专利名称：在基板上形成高纵横比特征的方法
技术领域：
本发明一般涉及用于在基板上形成高纵横比特征的方法。更具体地说，本 发明一般涉及在半导体制造中用于通过各向异性蚀刻工艺形成高纵横比特征 的方法。
背景技术：
可靠地制造亚一半微米或更小特征是用于下一代极大规模集成(VLSI) 以及超大规模集成(ULSI)半导体器件的关键技术中之一。但是，由于推进 集成电路技术发展的限制，因此VLSI和ULSI技术中互联尺寸縮小对处理能 力提出了进一步的需求。集成电路可包括超过一百万个微米级电子场效应晶体 管(例如补偿型金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管)，其形成在基板 (例如半导体晶片)上并共同协作以在电路中实施各种功能。可靠地形成栅极 图案对于集成电路的成功以及持续努力提高电路密度以及单个基板和管芯的 质量是很重要的。
由于特征尺寸逐渐地变小，因此对较高纵横比的要求已经持续地增加到了 20:1甚至更大，该纵横比被定义为特征深度和特征宽度之间的比率。开发能 够可靠地形成具有这种高纵横比的特征的蚀刻工艺已成具有重要意义的挑战。
通常，具有约io:l左右纵横比的特征可以通过各向异性蚀刻介电层至预 定深度和宽度来制造。例如，图1A描述了具有由通过图案化掩膜层106形成 的开口 108暴露出的部分介电层104的基板102。在蚀刻期间，蚀刻处理期间 产生的副产物或者其他材料的再次沉积或者堆积会聚集在被蚀刻特征110的 顶部和/或侧壁上，由此阻塞了掩模106中的开口 108以及形成于介电层104 中的特征110的开口 108，如图1B中所示。由于被蚀刻特征110的开口 108 由于聚集的再沉积材料114的原因而被窄化和/或被密封，因此阻止了反应蚀 刻剂到达特征110的下表面U2，由此限制了可能获得的纵横比。此外，由于 再沉积材料或副产物的堆积任意地和/或不规则地粘附到介电层104的顶表面和/或侧壁上，其结果获得的再沉积材料114的不规则轮廓(profile)和生 长会改变反应蚀刻剂的流路，从而导致介电层104中形成的特征110的弓形或 翘曲轮廓118，如图1C中所示。
因此，现有技术中对于用于蚀刻具有高纵横比的特征的改进方法存在需求。
发明内容
本发明提供了一种形成高纵横比特征的方法。在此描述的该方法通过蚀 刻期间的导电侧壁管理方案便利地简化了具有高纵横比特征的轮廓和尺寸控 制。
在一个实施方式中，用于各向异性蚀刻基板上介电层的方法包括在蚀刻室 中提供具有设置于介电层上的图案化掩膜层的基板，向蚀刻室中提供至少包括 含有氟和碳气体以及氟化硅气体的气体混合物，以及在由气体混合物形成的等 离子体存在的情况下蚀刻介电层中的特征。
另一实施方式中，用于各向异性蚀刻基板上介电层的方法包括向蚀刻室中 提供具有设置在介电层上的图案化非晶碳层的基板，将至少包括含氟和碳气体 以及氟化硅气体的气体混合物提供到蚀刻室中，以及在由气体混合物形成的等 离子体存在的情况下通过非晶碳层中的开口蚀刻特征至大于约20:1的纵横 比。
在再一实施方式中，用于各向异性蚀刻基板上介电层的方法包括将具有设 置在介电层上的图案化非晶碳层的基板提供到蚀刻室中，将至少包括含氟和碳 气体以及氟化硅气体的气体混合物提供到蚀刻室中，通过由气体混合物形成的 等离子体在介电层中蚀刻特征至大于约20:1的纵横比，蚀刻时在特征表面上 形成导电聚合物层，以及将特征构成为用于场效应晶体管的接触结构。
通过以下结合附图的详细说明可容易理解本发明的教导，附图中 图1A-1C示出了用于制造高纵横比特征的常规制造顺序的截面图； 图2是根据本发明至少一个实施方式用于进行蚀刻工艺的等离子体处理 装置的示意图；图3是根据本发明至少一个实施方式适合于制造高纵横比特征的方法的 工艺流程图4A—4C是根据图3的方法被蚀刻以形成高纵横比特征的复合结构的顺
序截面图；和
图5是在用于场效应晶体管的接触结构中具有通过本发明形成的高纵横
比特征的复合结构的截面图。
为了便于理解，可能的情况下，已经使用相同参考标表示图中共用的相同 元件。将预期在一个实施方式中的元件和/或处理歩骤可有利地用在其他实施 方式中而不需特别说明。
但是，应当注意，由于本发明可允许其他等效的实施方式，因此附图仅示 出了本发明的示范性实施方式且因此不应认为其限制了本发明的范围。
具体实施例方式
本发明一般涉及用于由蚀刻工艺形成具有高纵横比特征的方法。在一个实 施方式中，该方法包括使用氟化硅气体以及氟和硅基气体的蚀刻气体混合物来 等离子体蚀刻介电层。蚀刻气体混合物的氟化硅气体在被蚀刻介电层侧壁和/ 或表面上形成了导电聚合物层，由此在蚀刻期间在深度特征中延伸离子轨迹。 该延伸的离子轨迹协助向下蚀刻介电层至介电层的底部，由此形成具有所需高 纵横比的特征同时保持良好的轮廓控制和临界尺寸。
在此描述的蚀刻工艺可在任意等离子体蚀刻室中进行，例如HART蚀刻反 应器、HARTTS蚀刻反应器，Decoupled Plasma Source (DPS)、 DPS-II或者 €￡>^1^@蚀刻系统的DPS Plus或者DPS DT蚀刻反应器，所有这些都可从 Santa Clara, California的Applied Materials公司获得。也可使用从其他制造商 获得的合适的等离子体蚀刻室。
图2描述了蚀刻处理室200的一个实施方式的示意图。室200包括支撑介 电圆顶形顶板(以下称作圆顶220)的导电室壁230。其他室可具有其他类型 的顶板(例如平坦顶板)。壁230连接到地电势(electrical ground) 234。
至少一个电感线圈天线部分212通过匹配网络219耦合到射频(RF)源 218。天线部分212被设置在圆顶220外部且用于保持由室内的处理气体形成 的等离子体。在一个实施方式中，提供到电感线圈天线212的源RF功率，在约50kHz和约B.56MHz之间的频率范围内，为约0瓦特至约2500瓦特之间 的范围。在另一实施方式中，提供到电感线圈天线212的源RF功率在约200 瓦特至约800瓦特之间的范围内，诸如约400瓦特。
处理室200也包括耦合到第二 (偏置)RF源222的基板支撑底座216 (偏 置元件)，该第二 RF源222通常能够产生RF信号以在接近13.56 MHz的频率 下产生约1500瓦特或更少的偏置功率(例如没有偏置功率)。偏置源222通 过匹配网络223耦合到基板支撑底座216。施加到基板支撑底座216的偏置功 率可以是DC或者是RF。
操作中，基板214被设置在基板支撑底座216上且通过常规技术保持于其 上，诸如静电卡盘或者机械夹持基板214。气态成分从气体面板238通过进口 端226提供到处理室200中以形成气态混合物250。由混合物250形成的等离 子体通过分别自RF源218和222向天线212和基板支撑底座216施加RF功 率而被保持在处理室200中。使用位于室200和真空泵236之间的节流阀227 控制在蚀刻室200内部的压力。使用设置在室200的壁230中的含液体管道 (未示出)控制在室壁230表面处的温度。
通过稳定支撑底座216的温度和从源248经由管道249向由基板214背部 和底座表面上的沟槽(未示出)形成的通路流动传热气体，控制基板214的温 度。氦气可用作传热气体以利于基板支撑底座216和基板214之间的传热。在 蚀刻处理期间，基板214经由DC功率源224通过设置在基板支撑底座216 中的电阻加热器225加热至稳定状态温度。设置在底座216和基板214之间 的氦利于均匀加热基板214。使用圆顶220和基板支撑底座216的热控制，将 基板214保持在约100摄氏度和约500摄氏度之间的温度下。
本领域技术人员将理解也可使用其他形式的蚀刻室来实施本发明。例如， 可利用具有远程等离子体源的室、微波等离子体室、电子回旋加速器谐振 (ECR)等离子体室等来实施本发明。
包括中央处理单元(CPU) 244、存储器242以及用于CPU244的支持电 路246的控制器240耦合到蚀刻处理室200的各部件以利于蚀刻处理的控制。 为了易于控制如上所述的室，CPU244可以是任意形式通用计算机处理器中的 一种，其能够用在工业设备中用于控制各种室和子处理器。存储器242耦合到 CPU 244。存储器242或者计算机可读介质可以是容易获得的存储器中的一种或多种，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或 者任意其他形式的数字存储器、本地的或者是远程的。支持电路246耦合到 CPU244，用于以常规方式支持处理器。这些电路包括缓存、电源、时钟电路、 输入/输出电路以及子系统等。诸如在此描述的蚀刻处理通常是以软件程序存 储在存储器242中。软件程序也可通过由CPU 244控制的硬件远程设置的第 二CPU (未示出)来进行存储和/或执行。
图3是在室200或者其它合适的处理室中实施的蚀刻处理300的一个实施 方式的流程图。图4A—4C是与处理300的各步骤对应的一部分复合基板的示 意性截面图。处理300可用于形成例如大于20:1的高纵横比特征，用于诸如 场效应晶体管的接触结构的结构。另外，处理300可便利地用于蚀刻其他类型 的结构。
在框302，处理300开始，其中通过将基板214传送(即提供)到蚀刻处 理室诸如2中描述的蚀刻室200来开始处理300。在图4A中描述的实施方式 中，基板214具有膜叠层400，该膜叠层具有设置于介电层404上的图案化的 掩膜层406。该图案化的掩膜层406具有暴露出部分下部介电层404的开口 408用于蚀刻。基板214可以是半导体基板、硅晶片、玻璃基板等中的任何一 种。
在一个实施方式中，掩膜层406可以是硬掩模，光致抗蚀剂掩模或者其组 合。掩膜层406用作蚀刻掩模用于以所需纵横比来蚀刻介电层404中的特征 410。在此描述的特征410包括沟槽、通孔、开口等。在一个实施方式中，掩 膜层406可以是选自由硅、氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、非晶硅和其 组合构成的组的材料。在此描述的一个示例性实施方式中，掩膜层406是非晶 碳层。非晶碳层的一个实例是Advanced Patterning Film (APF)，其可从 Applied Materials公司获得。介电层404可以是介电氧化物层。用于介电层的 其他合适的材料包括未掺杂硅玻璃(USG)诸如氧化硅或者TEOS、硼硅酸盐 玻璃(BSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)及其组合。 在此描述的一个示例性实施方式中，介电层404是未掺杂的硅玻璃(USG)层。 在一个实施方式中，介电层404具有约3000A至约15000A之间的厚度、例如 在约4000A至约12000A之间、例如为约IOOOOA的厚度。
在框304中，将包括氟和碳基气体以及氟化硅气体的气体混合tl提供到蚀刻室中以各向异性蚀刻设置于其中的基板214。在蚀刻期间，氟和碳气体以及 氟化硅气体通过由气体混合物产生的等离子体离解为反应蚀刻剂种类。来自氟 化硅气体的硅离子与来自气体混合物中的氟和碳气体的一部分碳离子反应，在
介电层404中蚀刻的特征410的蚀刻表面诸如侧壁上形成导电含硅聚合物，如 图4B中所示。由于在蚀刻期间硅离子可较通常用于保护介电层404的蚀刻表 面诸如侧壁的碳基聚合物提供更多的电子，因此含硅聚合物416的导电特性有 助于在蚀刻反应期间发生电子转移过程。导电含硅聚合物416将离子和/或电 子传导至特征410更深的部分，如通过箭头418所示。导电聚合物层416还 可以降低电荷在介电层404特征4i0中的堆积和生长，由此防止特征被关闭、 窄化、变弓形或者进一步干扰蚀刻处理。导电含硅聚合物416改善了蚀刻的特 征410中的粒子轨道，从而利于在介电层404中的深处形成具有高纵横比的特 征410。
在蚀刻期间，掩膜层406还可能受到来自所提供的气体混合物的氟离子的 侵蚀。这样，通过添加氟化硅气体到氟和碳基气体混合物中，来自氟化硅气体 的硅离子可有效地与掩膜层406反应以在掩膜层406的上表面上形成强的保 护层414。在其中掩膜层406是非晶碳层的实施方式中，硅离子与非晶碳层中 的碳元素反应，硅离子与掩膜层406中的碳元素反应，从而在掩膜层406的上 表面上形成坚固的碳化硅层，由此保护掩膜层406在高纵横比特征410形成期 间不受侵蚀。
在一个实施方式中，在气体混合物中提供的氟化硅气体选自由SiF4、 SiCl4 等构成的组。在气体混合物中提供的氟和碳气体选自由CF4、 CHF3、 C4F8、 C2F6、 C4F6、 C5F8、 CH2F2等构成的组。惰性气体可任选地与气体混合物一起 提供的以有助于将气体混合物运载到蚀刻室中的惰性气体。惰性气体的适当实 例包括N2、 Ar、 He和Kr气体。
调节几个处理参数同时将气体混合物提供到蚀刻室中。在一个实施方式 中，调节室的压力至约10m乇至约60m乇之间，例如约20m乇。施加RF源 功率以保持由第一处理气体形成的等离子体。例如，将约200瓦特至约1000 瓦特的功率提供到电感耦合天线源以保持在蚀刻室内部的等离子体。氟和碳气 体以约20sccm至约100sccm之间的速度流入到室中。氟化硅气体以约10sccm 至约50sccm之间的速度流入到室中。惰性气体以约200sccm至约1000sccm之间的速度流入到室中。基板温度保持在约20摄氏度至约80摄氏度之间。 另外，可控制提供到气体混合物中的氟和碳气体与氟化硅气体的比率。在
--个实施方式中，氟和碳气体与氟化硅气体的气体比率被控制在约1:0.15至
约1:0.5之间，例如为约1:0.25.
在框306中，随着一个特征410达到所需深度、到达任选的下部层和/或
基板214，蚀刻处理的终点可以通过任意合适方法来确定。例如，终点可通过
监控光发射、预定时间周期的终止或者通过确定该被蚀刻层已经被充分去除的
另一指示来确定。
如图4C中所示，具有所需纵横比的特征410形成在基板214上。在一个 实施方式中，形成在基板214上的特征410具有大于约20:1的纵横比。在一 个实施方式中，利用处理300以形成具有特征410的接触结构，具有大于约 20:1纵横比的该特征410形成在介电层404中作为设置在基板502上场效应 晶体管504中的接触结构，如图5中所示。特征410可填充或沉积有金属材料 以在基板上形成互联结构。金属材料的实例包括钨(W)、氮化钨(WN)、铜 (Cu)、钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)等。另外，处理300可用于制造用于生 产集成电路的其它结构。
由此，本申请提供了用于蚀刻基板以形成具有大于20:1纵横比特征的改 进方法。该方法便利地与附加的氟化硅气体一起使用氟和碳基气体混合物，以 在蚀刻期间形成导电聚合物层，从而有效地提供形成于基板上的具有高纵横比 特征的良好轮廓和尺寸控制。
虽然前述内容针对本发明的实施方式，但是可设计出本发明其它的和进一 步的实施方式而不超出其基本范围，且其范围由以下的权利要求书来确定。
权利要求
1. 一种用于以高纵横比各向异性蚀刻基板上介电层的方法，包括在蚀刻室中提供具有设置于介电层上的图案化掩膜层的基板；向蚀刻室中提供至少包括含氟和碳气体及氟化硅气体的气体混合物；和在由气体混合物形成的等离子体存在的情况下在介电层中蚀刻各特征。
2. 如权利要求1的方法，其中介电层选自由未掺杂硅玻璃(USG)、硼硅 酸盐玻璃(BSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)及其组 合构成的组。
3. 如权利要求1的方法，其中图案化掩膜层选自由硅、氧化硅、氮化硅、 氧氮化硅、碳化硅、非晶碳和其组合构成的组。
4. 如权利要求1的方法，其中提供气体混合物还包括-在介电层的被蚀刻的表面上形成导电聚合物层。
5. 如权利要求4的方法，其中导电聚合物层是含硅聚合物。
6. 如权利要求4的方法，其中导电聚合物层协助将由用于各向异性蚀刻介 电层的等离子体产生的离子向下传导传向介电层的底部。
7. 如权利要求1的方法，其中含氟和碳的气体以及氟化硅气体是SiF4和 SiCU。
8. 如权利要求1的方法，含氟和碳的气体选自由CF4、 CHF3、 C4F8、 C2F6、 C4F6、 C5F8、 CH2F2构成的组。
9. 如权利要求1的方法，其中提供气体混合物还包括 与气体混合物一起提供惰性气体，其中惰性气体选自由N2、 Ar、 He和Kr构成的组。
10. 如权利要求1的方法，其中提供气体混合物还包括-.以约20sccm和约100sccm之间的流速提供含氟和碳气体；和 以约10sccm和约50sccm之间的流速提供氟化硅气体。
11. 如权利要求10的方法，其中提供气体混合物还包括 保持处理压力在约10m乇和约60m乇之间； 控制基板温度在约20摄氏度和约80摄氏度之间；和 施加在约200瓦特和约1000瓦特之间的等离子体功率。
12. 如权利要求1的方法，其中蚀刻介电层中的特征还包括形成具有大于约20:1纵横比的至少一个沟槽或通孔。
13.如权利要求l的方法，其中蚀刻介电层中的特征还包括形成用于场效应晶体管的接触结构。
14. 一种用于以高纵横比各向异性蚀刻基板上介电层的方法，包括 将具有设置于介电层上的图案化非晶碳层的基板提供到蚀刻室中； 将至少包括含氟和碳气体及氟化硅气体的混合气体提供到蚀刻室中；和 在由气体混合物形成的等离子体的存在情况下通过非晶碳层中的开口蚀刻特征至大于约20:1的纵横比。
15. 如权利要求14的方法，其中提供气体混合物还包括 在介电层的被蚀刻的表面上形成导电聚合物层。
16. 如权利要求15的方法，还包括由氟化硅气体提供的硅元素和非晶碳层反应以形成保护层。
17. 如权利要求15的方法，其中提供气体混合物还包括与气体混合物一起提供惰性气体到蚀刻室中，其中惰性气体选自由N2、 Ar、 He和Kr构成的组。
18. —种用于以高纵横比各向异性蚀刻基板上介电层的方法，包括 将具有设置于介电层上的图案化非晶碳层的基板提供到蚀刻室中； 将至少包括含氟和碳气体以及氟化硅气体的气体混合物提供到蚀刻室中；通过由气体混合物产生的等离子体在介电层中蚀刻特征至大于约20:1的 纵横比；在特征表面上形成导电聚合物层同时进行蚀刻；和 构造特征作为用于场效应晶体管的接触结构。
19. 如权利要求18的方法，其中提供气体混合物的步骤还包括 与气体混合物一起提供惰性气体到蚀刻室中，其中惰性气体选自由N2、Ar、 He和Kr构成的组。
20. 如权利要求18的方法，其中介电层选自由氧化硅、硼硅酸盐玻璃 (BSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)及其组合构成的
全文摘要
提供了一种用于在蚀刻处理中形成用于高纵横比应用的各向异性特征的方法。在此描述的该方法便利地易于具有高纵横比特征的轮廓和尺寸控制。在一个实施例中，用于各向异性蚀刻基板上介电层的方法包括在蚀刻室中提供具有设置于介电层上图案化掩膜层的基板，将至少包括含氟和碳气体以及氟化硅气体的气体混和物提供到蚀刻室中，和在存在由气体混合物形成的等离子体的情况下在介电层中蚀刻特征。
文档编号H01L21/311GK101431023SQ200810175539
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月3日 优先权日2007年11月2日
发明者凯瑟琳·凯瑟克, 斯蒂芬·韦格, 温西奥克·李, 肯尼·林·多恩, 苏比哈什·德什穆赫 申请人:应用材料股份有限公司