用硫基蚀刻剂等离子体蚀刻含碳层的制作方法

专利名称：用硫基蚀刻剂等离子体蚀刻含碳层的制作方法
技术领域：
本发明实施例涉及电子制造产业，更特别地是涉及在含碳层中等离子 体蚀刻特征的处理。
背景技术：
由于装置图案的特征尺寸变得小于100nm，为了稳定和可重复的装置 性能，特征的临界尺寸(CD)要求成为一项更加重要的基准。横跨衬底允 许的CD变化量也随特征CD的定标而比例变化。例如，横跨300mm直径 的衬底，为了达到大约80nm的平均目标CD—些应用可能需要小于10nm 的3-西格玛。
同样，由于现在产业中流行诸如装置容量、高深宽比(HAR)的观 点，横向尺寸的定标要快于垂直尺寸的定标。当这种深宽比和CD控制的 需求结合高蚀刻选择性、侧壁光滑性和高的工具生产能力时，对于任何硬 件配置而言处理窗口变得非常小。许多情况下，仅在许多处理气体混合成 复合的蚀刻剂气体混合物并结合极端的硬件设定时可以发现小的处理窗 口，例如非常高的RF偏置功率，才能在侧壁钝化、蚀刻速率和掩膜选择 性间达到脆弱的平衡。然而，这种小的处理窗口典型遭受性能限制，而不 能与已知方法的蚀刻处理相谐调。

发明内容
本发明实施例中，描述了一种使用蚀刻剂气体混合物蚀刻例如无定形 碳的含碳层，蚀刻剂气体混合物包含氧分子(02)和包含碳硫末端配位体 的气体。某些实施例中，蚀刻剂气体混合物是无卤素的，以及在具体实施 例中，蚀刻剂气体混合物仅包括两种成分，例如COS和02。其它实施例 中，还可以进一步使02和该含硫气体与附加气体结合来蚀刻含碳层，例如氮分子(N2)、 一氧化碳(CO) 、 二氧化碳(C02)、臭氧(03)、水 (H20)、过氧化氢(H202)或碳氟化合物中的至少一种。
实施例中，在大约0.25和大约1.0之间的COS:02体积流率由具有大 约100MHz以上频率的电容耦合高频RP发生器发生器激励，以便在掩盖 无机电介质保护层上用大于30:1、优选大于50:1的选择性蚀刻含碳层，同 时在例如接触图案的HAR特征的侧壁中获得最小的弓形。进一步用一个 或多个具有大约60MHz以下频率的低频RF发生器来激励COS:02蚀刻剂 气体混合物可能有利于进一步谐调特征CD的均匀性。
仍然在其它实施例中，包含有碳硫末端配位体气体的蚀刻剂气体混合 物，释放到等离子体蚀刻室中接近衬底中心的第一气体入口处的气体流量 速率不同于接近衬底周边的第二开口处的气体流量速率，同时等离子体暴 露于接近衬底中心处的磁场强度不同于接近衬底周边处的磁场强度，从而 进一步改善含碳层蚀刻的均匀性。
一个示范实施例中，多层掩膜包含设置在衬底层上的无定形碳层、 设置在无定形碳层上的无机电介质盖层，以及设置在无机电介质盖层上的 已构图光阻层，首先用包含氟碳化合物的蚀刻剂气体混合物蚀刻无机电介 质盖层，然后清除蚀刻处理室的卤素，以及用包含02和具有碳硫末端配 位体的蚀刻剂气体混合物蚀刻无定形碳层。
本发明的其它方面提供了一种等离子体蚀刻装置，其配置为用包含混 合有02的具有碳硫末端配位体气体的蚀刻剂气体混合物执行含碳层的蚀 刻。本发明的其它方面还提供了一种计算机可读媒体，其包含用于在电容 耦合高频等离子体蚀刻装置上执行这种蚀刻方法的指令。


图1是根据具体实施例的流程图，其描述了用多层掩膜蚀刻特征的方 法，该多层掩膜的无定形碳层是用混合有02的COS蚀刻。
图2A、 2B、 2C、 2D、 2E和2F是根据一个实施例的断面示意图，其 描述了图1方法的示例性实施例，特征是使用包含COS禾B 02的蚀刻剂气 体混合物蚀刻进多层掩膜。
图3是根据实施例配置为执行蚀刻方法的等离子体蚀刻装置的断面示意图。
图4描述了根据具体实施例使用包含COS和02的蚀刻剂混合物蚀刻 无定形碳层的方法的处理走向总结。
图5描述了根据具体实施例一组具有碳硫末端配位体的分子基。
具体实施例方式
下面的描述中，阐明了许多具体的细节以便使本发明得到透彻的理 解。显然，对于本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下 实现本发明。另外，为了不给本发明带来不必要的晦涩，熟知的特征不进 行详细的描述，例如具体的光刻构图和蚀刻技术。贯穿本说明书的涉及 "实施例"表示与实施例描述联系的具体的特征、结构、材料或特性，是至 少包含在本发明的一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同位置出现 的措辞"实施例中"不必涉及本发明的同一个实施例。此外，具体的特征、 结构、材料或特性也可以任何适合的方式结合在一个或多个实施例中。同 样，可以明白的是图中示出的不同示例性实施例仅仅是示意性的表述而不 必按比例绘制。
这里使用的术语"在...之上"、"在...之下"、"在...之间"和"在...上"涉及
一层与其它层的相对位置。即，例如， 一层沉积或设置在另外一层之上或 之下可以直接与其它层接触，或可以具有一个或多个间隔层。此外， 一层 沉积或设置在层之间可以直接与层接触，或可以具有一个或多个间隔层。 相反，第一层在第二层"上"是与第二层接触。此外，所提供的一层与其它 层的相对位置是没有考虑衬底的绝对方向，而假定相对起始时的衬底操 作、沉积、更改和移动膜。
图1说明了根据本发明一个实施例用于蚀刻特征的方法100的流程 图。在形成处理期间在衬底上执行方法100。图2A-2F说明了具有根据图 1中所示流程的具体实施例制造的特征的示例性衬底的断面图。
图1的方法100从工件开始，如图2A所描述的包含在支持体210上 的衬底层220。在一个实施例中，支持体210是半导体晶片，例如，但不 限定于硅、锗或公知的III-V (族)化合物半导体材料。在另外一个实施例
7中，支持体210是玻璃或蓝宝石材料。衬底层220通常包括电介质层，例 如具有大约2.5介电常数的二氧化硅。在其它实施例中，衬底层220包括 具有大约2.4或以下介电常数的低-k材料，例如，但不限定于碳掺杂的氧 化硅。也需要明白的是衬底层220可以包括本领域公知的各种材料的多种 电介质、半导体或导体层。图2A所描述的具体实施例中，衬底层220在 蚀刻停止层215上，蚀刻停止层215包括已知的对于蚀刻衬底层220的处 理具有良好选择性的材料。在一个实施例中，衬底层220包括二氧化硅， 蚀刻停止层215包括氮化硅。
如进一步描述的，例如无定形碳层225的含碳层形成在衬底层220之 上。如这里使用的，含碳层包含的无机层包括至少20wtM的碳。包括于这 类的材料是典型包括大于50wtM碳的无定形碳，以及包括至少20wt。/。碳含 量的低-k电介质。排除在"含碳"类外的是具有全部碳含量小于20wt。/。的有 机材料，例如通常用作底部抗反射涂层(BARC)的那些材料，典型的为 聚酰胺和聚砜并且具有小于5wt。/。的碳。
可以用喷涂/旋涂方法、热沉积处理(CVD)、或等离子增强沉积处理 (PECVD)形成含碳层。图2A描述的实施例中，无定形碳层225是用 CVD或PECVD中任一个沉积来形成碳材料，该碳材料包括至少50wtM具 有spl、 sp2和sp3键合状态的碳，该键合状态使膜具有那些典型的 pyrolylic、石墨和类金刚石碳的混合物的特性。由于已沉积的碳材料可以 包含多个不同特性的键合状态，因此其缺乏长程有序，因此通常称为"无 定形碳"。在具体实施例中，无定形碳层225可以使用碳氢化合物的前驱体 用PECVD处理形成，例如，但不限定于，甲烷(CH4)、丙烯 (C3H6)、丙炔(C3H4)、丙垸(C3H8) 、 丁垸(C4H1Q) 、 丁烯 (C4H8) 、 丁二烯(C4H6)、乙炔(C2H2)、甲苯(C7H8 (C6H5CH3)) 及其混合物。无定形碳层225也可以包含氮或其它添加剂。示例性无定形 碳材料是从美国加州应用材料公司(Applied Materials，Inc.,CA,U.S.A.)商 标名为Advanced Patterning FilmTM(APF)可商业得到的。虽然没有描述， 另外一个实施例中在碳wt。/。范围的较低端处，含碳层是低-k电介质，例如 是从应用材料公司(Applied Materials,Inc.,)的商标名为Black DiamondTM商业得到的。
无定形碳层225不是光敏的并且用等离子体蚀刻替换已构图以便高度 保真的再现光敏层上的图案。同时有利的是无定形碳层225提供到掩膜的 附加厚度非常像传统的硬掩膜(采用硅的氮化物或氧化物)，因为无定形 碳层225能用与去除光敏层相同的方法轻易去除，例如使用高频02等离子 体剥离。
无定形碳层225形成的厚度依赖于随后用来构图衬底层220的处理的 材料的电阻和碳材料的结构整体性(限定无定形碳层的深宽比)。 一个实 施例中，无定形碳层225具有比用于5:1深宽比的蚀刻进层的特征的临界 尺寸大约大5倍的厚度。在进一步的实施例中，无定形碳层的厚度与特征 尺寸的比率是在1:1和5:1之间。这种比例范围将提供足够的结构整体 性，从而使已构图的无定形碳特征不会在随后的处理期间倒塌。在一个这 种实施例中，无定形碳层225在大约100nm和大约1000nm之间。在具体 实施例中包含二氧化硅的衬底大约1.5-2/mi厚，无定形碳层的厚度在大约 700nm到900nm之间。
同样如图2A描述的，无定形碳层225覆盖有无机电介质盖层230。无 机电介质盖层230可以作为电介质抗反射层(DARC)和/或改善随后通过 旋涂技术施加的有机膜的粘结，不然的话有机膜不能很好的粘结到无定形 碳层225。无机电介质盖层230可以是单层膜或包括以二氧化硅、氮化硅 或氮氧化硅(SiON)形式中的硅、氮、氧的膜的多层堆叠。也可以调整成 分和厚度以便对在特征光刻构图期间采用的具体波长提供最小的反射和高 对比度。在示例性实施例中，无机电介质盖层230形成在大约25nm和 100nm之间的厚度。
如图2A进一步描述的，多层堆叠掩膜250包含在光刻操作后已构图 的光阻层240。 一些光阻实施例中，有机BARC施加在无机电介质盖层 230上以便进一步减小光敏层构图期间光的反射。BARC典型包括聚酰胺 和聚砜。同时经常不必要在无定形碳层225之上同时具有有机BARC (未 示出)和无机电介质盖层230，但是这种多层掩膜也可实行。
在无定形碳层225之上的已构图光阻240可以用任何传统的方法构图，例如，使用193nm光刻和适合的已知光阻成分。 一个实施例中，已构 图光阻240包含具有大约80nm以下临界尺寸的接触开口 241。在具体实 施例中，已构图光阻240形成具有在大约60nm和80nm之间临界尺寸的 接触开口。
回到图1，在操作120，如图2进一步描述的蚀刻无机电介质盖层 230。 一个有利的实施例中，无机电介质盖层230是用包含气体的传统卤 素基的化学成分进行等离子体蚀刻，例如其，但不限定于像CF4和CHF3 的氟碳化合物。包含这些化合物中一个或两个的混合物可以与或不与N2 结合。在进一步的实施例中，氟碳化合物蚀刻剂气体是由具有大约50MHz 以下频率的低频"偏置功率"RF发生器激励，例如13.56MHz和2MHz波 段。在进一步实施例中，具有大约lOOMHz以上频率的高频"源功率"RF发 生器，优选在无机电介质盖层230开口期间避开以便使蚀刻偏置最小。如 果存在BARC层也可以使用基本类似的等离子体蚀刻处理进行等离子体蚀 刻，从而使有机层和无机电介质盖层230 二者可以在一个蚀刻步骤中蚀 刻。操作120的持续时间依赖于盖层的厚度，但是，在一个实施例中， 100nm无机电介质盖层 230是明显小于100秒。
图1描述的实施例中，在操作125，在无定形碳层225蚀刻前，从蚀刻 处理室清除在操作125中用于蚀刻无机抗反射盖的氟碳化合物基的化学成 分。在具体实施例中，在无定形碳层225蚀刻处理前，将高容积流量例如 氩气的惰性气体引入蚀刻室以便从蚀刻室清除任何卤素基的气体，从而防 止残留的卤素转移到随后在蚀刻室中执行的处理。已经发现在某些条件 下，在无定形碳层225蚀刻期间存在的氟会损害无定形碳层225，并且潜 在地造成已形成装置的参数漂移。
在操作130，无定形碳层225是用包含02和包括碳硫末端配位体气体 的蚀刻剂气体混合物进行等离子体蚀刻。包括碳硫末端配位体的分子是与 那些具有中心硫例如SF6的化合物有区别的。具有碳硫末端配位体的分子 包含键合到碳原子的末端硫原子。然后碳原子还可以进一步键合到其它作 为主链部分的原子。图5描述了许多包含碳硫末端配位体的分子，碳硫末 端配位体用虚线圈起来。图5所描述的R,R',R",R"'基分别表示烃基、芳
10基或氢原子。图5所描述的那些分子包含导致非极性分子的非对称碳硫末 端配位体。然而，其它具有对称碳硫末端配位体的分子，例如二硫化碳
(CS2)，为了蚀刻含碳层的目的也可能是相当好的。在具体实施例中， 包含碳硫末端配位体的气体具有化学通式(COS) x，以及在优选实施例 中，包括碳硫末端配位体的气体是硫化羰、COS。
已经发现包括碳硫末端配位体例如COS的气体与02混合时，对于蚀 刻无定形碳膜提供了有利的宽处理窗口。也已经发现特别是在用大约 100MHz以上高频电容耦合蚀刻装置操作来激励等离子体的情况下。结合 有高频激励的COS:02蚀刻剂气体的宽处理窗口允许横跨衬底大范围调整 蚀刻率和CD均匀性。同时已经发现许多其它无卤素的含硫气体例如二氧 化硫(S02)和硫化氢(H2S)，包括碳硫末端配位体的气体，具体是那些 低沸点的例如COS的气体，对于含碳层的蚀刻是有利的。
当用高频RF源功率(大约100MHz以上)激励时，02能够以远高于 l;mi/min的极高速率蚀刻无定形碳层225，然而产生了高的弓形侧壁并且 对于大多数的掩膜例如无机电介质盖层230具有低选择性。已经发现用具 有碳硫末端配位体例如COS的附加气体，可以极大地改善这些缺点，因为 在缺少02下用高频RF源激励时，不会以可察觉的速度蚀刻无定形碳。因 此，在具体实施例中，蚀刻剂气体混合物主要由02和COS组成，相当精 妙的两种成分(氧化剂和钝化剂)混合物也提供了具有大处理窗口坚固的 无定形碳蚀刻处理。相反，没有发现可选择的例如S02和H2S的含硫气体 提供了类似的宽工艺窗口。因此，不能期待诸如S02和H2S的气体横跨衬 底直径取得接触底部CD相同的无定形碳蚀刻速度、选择性或均匀性。
己经发现包含COS:02蚀刻剂混合物的高频RF激励的实施例提供了特 别高的无定形碳蚀刻速率并且对例如无机电介质盖层230的材料的高选择 性。如这里使用的，高频RF是指在大约100MHz以上RF频率工作的"源" 功率。在大约60MHz以下RF频率工作的低频"源"功率通常提供了比用高 频源工作时显著低的使用02的无定形碳层蚀刻速率。已经发现电容耦合 和电感耦合相类似的情况。例如，与这些低RF频率相联系的较低蚀刻速 率依次要求高02流和高RF功率的补偿。如已经在别处讨论的，在低RF频率时的高02流和高RF功率都是对维持例如无机电介质盖层230的材料 的高选择性有害的并且也对好的CD控制有害。例如，对于可比较的RF 功率水平，采用50MHz源的蚀刻装置用02提供的无定形碳蚀刻速率，例 如应用材料公司(Applied Materials,Inc)的eMax系统，比用应用材料公 司(Applied Materials Corp)的Enabler系统的162MHz电容源用02提供 的无定形碳蚀刻速率低大约2.5到3倍。同时在低RF频率处较高的02流 和2.5倍高的RF功率能对较低效率和无定形碳蚀刻速率消弱的结果进行部 分补偿，在选择性(对要求11:1 HAR接触蚀刻的无机电介质盖层230的 选择性远低于30:1)的显著损失和横跨衬底的底部CD均匀性(从中心到 边缘至少13nm的3西格玛)的显著损失的代价上也是如此。因此，这里 描述的COS:02蚀刻剂气体混合物通常可应用于任何频率系统，以及可以 相对例如02与CO或02与S02的其它气体混合物提供改善，结合高频RF 的COS:02蚀刻剂气体混合物的实施例提供了优异的处理窗口。
在具体实施例中，蚀刻操作130包含引入蚀刻室的COS:02的体积气 体流比例是在大约0.25:1和1:1之间。图4中描述出依赖于混合物比例的 处理趋势。这个当用高频源功率激励时的COS和02的混合比例提供的无 定形碳蚀刻速率高达从800nm/秒到大约1.2/xm/秒。由于没有限定COS到 例如低于大约10%的非常低的浓度，蚀刻剂混合物中相对高百分比的 COS能够大范围谐调。因此，COS:02混合物是对可能导致横跨衬底均匀 性的影响相对不敏感，例如局部种类损耗等。也已经发现在大约0.25:1和 1:1之间的COS: 02气体比例对在二氧化硅、氮化硅或SiON上的无定形碳 提供了非常高的选择性，远高于30:1，典型至少50:1和接近100:1。没有 发现可替换的含硫气体，例如S02具有如此高的选择性。虽然不必局限于 任何特殊的理论，碳硫末端配位体的存在可能有利于在例如二氧化硅、氮 化硅或SiON的那些非含碳层表面上提供钝化种类，而在缺少碳硫末端配 位体的例如S02的蚀刻剂混合物中是得不到的。用大约100MHz以上高频 激励COS: 02蚀刻剂也可以提供足够量的种类，从而在高偏置电压缺乏的 情况下在衬底上进行钝化。高蚀刻速率、高选择性和减小侧壁弓形的这个 混合比例的结合比例提供了用于宽处理窗口的基础，然后宽工艺窗口可以
12裁剪来达到良好的均匀性和蚀刻装置的高生产量。
如图4进一步描述的，当增加无定形碳蚀刻速率时，COS/02蚀刻剂气 体混合物的总流率趋向减少HAR接触BCD。依赖于蚀刻室的配置，总流 量也可以在大约25sccm至1000sccm之间的任何地方，或更高。具体实施 例中具有大约0.30:1的COS:02流率比例时总流量大约是150sccm。理想 的COS:02流率比例不是与总流率成线性的。在任何蚀刻装置中非常高的 COS/02蚀刻气体的总流量趋向减小处理窗口，因为在较高的02流量时 COS:02比例是增加的以便维持特征轮廓和CD。例如，当采用较高的02 流率时，也需要高的COS流率来防止特征侧壁的过量弓形。在非常高的总 流率，横跨衬底直径的非均匀性增加了，以及因此为了维持较大的处理窗 口，如果通过其它处理参数的方法在较低的总cos/o2流量时能得到足够 高的无定形碳蚀刻速率，渴望相对低的总流量。
当两种成分的COS:02蚀刻剂混合物实施例提供了在无定形碳层中显 著减小的HAR接触的侧壁弓形，通过将其它种类引入到蚀刻剂混合物中 可以得到侧壁轮廓的进一步改善。在具体实施例中，蚀刻剂气体混合物还 包括N2、 CO、 C02、 03、 H20、 11202中的至少一种。也需要说明的是在 可选实施例中，N2源也可以用其它氮源代替，例如，但不限定于氧化氮 (NO、 N20等)或氨气(NH3)。蚀刻剂气体混合物还可以包含惰性气 体，例如Ar、 He或Xe。
在某些其它实施例中，包含COS和02二者的第一蚀刻剂气体混合物 用于无定形碳层蚀刻的第一部分，以及然后缺少COS的第二蚀刻剂气体混 合物使用在无定形碳层蚀刻的第二部分。在一个具体实施例中，02和COS 的两种成分蚀刻剂混合物用于无定形碳层蚀刻的第一部分，然后第二种两 种成分的02和N2的蚀刻剂气体混合物使用在无定形碳层蚀刻的第二部 分。由于第一部分期间深宽比达到大约5:1到7:1，然后转变为第二蚀刻剂 气体混合物继续蚀刻第二部分以便达到8:1或更高的深宽比，因此这样的 工艺可以特别有利于非常HAR蚀刻以便裁剪侧壁轮廓。已经发现这样的 多步骤工艺对于大约10:1的深宽比制造出基本垂直的接触侧壁的同时在大 于30:1的无机电介质材料上仍然提供连续的选择性。应该认识到其它实施例在这个主题上包含变化，因此有或没有可选成分例如N2、 C0或C02的 脉冲，蚀刻处理无定形碳层的同时COS气体成分是脉冲的。
如图4所描述的，当处理压强增加时，发现增加无定形碳蚀刻速率的 同时减小了 HAR接触的底部临界尺寸(BCD)。如其它地方描述的，依 赖于实施例，当COS:02气体比例是在0.25:1至"1:1之间具有适度的大约 500sccm以下的低总COS/02气体混合物流量并且用高频电容系统激励 时，处理压强可以在大约8mT到50mT之间的宽范围变化，优选处理压强 大约是20mT。
由高频RF源功率激励的包括碳硫末端配位体的蚀刻剂气体混合物的 宽处理窗口能够进一步附加至少一个大约60MHz以下的低频偏置功率， 从而进一步增强无定形碳层蚀刻的性能。如图4描述的，已经发现HAR 接触具有的BCD依赖于在低RF频率时期的功率水平和频率。在 13.56MHz频率处增加功率趋向减小BCD,然而在2MHz频率处增加功率 趋向增加BCD，然而增加它们中任何一个具有对弓形影响很小的同时增加 无定形碳蚀刻速率的效果。以此方式，当与提供的高频RF源相结合时， 等离子体蚀刻装置能够以独立控制的功率水平提供的2MHz和13.56MHz 频率RF功率可以有利于提供非常协调的BCD。在某些实施例中，低频偏 置功率与高频源功率的比例是在大约0.25和大约1:1之间。在具体实施例 中，用来激励蚀刻剂气体而提供的低频偏置功率的功率水平低于高频源功 率的大约一半。在一个实施例中，在大约0.25:1和大约1:1之间的比例、 适度低的总流量和大约20mT的处理压强处采用COS:02，依赖于室配置和 衬底尺寸总功率在2000W和4000W之间时低频偏置功率与高频偏置源功 率的比例是在大约0.25和大约0.5之间，对于容纳200mm衬底的室具有 至少2000W的总功率。
COS:02的宽处理窗口允许进一步处理调整硬件配置，该硬件配置横跨 衬底直径调整中性和带电等离子体种类密度中的任一个或二者。例如，等 离子体蚀刻装置中包含带电种类调整单元(CSTU)横跨衬底直径施加变 化强度的磁场，可以调整BCD的均匀性以便减少横跨衬底直径的"W"或 "M"特性。"W"或"M"是指横跨衬底直径的无定形碳蚀刻性能中的变化量，例如，与衬底半径的一半处相比，在衬底中心和边缘处的BCD比率可能 高或低。中性种类的调整单元(NSTU)，其允许横跨晶片直径以不同的 体积流率将气体引入蚀刻室，可以进一步在无定形碳层蚀刻期间采用从而 扩大HAR接触的BCD。当二者结合使用时，CTSU的具体设定与NSTU 的具体设定执行很好，从而使高的内部对外部直径的气体流量比例可以从 相对较高的内部对外部磁场比例中受益。例如，在一个实施例中，COS:02 蚀刻剂气体混合物是仅在NSTU设定的内部执行的，已经发现具有混合的 大约12G内部:8G外部的内部对外部直径的磁通量比例的CSTU提供了改 善了的横跨晶片的蚀刻均匀性，减少了"W"或"M"无定形碳层蚀刻特性。
需要进一步说明的是关于衬底温度处理窗口也是宽的，甚至可能在室 温下在无机电介质材料上具有好的无定形碳蚀刻速率和选择性。如图4所 示，无定形碳层的蚀刻速率可以通过操纵衬底温度而增加。此外，也可能 在蚀刻装置中提供多个温度控制区域，以便进一步调整横跨衬底直径的无 定形碳蚀刻速率从而改善均匀性。在具体实施例中，例如在接近衬底中心 点处的衬底温度控制为第一设定点，例如20'C，同时在接近衬底周边点处 的衬底温度控制为第二设定点，例如25'C，从而改善横跨衬底的无定形碳 层蚀刻的均匀性。
同样有利的是，COS:02蚀刻剂气体混合物的相对倾斜的化学减小了由 非均匀聚合物沉积在已蚀刻特征的侧壁上引起的粗糙度。类似的，即使混 入附加的气体，例如N2，发现COS:02蚀刻气体提供了非常小的室污染 物。已发现在等离子体蚀刻室包含碳化硅(SiC)或钇材料涂层时特别如 此。采用COS:02混合物具体的无定形碳蚀刻处理执行大约三十RF小时。 接下来的扩展处理进行粒子计数，剩余的低和非常少的蚀刻残留是在等离 子体蚀刻室检查期间可见的。期望倾斜的化学能减少室清洁的频率，增加 设备生产率。
返回图1，在操作140，主蚀刻是使用通过本发明实施例构图的多层 掩膜执行的。如图2E进一步所示，主蚀刻使用多层掩膜以便如实的将形 成在无定形碳层225中的特征转送到衬底层220。依赖于膜，可以在主蚀 刻中采用各种己知的蚀刻技术和化学，例如，但不限定于，氮化物或氧化物衬底膜的氟碳化合物基的等离子体蚀刻。在实施例中，衬底膜是用使用
多层掩膜的80rnn以下的特征定义的。
在操作150，使用灰化或剥离处理来去除残留的多层掩膜。在一个实 施例中，原位剥离处理是在与用于操作120、 125、 130和140相同的蚀刻 室中进行的。在进一步的实施例中，高02流量是用至少300W功率大约 lOOMHz以上的高频源激励的，同时低频偏置功率小于150W。如在别处 讨论过的，高频源功率将以例如大约60MHz以下的低RF频率不可能有的 速率侵蚀无定形碳层225。原位剥离也通过去除任何历史影响来处理室以 便在随后的衬底上重复方法100，该历史影响是由衬底层220的氟碳化合 物主蚀刻造成的。
接下来进行无定形碳的剥离操作150，图1的方法100是基本完成并 且得到可用于进一步处理的衬底，也许在同一蚀刻室中用于操作130、 140 和150。在具体实施例中，如图2F所描述的，在无定形碳层225已经去除 后，蚀刻停止层205是利用操作150在同一蚀刻室中蚀刻的，从而暴露下 面的层。在其它实施例中，图1中的方法IOO完成后，也可以使用本领域 传统的方法处理衬底。
可选实施例中，图1和图2A-2F所描述的实施例中，采用C0S:02蚀 刻剂气体混合物来蚀刻包括比无定形碳层225低wt。/。碳的含碳层。这种含 碳层包含具有至少20wtM碳的低-k电介质膜，可以通过CVD或喷涂/旋涂 方法中的任一个沉积。这里公开的无定形碳膜情况下的处理条件通常可施 加于采用那些采用具有较低碳含量的含碳膜的可选实施例，然而氟碳化合 物到COS:02蚀刻剂混合物的添加变得有利，因为碳含量的下降以及硅或 氧原子占据了材料成分的大部分比例。当层材料从含碳层转变为仅掺杂氧 化物时，例如那些在操作140情况下描述的传统蚀刻处理变得可施加。
在一个实施例中，等离子体蚀刻装置能够用多个RF频率激励蚀刻剂 气体混合物，例如由美国加州应用材料(Applied Materials of CA,USA)制 造的EnablerTM蚀刻室。另外一个实施例中，方法100的等离子体蚀刻处 理是在磁场增强的反应离子蚀刻器(MERIE)蚀刻室中执行的，例如也是 由美国加州应用材料(Applied Materials of CA，USA)制造的MxP(g)、MxP+TM、 Super-ETM或E-MAX(g)。也可以使用本领域已知的其它类型 的高性能蚀刻室，例如使用电感应技术形成的等离子体室。
图3说明了示例性多频蚀刻系统300的断面视图。系统300包含接地 的室305。衬底310通过开口 315装载并且夹紧到温控的阴极320。在具 体实施例中，温控的阴极320包含多个区域，每个区域可独立控制温度设 定点，例如接近衬底310中心的第一热区域322和接近衬底310周边的第 二热区域321。处理气体是通过各自的质量流量控制器349从气源345、 346、 347和348供应到室305的内部。在某些实施例中，NSTU 350提供 可控的内部与外部直径的气体流量比例，因此，为了横跨衬底310的直径 调整中性种类的浓度，可在接近衬底310的中心处或接近衬底310的周边 处以更高的流量速率提供处理气体，例如C0S/02蚀刻剂气体混合物。室 305是通过连接到高容量真空泵组355的排气阀351抽真空到5mTorr和 500mTorr之间，真空泵组355包括涡轮分子泵。
当施加RF功率时，等离子体形成在衬底310上方的室处理区域。偏 置功率RF发生器325耦接到阴极320。偏置功率RF发生器325提供偏置 功率，进一步供给等离子体能量。偏置功率RF发生器325典型具有大约 2MHz和60MHz之间的低频，以及在具体实施例中，是13.56MHz波段。 在某些实施例中，等离子体蚀刻系统300包含在大约2MHz波段处频率的 第三偏置功率RF发生器326，其与偏置功率RF发生器325 —样连接到 RF匹配327。源功率RF发生器330通过匹配(未描述)耦接到等离子体 生成元件335，其相对于阴极320可以是阳极以便提供高频源功率来激励 等离子体。源RF发生器330典型具有比偏置RF发生器325更高例如在 100MHz和180MHz之间的频率，以及在具体实施例中，是162MHz的波 段。偏置功率影响衬底310上的偏置电压，控制衬底310的离子轰击，同 时源功率相对于衬底310上的偏置独立地影响等离子体的密度。需要说明 的是由已生成的等离子体的输入气体的指定设定的蚀刻性能随着等离子 体的密度和晶片偏置显著变化，因此激励等离子体的总功率和频率都是重 要的。由于衬底直径随时间而从150mm、 200mm、 300mm等发展，因此 本领域普遍使等离子体蚀刻系统的源和偏置功率相对衬底区域标准化。在具体实施例中，等离子体蚀刻室包含用于控制内部和外部直径的磁
场强度比例的CSTU，从而控制横跨衬底310直径的等离子体中带电种类 的密度。 一个示例性CSTU包含接近衬底310周边的磁场线圈340和接近 衬底310中心的磁场线圈341，从而在室305的内部区域和外部区域的任 一个或二者中提供在0G和大约25G之间的磁场。
在本发明的实施例中，系统300是通过控制器370控制的计算机来控 制低频偏置功率、高频源功率、CSTU内部对外部的磁场比例、蚀刻剂气 体流量和NSTU内部对外部的流量比例、处理压强和阴极温度，以及其它 处理参数。控制器370可以是任何形式的通用目的数据处理系统的一个， 其可以为了控制各种子处理器和子控制器用于工业设定中。通常，控制器 370包含其它通用零件中的与存储器373通讯的中央处理单元(CPU) 372 和输入/输出(I/O) 374。通过CPU372执行软件命令，造成系统300去， 例如将衬底装载到等离子体蚀刻室，将蚀刻剂气体混合物引入等离子体 蚀刻室，蚀刻剂气体混合物包含02和包括碳硫末端配位体的气体，例如 COS,以及用蚀刻剂气体混合物的等离子体蚀刻含碳层。根据本发明，也 可以通过控制器370执行其它处理例如蚀刻在无定形碳层上的无机电介 质盖层，以及蚀刻在无定形碳层下的二氧化硅电介质。本发明的部分也可 以作为计算机程序产品提供，该计算机程序产品可以包含具有存储在其中 指令的计算机可读媒体，该计算机指令可以用来使计算机(或其它电子装 置)程序化从而将衬底装载进等离子体蚀刻室，将蚀刻剂气体混合物引 入等离子体蚀刻室，蚀刻剂气体混合物包含02和包括碳硫末端配位体的 气体，例如例如COS，以及用蚀刻剂气体混合物的等离子体蚀刻无定形碳 层。计算机可读媒体可以包括但不限定于，软磁盘、光盘、CD-ROMs
(紧縮磁盘可读存储器)，以及磁性一光盘、ROMs (只读存储器)、 RAMs (随机访问存储器)、EPROMs (可擦除可编程只读存储器)、 EEPROMs (电可擦除可编程只读存储器)、磁或光卡、闪存、或其它公 知类型的适合存储电子指令的计算机可读存储媒体。此外，本发明也可以 作为包含计算机程序产品的程序文件下载，程序文件可以从远程计算机传 送到请求计算机。虽然以语言方式描述了本发明的结构特征和/或方法动作，应该明白在 附加的权利要求中定义的本发明不必局限于已描述的特定特征或动作。已 公开的特定特征和动作是作为己要求的发明的特别适度的实施例来说明 的，而不是限定本发明。
权利要求
1.一种在包括至少20wt％碳的含碳层中蚀刻特征的方法，该方法包括提供一衬底，该衬底包含设置在含碳层上的已构图光阻层；将衬底装载到等离子体蚀刻室；将蚀刻剂气体混合物引入等离子体蚀刻室，蚀刻剂气体混合物包含O2和包括碳硫末端配位体的气体；用蚀刻剂气体混合物的等离子体蚀刻含碳层。
2. 权利要求1的方法，其中蚀刻剂气体混合物用具有100MHz以上 RF频率的高频RF源激励。
3. 权利要求1的方法，其中含碳层是包含至少50wt。/o碳的无定形碳层。
4. 权利要求1的方法，其中包括碳硫末端配位体的气体从以下组中选 择COS、 SCOR2、 SCORNR2、 SCR2、 SCRNR2、 SC(NR)2 、 SCNR、 SC(OR)2，其中R是烃基、芳基或氢中的一个。
5. 权利要求1的方法，其中包括碳硫末端配位体的气体是硫化羰 (COS)，并且COS:02体积流率的比例在大约0.25和大约1.0之间。
6. 权利要求1的方法，其中蚀刻剂气体混合物主要由COS和02组成。
7. 权利要求1的方法，其中蚀刻剂气体混合物还包括N2、 03、 H20、 H202、 CO或C02中的至少一种。
8. 权利要求1的方法，其中蚀刻剂气体混合物用具有100MHz以上频 率的高频RF发生器和具有60MHz以下频率的一个或多个低频RF发生器 激励，其中该一个或多个低频发生器释放到等离子体的功率不到高频RF 发生器释放到等离子体的功率的一半。
9. 权利要求1的方法，其中等离子体暴露于接近衬底中心处的磁场要 高于接近衬底周边处磁场的同时，等离子体蚀刻剂气体混合物释放到等离 子体蚀刻室中的在接近衬底中心第一气体入口处的气体流量速率要高于在接近衬底周边第二气体入口处的气体流量速率，以便改善含碳层蚀刻的均 匀性。
10. 权利要求1的方法，还包括在控制接近衬底周边点的第二设定点处的衬底温度的同时，控制在接 近衬底中心点的第一设定点处的衬底温度，其中第二设定点的温度不同于 第一设定点的设定温度以便改善含碳层蚀刻的均匀性。
11. 权利要求l的方法，还包括用包括含有碳硫末端配位体气体的等离子体以第一蚀刻步骤蚀刻含碳 层；以及在第一蚀刻步骤后，以第二蚀刻步骤蚀刻含碳层，第二蚀刻步骤具有 蚀刻剂气体混合物的等离子体，该蚀刻剂气体混合物包括N2和02并且基 本上不含有包括碳硫末端配位体的气体。
12. —种蚀刻包括至少50wtM碳的无定形碳层的方法，包括提供一衬底，该衬底包含在衬底层上的多层掩膜，该多层掩膜包括设置在衬底层上的无定形碳层；设置在无定形碳层上的无机电介质盖层；设置在无机电介质盖层上的已构图的光阻层；将衬底装载进等离子体蚀刻室；将蚀刻剂气体混合物引入等离子体蚀刻室，该蚀刻剂气体混合物包含 02和包括碳硫末端配位体的气体；用蚀刻剂气体混合物蚀刻无定形碳层。
13. 权利要求12的方法，其中蚀刻剂气体混合物用具有100MHz以上 RF频率的高频RF源激励。
14. 权利要求12的方法，其中包括碳硫末端配位体的气体是硫化羰 (COS)，并且COS:02的体积流量速率的比例在大约0.25和大约1.0之间。
15. 权利要求12的方法，还包括-用氟碳化合物气体蚀刻无机电介质盖层，该氟碳化合物气体用具有大 约60MHz以下频率的一个或多个低频RF发生器激励并且没有向等离子体施加具有大约100MHz以上频率的高频RF能量； 清除等离子体蚀刻室的氟碳化合物气体；以及使用蚀刻剂气体混合物蚀刻无定形碳层，该蚀刻剂气体混合物由具有 大约100MHz以上频率的高频RF发生器激励。
16. 权利要求15的方法，其中由高频RF发生器激励的蚀刻剂气体混 合物进一步由一个或多个低频RF发生器激励，其中该一个或多个低频发 生器释放到等离子体的功率小于高频RF发生器释放到等离子体功率的一 半。
17. 权利要求12的方法，还包括 用氟碳化合物气体蚀刻衬底层；以及在蚀刻衬底层后，用由高频RF发生器激励的等离子体剥离无定形碳层。
18. —种具有存储有一套机器可执行指令的计算机可读媒体，当通过 数据处理系统执行指令时，造成系统执行的方法包括 提供一衬底，该衬底包含设置在无定形碳层上的已构图光阻层，该无 定形碳层包括至少50wty。的碳；将衬底装载进等离子体蚀刻室；将蚀刻剂气体混合物弓I入等离子体蚀刻室，该蚀刻剂气体混合物包含 02和包括碳硫末端配位体的气体；用蚀刻剂气体混合物的等离子体蚀刻无定形碳层。
19. 权利要求18的计算机可读媒体，其中蚀刻剂气体混合物用具有 100MHz以上RF频率的高频RF源激励。
20. 权利要求18的计算机可读媒体，其中包括碳硫末端配位体的气体 是硫化羰(COS)，以及其中指令造成系统以大约0.25和大约1.0之间的 体积流量速率将COS引入到等离子体蚀刻室。
全文摘要
本发明涉及用硫基蚀刻剂等离子体蚀刻含碳层，其用蚀刻剂气体混合物蚀刻含碳层，该蚀刻剂气体混合物包含氧分子(O₂)和包含碳硫末端配位体的气体。在某些实施例中采用高RF频率源以便得到对无机电介质层具有高选择性的高蚀刻率。在某些实施例中，蚀刻剂气体混合物仅包含两种成分COS和O₂，但在其它实施例中，也可以进一步采用附加气体，例如氮分子(N₂)、一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO₂)中的至少一种，来蚀刻含碳层。
文档编号H01L21/02GK101515542SQ20081012878
公开日2009年8月26日 申请日期2008年5月20日 优先权日2008年2月21日
发明者杰 周, 布赖恩·廖, 斯昌林, 王竹戌, 金汉相, 马绍铭 申请人:应用材料公司