚀方法的流程图2为说明本发明方法实施例的通孔刻蚀方法的流程图3A~ 3H为说明本发明方法实施例的流程剖面示意图。
具体实施例方式
尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的 优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实 现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员 的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述 公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认 为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定 目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实 施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于具 有本发明优势的本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明 和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常 筒化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实
施例的目的。
采用现有的通孔刻蚀工艺刻蚀通孔时，由于在沉积牺牲层时在牺牲层内 部产生孔洞，进而在沉积通孔侧壁层的过程中，通孔侧壁层材料颗粒进入所 述牺牲层内的孔洞中，并粘附于所述孔洞的内壁上，使得所述通孔侧壁层材
得在刻蚀通孔侧壁层内的牺牲层以形成通孔的过程中，通孔侧壁层内部除牺 牲层材料之外，还在所述牺牲层孔洞区域内包含通孔侧壁层材料，使得所述 通孔侧壁层材料将成为位于其下方的牺牲层材料的刻蚀阻挡层，继而使得在 原有刻蚀条件下，通孔侧壁层内牺牲层材料刻蚀不完全，造成通孔刻蚀开路 缺陷。
由此，如何控制牺牲层内的孔洞对应区域的通孔侧壁层厚度小于或等于 牺牲层表面其它区域的通孔侧壁层成为解决问题的指导方向。
图2为说明本发明方法实施例的通孔刻蚀方法的流程图，如图2所示，
应用本发明方法进行通孔刻蚀的步骤包括在半导体衬底上形成通孔刻蚀基 底；在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层；刻蚀所述牺牲层，以形成通孔图形； 沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底；执行一热氧化或 氮氧化制程，借以将所述填充层形成通孔侧壁层；在所述通孔侧壁层上沉积 介质层；去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层和所述通孔侧壁层；刻蚀牺牲 层，形成通孔。
图3A~ 3H为说明本发明方法实施例的流程剖面示意图，如图所示，应用 本发明方法进行通孔刻蚀的具体步骤包括
步骤200:如图3A所示，在半导体衬底10上形成通孔刻蚀基底20。
所述通孔刻蚀基底20包含器件区和非器件区，栅极结构形成于所述器件 区表面，所述栅极结构间具有线缝16。所述栅极结构至少包含栅极和环绕栅 极的侧墙15。所述栅极结构还包含栅氧化层ll。
所述栅极优选地由多晶硅12构成，或由多晶硅12、金属/金属硅化物13及 氮化硅14等材料组合而成；所述金属包含鴒或钛等，所述金属硅化物包含硅 化鴒(WSi )或硅化钛(TiSi2)等材料中的一种；所述侧墙材料优选地包含二 氧化硅(Si02)或二氧化硅与氮化硅及二氧化硅、氮化硅与二氧化硅构成的层 叠结构中的一种；所述侧墙利用沉积-反刻工艺形成；所述沉积工艺选用化学气相淀积；所述刻蚀工艺选为等离子体刻蚀。所述阻挡层材料优选地由氮化 硅(Si^)构成；所述阻挡层利用化学气相淀积工艺形成。所述栅氧化层材 料为二氧化硅(Si02)或掺杂铪(Hf )的二氧化硅。
步骤201:如图3B所示，在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层30,所述牺牲 层填充通孔刻蚀基底内线缝。
所述牺牲层材料包含多晶硅(poly-silicon)及/或非晶硅(amorphous silicon);所述牺牲层的厚度根据产品要求及工艺条件确定；所述牺牲层的 厚度大于或等于所需刻蚀通孔的高度。所述牺牲层内可能产生沉积孔洞31。
步骤202:如图3C所示，刻蚀所述牺牲层，以形成通孔图形。
所述栅极结构的形成方法以及沉积和刻蚀牺牲层的方法可采用任何传统 工艺，涉及的技术方案在任何情况下均未被视作本发明的组成部分，在此不 再赘述。
步骤203:如图3D所示，沉积填充层4G,所述填充层覆盖牺牲层及所述通 孔刻蚀基底。
所述填充层用以填充或密封沉积所述牺牲层时在所述牺牲层内形成的孔 洞，并通过后续热氧化或氮氧化制程，借以形成通孔侧壁层。
显然，利用此步骤获得的所述牺牲层内孔洞对应区域的所述填充层厚度 小于或等于所述牺牲层表面其它区域的所述填充层厚度。
所述填充层材料包含多晶硅及/或非晶硅。所述填充层材料与所述牺牲层 材料相同。所述沉积填充层的方法包含但不限于LPCVD、 PECVD或HDPCVD等方 法中的 一种；所述填充层的厚度根据产品要求的后续氧化层或氮氧化层的厚 度确定。作为本发明的实施例，若产品要求后续氧化层或氮氧化层的厚度为 10~30纳米，优选为20纳米时，所述填充层的厚度为5 15纳米，优选为10纳米。
通过在牺牲层上预先沉积一填充层，以密封沉积牺牲层时在其内部产生 的孔洞，进而通过一热氧化或氮氧化制程形成部分或全部通孔侧壁层，可阻 止所述通孔侧壁层材料对所述牺牲层内孔洞的填充，继而在刻蚀所述牺牲层 时不再存在所述通孔侧壁层材料形成的阻挡层，去除此通孔刻蚀开路缺陷。
通过控制所述填充层材料与所述牺牲层材料相同，可保证所述通孔侧壁 层内部区域只包含一种材料，进而有利于实现后续刻蚀所述通孔侧壁层内的 牺牲层工艺的精确控制。
步骤204:如图3E所示，执行一热氧化或氮氧化制程，借以将所述填充层 形成通孔侧壁层50。
执行热氧化或氮氧化制程用以将覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底并已将 牺牲层沉积孔洞密封的填充层氧化或氮氧化，以形成产品要求的后续氧化层 或氮氧化层，进而借以形成通孔侧壁层。
显然，所述通孔侧壁层包含但不限于氧化或氮氧化后的所述填充层，在 形成所述氧化层后，再在所述氧化层上沉积所述氮氧化层及/或氮化层，或者， 在形成所述氮氧化层后，再在所述氮氧化层上沉积所述氮化层等操作均可形 成所述通孔侧壁层；即所述通孔侧壁层包含但不限于所述氧化层或氮氧化层、 顺次沉积的所述氧化层、氮氧化层及/或氮化层以及顺次沉积的所述氮氧化层 及氮化层等结构中的一种。
通过步骤203与步骤204的结合，可使所述牺牲层内孔洞对应区域的所述 通孔侧壁层厚度小于或等于所述牺牲层表面其它区域的所述通孔侧壁层厚 度。
通过将在牺牲层上沉积所述通孔侧壁层的过程分为沉积填充层和热处理 两个步骤，可在形成填充层以密封所述牺牲层内部的孔洞后，再形成通孔侧 壁层，使得所述牺牲层内孔洞对应区域的所述通孔侧壁层厚度小于或等于所 述牺牲层表面其它区域的所述通孔侧壁层厚度，进而使得在后续刻蚀所述通 孔侧壁层内的牺牲层后得到的通孔中不再存在所述通孔侧壁层材料形成的阻 挡层。
通过控制沉积的所述填充层的厚度，可使得不必单独沉积通孔侧壁层， 而是通过对所述填充层进行热处理，以获得所述通孔侧壁层，可在形成无孔 洞的牺牲层的同时，不影响各制程间的整合。
步骤205:如图3F所示，在所述通孔侧壁层上沉积介质层60。 所述介质层材料包括但不限于黑钻石(Black Diamond, BD) 、 c。ral等 具有低介电常数的介质材料及/或氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅
玻璃(BSG )、硼磷硅玻璃(BPSG )或二氧化硅(USG )等材料中的一种或其 组合。
步骤206:如图3G所示，去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层和所述通孔
侧壁层。
所述去除覆盖图形化的牺牲层上表面的所述介质层和所述通孔侧壁层的 方法可选用化学机械研磨(CMP),去除覆盖图形化的牺牲层上表面的所述介 质层和所述通孔侧壁层后，暴露出所述通孔图形内的牺牲层，使得通过控制 所述牺牲层材料与所述通孔侧壁层材料的刻蚀选择比，可在后续工序中精确 刻蚀所述通孔侧壁层内的牺牲层，形成通孔70。
步骤207:如图3H所示，刻蚀牺牲层，形成通孔70。
所述刻使气体选用氯气或溴气中的一种及其组合。为提高刻蚀速率及所 述牺牲层材料与所述通孔侧壁层材料的刻蚀选择比，所述刻使气体中还可包 含氧气。
所述沉积并热氧化或氮氧化所述填充层、在所述氧化层上沉积氮氧化层 及/或氮化层以及在所述氮氧化层上沉积氮化层的方法，以及沉积介质层、去 除覆盖图形化的牺牲层上表面的所述介质层和所述通孔侧壁层和刻蚀通孔侧 壁层的方法可采用任何传统工艺，涉及的技术方案在任何情况下均未被视作 本发明的组成部分，在此不再赘述。
显然，所述通孔刻蚀基底还可包含填充区和非填充区，所述填充区用以 填充介质层；所述非填充区内充满金属连线。在所述填充区进行通孔刻蚀时， 仍可应用本发明方法，不再赘述。
尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述 了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。 对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范 围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。 因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。
权利要求
1.一种通孔刻蚀方法，包括在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底；在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层；刻蚀所述牺牲层；沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底；执行一热氧化或氮氧化制程；在热氧化或氮氧化后的所述填充层上沉积介质层；去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层和热氧化或氮氧化后的所述填充层；刻蚀牺牲层，形成通孔。
2. 根据权利要求1所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述牺牲层材料 包含多晶硅及/或非晶硅。
3. 根据权利要求1所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述填充层材料 包含多晶硅及/或非晶硅。
4. 根据权利要求1或2或3所迷的通孔刻蚀方法，其特征在于所述填 充层材料与所述牺牲层材料相同。
5. —种通孔刻蚀方法，包括 在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底；在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层； 刻蚀所述牺牲层；沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底；执行一热氧化或氮氧化制程；在热氧化或氮氧化后的所述填充层上沉积阻挡层；在所述阻挡层上沉积介质层；去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层、阻挡层和热氧化或氮氧化后的所述填充层；刻蚀牺牲层，形成通孔。
6. 根据权利要求5所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述牺牲层材料 包含多晶硅及/或非晶硅。
7. 根据权利要求5所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述填充层材料包含多晶硅及/或非晶硅。
8. 根据权利要求5或6或7所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述填 充层材料与所述牺牲层材料相同。
9. 根据权利要求5所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述阻挡层材料 为氮化硅。
10. —种通孔刻蚀方法，包括 在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底； 在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层； 刻蚀所述牺牲层；沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底； 执行一热氧化制程；在热氧化后的所述填充层上沉积粘接层；在所述粘接层上沉积阻挡层；在所述阻挡层上沉积介质层；去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层、阻挡层、粘接层和热氧化后的所 述填充层；刻蚀牺牲层，形成通孔。
11. 根据权利要求10所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述牺牲层材料包含多晶硅及/或非晶硅。
12. 根据权利要求IO所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述填充层材料包含多晶硅及/或非晶硅。
13. 根据权利要求10或11或12所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所 述填充层材料与所述牺牲层材料相同。
14. 根据权利要求10所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述阻挡层材料为氮化硅。
15. 根据权利要求10所述的通孔刻蚀方法，其特征在于所述粘接层材 料为氮氧化硅。
全文摘要
一种通孔刻蚀方法，包括在半导体衬底上形成通孔刻蚀基底；在所述通孔刻蚀基底上沉积牺牲层；刻蚀所述牺牲层；沉积填充层，所述填充层覆盖牺牲层及所述通孔刻蚀基底；执行一热氧化或氮氧化制程；在热氧化或氮氧化后的所述填充层上沉积介质层；去除覆盖牺牲层上表面的所述介质层和热氧化或氮氧化后的所述填充层；刻蚀牺牲层，形成通孔。通过在刻蚀后的牺牲层上预先沉积一填充层，以密封沉积牺牲层时在其内部产生的孔洞，进而通过一热氧化或氮氧化制程形成部分或全部通孔侧壁层，可在刻蚀所述牺牲层时不再存在所述通孔侧壁层材料形成的阻挡层，去除此通孔刻蚀开路缺陷。
文档编号H01L21/02GK101197274SQ200610119159
公开日2008年6月11日 申请日期2006年12月5日 优先权日2006年12月5日
发明者琳 元, 刘玉丽, 颖 高 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司