专利名称：一种多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法
一种多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法技术领域
本发明属于超大规模集成电路制造技术领域，具体为一种多孔低介电常数材料 SiCOH薄膜的刻蚀方法。
背景技术：
随着集成电路进入超大规模领域，功耗和信号串扰问题已经使得互连工艺中RC 耦合延迟成为制约半导体工业继续向前发展的最大瓶颈之一。根据国际半导体蓝图(ITRS) 对低介电常数(low-k)材料介电常数值提出的要求⑴，在45nm以下工艺中，k值应处于2.0-2. 7之间，多孔低介电常数材料SiCOH成为最有潜力的候选材料之一。而对于多孔 SiCOH薄膜刻蚀的应用却遇到了很多瓶颈，比如边墙坍塌、刻蚀气体残留，有效k值增加等。这使得多孔SiCOH材料在更小特征尺寸下的应用遇到越来越多的挑战。
传统刻蚀气体(CF4X2F6等)已经广泛并相对成熟地应用于传统互连介质SiO2和致密low-k材料(k>3. O)中，而对于多孔低k材料SiCOH薄膜的刻蚀效果却不尽如人意。这是因为大量孔隙的存在使得多孔SiCOH薄膜在刻蚀过程中受污染程度要大大高于传统互连介质，由此引起的有效k值明显上升的问题给刻蚀工艺带来了严峻的挑战。另外，传统刻蚀气体也会带来保形性方面的问题，这是因为传统的刻蚀气体中氟(F)的自由基浓度较高， 在薄膜材料中会发生游离扩散，致使薄膜沟槽两侧形成凹陷，造成图案歪曲，甚至会引起沟槽图案崩塌。此外，刻蚀过程中加入氧气后虽然能够增加刻蚀速率，但由于大量氧离子的轰击作用会对薄膜造成较大的损伤，影响薄膜的各项性能。最后，传统刻蚀方法所得到的材料或多或少都有一定的碳氟颗粒的沉积，这就需要在刻蚀之后通入高气压的氧气来去除碳氟颗粒。除此之外，刻蚀工艺还遇到粗糙度、气体选择性、刻蚀速率等问题，这些都 给互连工艺带来了严重的制约瓶颈。因此，寻找一种高效(高保形、低污染、低粗糙度等)的刻蚀方法具有非常重要的实际意义。
参考文献I!International Technology Roadmap for Semiconductors, www.1trs. net (2007)2]Eiichi Soda et al. , JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY A ,26(4),875 (2008)3刘卉敏等，苏州大学学报(自然科学版)，27(2)，53 (2011 )。发明内容
本发明的目的在于提供一种高保形、低污染、低粗糙度，且成本相对较低的多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法。
本发明提供的多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法，具体步骤如下(1)在洁净的单晶硅片上形成一层多孔SiCOH薄膜，其中薄膜介电常数值为2.2-2. 7 ；(2)对上述薄膜进行曝光和显影，形成排列有序的光刻图案；(3)将上述带图案的单晶硅片移入反应离子刻蚀腔体中，进行SiCOH薄膜的刻蚀，刻蚀气体采用由CF31、C4F8、02组成的混合气体，其中CF3I流量范围为20-60SCCm，C4F8流量范围为20_60sccm,氧气流量范围为1. 2sccm_8sccm ；
所述刻蚀工艺中，调节高频离子源功率为250W-500W，低频偏置功率为10-40W;
所述刻蚀工艺中，保持腔体气体压强为2-15mT0rr ；
(4)刻蚀结束后通入流量范围为400-1000sccm，气压为5-lOmTorr的氧气来进行灰化处理，处理持续时间为10-40s ；
上述灰化处理过程中，控制高频离子源功率为100-600W，低频偏置功率为10-100W。本发明提供的多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法，以CF3I/C4F8混合气体作为刻蚀气体源，并加入相对含量较低的氧气，在高频功率下形成等离子，通过调节混合气体流量比对多孔低介电常数材料SiCOH薄膜进行刻蚀。由于氧气含量较低，约为混合气体 总量的3%左左右，所以不会影响到SiCOH/光刻胶的刻蚀选择性。此外，由于等离子体中F的含量比传统刻蚀等离子体中F的含量大大降低，因而刻蚀后所得材料薄膜具有很好的图案保真性能，相对较低的粗糙度。另外，由于氧气的加入，刻蚀后的薄膜没有碳氟颗粒的沉积，这就使得后续灰化处理工艺变得简单，本发明所采用的通入高流量、低气压的氧气的方法，使得处理时间缩短，可以大大降低灰化工艺给薄膜带来的损伤。本发明具有以下优点
(I)采用本发明刻蚀得到的薄膜没有残余颗粒沉积，避免了传统灰化工艺对薄膜的进一步损伤，也降低了工艺成本。(2)刻蚀后所得薄膜粗糙度很小，并具有很好的图案保真效果，与45nm以下超大规模集成电路制造具有更好的兼容性。(3)本发明所采用的刻蚀气体对于low-k/Si的刻蚀选择性相对于传统单一刻蚀气体高,因此刻蚀工艺的可控性很强。(4)本发明所采用的气体成本廉价，使用范围广泛，有望适用于大量互连介质的刻蚀工艺。
图1为传统方法刻蚀多孔SiCOH薄膜的效果示意图。从图中可以看出首先，刻蚀后薄膜的沟槽内表面发生了弯曲，因而保形性比较差，这主要是因为传统碳氟气体刻蚀过程中等离子体中的F含量很高，扩散到薄膜表面上会游离到沟槽侧壁，与侧壁发生反应，影响图案形状；其次，刻蚀后薄膜表面会有碳氟颗粒的沉积，引入了杂质，进而会影响薄膜材料的各项性能。图2本发明方法刻蚀多孔SiCOH薄膜的效果示意图。
具体实施例方式利用等离子体增强化学汽相淀积方法，在经过标准清洗工艺的单晶硅片上淀积一层多孔SiCOH薄膜，其中薄膜的介电常数值为2. 2-2. 7 ；
(1)对上述薄膜进行曝光和显影工艺后，形成了排列有序的光刻图案；
(2)将上述带图案的晶圆移入反应离子刻蚀腔体中进行SiCOH薄膜的刻蚀，刻蚀气体采用由CF31、C4F8, O2组成的混合气体，其中CF3I流量范围为20-60SCCm，C4F8流量范围为20_60sccm,氧气流量范围为1. 2sccm_8sccm ；(3)上述刻蚀工艺中所采用的高频离子源功率为250-500W，低频偏置功率为10-40W；(4)上述刻蚀工艺中，腔体气体压强保持在2-15mTorr；(5)刻蚀结束后通入流量范围为400-1000sccm，气压为5_10mTorr的氧气进行灰化处理，其中处理持续时间为10-40s ；(6)上述灰化处理过程中高频离子源功率为100-600W，低频偏置功率为10-100W。
图2给出了本发明方法刻蚀多孔SiCOH薄膜的效果示意图。从图中可以看出(1) 刻蚀后薄膜的保形性非常好，这主要是因为CF31、C4F8、02混合等离子中F的含量很少，因而它不会游离到侧壁并与材料发生反应；(2)刻蚀后薄膜表面没有碳氟颗粒的沉积，这主要是因为氧气的加入在刻蚀过程中一方面与碳氟颗粒发生反应，生成挥发性气体，另一方面氧离子在刻蚀过程中轰击沟槽底部，抑制了碳氟颗粒的沉积。
本发明所提供的刻蚀方法刻蚀速率相对于传统刻蚀方法较高，可用于大批量生产，并与45nm以下超大规模集成电路具有很好的工艺兼容性。
权利要求
1.一种多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法，其特征在于具体步骤为(1)在洁净的单晶硅片上形成一层多孔SiCOH薄膜，其中薄膜介电常数值为2.2-2. 7 ；(2)对上述薄膜进行曝光和显影，形成排列有序的光刻图案；(3)将上述带图案的单晶硅片移入反应离子刻蚀腔体中，进行SiCOH薄膜的刻蚀，刻蚀气体采用由CF31、C4F8、02组成的混合气体，其中CF3I流量范围为20-60sCCm，C4F8流量范围为20_60sccm,氧气流量范围为1. 2sccm_8sccm ；(4)刻蚀结束后通入流量范围为400-1000sccm，气压为5-lOmTorr的氧气来进行灰化处理，处理持续时间为10-40s。
2.根据权利要求1所述的多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法，其特征在于 步骤(3)所述刻蚀过程中，调节高频离子源功率为250W-500W，低频偏置功率为10-40W。
3.根据权利要求1所述的多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法，其特征在于 步骤(3)所述刻蚀过程中，保持腔体气体压强为2-15mT0rr。
4.根据权利要求1所述的多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法，其特征在于步骤(4)所述灰化处理过程中，控制高频离子源功率为100-600W，低频偏置功率为 1O-1OOff0
全文摘要
本发明属于超大规模集成电路制造技术领域，具体为一种多孔低介电常数材料SiCOH薄膜的刻蚀方法。本发明以CF3I和C4F8作为多孔SiCOH薄膜的主要刻蚀气源，并添加O2作为氧化剂，通过调节刻蚀各气源的流量比，实现对多孔低介电常数SiCOH薄膜的高效刻蚀。刻蚀后所获得的薄膜受损伤程度较小、残留杂质浓度很低，并且具有优越的图案保形性能，适用于45nm以下的超大规模集成电路制造工艺。
文档编号H01L21/311GK103000513SQ201210554308
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者丁士进, 蒋涛, 王鹏飞, 张卫 申请人:复旦大学