使用光致抗蚀剂掩模的蚀刻的制作方法

专利名称：使用光致抗蚀剂掩模的蚀刻的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造中光致抗蚀剂掩模的使用。本发明尤 其涉及在半导体器件制造过程中通过光致抗蚀剂掩模蚀刻介电层。
背景技术：
在半导体晶片处理过程中，使用熟知的图形化和蚀刻工艺在晶片中确定出半导体器件的特征(feature)。 在这些工艺中，在晶片上 沉积光致抗蚀剂(PR)材料，然后经过光刻版滤光对其进行膝光。光 刻版可以是图形化的透明的板，它具有能阻止光通过光刻版传播的有 代表性的特征几何图形。光通过光刻版之后，会接触光致抗蚀剂材料的表面。光会改变光 致抗蚀剂材料的化学组成，这样显影剂就能除去部分光致抗蚀剂材 料。对于正光致抗蚀剂材料，啄光的区域会被除去，然而对于负光致 抗蚀剂材料，没有曝光的区域会被除去。然后，蚀刻晶片除去没有光 致抗蚀剂材料保护的区域下面的材料，从而在晶片中产生所需要的特 征。要增加密度，就要减小特征尺寸。这可以通过减小特征的临界尺 寸(CD)来实现，减小关键临界尺寸需要改善光致抗蚀剂的分辨率。 改善光致抗蚀剂分辨率的一个方法是使用更薄的光致抗蚀剂掩模。正在开发新一代的光致抗蚀剂材料(193和157nm PR)，以在光 致抗蚀剂中产生小的CD尺寸，但是这些抗蚀剂比早先的DUV和248nm 光致抗蚀剂掩模对等离子体损伤的抵抗力更小。此外，采用当前的单层的方法，必须使用越来越薄的抗蚀剂以匹 配特征的分辨率。这可能不能为电介质蚀刻提供充足的抗蚀剂，并会 引起其它的问题，例如，条紋(striation)、线条边缘的粗糙度和线条 摆动(wiggling)。为了跟上特征尺度的减小，业界一直在研究新的 技术，例如，包括几个处理步骤的多层方法。无庸置疑，转换到新的 技术将会花费巨大并且耗费时间。为了减少集成电路中的耦合电容电平，半导体产业正积极研究开
发介电常数比Si02小的材料，这种材料适合于用来在集成电路中形成 介电层。 一些有希望的材料，有时称作"低k材料"，已研制出来。 说明书和权利要求中，低k材料"是指介电常数k小于4的材料。氟 硅酸盐玻璃是低-k电介质的一个例子，它的介电常数约是3. 7。它由 约7-9%的氟掺入Si02构成。当前有几种低k材料正在开制并在半导体产业中使用，即氟化 珪氟氧化物(fluorinated silicon oxyfluoride， FSG)、含氬硅酸 盐(hydrogen silsesquioxane, HSQ)、旋涂有机材料(Dow's SiLKTM 是一种非氟化高芳香有机旋涂聚合物，报道的k是2.65)和通过化学 气相沉积(CVD)沉积的无机体系，例如有机硅酸盐玻璃。作为例子， 但不限于此，这种有机硅酸盐电介质包括，加利福尼亚圣何塞(San Jose, California)的Novellus的C0RALtm，加利福尼亚圣克拉拉 (Santa Clara, California)应用材料(Applied Materials)的 Black DiamondTM,从荷兰(The Netherlands) ASM International N. V.可得到的AuroraTM，从加矛J福尼亚圣克拉拉的Sumitomo Chemical America, Inc可得到的Sumika Film ,和从新'泽西州莫 里斯敦(Morristown， New Jersey)的联合信号公司(Al 1 ied Signal ) 得到的H0SPtm。 有机硅酸盐玻璃材料中碳和氢原子进入二氧化硅的 晶格中，减小了密度，因而减小了材料的介电常数。这种膜的介电常 数通常<3. 0。发明内容为了实现上述目的并根据本发明的目的，提出一种蚀刻衬底上的 介电层的方法。在介电层上形成光致抗蚀剂掩模。将衬底放入等离子 体处理室中。向等离子体室提供含NF3的蚀刻气体。由NF3气体形成等 离子体。通过光致抗蚀剂掩模，使用由NF3气体形成的等离子体蚀刻介 电层。另一方面，提供一种蚀刻衬底上的介电层的方法。在介电层上形 成厚度不超过400mn的光致抗蚀剂掩模。将衬底放入等离子体处理室 中。向等离子体室提供主要由NF3和稀释剂构成的蚀刻气体。由肝3气 体形成等离子体。通过光致抗蚀剂掩模，使用由NF3气体形成的等离子 蚀刻介电层。
另一方面，提供一种用于在蚀刻层中形成特征的装置，其中该层 由衬底支撑，蚀刻层由光致抗蚀剂掩模覆盖。提供等离子体处理室。等离子体处理室包括形成等离子体处理室壳体的室壁，用于在等离 子体处理室壳体内支撑衬底的衬底支撑物，用于调节等离子体处理室 壳体内的压力的压力调节器，至少一个用于向等离子体处理室壳体提 供电能来维持等离子体的电极，用于向等离子体处理室壳体内提供气 体的进气口，以及从等离子体处理室壳体排气的出气口。含有NF3源的 气源与进气口流体连接。控制器可控制地连接到气源和所述至少一个 电极，它包括至少一个处理器和计算机可读介质。计算机可读介质包 括用于从NF3源向等离子体处理室中提供NF3气体的计算机可读代 码，用于由NF3气体形成等离子体的计算机可读代码，用于提供等离子 体条件以使用由NF3气体形成的等离子体对蚀刻层进行蚀刻的计算机 可读代码。下面，在本发明的详述部分同时结合后面的附图，详细描述本发 明的上述以及其它特点。


附图用于举例说明本发明，而不是限制本发明，其中相同的参考号表示相同的部件。其中图1是本发明的一个实施例的流程图；图2A-B是本发明实施例中蚀刻的层的示意图；图3是可以用于蚀刻的等离子体处理室的示意图；图4A-B是一个计算机系统，它适合于实现本发明实施例中使用的控制器。
具体实施方式
下面参考优选的实施例和后面的附图详细的说明本发明。下面的 说明中，给出了一些具体的细节，从而使本发明可以得到透彻的理解。 然而，显然的是，对本领域的技术人员来说，实现本发明可以不使用 某些或所有的这些具体细节。另外，为了不给本发明带来不必要的混 乱，熟知的工艺步骤和/或结构不进行详细的描述。为了便于理解，图1给出了本发明的实施例所使用的工艺的高级
别的流程图。提供具有介电层的村底(步骤104)。在介电层上形成光 致抗蚀剂掩模(步骤108)。将衬底放入等离子体室中(步骤112)。 向等离子体室中提供含有靜3的蚀刻气体(步骤116)。由蚀刻气体形 成等离子体(步骤120)。使用由蚀刻气体形成的等离子体来蚀刻介电 层(步骤124 )。然后除去剩余的光致抗蚀剂掩模(步骤128 )。 实例为了便于理解本发明，图2A是提供的具有介电层220的衬底210 (步骤104)的截面图。本发明优选实施例的一个实例中，衬底210 是硅晶片，介电层220是有机硅酸盐玻璃，它是氧化硅基低k介电材 料。在优选实施例中，ARC层224放置于介电层220上，ARC层优选是 底部抗反射涂层(BARC) 224。光致抗蚀剂掩模228形成在介电层220 上(步骤108)，光致抗蚀剂掩模228优选是193 nm光致抗蚀剂。优 选的是，掩模的厚度不超过400nm。通孔图形化使用的掩模厚约 400nm。沟槽图形化使用的掩模厚约200nm。更优选的是，掩模的厚度 不超过20011111。将衬底210放入等离子体处理室中(步骤112)。图3是本发明的蚀刻中可以使用的等离子体处理室300的示意 图。等离子体处理室300包括限制环302、上电极304、下电极308、 气源310和排气泵320。在等离子体处理室300内，衬底210放置在 下电极308上。下电极308具有用于支撑衬底210的合适的衬底夹紧 装置(例如，静电、机械夹紧等)。反应室顶部328包括与下电极308 直接相对放置的上电极304。上电极304、下电极308、以及限制环302 限定了被约束的等离子体体积。气体由气源310供应到被约束的等离 子体体积，并且通过限制环302和排气口被排气泵320从被约束的等 离子体体积排出。本实施例中，气源310包括即3源312、稀释剂源 316和剥离气源318。气源310还可以包括其它的气源。RF源348电 连接到下电极308。室壁352环绕限制环302、上电极304和下电极 308。可以采用RF功率与电极的不同组合。在本发明的优选实施例中， 由27 MHz和2 MHz的电源组成连接到下电极的RF电源348,上电极 接地。控制器335可控制地连接到RF源348、排气泵320和气源310。图"和化是一个计算机系统soo，它适合于实现本发明实施例中使用的控制器335。图4A是该计算机系统的一种可能的物理形式。当 然，该计算机系统可以具有许多物理形式，包括集成电路、印刷电路
板、以及小型手持设备，直到巨型计算机。计算机系统800包括监视 器802、显示器804、机壳806、盘驱动器808、键盘810、以及鼠标 812。盘814是用于从/向计算机系统800传输数据的计算机可读介质。图4B是计算机系统800的一个实例的框图。各种不同的子系统连 接到系统总线820。(多个)处理器82 (也称作中央处理单元，或CPU) 连接到存储设备，包括存储器824。存储器824包括随机存取存储器 (RAM)和只读存储器(ROM)。本领域熟知，ROM用于单向地将数据 和指令传给CPU， RAM通常用于双向传输数据和指令。这两种存储器都 可以含有下面要描述的任何合适的计算机可读介质。固定盘826也双 向地耦合到CPU 822;它提供额外的数据存储容量，也可以含有下面 要描述的任何合适的计算机可读介质。固定盘826可以用于存储程序、 数据等，它通常是次级存储介质(例如硬盘)，比主存慢。可以理解， 在固定盘826内保存的信息，在适当的情形下，可以以标准的方式作 为虚拟存储器合并到存储器824中。可移动盘814也可以采取下面要 描述计算机可读介质的任何形式。CPU 822也连接到各种输入/输出设备，例如，显示器804、键盘 810、鼠标812、以及扬声器830。通常，输入/输出设备可以是下述中 的任何一个视频显示屏、跟踪球、鼠标、键盘、麦克风、触敏显示 器、换能器卡片读出器，磁带或纸带读出器，输入板、记录针(stylus)、 声音或笔迹识别器、生物测量读出器、或者其它的计算机。可以选择 将CPU 822通过网络接口 840耦合到其它的计算机或者电信网络。使 用这种网络接口，可以预期，在进行上面描述的方法步骤时，CPU可以 从网络接收信息，或可以向网络输出信息。另外，本发明的方法实施 例可以只在CPU 822上执行或者可以与分担部分处理的远程CPU相结 合通过例如因特网的网络执行。另外，本发明的实施例还涉及具有其上含有执行各种计算机实施 的操作的计算机代码的计算机可读介质的计算机存储产品。所述介质 和计算机代码可以是为了实现本发明的目的而专门设计和构造的，或计算机可读介质的例子包括，但不限于磁介质，例如硬盘、软盘、 以及磁带；光学介质，例如CD-ROM、全息设备；磁光介质，例如软式 光盘(floptical disk);以及专门被配置用来存储并执行程序代码的 硬件设备，例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)以及 ROM和RAM设备。计算机代码的例子包括例如由编译器产生的机器代 码，以及包含由计算机使用译码器执行的较高级代码的文件。计算机 可读介质也可以是这样的计算机代码，其由在载波中包含的计算机数 据信号传输并表示可由处理器执行的指令序列。向等离子体室300提供含有NF3的蚀刻气体(步骤116)。在一个 实例中，蚀刻气体包括NF3和惰性气体，例如Ar。例如，蚀刻气体可 以是60sccm NF3和100sccm Ar。本实例中，优选的是，蚀刻气体不含 有碳氟化合物和氢氟烃(hydrof luorocarbon)。将蚀刻气体转变成等离子体(步骤120)。本实例中，等离子体室 内的压力设置为120 mTorr。 RF源在27 MHz提供500瓦特，在2 MHz 提供100瓦特。如图2B所示，使用由蚀刻气体形成的等离子体在介电 层220中蚀刻出特征232 (步骤124)。使用灰化工艺除去剩余的光致 抗蚀剂掩模，同时，衬底位于等离子体处理室中(步骤128)。本发明可以用来蚀刻各种介电材料。本发明可以用来蚀刻氧化硅 基介电材料，例如氧化硅和有机硅酸盐玻璃。本发明的另一方面，本 发明可以用来蚀刻低k电介质，它可以是基于有机的电介质或氧化硅 基的电介质。本发明可以蚀刻的有机基低k电介质的例子是SiLk和有 机硅酸盐玻璃。优选的是本发明使用193nm或以上的光致抗蚀剂。这种光致抗蚀 剂易于具有低的碳氢比(C/H比)和低的抗蚀性。光致抗蚀剂的选择性由介电层的蚀刻速率除以光致抗蚀剂的蚀刻 速率定义。通常，降低光致抗蚀剂的蚀刻速率可以增加光致抗蚀剂的 选择性。认为本发明的NF3蚀刻增加了光致抗蚀剂的蚀刻速率，但是由 于电介质蚀刻速率的增加超过光致抗蚀剂蚀刻速率的增加，因此，会 增加光致抗蚀剂的选择性。传统的蚀刻通过在蚀刻之前或蚀刻过程中在光致抗蚀剂上沉积碳 或聚合物，来降低光致抗蚀剂的蚀刻速率。这种工艺会在图形之间产 生微填充(mircoloading)。这种微填充会使特征相距较近的区域和 特征相距较远的区域之间的蚀刻不均匀。本发明的工艺只使用NF3蚀刻剂，而没有碳氢化合物、碳氟化合 物、或氢氟烃成分，不会沉积碳或聚合物，因此，不会产生微填充。 另外，本发明的工艺可以减小或消除光致抗蚀剂摆动。光致抗蚀 剂摆动是由光致抗蚀剂掩模材料的扭曲或弯曲引起的。弯曲或扭曲的 光致抗蚀剂掩模材料会使特征形状不规则。人们相信，光致抗蚀剂掩 模材料的这种扭曲或弯曲是由置于光致抗蚀剂掩模上来减小光致抗蚀 剂的蚀刻速率的保护层，氢氟烃聚合物引起的。这种碳或聚合物的保 护层对光致抗蚀剂掩模施加力，使光致抗蚀剂掩模扭曲或弯曲。这种工艺可以用来减小线缘的粗糙度和条紋，因为线边缘的粗糙 度和条紋通常是由蚀刻工艺中不均匀的聚合物沉积引起的。虽然，以优选实施例的方式描述了本发明，任何的替换、修改、 变化以及各种等同置换都落入本发明的范围。也应注意到，有很多可 替换的方式可用来来实施本发明的方法和设备。因此后面随附的权利 要求应被解释为包括各种情形，如替换、修改、变化以及各种等同置 换都落入本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种蚀刻衬底上的介电层的方法，包括在介电层上形成光致抗蚀剂掩模；将衬底放入等离子体处理室中；向等离子体室内提供含有NF3的蚀刻气体；由NF3气体形成等离子体；以及通过光致抗蚀剂掩模，使用由NF3气体形成的等离子体蚀刻介电层。
2. 如权利要求1所述的方法，其中蚀刻气体基本不含有碳氟化 合物和氢氟烃。
3. 如权利要求1 - 2中任一项所述的方法，其中介电层是低k介电层。
4. 如权利要求1 - 3中任一项所述的方法，其中介电层是氧化硅 基介电层。
5. 如权利要求4所述的方法，其中氧化硅基介电层是有机硅酸 盐玻璃。
6. 如权利要求l-5中任一项所述的方法，其中形成光致抗蚀剂 掩模是形成厚度不超过400nm的光致抗蚀剂掩模。
7. 如权利要求l-5中任一项所述的方法，其中形成光致抗蚀剂 掩模是形成厚度不超过200nm的光致抗蚀剂掩模。
8. 如权利要求l-7中任一项所述的方法，其中蚀刻气体主要由 NF3和惰性稀释剂组成。
9. 由权利要求1 - 8中任一项的方法制造的半导体器件。
10. —种蚀刻衬底上的介电层的方法，包括 在介电层上形成厚度不超过400nm的光致抗蚀剂掩模； 将衬底放入等离子体处理室中；向等离子体室内提供主要由NF3和稀释剂组成的蚀刻气体； 由NF3气体形成等离子体；以及通过光致抗蚀剂掩模，使用由NF3气体形成的等离子体蚀刻介电层。
11. 如权利要求10中所述的方法，其中介电层是低k介电层。
12. 如权利要求10-11中任一项所述的方法，其中介电层是氧化硅基介电层。
13. 如权利要求10所述的方法，其中介电层是有机硅酸盐玻璃。
14. 一种用于在蚀刻层中形成特征的设备，其中所述层由衬底支 撑，并且其中所述蚀刻层由光致抗蚀剂掩模覆盖，该设备包括等离子体处理室，包括形成等离子体处理室壳体的室壁； 用于在等离子体处理室壳体内支撑衬底的衬底支撑物； 用于调节等离子体处理室壳体内的压力的压力调节器； 至少一个用于向等离子体处理室壳体提供电能来维持等离 子体的电极；用于向等离子体处理室壳体内提供气体的进气口；以及 用于从等离子体处理室壳体排气的出气口；与进气口流体连接的含有NF"原的气源， 可控制地连接到气源和所述至少一个电极的控制器，包含 至少一个处理器；以及计算机可读介质，包括用于从NF3源向等离子体处理室内提供NF3气体的计算诗几可读代码；用于由NF3气体产生等离子体的计算机可读代码； 用于提供等离子体条件以使用由NF3气体形成的等离子 体对蚀刻层进行蚀刻的计算机可读代码。
全文摘要
提供一种蚀刻衬底上的介电层的方法。在介电层上形成光致抗蚀剂掩模。将衬底放入等离子体处理室中。向等离子体室提供含NF₃的蚀刻气体。由NF₃气体形成等离子体。通过光致抗蚀剂掩模，使用由NF₃气体形成的等离子体蚀刻介电层。
文档编号H01L21/02GK101151719SQ200680010250
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月7日 优先权日2005年3月29日
发明者B·A·沃尔沙姆, J·金, R·查拉坦, S·M·R·萨亚迪, S·李 申请人:兰姆研究有限公司