通孔及双镶嵌结构的形成方法

专利名称：通孔及双镶嵌结构的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种通孔及双镶嵌结构的形成方法。
背景技术：
半导体集成电路的制作是极其复杂的过程，其目的在于将特定电路所需的各种电 子组件和线路，縮小制作在小面积的硅片上，并且各个组件必须藉由适当的内连导线来作 电性连接，才能发挥所期望的功能。其中，为了实现硅片上多层电路间的电连接需要制作大 量的通孔，这些通孔性能的好坏对电路的整体性能有着重要的影响。 图1到图4是说明现有的通孔形成方法的器件剖面示意图。其中，图1为现有的 通孔形成过程中形成介质层后的器件剖面示意图，如图1所示，通常在生长用于层间电绝 缘的介质层102之前，会在硅衬底IOO上生长刻蚀停止层IOI，其可以为氮化硅层或碳化硅 层，如，在65nm以下工艺结点中，该层通常为掺氮的碳化硅层(NDC)。该刻蚀停止层101的 刻蚀速率要明显低于介质层102，以确保在刻蚀通孔开口时能较为均匀地停止于该刻蚀停 止层101内。 图2为现有的通孔形成过程中形成通孔图形后的器件剖面示意图，如图2所示，利 用光刻工艺在介质层102表面上定义通孔图形105。 图3为现有的通孔形成过程中形成通孔开口后的器件剖面示意图，如图3所示，用 光刻胶定义通孔图形105后，可以利用干法刻蚀技术在介质层102内形成通孔开口 107。由 于下层的刻蚀停止层101的刻蚀速率要远小于介质层102的刻蚀速率，本步刻蚀会停止于 刻蚀停止层101内。 图4为现有的通孔形成过程中去除刻蚀停止层后的器件剖面示意图，如图4所示， 介质层刻蚀完成后，还需要将通孔开口 107底部残留的刻蚀停止层101去除，以曝露下层的 导电结构，本步骤通常可称为停止层去除步骤(LRM， Liner Removal)。 实际操作中，本步的LRM步骤通常是利用干法刻蚀工艺实现，其同时会利用等离 子体对刻蚀时产生的聚合物进行各向同性的去除。因此，在本步刻蚀过程中易在刻蚀停止 层的侧壁处(即通孔侧壁下方处)出现凹陷问题(undercut或pull back)，如图4中凹陷 110所示。尤其是65nm以下技术结点中，该刻蚀停止层101通常由较为薄弱的掺氮的碳化 硅形成，这一凹陷问题就更为严重。而一旦出现该类凹陷问题，将直接影响到后面通孔内金 属的填充质量，进而影响到集成电路内的电连接质量，令器件的性能，如可靠性等方面，变 差甚至失效。 于2008年7月30日公开的公开号为CN101231968A的中国专利申请公开了一种 镶嵌内连线结构与双镶嵌工艺，其利用四氟化碳及三氟化氮气体等离子体为LRM中的刻蚀 气体，以解决镶嵌结构中由于对不准而导致的在下层介质层中形成凹槽的问题。但该申请 对于上述LRM步骤中通孔侧壁下方处出现凹陷的问题没有提出有效的解决办法。

发明内容
本发明提供一种通孔及双镶嵌结构的形成方法，以改善现有通孔或双镶嵌结构形 成过程中易在通孔侧壁下方处出现凹陷的现象。
为达到上述目的，本发明提供的一种通孔的形成方法，包括步骤 提供衬底，且在所述衬底上具有刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上具有介质层； 在所述介质层上定义通孔图形； 进行第一刻蚀，在所述介质层内形成通孔开口，至曝露出所述刻蚀停止层；
进行第二刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第二刻蚀中所用的气 体包括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小 于氩气的气体。 本发明具有相同或相应技术特征的另一种双镶嵌结构的形成方法，包括步骤
提供衬底，且在所述衬底上具有下层导电结构，在所述下层导电结构上具有刻蚀 停止层，在所述刻蚀停止层上具有第一介质层；
在所述第一介质层上定义通孔图形； 进行第一刻蚀，在所述第一介质层内形成通孔开口 ，至曝露出所述刻蚀停止层； 在所述第一介质层上及通孔开口内形成第二介质层； 在所述第二介质层上形成沟槽图形； 进行第二刻蚀，形成与至少一个通孔开口相连的沟槽； 去除所述通孔开口内的第二介质层； 进行第三刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第三刻蚀中所用的气 体包括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小 于氩气的气体。 与现有技术相比，本发明具有以下优点 本发明的通孔及双镶嵌结构的形成方法，在LRM步骤中的辅助气体不再采用质量 较重的氩气，而采用质量较轻的气体，如采用氮气、氦气、氧气、氢气等的一种或若干种，该 类质量较轻的气体轰击力较小，减少了各向同性的物理性轰击对刻蚀停止层侧壁的损伤， 避免了在通孔侧壁下方出现凹陷的问题，提高了通孔或双镶嵌结构的形成质量。


图1为现有的通孔形成过程中形成介质层后的器件剖面示意图； 图2为现有的通孔形成过程中形成通孔图形后的器件剖面示意图； 图3为现有的通孔形成过程中形成通孔开口后的器件剖面示意图； 图4为现有的通孔形成过程中去除刻蚀停止层后的器件剖面示意图； 图5为采用现有技术制作的双镶嵌结构的剖面图； 图6为本发明第一实施例通孔形成方法的流程图； 图7为本发明第一实施例中提供的衬底的剖面示意图； 图8为本发明第一实施例中形成通孔图形后的器件剖面示意图； 图9为本发明第一实施例中形成通孔开口后的器件剖面示意图； 图10为本发明第一实施例中去除刻蚀停止层后的器件剖面示意 图11为本发明第二实施例双镶嵌结构形成方法的流程图； 图12为本发明第二实施例中提供的衬底的剖面示意图； 图13为本发明第二实施例中形成通孔图形后的器件剖面示意图； 图14为本发明第二实施例中形成通孔开口后的器件剖面示意图； 图15为本发明第二实施例中形成第二介质层后的器件剖面示意图； 图16为说明本发明第二实施例中形成沟槽图形后的器件剖面图； 图17为说明本发明第二实施例中进行第二刻蚀后的器件剖面示意图； 图18为说明本发明第二实施例中形成双镶嵌结构开口后的器件剖面示意图； 图19为本发明第二实施例中去除刻蚀停止层后的器件剖面示意图； 图20为本发明第二实施例中形成的双镶嵌结构的剖面图； 图21为本发明采用NF3后形成的双镶嵌结构的剖面图； 图22为本发明采用NF3后形成的双镶嵌结构的电阻特性图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。 本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料
制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域
内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。 其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说
明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此
外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。 现有技术中，在形成通孔和双镶嵌结构时，为了令刻蚀能较为均匀一致，且不会损 伤下层导电结构，通常会在介质层之下，下层导电结构之上生长一层刻蚀停止层。该刻蚀停 止层需选用与介质层不同的材料，且在适于刻蚀介质层的刻蚀条件下对其的刻蚀速率明显 较低，以确保通孔开口的刻蚀能较为均匀地停止于该刻蚀停止层内。之后，还需要再加入一 步去除该刻蚀停止层的步骤(LRM步骤)，以令下层导电结构曝露出来。 然而，在该步LRM步骤中，常会在通孔侧壁处出现凹陷问题。尤其当器件制作工艺 达到65nm技术结点以下时，为了与低介电常数的材料更好地匹配，通常需采用较为薄弱的 含氮的碳化硅材料，这一凹陷问题就变得更为严重。 图5为采用现有技术制作的双镶嵌结构的剖面图，如图5所示，在形成的双镶嵌结
构的通孔的侧壁下方处形成了凹陷501(图中圆圈中所示)。通过观察可以发现，该凹陷位
于刻蚀停止层内，可知其只能是在去除刻蚀停止层时在其侧壁处出现的。该凹陷501的出
现会影响后续通孔内金属的填充质量，进而影响到器件的电连接性能。 经过大量实验分析，发现该凹陷的出现主要是因为在LRM步骤中加入了氩气。该
步刻蚀中加入氩气的作用主要有两个，一个是在刻蚀过程中利用该氩等离子体去除刻蚀过
程中产生的聚合物，另一个是可以对刻蚀气体起稀释作用，以调节刻蚀速率。 分析认为，由于氩气质量较重，其的等离子体轰击力较强，且该氩等离子体对衬底
的物理性轰击是各向同性的，在刻蚀去除刻蚀停止层时，尤其是选用较为薄弱的材料制成的刻蚀停止层时，就易在其侧壁处出现凹陷。 为此，本发明提供了一种新的通孔形成方法，包括步骤提供衬底，且在所述衬底 上具有刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上具有介质层；在所述介质层上定义通孔图形；进 行第一刻蚀，在所述介质层内形成通孔开口 ，至曝露出所述刻蚀停止层；进行第二刻蚀，去 除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第二刻蚀中所用的气体包括刻蚀反应气体及辅助 气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小于氩气的气体。
本发明中，将在刻蚀过程中主要通过化学反应去除刻蚀停止层的气体称为刻蚀反 应气体；将在刻蚀过程中主要通过在高压作用下成为等离子体，利用物理方式去除刻蚀停 止层及刻蚀过程中所产生的聚合物的气体，以及对刻蚀反应气体起稀释作用的气体统称为 辅助气体。 其中，优选地，所述含氟气体包括氟化氮。可选地，所述辅助气体包括氮气和氦气。
优选地，所述氟化氮的流量在5至15sccm之间。 优选地，所述氮气的流量在20至100sccm之间，所述氦气的流量在100至500sccm 之间。可选地，所述第二刻蚀在室温下进行，且工作时的腔室压力在20至60mTorr之间，
偏置功率在100至500W之间，源功率在50至200W之间。 可选地，所述辅助气体包括氮气、氧气、氦气、氢气中一种或其组合。 其中，所述刻蚀停止层可以为掺氮的碳化硅层。 本发明还提供了一种对应的双镶嵌结构的形成方法，包括步骤提供衬底，且在所 述衬底上具有下层导电结构，在所述下层导电结构上具有刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层 上具有第一介质层；在所述第一介质层上定义通孔图形；进行第一刻蚀，在所述第一介质 层内形成通孔开口 ，至曝露出所述刻蚀停止层；在所述第一介质层上及通孔开口内形成第 二介质层；在所述第二介质层上形成沟槽图形；进行第二刻蚀，形成与至少一个通孔开口 相连的沟槽；去除所述通孔开口内的第二介质层；进行第三刻蚀，去除所述通孔开口内的 刻蚀停止层，且所述第三刻蚀中所用的气体包括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应 气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小于氩气的气体。 其中，优选地，所述含氟气体包括氟化氮。可选地，所述辅助气体包括氮气和氦气。
优选地，所述氟化氮的流量在5至15sccm之间，所述氮气的流量在20至100sccm 之间，所述氦气的流量在100至500sccm之间。 可选地，所述第三刻蚀在室温下进行，且工作时的腔室压力在20至60mTorr之间， 偏置功率在100至500W之间，源功率在50至200W之间。 可选地，所述辅助气体还可以包括氮气、氧气、氦气、氢气中一种或其组合。
其中，所述刻蚀停止层可以为掺氮的碳化硅层。 本发明的通孔及双镶嵌形成方法，在LRM步骤中，利用质量较轻的气体代替传统 的氩气，以减小等离子体的轰击力，进而减小了该LRM步骤对刻蚀停止层侧壁的损伤，防止 了凹陷问题的出现。 本发明的通孔及双镶嵌结构的形成方法，采用了 NF3为刻蚀气体，其可以减少刻蚀 时所产生的聚合物，确保即使采用氮气等较轻的气体也可以将刻蚀过程中产生的聚合物去 除干净，改善了通孔或双镶嵌结构的电阻特性，进一步提高了通孔或双镶嵌结构的形成质量。
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第一实施例 本发明第一实施例说明了一种通孔的形成方法，图6为本发明第一实施例通孔形 成方法的流程图，图7至图10为描述本发明第一实施例中通孔形成过程的器件剖面示意 图。下面结合图6至图IO对本发明的第一实施例进行详细说明。 步骤601 :提供衬底，且在所述衬底上刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上具有介质层。 图7为本发明第一实施例中提供的衬底的剖面示意图，如图7所示，在衬底700上 形成了刻蚀停止层701及介质层702。 本实施例中的衬底700可以为已形成金属氧化物半导体晶体管的衬底，也可以为 已形成底层金属连线结构的衬底。 本实施例中的刻蚀停止层701是利用PECVD沉积形成的含氮的碳化硅层，其的刻 蚀速率与后面在其上生长的介质层702的刻蚀速率相比较低，以确保刻蚀通孔时能较均匀 地停止于该层内。 该刻蚀停止层701的厚度需要折衷考虑，即不能过薄(以防止过刻蚀，确保刻蚀 停止于该层内)，也不能过厚(后面去除时易损伤衬底)，通常可将其的厚度设置在300至
500A之间，如为300、400或500A。 本实施例中的介质层702为利用化学气相沉积方法形成的未掺杂的氧化硅层，其 的厚度通常可以设置在3500至5000 A之间，如为3500、4000或5000A。
步骤602 :在所述介质层上定义通孔图形。 图8为本发明第一实施例中形成通孔图形后的器件剖面示意图，如图8所示，在介 质层702上利用光刻胶定义了通孔图形705。 另外，在本发明的其它实施例中，当刻蚀的通孔较深时，为确保刻蚀过程中掩膜的 保护作用足够。还可以在利用光刻胶形成通孔图形705前，在介质层702上再形成一层硬 掩膜层，其的刻蚀速率与介质层702相差较大(如可以为氮化硅层)。然后，在利用光刻胶 在该硬掩膜层上定义通孔图形后，先对该硬掩膜层进行刻蚀，将通孔图形转移至该硬掩膜 层内，接着，再利用光刻胶与该图形化后的硬掩膜一起在通孔刻蚀过程中实现掩膜保护。
步骤603 :进行第一刻蚀，在所述介质层内形成通孔开口 ，至曝露出所述刻蚀停止 层。 图9为本发明第一实施例中形成通孔开口后的器件剖面示意图，如图9所示，本步 刻蚀后在介质层702内形成了通孔开口 707。由于下层的刻蚀停止层701的刻蚀速率要远 小于介质层702的刻蚀速率，本步刻蚀可以较均匀地停止于刻蚀停止层701内。
本实施例中，对该第一刻蚀工艺所用的工艺条件进行了优化，以达到较好的刻蚀
效果。优化后的工艺条件包括使用包含c;Fs和02的刻蚀气体，且二者的流量比可以在 4 : l至l : l之间，如为2 : l。例如，可以将C4F8的流量设置在15sccm， 02的流量设置 在石sccm。 除C4F8和02刻蚀气体外，优化后的第一刻蚀工艺中还可以通入CH2F2及Ar气体， 具体地，可将CH2F2的流量设置在5至15sccm之间，如为5、 10或15sccm ;将Ar的流量设置 在300至600sccm之间，如为300、450或600sccm。 本实施例中，该第一刻蚀过程中的腔室压力设置在20至80mTorr之间，如为20、60
8或80mTorr ;RF电源功率设置在2000至2500W之间，如为2000、2200或2500W。 步骤604 :进行第二刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第二刻蚀中
所用的气体包括含氟气体，不含氩气。 图IO为本发明第一实施例中去除刻蚀停止层后的器件剖面示意图，如图IO所示， 本步第二刻蚀将通孔开口内残留的刻蚀停止层701刻蚀去除。 为了防止本步刻蚀时在通孔侧壁下方出现凹陷(如图5中501所示)，本实施例中 利用质量较轻的气体，如氮气，代替传统的氩气，减小了等离子体对刻蚀停止层的轰击力， 进而减小了对刻蚀停止层侧壁的损伤，防止了凹陷的出现。 本实施例中通过大量实验及分析，得到了较为优选的工艺条件。例如，可以将本 步第二刻蚀设置为在室温下进行，且工作时的腔室压力在20至60mTorr之间，如20、40、 60mTorr等，偏置功率在100至500W之间，如100、200、300、400或500W等，源功率在50至 200W之间，如50、100、200W等。 本实施例中，在第二刻蚀过程中加入的气体可以有多种组合方式，如可以加入刻 蚀反应气体CHF3，及辅助气体N2和02三种气体，其中，CHF3作为刻蚀反应气体在刻蚀过程中 与曝露在外的通孔内的刻蚀停止层(本实施例中为含氮的碳化硅层)发生反应，将其去除； N2和02在刻蚀过程中在高压作用下成为等离子体，主要用于去除刻蚀过程中所产生的聚合 物，并对刻蚀反应气体有一定稀释作用。 本实施例中，CHF3的流量设置在20至40sccm之间，如为20、30或40sccm等；02的 流量设置在10至20sccm之间，如为10、14、18或20sccm等；N2的流量设置在20至100sccm 之间，如为20、40、60或100sccm等。 在本发明的另一实施例中，在第二刻蚀过程中加入CHF3、 N2和He三种气体，其中， CHF3作为刻蚀反应气体在刻蚀过程中与曝露在外的通孔内的刻蚀停止层发生反应，将其去 除；作为辅助气体的^在刻蚀过程中在高压作用下成为氮等离子体，主要用于去除刻蚀过 程中所产生的聚合物，并对刻蚀反应气体有一定稀释作用；作为辅助气体的He则主要用于 稀释刻蚀反应气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合物也有一定的清除作用。
该实施例中，CHF3的流量设置在10至40sccm之间，如为10、20、30或40sccm等； N2的流量设置在20至100sccm之间，如为20、40、60或100sccm等，He的流量设置在100至 500sccm之间，如为100、200、300、400或500sccm等。 在本发明的其它实施例中，还可以在第二刻蚀过程中除加入CH&夕卜，再加入包括 氮气、氧气、氦气、氢气中任一种或其组合作为辅助气体，其可用于稀释刻蚀反应气体，同时 对刻蚀过程中产生的聚合物也有一定的清除作用。 采用上述本发明第一实施例的方法形成的通孔，其侧壁下方的凹陷问题有明显改 善，但发现其形成的通孔的电阻值有所上升。经过分析认为，在第二刻蚀过程中，刻蚀反应 气体CHF3产生的聚合物较多，而在刻蚀过程中不再加入质量较重的氩气，改用其它质量较 轻的气体后，其轰击力下降，导致刻蚀过程中对产生的聚合物的去除力度不够，这使得第二 刻蚀后通孔内会残留部分聚合物，并引发了通孔电阻值上升的问题。 为解决这一 问题，在本发明的再另一实施例中，在第二刻蚀过程中将刻蚀反应气 体CH^更改为NF3，其不含碳，可以明显减少刻蚀过程中聚合物的产生量，使得即使因改用 较轻的气体后产生的轰击力变小，也可以确保通孔内的聚合物被去除干净。
如，可以在第二刻蚀中通入NF3、N2和He三种气体，其中，NF3作为刻蚀反应气体在 刻蚀过程中与曝露在外的通孔内的刻蚀停止层(本实施例中为含氮的碳化硅层)发生反 应，将其去除，同时，其产生的聚合物较少；作为辅助气体的^在刻蚀过程中在高压作用下 成为氮等离子体，主要用于去除刻蚀过程中所产生的聚合物，并对刻蚀反应气体有一定稀 释作用；作为辅助气体的He则主要用于稀释刻蚀反应气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合 物也有一定的清除作用。 该实施例中，可以将NF3的流量设置在5至15sccm之间，如为5、 10或15sccm等，
在该范围内，可以确保含氮的碳化硅层的刻蚀速率远高于介质层的氧化硅，如在i.5 : i以
上，因刻蚀停止层701较薄，该选择比即可实现去除刻蚀停止层701的同时，介质层702不 受损伤或损伤较小。 另外，NF3的流量对刻蚀速率有较大影响，在对其流量进行选择时也要对此加以考 虑。如其它工艺条件不变，若NF3流量为5sccm，其刻蚀速率在300A/min左右，而当NF3流量 为10sccm时，其刻蚀速率在680A/min;当NF3流量为15sccm时，其刻蚀速率在815A/min。 如果对NF3的流量选择不当，一则会导致刻蚀停止层与介质层间的选择比不合适， 损伤介质层；二则可能会使得刻蚀速率过快或过慢，而该层厚度不大，这将会导致本步工艺 不易控制。 该实施例中，可以将N2的流量设置在20至100sccm之间，如为20、40、60或
100sccm等。N2的主要作用是清除聚合物，虽然采用NF3后，聚合物明显减少，但若对^流
量选择不当，也会导致聚合物去除不彻底，表现为各通孔的电阻值分散。He的流量设置在100至500sccm之间，如为100、200、300、400或500sccm等。
He主要是稀释作用，其的流量大小对刻蚀速率也会有影响，如其它工艺条件不变，He流量
为100sccm时刻蚀速率为720 A/min，流量为300sccm时刻蚀速率为665 A/min,流量为
500sccm时刻蚀速率为500 A/min。因此，对He的流量也需要进行优化处理。 在本发明的其它实施例中，在第二刻蚀过程中采用NF3作为刻蚀反应气体时，也可
以加入包括氮气、氧气、氦气、氢气中的任一种或其组合的气体作为辅助气体，用于稀释刻
蚀反应气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合物也起到一定的清除作用。 采用NF3作为刻蚀反应气体，同时加入质量较轻的气体作为辅助气体后，不仅通孔
侧壁下方处的凹陷问题得到解决，通孔的电阻特性也得到了明显改善，说明其内的聚合物
残留问题也已解决。 本实施例中形成的刻蚀图形为通孔，在本发明的其它实施例中，也可以利用本发
明的方法形成其它刻蚀图形，如接触孔等。 第二实施例 半导体工艺技术进入0. 18微米以后，器件的特征尺寸进一步縮小，互连线的RC延 迟逐渐成为影响电路速度的主要矛盾，为改善这一点，开始采用由金属铜制作金属互连线 结构的工艺方法。与传统的铝工艺相比，铜工艺的优点在于其电阻率较低，导电性更好，由 其制成的内连接导线可以在保持同等甚至更强电流承载能力的情况下做得更小、更密集。 此外，其在电迁移、RC延迟、可靠性和寿命等方面也比铝工艺具有更大的优势。由于铜金属 不易刻蚀的特点，铜金属连线的制作需要采用双镶嵌的结构来实现，而在65nm以下工艺结 点中制作形成双镶嵌结构中的通孔时，同样也存在着上述凹陷问题。
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本发明第二实施例说明了一种双镶嵌结构的形成方法，其可以克服上述凹陷问 题。图11为本发明第二实施例双镶嵌结构形成方法的流程图，图12至图19为说明本发明 第二实施例中双镶嵌结构形成过程的器件剖面示意图。下面结合图11至图19对本发明的 第二实施例进行详细说明。 步骤1101 :提供衬底，且在所述衬底上具有下层导电结构，在所述下层导电结构 上具有刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上具有第一介质层。 图12为本发明第二实施例中提供的衬底的剖面示意图，如图12所示，在衬底1200
上形成了刻蚀停止层1201及第一介质层1202。其中，下层导电结构未示出。 本实施例中的衬底1200可以为已形成金属氧化物半导体晶体管的衬底，也可以
为已形成底层金属连线结构的衬底。 为了提高刻蚀图形在刻蚀深度方面的均匀性、一致性，通常在衬底上形成第一介 质层之前，会先生长一层刻蚀停止层。在O. 13微米以上的工艺中，该层一般采用氮化硅材 料，而0. 13微米以下的工艺中，为了与低k值的介质材料更好地匹配，该刻蚀停止层通常为 含氮或含氧的碳化硅层。本实施例中的刻蚀停止层1201是利用PECVD沉积形成的含氮的 碳化硅层，其的刻蚀速率与后面在其上生长的第一介质层1202的刻蚀速率相比较低，以确 保通孔刻蚀时能较均匀一致地停止于该层内。 该刻蚀停止层1201的厚度需要折衷考虑，即不能过薄(以防止过刻蚀，确保刻蚀 停止于该层内)，也不能过厚(后面去除时易损伤衬底)，通常可将其的厚度设置在300至
500A之间，如为300、400或500A。 对于高集成度、高速器件，为降低寄生电容，第一介质层1202必须选择低k值的介 质层，如利用化学气相沉积方法形成的掺氟的氧化硅(FSG)，掺碳的氧化硅(CDO)，未掺杂 的氧化硅(USG)层，或者采用旋涂的方式(SOD)利用液态的胶状氧化硅基材料形成的多孔 介质层等。本实施例中选用的是具有低k值的化学气相沉积方法制成的黑钻石(BD，Black Diamond)材料。其的厚度通常可以设置在3500至8000 A之间，如为3500、4000、6500或 8000 A。 另外，在本发明的其它实施例中，该第一介质层1202还可以由多层介质材料组 成，如可以包括一层BD材料层，一层USG材料层等。
步骤1102 :在所述第一介质层上定义通孔图形。 图13为本发明第二实施例中形成通孔图形后的器件剖面示意图，如图13所示，在 介质层1202上利用光刻胶定义了通孔图形1204。 本实施例中，是直接以光刻胶为掩膜对通孔进行刻蚀的，在本发明的其他实施例
中，还可以在第一介质层1202上再形成一层硬掩膜层(如可以生长一层氮化硅层作为硬掩
膜)，先对该硬掩膜进行图形化处理，再以其为掩膜对其下的第一介质层1202进行刻蚀形
成通孔开口 ；或者在对该硬掩膜层进行图形化后，再以光刻胶及该硬掩膜层一起作为掩膜
进行通孔开口的刻蚀，该硬掩膜层的存在，可以令形成的通孔边缘形状更好。 步骤1103 :进行第一刻蚀，在所述第一介质层内形成通孔开口，至曝露出所述刻
蚀停止层。 图14为本发明第二实施例中形成通孔开口后的器件剖面示意图，如图14所示，本 步刻蚀后在第一介质层1202内形成了通孔开口 1205。由于下层的刻蚀停止层1201的刻蚀
11速率要远小于第一介质层1202的刻蚀速率，本步刻蚀会停止于刻蚀停止层1201内。
本实施例中，对该第一刻蚀工艺所用的工艺条件进行了优化，以达到较好的刻蚀
效果。优化后的工艺条件包括使用包含c;Fs和02的刻蚀气体，且二者的流量比可以在 4 : i至i : l之间，如为2 : i。例如，可以将c4f8的流量设置在i5SCCm， o2的流量设置
在石sccm。 除C4F8和02刻蚀气体外，优化后的第一刻蚀工艺中还可以通入CH2F2及Ar气体， 具体地，可将CH2F2的流量设置在5至15sccm之间，如为5、 10或15sccm ;将Ar的流量设置 在300至600sccm之间，如为300、450或600sccm。本实施例中，该第一刻蚀过程中的腔室压力设置在20至80mTorr之间，如为20、60 或80mTorr ;RF电源功率设置在2000至2500W之间，如为2000、2200或2500W。
步骤1104 :在第一介质层上及通孔开口内形成第二介质层。 图15为本发明第二实施例中形成第二介质层后的器件剖面示意图，如图15所示， 第一刻蚀完成后，去除了残留的光刻胶，接着，在第一介质层1202上及通孔开口 1205内覆 盖了第二介质层1206。 本实施例中，为了较好地填充通孔1205，同时能得到较为平坦的表面，该第二介质
层1206采用了利用旋涂方法形成的DUO材料层。 步骤1105 :在所述第二介质层上形成沟槽图形。 图16为说明本发明第二实施例中形成沟槽图形后的器件剖面图，如图16所示，本
步通常是利用光刻技术在第二介质层1206上定义出沟槽的图形1207。 步骤1106 :进行第二刻蚀，形成与至少一个通孔开口相连的沟槽。 图17为说明本发明第二实施例中进行第二刻蚀后的器件剖面示意图，如图17所
示，利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的第二介质层1206及部分第一介质层1202。 步骤1107 :去除所述通孔开口内余下的第二介质层。 图18为说明本发明第二实施例中形成双镶嵌结构开口后的器件剖面示意图，如 图18所示，利用干法刻蚀技术刻蚀未被光刻胶保护的第二介质层1206及部分第一介质层 1202，形成与至少一个通孔开口 1205相连的沟槽1208，再去除通孔开口 1205内余下的第 二介质层1206。再去除第二介质层1206表面所残留的光刻胶，就形成了与至少一个通孔 1205相连的沟槽1208。 形成的沟槽1208下方的通孔1205可以有一个或多个，其是根据电路的功能设计 安排每一个沟槽下所对应的通孔的情况，通常至少会有一个。形成沟槽1208后，还需要将 位于通孔开口 1205底部的刻蚀停止层1201去除。 步骤1108 :进行第三刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第三刻蚀 中所用的气体包括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体 包括质量小于氩气的气体。 图19为本发明第二实施例中去除刻蚀停止层后的器件剖面示意图，如图19所示， 本步第三刻蚀将通孔开口 1205内残留的刻蚀停止层1201刻蚀去除。 为了防止本步刻蚀时在通孔侧壁下方出现凹陷，本实施例中利用质量较轻的气体 作为辅助气体，如氮气，代替传统的氩气，减小了等离子体对刻蚀停止层的轰击力，进而减 小了对刻蚀停止层侧壁的损伤，防止了凹陷的出现。
本实施例中通过大量实验及分析，得到了较为优选的工艺条件。例如，可以将本 步第三刻蚀设置为在室温下进行，且工作时的腔室压力在20至60mTorr之间，如20、40、 60mTorr等，偏置功率在100至500W之间，如100、200、300、400或500W等，源功率在50至 200W之间，如50、100、200W等。 本实施例中，在第三刻蚀过程中加入的气体可以有多种组合方式，如可以加入 CHF3、N2和02三种气体，其中，CHF3作为刻蚀反应气体在刻蚀过程中与曝露在外的通孔内的 刻蚀停止层(本实施例中为含氮的碳化硅层)发生反应，将其去除；N2和02作为辅助气体 在刻蚀过程中在高压作用下成为等离子体，主要用于去除刻蚀过程中所产生的聚合物，并 对刻蚀反应气体有一定稀释作用。 本实施例中，CHF3的流量设置在20至40sccm之间，如为20、30或40sccm等；02的 流量设置在10至20sccm之间，如为10、14、18或20sccm等；N2的流量设置在20至100sccm 之间，如为20、40、60或100sccm等。 图20为本发明第二实施例中形成的双镶嵌结构的剖面图，如图20所示，采用本发 明第二实施例方法形成的双镶嵌结构的通孔侧壁下方处已不再有凹陷问题(如图中2001 的圆圈所示)。 在本发明的另一实施例中，在第三刻蚀过程中加入CHF3、 N2和He三种气体，其中， CHF3作为刻蚀反应气体在刻蚀过程中与曝露在外的通孔内的刻蚀停止层发生反应，将其去 除；作为辅助气体的^在刻蚀过程中在高压作用下成为氮等离子体，主要用于去除刻蚀过 程中所产生的聚合物，并对刻蚀反应气体有一定稀释作用；作为辅助气体的He则主要用于 稀释刻蚀反应气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合物也有一定的清除作用。
该实施例中，CHF3的流量设置在10至40sccm之间，如为10、20、30或40sccm等; N2的流量设置在20至100sccm之间，如为20、40、60或100sccm等，He的流量设置在100至 500sccm之间，如为100、200、300、400或500sccm等。 在本发明的其它实施例中，除了在第三刻蚀过程中加入CHF3夕卜，还可以加入包括 氮气、氧气、氦气、氢气中的任一种或其组合的气体作为辅助气体，其可用于稀释刻蚀反应 气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合物也有一定的清除作用。 采用上述本发明第二实施例的方法形成的双镶嵌结构，其通孔侧壁下方的凹陷问 题有明显改善，但发现其形成的结构的电阻值有所上升。经过分析认为，在第三刻蚀过程 中，刻蚀反应气体CHF3产生的聚合物较多，而在刻蚀过程中不再加入质量较重的氩气，改用 其它质量较轻的辅助气体后，其轰击力下降，导致刻蚀过程中对产生的聚合物的去除力度 不够，这使得第三刻蚀后通孔内会残留部分聚合物，并引发了通孔电阻值上升的问题。
为解决这一问题，在本发明的再另一实施例中，在第三刻蚀过程中将刻蚀反应气 体CH^更改为NF3，其不含碳，可以明显减少刻蚀过程中聚合物的产生量，使得即使因采用 较轻的辅助气体后产生的轰击力变小，也可以确保通孔内的聚合物被去除干净。
如，可以在第三刻蚀中通入NF3、N2和He三种气体，其中，N^作为刻蚀反应气体在 刻蚀过程中与曝露在外的通孔内的刻蚀停止层(本实施例中为含氮的碳化硅层)发生反 应，将其去除，同时，其产生的聚合物较少；作为辅助气体的^在刻蚀过程中在高压作用下 成为氮等离子体，主要用于去除刻蚀过程中所产生的聚合物，并对刻蚀反应气体有一定稀 释作用；作为辅助气体的He则主要用于稀释刻蚀反应气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合物也有一定的清除作用。 该实施例中，可以将NF3的流量设置在5至15sccm之间，如为5、 10或15sccm等，
在该范围内，可以确保含氮的碳化硅层的刻蚀速率远高于介质层的氧化硅，如在i.5 : i以
上，因刻蚀停止层1201较薄，该选择比即可实现去除刻蚀停止层1201的同时介质层1202 不受损伤或损伤较小。 另外，NF3的流量对刻蚀速率有较大影响，在对其流量进行选择时也要对此加以考 虑。如其它工艺条件不变，若NF3流量为5sccm，其刻蚀速率在300A/min左右，而当NF3流量 为10sccm时，其刻蚀速率在680A/min;当NF3流量为15sccm时，其刻蚀速率在815A/min。 如果对NF3的流量选择不当， 一则会导致刻蚀停止层与介质层间的选择比不合适， 损伤介质层；二则可能会使得刻蚀速率过快或过慢，而该层厚度不大，这将会导致本步工艺 不易控制。 该实施例中，可以将N2的流量设置在20至100sccm之间，如为20、40、60或 100sccm等。N2的主要作用是清除聚合物，虽然采用NF3后，聚合物明显减少，但若对^流 量选择不当，也会导致聚合物去除不彻底，表现为各通孔的电阻值分散。
该实施例中，可以将He的流量设置在100至500sccm之间，如为100、200、300、 400或500sccm等。He主要是稀释作用，其的流量大小对刻蚀速率也会有影响，如其它工 艺条件不变，He流量为100sccm时刻蚀速率为720 A/min，流量为300sccm时刻蚀速率为 665 A/min，流量为500sccm时刻蚀速率为500 A/min。因此，对He的流量也需要进行优化 处理。 在本发明的其它实施例中，在第三刻蚀过程中采用NF3作为刻蚀反应气体时，也可
以加入包括氮气、氧气、氦气、氢气中任一种或其组合的气体作为辅助气体，用于稀释刻蚀 反应气体，同时对刻蚀过程中产生的聚合物也起到一定的清除作用。 采用NF3作为刻蚀反应气体，同时加入质量较轻的气体作为辅助后，不仅通孔侧壁 下方处的凹陷问题得到解决，通孔的电阻特性也得到了明显改善，说明其内的聚合物残留 问题也已解决。 接着，再对通孔开口 1205及沟槽1208进行金属化处理，形成双镶嵌结构。
图21为本发明采用NF3后形成的双镶嵌结构的剖面图，如图21所示，本发明采用 NF3后形成的双镶嵌结构的通孔侧壁下方处也已不再有凹陷问题(如图中2101的圆圈所 示)。 图22为本发明采用NF3后形成的双镶嵌结构的电阻特性图，如图22所示，图中横 坐标为氮气流量，纵坐标为本发明采用NF3后形成的双镶嵌结构的电阻值，2201为实验得到 的数据，可以看到，通过对氮气流量的调整，可以令形成的双镶嵌结构的电阻值的一致性较 为理想。 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
1权利要求
一种通孔的形成方法，其特征在于，包括步骤提供衬底，且在所述衬底上具有刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上具有介质层；在所述介质层上定义通孔图形；进行第一刻蚀，在所述介质层内形成通孔开口，至曝露出所述刻蚀停止层；进行第二刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第二刻蚀中所用的气体包括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小于氩气的气体。
2. 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述含氟气体包括氟化氮。
3 如权利要求2所述的形成方法，其特征在于所述辅助气体包括氮气和氦气。
4. 如权利要求3所述的形成方法，其特征在于所述氟化氮的流量在5至15sccm之间。
5. 如权利要求4所述的形成方法，其特征在于所述氮气的流量在20至100sccm之间， 所述氦气的流量在100至500sccm之间。
6. 如权利要求1或5所述的形成方法，其特征在于所述第二刻蚀在室温下进行，且工 作时的腔室压力在20至60mTorr之间，偏置功率在100至500W之间，源功率在50至200W 之间。
7. 如权利要求2所述的形成方法，其特征在于所述辅助气体包括氮气、氧气、氦气、氢气中一种或其组合。
8. 如权利要求1所述的形成方法，其特征在于所述刻蚀停止层为掺氮的碳化硅层。
9. 一种双镶嵌结构的形成方法，其特征在于，包括步骤提供衬底，且在所述衬底上具有下层导电结构，在所述下层导电结构上具有刻蚀停止 层，在所述刻蚀停止层上具有第一介质层； 在所述第一介质层上定义通孔图形；进行第一刻蚀，在所述第一介质层内形成通孔开口 ，至曝露出所述刻蚀停止层； 在所述第一介质层上及通孔开口内形成第二介质层； 在所述第二介质层上形成沟槽图形； 进行第二刻蚀，形成与至少一个通孔开口相连的沟槽； 去除所述通孔开口内的第二介质层；进行第三刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第三刻蚀中所用的气体包 括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小于氩 气的气体。
10. 如权利要求9所述的形成方法，其特征在于所述含氟气体包括氟化氮。
11. 如权利要求10所述的形成方法，其特征在于所述辅助气体包括氮气和氦气。
12. 如权利要求11所述的形成方法，其特征在于所述氟化氮的流量在5至15sccm之间。
13. 如权利要求12所述的形成方法，其特征在于所述氮气的流量在20至100sccm之 间，所述氦气的流量在100至500sccm之间。
14. 如权利要求9或13所述的形成方法，其特征在于所述第三刻蚀在室温下进行，且 工作时的腔室压力在20至60mTorr之间，偏置功率在100至500W之间，源功率在50至200W 之间。
15. 如权利要求10所述的形成方法，其特征在于所述辅助气体包括氮气、氧气、氦气、氢气中一种或其组合。
16. 如权利要求9所述的形成方法，其特征在于所述刻蚀停止层为掺氮的碳化硅层。
全文摘要
本发明公开了一种通孔的形成方法，包括步骤提供衬底，且在所述衬底上具有刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上具有介质层；在所述介质层上定义通孔图形；进行第一刻蚀，在所述介质层内形成通孔开口，至暴露出所述刻蚀停止层；进行第二刻蚀，去除所述通孔开口内的刻蚀停止层，且所述第二刻蚀中所用的气体包括刻蚀反应气体及辅助气体，其中，刻蚀反应气体包括含氟气体，辅助气体包括质量小于氩气的气体。本发明还公开了对应的一种双镶嵌结构的形成方法，本发明的通孔及双镶嵌形成方法避免了在通孔侧壁下方出现凹陷的问题，提高了通孔或双镶嵌结构的形成质量。
文档编号H01L21/311GK101740477SQ200810225760
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者孙武, 尹晓明, 王新鹏 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司