专利名称：除去氮化硅膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造半导体装置的方法，更具体地说，涉及一种半导体装置生产过程中除去接触孔等的底部上形成的氮化硅膜的方法。
已经有几种SAC方法，其中较典型的一种方法涉及制造栅极和栅线，在它们的顶面上设置有偏置氧化物膜，在栅极和栅线的侧面设置有侧壁(氧化物膜)，在整个表面上均匀地形成作为刻蚀阻塞膜(etching stopperfilm)的薄SiN(氮化硅)膜，接着形成层间绝缘膜(氧化物膜)，并通过光刻步骤选择性地除去在要形成接触孔的地方或附近位置的层间绝缘膜。此时，由于接触孔的最终位置通过侧壁和偏置氧化物膜测定，可将其看作一种自对准方法。最后，从接触孔的底部除去SiN膜，然后用接触塞(contact plug)填充所述接触孔。
此外，在SAC方法中，已经尝试使用氮化硅膜来代替在栅极和栅线上形成的偏置氧化物膜，还尝试使用用于侧壁的氮化硅膜等。
取决于形成接触孔之后采用的方法，作为氧化物膜的层间绝缘膜可以被破坏。为了保护层间绝缘膜不受这种破坏，可以在形成的接触孔的侧壁(内壁)上形成薄氮化硅膜，例如，厚度为10-20nm的SiN膜。在这种情况下，在接触孔的侧壁上形成氮化硅膜后必须除去接触孔底部的氮化硅膜。特别是，当使用相对“软”的氧化物例如BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)作为层间绝缘膜时，必须形成这种氮化硅膜。
图1是说明形成接触孔之后除去氮化硅膜之前的接触孔的截面示意图。一对由WSi(硅化钨)制得的布线图12或电极图案形成于由硅等制得的基体11上，在线图案12上以类似的图案形式形成偏置氮化硅膜13。此外，在线图案12和偏置氮化硅膜13的侧面上提供由氮化硅以类似方式制成的侧壁14。然后，由氧化硅制得的层间绝缘膜15形成于基体11的整个表面上，所述基体包括线图案12、偏置氮化硅膜13和侧壁14。通过SAC方法用接触孔16形成层间绝缘膜15。接触孔16通过层间绝缘膜15延伸到夹在所述一对布线图12中间的区域的基体11的表面上。
薄氮化硅膜17形成在接触孔16的底部和内侧面(侧壁)上。此处，接触孔16的底部是指与基体11的表面接触的一部分接触孔。该氮化硅膜17用作在随后的步骤中保护层间绝缘膜15不受湿法刻蚀等的膜。尽管取决于其沉积方法，氮化硅膜17也形成在层间绝缘膜15的顶面上，但是后面的CMP(化学机械抛光)方法等需要除去位于层间绝缘膜15上面的氮化硅膜。应当指出，通过SAC方法形成的接触孔16通常设定为其层间绝缘膜15顶面上的直径大于接触孔16底部上的直径。因此，其底部上接触孔16的直径以自对准方式通过侧壁14确定，肩部18在接触孔16中形成。
当接触孔16用于层间连接时，如上所述，在接触孔16用布线材料或布线塞(wiring plug)填充之前，必须从接触孔16的底部除去氮化硅膜17。这种情况下，由于必须留下接触孔16侧壁上的氮化硅膜，需要使用各向异性刻蚀。这种各向异性刻蚀必须是干法刻蚀，例如等离子体刻蚀。
当通过等离子刻蚀除去接触孔16底部上的氮化硅膜时，通常用于该目的的气体体系是CHF3/Ar/O2气体体系，CH2F2/Ar/O2气体体系等。当使用前一个气体体系时，刻蚀反应用下式表示该例子中，制备具有相对高的气压(例如SiF4、HCN等)的产品以促进刻蚀反应。同样可以用后一个气体体系生产具有较高气压(例如SiF4、HCN等)的产品。
但是，使用前述传统气体体系的干法刻蚀存在这样一种问题，即接触孔侧面上的氮化硅膜以及接触孔底部上的氮化硅膜不可避免地受到一定程度的刻蚀。由于纵横比越大刻蚀的进深越小，换句话说，由于接触孔的上部，即，接近接触孔入口的区域被事先刻蚀，造成接触孔内肩部的刻蚀速度高于接触孔底部的刻蚀速度。在某些情况下，如图2所示，接触孔16底部上的氮化硅膜被完全除去之前，侧壁14上的氮化硅膜14就已经被刻蚀掉，使得由WSi制得的布线图13暴露于接触孔16。如果接触孔16用带有曝光的布线图13的接触塞金属包埋，接触塞将会与布线图13发生短路。
为了实现上述目的，本发明人努力研究了很多次，结果发现，孔例如接触孔底部上的氮化硅膜可以通过使用一种生产气体选择性地单独除去，所述气体含有包括碳碳键的第一氟化合物和在一个分子中包括至少一个氢原子和一个单独碳原子的第二氟化合物，从而实现了本发明。除了C-C单键之外，本发明还将C＝C双键和C≡C三键也看作碳碳键。本发明中，优选地用作第一氟化合物的可以是，例如，八氟环丁烷(C4F8)、六氟丁二烯(C4F6)、八氟环戊烯(C5F8)等。另一方面，优选地用作第二氟化合物的可以是，例如，一氟甲烷(CH3F)、二氟甲烷(CH2F2)、三氟甲烷(CHF3)等。
具体地说，除去本发明氮化硅膜的方法可以用于除去材料表面上形成的氮化硅膜。该方法包括供应生产气体的步骤，所述气体包括在一个分子中具有氟原子和至少两个碳原子的第一氟化合物，和在一个分子中具有至少一个氟原子和至少一个氢原子和一个单独的碳原子的第二氟化合物，并用该生产气体进行干法刻蚀以除去该氮化硅膜。
在下面的描述中，为了便于通过对比化学结构理解本发明，第一氟化合物(即包括一个碳碳键的氟化合物)可以称作“较高级的碳氟化合物”，第二氟化合物(即一个分子中包括至少一个氢原子和一个单独的碳原子的氟化合物)可以称作“较低级的碳氟化合物”。
一般，较高级的碳氟化合物例如八氟环丁烷(C4F8)、六氟丁二烯(C4F6)、八氟环戊烯(C5F8)等已经被用于刻蚀氧化硅膜，尤其用于除去具有大纵横比的孔(例如接触孔)的底部上形成的氧化硅膜。但是，由于通过与氮化硅反应得到的产品的气压低，和生成沉积的可能性高，较高级的碳氟化合物基本上不能为氮化硅膜提供刻蚀性能，因此在任何例子中，较高级的碳氟化合物都尚未用于刻蚀氮化硅膜。
但是，本发明人已经发现，使用这种较高级的碳氟化合物并结合较低级的碳氟化合物例如一氟甲烷(CH3F)、二氟甲烷(CH2F2)、三氟甲烷(CHF3)等可以选择性地将氮化硅膜从孔例如接触孔底部上单独除去。较低级碳氟化合物一般用于刻蚀氮化硅膜。具体地说，本发明人已经发现，通过供应包括较高级碳氟化合物和较低级碳氟化合物的生产气体并使用该生产气体进行干法刻蚀，可以完全除去在接触孔之类的底部形成的氮化硅膜，而不会刻蚀在接触孔等侧壁上形成的氮化硅膜。
作为前述现象的机理，本发明人设想了如下一种工艺随着较高级碳氟化合物在等离子内的分解，气相中由较高级碳氟化合物生成的CxFy自由基增加。但是，由于其吸收特性，该CxFy自由基仅能较浅地进入孔中，而不能深入到孔中。另一方面，较低级碳氟化合物生成的自由基进入孔内较深以刻蚀氮化硅膜。这样，接触孔底部被较低级碳氟化合物产生的自由基刻蚀，而接触孔的侧壁和肩部受到较高级碳氟化合物生成的CxFy自由基的反向微负载效应(inverse micro-loading effect)的保护。按照这种方式，氮化硅膜只在孔底部被选择性地刻蚀。本发明所述的“反向微负载效应”是指孔内的较浅位置没有被刻蚀，但是孔内的较深位置被刻蚀。
本发明人进一步研究了供应的生产气体中较高级碳氟化合物(第一氟化合物)与较低级碳氟化合物(第二氟化合物)的优选比例，并终于发现应优选满足下述关系式1≤R1/R2≤4其中，R1是为各个第一氟化合物计算的m1×nc-c的总和；R2是各个第二氟化合物计算的m2×nc-H的总和；nc-c是每个第一氟化合物的一个分子中所包括的碳碳键数；m1是供应的生产气体中每个第一氟化合物的摩尔份数；nc-H是每个第二氟化合物的一个分子中所包括的碳氢键数；以及，m2是供应的生产气体中每个第二氟化合物的摩尔份数。
本发明除去氮化硅膜的方法特别适用于除去在孔例如在生产半导体装置的过程中形成的接触孔的底部上形成的氮化硅膜。这种孔可以是例如纵横比为3-10的孔。
通过下面的描述，并参照解释本发明实施例的附图可以更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点。
发明详述下面将通过讨论在半导体装置制造过程中形成的孔例如接触孔的底部上形成的氮化硅膜的去除方法对本发明进行更详尽的描述。
首先，通过公知的半导体制造工艺在半导体基体上形成层间绝缘膜，并通过SAC工艺形成接触孔。这种情况下，可以在接触孔底部被限定的位置预先形成SiN(氮化硅)膜，以便在形成接触孔时用作刻蚀阻塞膜。接着，在接触孔内壁和底部上形成薄氮化硅膜。此时的横截面形状描述于前述图1中。
接着，按照前述方式将带有接触孔的制得的半导体基体放置在用于等离子刻蚀的反应室中。反应室被降压到预定的压力后，将生产气体送入反应室中。在调节送到反应室中的生产气体量和从反应室排走的气体量以维持反应室内的压力恒定的同时，在反应室中生成RF(广播频率)放电，并进行等离子刻蚀。这种情况下使用的生产气体是具有碳碳键的第一氟化合物(例如，八氟环丁烷(C4F8)、六氟丁二烯(C4F6)、八氟环戊烯(C5F8)等)和在一个分子中包括至少一个氢原子和一个单独碳原子的第二氟化合物(例如，一氟甲烷(CH3F)、二氟甲烷(CH2F2)、三氟甲烷(CHF3)等)的混合物。该生产气体可以另外包括例如氩气(Ar)、氧气(O2)等气体。该生产气体的组成是这样的，即和数R1、R2满足下述关系1≤R1/R2≤4 (1)其中，R1是为各个第一氟化合物计算的m1×nc-c的总和；R2是为各个第二氟化合物计算的m2×nc-H的总和；m1是供应的生产气体中每个第一氟化合物的摩尔份数；m2是供应的生产气体中每个第二氟化合物的摩尔份数；nc-c是每个第一氟化合物的一个分子中所包括的碳碳键(即C-C、C＝C、C≡C键)数；以及nc-H是每个第二氟化合物的一个分子中所包括的碳氢键(即C-H键)数。
本发明中，当生产气体由所述第一氟化合物之一和所述第二氟化合物之一组成时，可以满足下述关系式
1≤m1×nc-c/(m2×nc-H)≤4当然，很多第一氟化合物可以结合在一起使用。同样也可以将很多种第二氟化合物结合起来使用。
当在前述条件下进行等离子刻蚀时，将接触孔16底部上的氮化硅膜完全除去，而不刻蚀接触孔16的侧壁，这一点可从图3中描述的截面形状看出。此时，由于接触孔16内的肩部18被放置在孔的底部上，较高级的碳氟化合物吸收在肩部18的表面上以限制刻蚀速度。
实施例1证实基础性能的试验如图4描述的那样提供用于评价的样品，在反应室压力维持在4帕(30毫托)、RF功率为1200W/200W的条件下，用可商购的双频平行平板等离子刻蚀装置(频率60MHz和2MHz)，刻蚀评价用样品的氮化硅膜。对于不同的样品，如下改变生产气体的组分和流速。
(样品1)组分CHF3/Ar/O2/C4F8流速X/600/15/Y(单位sccm)(样品2)组分CH2F2/Ar/O2/C4F8流速X/600/15/Y(单位sccm)(样品3)组分CHF3/Ar/O2/C5F8流速X/600/15/Y(单位sccm)接着，将孔20底部21上的刻蚀速度和肩部22处的刻蚀速度在各个刻蚀条件下测定以计算每个样品底部上的速度(底部速度)与肩部处的速度(肩部速度)的比例。此外，在每个刻蚀条件下测定底部速度/肩部速度对X/Y的相关程度，以找出最佳X/Y比例。
图5A-5D给出了样品1的结果；图6A-6D给出了样品2的结果；图7A-7D给出了样品3的测试结果。此处，X对应于较低级碳氟化合物即第二氟化合物的摩尔流速，而Y对应于较高级碳氟化合物即第一氟化合物的摩尔流速。在这些图中，图5A、6A和7A表示底部和肩部的刻蚀速度；图5B、6B和7B表示较高级碳氟化合物比例小的区域中底部和肩部的刻蚀速度；图5C、6C和7C表示底部速度/肩部速度；图5D、6D和7D表示较高级碳氟化合物比例小的区域中底部和肩部的刻蚀速度。在每张图中，水平轴都表示Y/X。
从图5A-5D可以看出，对于由CHF3/Ar/O2/C4F8组成的生产气体，随着C4F8/CHF3流速比增大，肩部刻蚀速度降低。这表明，这是由于由C4F8生成的沉积保护了氮化硅膜不受刻蚀。当加入少量的C4F8时，底部刻蚀速度略有升高。这似乎是由于由C4F8生成的较低级碳氟化合物反过来促进了沉积难以达到的孔底部氮化硅膜的刻蚀。当C4F8/CHF3流量比(摩尔比)为0.25时，底部刻蚀速度达到最高值，并随后与肩部刻蚀速度一起降低。另外，观察发现，C4F8/CHF3＞1的区域中孔的底部上没有发生部分刻蚀(刻蚀停止状态)。图5A-5D中，水平轴上指示C4F8/CHF3流量比等于0.25的点相当于方程式(1)中R1＝R2，和指示流量比等于1.0的点相当于R1/R2＝4。
在图6A-6D所示的由CH2F2/Ar/O2/C4F8组成的生产气体和图7A-7D所示的由CHF3/Ar/O2/C5F8组成的生产气体中也发现了类似趋势。在图6A-6D中，水平轴上指示C4F8/CH2F2流量比等于0.5的点相当于方程式(1)中R1＝R2，和指示流量比等于2.0的点相当于R1/R2＝4。在图7A-7D中，水平轴上指示C5F8/CHF3流量比等于0.2的点相当于方程式(1)中R1＝R2，和指示流量比等于0.8的点相当于R1/R2＝4。
概括起来说，不考虑较低级碳氟化合物和较高级碳氟化合物的种类，当较高级碳氟化合物没有全部包括时，即当只有较低级碳氟化合物作为氟化合物包括在内时，肩部的刻蚀速度明显高于底部的刻蚀速度，引起如背景技术部分所述的显著的侧面刻蚀。随着加入更多的较高级碳氟化合物，肩部的刻蚀速度不断下降。另一方面，底部刻蚀速度一旦增加到基本上等于肩部刻蚀速度时，随后就会以类似于肩部刻蚀速度的方式降低。
结果，发现，肩部刻蚀速度基本上等于底部刻蚀速度并避免刻蚀停顿状态的条件表示如下
1≤R1/R2≤4其中，R1是为包括在较高级碳氟化合物中的各个化学物质计算的m1×nc-c的总和；R2是为包括在较低级碳氟化合物中的各个化学物质计算的m2×nc-H的总和；nc-c是为包括在较高级碳氟化合物中的各个化学物质的一个分子中所包括的碳碳键(即C-C、C＝C、C≡C键)数；m1是供应的生产气体中较高级碳氟化合物中的各个化学物质的摩尔份数；nc-H是为包括在较低级碳氟化合物的各个化学物质的一个分子中所包括的碳氢键(即C-H键)数；以及，m2是较低级碳氟化合物的各个化学物质的摩尔份数。
实施例2应用到真实装置上的应用例将本发明方法应用到通过SAC方法制造的真实装置上。此处，按照图8所示尺寸制造真实装置，并从该真实装置的接触孔(其纵横比为4.7)底部除去氮化硅膜。在反应室压力维持在4帕(30毫托)、RF功率为1200W/200W，将CHF3/Ar/O2/C4F8作为生产气体，将它们的流速选择为15sccm/600sccm/15sccm/15sccm的条件下，应用可商购的两频平行平板等离子刻蚀装置(频率60MHz和2MHz)。然后，在30％过度刻蚀的情况下测定肩部刻蚀的氮化硅量。结果，肩部刻蚀量为23nm。假定肩部刻蚀速度等于底部刻蚀速度，肩部氮化硅膜的刻蚀量应当为26nm，因此由该实施例中测定的刻蚀速度发现底部的刻蚀速度高于肩部的刻蚀速度。实施例3应用到真实装置上的应用例将本发明方法应用到带有微接触孔的真实装置上。此处，按照图9所示尺寸制造真实装置，并从该真实装置的接触孔底部除去氮化硅膜(其纵横比为8.7)。在反应室压力维持在4帕(30毫托)、RF功率为1200W/200W，将CHF3/Ar/O2/C4F8作为生产气体，将它们的流速选择为15sccm/600sccm/15sccm/15sccm的条件下，应用可商购的两频平行平板等离子刻蚀装置(频率60MHz和2MHz)。然后，在30％过度刻蚀的情况下测定接触孔侧壁上刻蚀的氮化硅量。结果，在30％过度刻蚀中，孔底部的氮化硅膜被完全刻蚀掉，而此时的被刻蚀的侧壁量为0nm。实际上，使用发射分光计检控波长为388nm的光，并定义波形完全稳定的那一点的合理刻蚀时间(just etching time)。甚至在该合理刻蚀时间处，孔底部上的氮化硅膜也被完全刻蚀尽管已经用具体的术语描述了本发明的优选实施方案，这种描述仅仅是用于解释的目的，应理解，可以作出各种各种变化和改变，而这些都不会脱离所附权利要求的精神和范围。
权利要求
1.一种除去材料表面上形成的氮化硅膜的方法，包括如下步骤供应生产气体，所述气体含有包括碳原子-碳原子键的第一氟化合物和在一个分子中包括至少一个氢原子和一个单独碳原子的第二氟化合物；和用所述生产气体进行干法刻蚀以除去所述氮化硅膜。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一氟化合物是八氟环丁烷(C4F8)、六氟丁二烯(C4F6)、八氟环戊烯(C5F8)中的至少一种。
3.如权利要求1的方法，其中所述干法刻蚀是等离子刻蚀。
4.如权利要求1的方法，其中所述的第二氟化合物是一氟甲烷(CH3F)、二氟甲烷(CH2F2)和三氟甲烷(CHF3)中的至少一种。
5.如权利要求2的方法，其中所述的第二氟化合物是一氟甲烷(CH3F)、二氟甲烷(CH2F2)和三氟甲烷(CHF3)中的至少一种。
6.如权利要求5的方法，其中所述干法刻蚀是等离子刻蚀。
7.如权利要求1的方法，其中满足下述关系式1≤R1/R2≤4其中，R1是为所述各个第一氟化合物计算的m1×nc-c的总和；R2是为所述各个第二氟化合物计算的m2×nc-H的总和；nc-c是每个所述第一氟化合物的一个分子中所包括的碳碳键数；m1是所述供应生产气体中每个所述第一氟化合物的摩尔份数；nc-H是每个所述第二氟化合物的一个分子中所包括的碳氢键数；以及，m2是所述供应生产气体中每个所述第二氟化合物的摩尔份数。
8.如权利要求5的化合物，其中满足下述关系式1≤R1/R2≤4其中，R1是为所述各个第一氟化合物计算的m1×nc-c的总和；R2是为所述各个第二氟化合物计算的m2×nc-H的总和；nc-c是每个所述第一氟化合物的一个分子中所包括的碳碳键数；m1是所述供应生产气体中每个所述第一氟化合物的摩尔份数；nc-H是每个所述第二氟化合物的一个分子中所包括的碳氢键数；以及，m2是所述供应生产气体中每个所述第二氟化合物的摩尔份数。
9.如权利要求1的方法，其中所述的材料表面是半导体装置中形成的接触孔的底部。
10.如权利要求6的方法，其中所述的材料表面是半导体装置中形成的接触孔的底部。
11.如权利要求1的方法，其中所述的材料表面是纵横比范围为3-10的孔的底部。
12.如权利要求6的方法，其中所述的材料表面是纵横比范围为3-10的孔的底部。
全文摘要
为了选择性地除去半导体装置中接触孔等底部上形成的氮化硅膜,用供应的生产气体进行等离子刻蚀,所述生产气体由具有碳碳键的第一氟化合物(例如,八氟环丁烷(C
文档编号H01L21/302GK1383193SQ0211817
公开日2002年12月4日 申请日期2002年4月23日 优先权日2001年4月23日
发明者上田靖彦 申请人:日本电气株式会社, 株式会社日立制作所