专利名称：除去光刻胶和蚀刻残渣的方法
技术领域：
本发明涉及等离子体处理，特别地涉及在半导体微型制造中在蚀刻工艺之后接着清洗和除去光刻胶和蚀刻残渣。
背景技术：
等离子体处理系统用于制造和处理半导体、集成电路、显示器和其它器件或材料，以便从基片如半导体基片上除去材料，或在其上沉积材料。等离子体处理半导体基片，将集成电路的图案从平板印刷掩模中转印到基片上或在基片上沉积电介质或导电膜，在工业上已成为标准方法。在其中蚀刻各类膜的半导体处理中，仍存在一体化的挑战和折衷。常规地，使介电层构图具有通道供沉积导电材料形成垂直触点。在构图工艺过程中，抗蚀刻的光刻胶层和/或硬质掩模层沉积在暴露于选择图案并显影的介电层上。然后在等离子体环境中蚀刻层状结构，在该环境内构图的光刻胶层确定了介电层内的通道。在蚀刻步骤之后，经常在蚀刻过的地形和腔室表面上观察到光刻胶残余物和蚀刻残渣(例如聚合物碎片)。在等离子体清洗(也称为就地灰化)中一体化的挑战之一是，成功地除去光刻胶残余物和蚀刻残渣，同时避免腐蚀周围层。已知的系统已采用一步灰化方法，其中在整个灰化工艺过程中维持施加到基片上的偏压恒定。卤代烃气体常用于介电层如氧化物和最近含SiOC的低k介电材料的蚀刻上。已知这些气体生成氟烃聚合物蚀刻产物，该产物在介电蚀刻过程中可沉积在工艺腔室的内表面上以及沉积在基片表面上。
图1示出了一步灰化工艺的例示性截面视图。在从结构100中除去光刻胶106的常规一步灰化工艺过程中，从腔室壁中剥离/蚀刻氟烃聚合物(常称为记忆效应)并且可进攻下面的介电层104和覆盖层102(例如SiN，SiC)，从而导致介电层的刻面(faceting)108和覆盖层的损失110，有时甚至击穿覆盖层102并进攻下面的导电层(例如铜)。由于靠近腔室壁处高的氟烃聚合物浓度导致在晶片边缘处这一效应可能非常高。或者，结构100也可含有氟烃聚合物沉积物。在常规的一步灰化工艺过程中，可在含氧等离子体内除去光刻胶。为了避免后灰化残渣的形成，向基片支架上施加一定的偏压功率。在该工艺过程中，来自前一介电蚀刻的在腔室壁上的氟烃沉积物也被蚀刻，从而在等离子体内释放氟基团。当向基片支架上施加偏压时，这些氟基团可腐蚀下面的介电膜并消耗覆盖层。通过降低偏压或施加零偏压，可降低介电膜的腐蚀和覆盖层的消耗，但仍可观察到后蚀刻残渣。可能导致上述腔室问题的常规一步灰化工艺，可包括下述等离子体工艺条件腔室压力＝50mTorr，RF偏压＝150W，氧气流速＝200sccm。在半导体的制造中，常在工艺腔室内进行常规的一步灰化工艺，在所述工艺腔室内，内部腔室表面(和待灰化的基片)可含有来自前一介电蚀刻工艺的氟烃基聚合物沉积物。或者，可在已清洗掉来自前面蚀刻工艺中的聚合物沉积物的工艺腔室内进行一步灰化工艺。
发明概述本发明的目的是提供等离子体处理方法，从基片上除去光刻胶残余物和蚀刻残渣，并与一步灰化相比，降低周围基片层的腐蚀。使用两步就地等离子体灰化工艺，利用含有含氧气体的工艺气体(process gas)来实现上述和其它目的。在第一灰化步骤过程中，向基片驻留其上的基片支架施加第一低或零偏压电平(level)，同时在第二灰化步骤过程中施加第二偏压电平。在其中向基片施加低或零偏压的第一灰化步骤过程中，在基片上和在工艺腔室的内表面/壁上的大量光刻胶残余物和蚀刻残渣被蚀刻并从腔室中除去，同时最小化其余基片层的腐蚀。在第二灰化步骤过程中，施加增加的偏压，和持续灰化工艺，一直到除去光刻胶残余物和蚀刻残渣。
附图简述参考下述详细说明，特别地当结合附图考虑时，本发明更全面的理解和它的许多附带优点将容易地变得显而易见，其中图1示出了一步灰化工艺的例示性截面视图；图2示出了两步灰化工艺的例示性截面视图；图3图示了在灰化工艺过程中覆盖层的损失；图4A-4C示出了灰化工艺的发射光谱图(OES)；和图5图示了介电侧壁的损失。
实施方案的详细说明在本发明的一个实施方案中，利用两步等离子体灰化工艺，从处理腔室内除去光刻胶残余物和蚀刻残渣。在其中向基片驻留其上的基片支架施加零或低偏压的第一灰化步骤过程中，来自前一蚀刻工艺的大量光刻胶残余物和蚀刻残渣被蚀刻并从腔室中除去，且其余基片层的腐蚀最小。在第二灰化步骤过程中，向基片支架施加增加的偏压，和持续灰化工艺，一直到除去光刻胶和/或硬质掩模残余物和后蚀刻残渣。本发明的两步就地灰化工艺通过满足至少下述之一可减少许多上述缺点1)最小化覆盖层的消耗；2)最小化地形顶部处的介电刻面/腐蚀，并降低后蚀刻/临界尺寸(CD)偏压；3)最小化后灰化残渣；4)最小化就地灰化过程中低k介电膜诱导的损坏(“k”值下降)；和5)提供自动腔室干洗，进而增加腔室清洗之间的平均时间。图2示出了两步灰化工艺的例示性截面视图。在两步氧气灰化工艺中的第一灰化步骤120之中，在晶片上的光刻胶106和在腔室壁(未示出)与晶片上沉积的氟烃聚合物112被蚀刻。当施加零或低偏压时，最小化介电层104的腐蚀和覆盖层102的消耗。在第一灰化步骤120之中，干洗腔室的任何聚合物残渣。第一灰化步骤120的长度可以基于时间和可留下小量的后蚀刻残渣110和可能在基片上的小量光刻胶106。在第二灰化步骤130之中，施加偏压，和进行灰化，其时间足以除去任何后灰化残渣110和任何残留光刻胶106。两步就地灰化工艺的工艺参数空间(space)，可以例如利用20-1000mTorr的腔室压力，20-1000sccm的工艺气体流速，和在第一灰化步骤中小于约100W的RF偏压，和在第二灰化步骤中大于约100W的RF偏压。尽管披露了如此使用的RF偏压，但也可使用DC偏压，或者可以使用DC偏压替代RF偏压。另外，在灰化工艺过程中可改变腔室压力。例如，第一步的腔室压力可不同于第二步。此外，在灰化工艺过程中可改变工艺气体的组成。例如，第一步的工艺气体(和在工艺气体内不同气体的流速比)可不同于第二步。可单独使用工艺气体如氧气，但也可与其它气体(例如惰性稀有气体，如He和Ar，和N2)结合使用。或者，在两步工艺过程中，当基本上所有(但不是全部)聚合物已从腔室中除去时，可施加偏压，以便增加产量，但代价是再引入常规一步工艺的一些影响。此外，尽管如上所述仅仅使用单一的偏压，但也可使用可变的偏压。例如，在第二步之前、之中或之后，偏压可从0W(连续或逐步(例如递增10W))增加到约100W。如上所述，第一步的持续时间应当足够长到完全从腔室壁和晶片表面上除去氟烃材料。例如，第一步的持续时间范围可以是10秒-100秒，优选第一步的持续时间范围是20-50秒。类似地，第二步的持续时间应当足够长到除去任何后蚀刻残渣和任何残留的光刻胶。例如，第二步的持续时间范围可以是10秒-100秒，优选第二步的持续时间范围是20-50秒。或者，在图2的两步灰化工艺中，可使用终点检测来确定第一步120和第二步130的终点。终点检测的一种可能方法是，监控当表明所有(或基本上所有)聚合物(和可能地光刻胶)已从腔室中除去时来自等离子体区域的部分发光光谱，例如，表明这种除去的物质具有482.5nm(CO)、775.5nm(F)和440nm(SiF4)的波长，且可使用发射光谱(OES)来测定的部分光谱。在相应于那些频率的发射程度超过规定阈值(例如降低到基本上为零或增加到高于特定程度)之后，认为第一步已完成。也可使用提供终点信息的其它波长。在第一步的终点之后，第二步优选利用50-200％的过度灰化(overash)，以除去任何残留的后灰化残渣(PAR)。也就是说，若第一步在50秒内完成，则第二步应当是25秒供50％过度灰化和50秒供100％过度灰化。通过检验过度灰化到不同程度的一系列基片，可经验地确定过度灰化的实际大小。在第一个实施例中，图3图示了在灰化工艺过程中覆盖层102的损失。当在灰化工艺之后，扫描电镜(SEM)图像内覆盖层变薄时，测量覆盖层的损失120。测量三种灰化工艺的覆盖层损失120a)在具有聚合物沉积物的两步灰化工艺(在第一步中零偏压，在第二步中增加的偏压)；b)在清洁腔室内的常规一步灰化工艺；和c)在具有聚合物沉积物的腔室内的常规一步灰化工艺。在这些灰化工艺中的工艺条件是a)第一灰化步骤腔室压力＝50mTorr，RF偏压＝0W，氧气流速200sccm；第二灰化步骤腔室压力＝20mTorr，RF偏压＝150W，氧气流速＝20sccm；Ar/O2流速＝200/20sccm；b)腔室压力＝50mTorr，RF偏压＝150W，氧气流速200sccm；和c)腔室压力＝50mTorr，RF偏压＝150W，氧气流速200sccm。当与一步灰化工艺(b)和(c)比较时，在以上的两步灰化工艺(a)中观察到降低的覆盖层损失120。例如，如表1所示，覆盖层的损失以顺序c)＞b)＞a)下降。结果，两步工艺提供最小化覆盖层损失的灰化方法。 表1灰化工艺覆盖层损失(nm)晶片中心晶片边缘a 18 18b 24 24c 36 36在第二个实施例中，图4A-4C示出了灰化工艺的OES图。可使用OES监控在上述工艺过程中，在腔室内(包括基片表面)氟烃聚合物从表面上的剥离。在图4A-4C内的OES图分别应当于以上提及的a)-c)灰化工艺。在图4A中，进行两步灰化工艺，同时监控相当于CO(482.5nm)和F(775.5nm)物质的发光信号。在第一灰化步骤过程中(施加零偏压)，在CO和F信号的起始最大强度后，这两个信号其后单一地下降，并在第一灰化步骤终点处显示出相对低含量的CO和F物质。在第二灰化步骤过程中(施加偏压)，维持低的F信号程度，但CO信号在达到新的低含量之前显示出最大强度，并在剩余的灰化工艺中维持所述新的低含量。重要的是，在图4A中的OES图表示出了在第一步终点之前达到相对低量的CO和F物质含量。因此，F和CO信号(和/或其它OES信号)可用于测定确定第一灰化步骤的终点。也可根据CO信号(和/或其它OES信号)确定在图4A中第二灰化步骤的终点。图4B示出了在清洁腔室内在常规的一步灰化工艺过程中的OES图表。图4C示出了在具有聚合物沉积物的腔室内，在常规的一步灰化工艺过程中的OES图表。大的CO和F信号示出了在偏压存在下在灰化工艺过程中这些物质的高含量。与图4C相比，在图4B中观察到显著下降的CO和F含量，但与当偏压关闭时图4A的第一步相比时，在图4C中，在偏压启动情况下，观察到较高的CO和F含量。重要的是，图4A-4C说明了可利用OES监控对灰化工艺有害且可能导致介电层刻面和覆盖层损失的等离子体物质(例如F)的存在。此外，可利用OES测定等离子体时间段的终点，在该终点处有害物质大量存在于等离子体环境中。在半导体的制造中，在灰化工艺过程中发生的对介电层侧壁的损坏是关键的。在等离子体灰化之后，可通过测量因暴露于HF蚀刻溶液中导致的介电侧壁的损失来评价损坏。在第三个实施例中，图5图示了介电侧壁的损失。在暴露于HF溶液之后，当在介电层104的顶部130和中部132处除去时，测量图5中的介电侧壁损失。图5中的试验结构进一步含有SiN层106和SiC层102。使用以上提及的三种灰化工艺(a)-(c)中的每一种，和另外使用d)在比工艺a)的第一灰化步骤低的腔室压力和高的氧气流速下的两步灰化工艺，测量介电侧壁的损失。在灰化工艺d)中的工艺条件是第一灰化步骤腔室压力＝20mTorr，RF偏压＝0W，氧气流速500sccm；第二灰化步骤腔室压力＝20mTorr，RF偏压＝150W，氧气流速20sccm，Ar/O2流速＝200/20sccm。将等离子体灰化过的基片暴露于0.5％HF溶液下5秒-30秒。表2示出了对于灰化工艺a)-d)，30秒HF暴露时侧壁损失的SEM分析。总之，两步灰化工艺d)(其中使用较低的腔室压力和较高的氧气流速)比两步工艺a)的介电侧壁损失(和因此在灰化工艺过程中的侧壁损坏)低。另外，在清洁腔室内进行的一步工艺d)，显示出比均在具有聚合物沉积物的腔室内进行的一步工艺c)和两步工艺a)低的介电侧壁损失。
表2灰化工艺侧壁损失132(nm) 侧壁损失130(nm)中心 边缘 中心 边缘a 22.5 23.5 20.0 30.0b 16.5 20.5 15.5 22.0c 28.5 31.5 28.0 30.0d 12.0 18.0 10.0 9.0鉴于上述教导，本发明的许多改性和改变是可能的。因此应当理解，可在所附权利要求的范围内，而不是此处具体所述的实践本发明。
权利要求
1.一种就地灰化的方法，它包括引入含有含氧气体的工艺气体；在等离子体处理腔室内生成等离子体；将基片暴露于等离子体下，其中基片驻留在基片支架上；通过施加第一偏压到基片支架上进行第一灰化步骤；和通过施加第二偏压到基片支架上进行第二灰化步骤，其中第二偏压大于第一偏压。
2.权利要求1的方法，其中含氧气体包括氧气。
3.权利要求1的方法，其中工艺气体进一步包括惰性气体。
4.权利要求3的方法，其中惰性气体包括He、Ar和N2中的至少一种。
5.权利要求1的方法，其中第一偏压小于约100W，和第二偏压大于约100W。
6.权利要求1的方法，其中第一偏压小于约50W。
7.权利要求1的方法，其中第一偏压基本上等于零。
8.权利要求1的方法，其中第二偏压大于120W。
9.权利要求1的方法，其中第二灰化步骤进一步包括在第二灰化步骤中利用至少一种不同于第一灰化步骤的腔室压力和工艺气体流速。
10.权利要求1的方法，其中第一灰化步骤进一步包括检测来自等离子体的发光；和根据发光确定第一灰化步骤的状态。
11.权利要求10的方法，其中发光的检测提供确立终点的方式。
12.权利要求10的方法，其中发光来源于激发物质且代表第一灰化步骤状态的信息。
13.权利要求10的方法，其中发光来源于CO和含氟物质中的至少一种。
14.权利要求13的方法，其中含氟物质是氟。
15.权利要求1的方法，其中第二灰化步骤进一步包括检测来自等离子体的发光；和根据发光确定第二灰化步骤的状态。
16.权利要求15的方法，其中发光来源于激发物质且代表第二灰化步骤状态的信息。
17.权利要求16的方法，其中发光来源于CO和含氟物质中的至少一种。
18.权利要求17的方法，其中含氟物质是氟。
19.权利要求1的方法，进一步包括检测来自等离子体的发光；和根据发光确定第一和第二灰化步骤的状态。
20.权利要求19的方法，其中发光来源于激发物质且代表第一和第二灰化步骤状态的信息。
21.权利要求19的方法，其中发光来源于CO和含氟物质中的至少一种。
22.权利要求21的方法，其中含氟物质是氟。
23.权利要求1的方法，其中第二灰化步骤的长度是第一灰化步骤长度的50％至300％。
24.权利要求1的方法，其中工艺气体的流速为20sccm至1000sccm。
25.权利要求1的方法，其中含氧气体的流速为20sccm至1000sccm。
26.权利要求2的方法，其中氧气的流速为20sccm至1000sccm。
27.权利要求1的方法，其中第一灰化步骤内工艺气体的流速为20sccm至1000sccm。
28.权利要求1的方法，其中第二灰化步骤内工艺气体的流速为20sccm至1000sccm。
29.权利要求1的方法，其中工艺气体的流速在第一和第二灰化步骤之间是变化的。
30.权利要求1的方法，其中在处理腔室内的压力为20mTorr至1000mTorr。
31.权利要求1的方法，其中在第一灰化步骤中，在处理腔室内的压力为20mTorr至1000mTorr。
32.权利要求1的方法，其中在第二灰化步骤中，在处理腔室内的压力为20mTorr至1000mTorr。
33.权利要求1的方法，其中处理腔室内的压力在第一和第二灰化步骤之间是变化的。
34.一种就地处理的方法，该方法包括引入含有含氧气体的工艺气体；在等离子体处理腔室内生成等离子体；将基片暴露于等离子体下，其中基片驻留在基片支架上；通过施加第一偏压到基片支架上进行清洗步骤；和通过施加第二偏压到基片支架上进行灰化步骤，其中第二偏压大于第一偏压。
全文摘要
提供等离子体灰化的方法，以除去在介电层的前一等离子体蚀刻过程中形成的光刻胶残余物和蚀刻残渣。灰化方法使用牵涉两步的等离子体工艺和含氧气体，其中在第一清洗步骤中向基片施加低或零偏压，从基片上除去大量光刻胶残余物和蚀刻残渣，另外从腔室表面上蚀刻并除去有害的氟烃残渣。在第二步清洗步骤中向基片施加增加的偏压，以便从基片上除去剩余的光刻胶和蚀刻残渣。两步工艺降低在常规的一步灰化工艺中常常观察到的记忆效应。可使用终点检测方法监控灰化工艺。
文档编号H01L21/311GK1647257SQ03808542
公开日2005年7月27日 申请日期2003年1月17日 优先权日2002年4月16日
发明者V·巴拉苏布拉马尼亚姆, M·萩原, E·西村, K·稻泽 申请人:东京电子株式会社