专利名称：一种通孔的刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种通孔的刻蚀方法。
背景技术：
自九十年代中期用铜工艺取代铝工艺以来，铜工艺的优点基本保持不变:铜电阻小，具有良好的导电性，低电阻可以提高芯片速度，降低RC延迟，使得内连接导线在具有同等甚至更强电流承载能力的同时可以做得更小更密集。此外，还可以将铜导线做得更薄，从而减小相邻导线之间的互相干扰。铜工艺是采用嵌入式工艺得到图形化的导线的，上下层铜导线之间通过微通孔连接。为了得到这些通孔，需要另外一层光刻和刻蚀步骤，业界通常处理的方式是在对铜金属进行平坦化处理和清洗后，再沉积上一层氮化硅或碳化硅介电材料层，然后沉积一层氧化硅层或多层层叠的氧化硅/氮化硅，以作为上下铜导线的层间介质层。由于氮化硅或碳化硅形成的介电材料层是一种物理、化学性能都非常优秀的半导体材料，该介电材料层可以用作绝缘层、表面钝化层和结构功能层，还可以作为后续微通孔刻蚀的硬掩膜层，因此也可以是刻蚀停止层。最后经刻蚀，在刻蚀停止层和层间介质层中刻蚀出通孔。我们知道，高功率的偏压和大量的含氟气体可以提高刻蚀速率。在半导体制造工艺中，常用等离子体刻蚀工艺来去除由氮化硅或碳化硅形成的刻蚀停止层。在现有技术的刻蚀过程中，能够产生氟、氯活性基的含氟气体均可以作为刻蚀气体，比如CF4, SF6, NF3等，特别是碳氟化合物为常用的刻蚀气体，这些刻蚀气体可以与刻蚀停止层中的硅发生反应生成氟化硅等挥发性气体，且可以通过抽真空离开反应腔，从而达到对刻蚀停止层刻蚀的目的。并且，含氟气体的比例越大，刻蚀速率越大，越有利于刻蚀的进行，同时，光刻胶的刻蚀速率也随含氟比例的增加而增大，这是因为含氟气体的含量增加，在光刻胶表面生成的聚合物减少，对光刻胶的轰击和刻蚀增强。同时，氮气也作为刻蚀气体通入反应腔中，因为含氟气体易与氮化硅或碳化硅反应生成聚合物，氮气可以起到去除刻蚀的侧壁上的聚合物和稀释气体的目的。因此，在刻蚀光刻胶和刻蚀停止层时，常通入大比例含量的含氟气体的混合气体，从而促进刻蚀的进行，该混合气体常采用含氟气体、氮气、氩气或氧气的混合气体，其中含氟气体的比例较大，比如含氟气体与氮气和氧气的比例为2:2:1等。然而，随着铜导线图形线宽越来越小，采用上述工艺方法在进行小直径的通孔的刻蚀工艺过程中，会导致在实际的刻蚀过程中造成刻蚀不均匀的现象出现，即导致在刻蚀停止层的有些区域被刻穿，某些区域还未被刻穿，被刻穿的区域提前暴露出底部的铜金属。如图1所示，图1是现有技术中的通孔的刻蚀过程中所形成截面结构示意图，在半导体衬底I’上包含有铜金属层2’，刻蚀停止层3’覆盖于铜金属层2’上，在刻蚀停止层3’上还覆盖有层间介质层4’，以及在刻蚀过程中，在层间介质层4’上涂覆的光刻胶5’。采用常规的刻蚀方法，在对刻蚀停止层3’刻蚀过程中，在层间介质层4’和刻蚀停止层3’之间形成通孔6’，从图1中可以看到铜金属层2’有一部分暴露出来。由于要将刻蚀停止层3’去除掉，所以在铜金属层2’暴漏出来后，刻蚀过程在继续进行，铜金属层2’长时间暴露在等离子体中，会导致铜金属的溅射，造成对反应腔的污染，进一步造成刻蚀停止层3’的刻蚀速率的大幅度波动，以及刻蚀过程的不稳定，影响后续的工艺顺利进行。因此，改进刻蚀停止层的刻蚀方法是必要的。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于，避免在对刻蚀停止层进行刻蚀的过程中，由于刻蚀不均匀而造成的铜金属的暴露，从而避免铜金属暴露对反应腔造成的污染，以及改善刻蚀速率的大幅度波动和刻蚀过程不稳定的问题。本发明提供一种通孔的刻蚀方法，所述刻蚀方法包括:步骤SOl:将从下到上依次层叠的含有铜金属层的半导体衬底、刻蚀停止层和层间介质层的表面涂覆光刻胶，并放入反应腔内；步骤S02:对所述光刻胶和所述层间层介质进行刻蚀；步骤S03:经终端探测系统探测到所述层间介质层刻蚀完毕后，调整偏压功率为零，通入含氟气体和辅助气体的混合气体作为刻蚀气体；步骤S04:对所述刻蚀停止层进行刻蚀，直至去除所述铜金属层表面的所述刻蚀
停止层。优选地，所述含氟气体与辅助气体的比例不大于15%。优选地，步骤S02包括:对所述层间介质层的主刻蚀工艺过程和过刻蚀工艺过程；其中，所述主刻蚀工艺过程是仅对层间介质层进行的刻蚀过程，所述过刻蚀过程是指主刻蚀过程之后刻蚀到刻蚀停止层的刻蚀过程。优选地，所述主刻蚀工艺过程采用第一刻蚀工艺气体，所述过刻蚀工艺过程采用第二刻蚀工艺气体，其中，所述第一刻蚀工艺气体的刻蚀比高于第二刻蚀工艺气体的刻蚀比。优选地，所述第一刻蚀工艺气体包括氧气、IS气和CF4,所述第二刻蚀工艺气体包括氧气、氩气和C4F8。优选地，第一刻蚀气体中CF4与氩气的比例为1:1，CF4与氧气的比例小于1/3。优选地，第二刻蚀气体中C4F8与氩气的比例为1:1，C4F8与氧气的比例小于1/10。优选地，所述主刻蚀工艺过程刻蚀所述层间介质层厚度的70% 80%。优选地,所述混合气体的总流量大于等于350sccm。优选地，所述的含氟气体为CF4。优选地，所述辅助气体为氮气。优选地，所述刻蚀停止层的刻蚀过程中采用的反应压强为50_100mTorr，源功率为小于等于500W。优选地，所述刻蚀停止层的刻蚀过程中采用的源功率的频率为60MHz。优选地，所述的刻蚀停止层的材料为氮化硅或碳化硅。本发明提供的刻蚀停止层的刻蚀方法，在刻蚀过程中采用大量的氮气和少量的含氟气体所形成混合气体作为刻蚀气体，含氟气体起到主要的刻蚀作用，氮气起到移除刻蚀的侧壁上的聚合物和稀释气体的目的，这样在进行刻蚀的同时，将侧壁上的聚合物及时移除；同时配合零偏压功率，降低刻蚀速率，这样可以有效避免刻蚀过程中刻蚀不均匀的现象，不仅可以克服铜金属的暴露对反应腔造成的污染，还可以减小刻蚀速率和刻蚀过程的不稳定，从而提高刻蚀工艺的效率。
图1为现有技术中通孔的刻蚀过程中所形成刻蚀停止层截面结构示意2为本发明的一个较佳实施例的带有刻蚀停止层和层间介质层的半导体衬底的结构示意3为本发明的一个较佳实施例的通孔的刻蚀方法的流程示意4-6为本发明的一个较佳实施例的通孔的刻蚀方法的各制备步骤所形成的截面结构示意7图为采用本发明的本实施例的刻蚀方法进行刻蚀工艺的过程中，分别在反应腔受污染和未受污染时所对应的刻蚀速率的曲线图
具体实施例方式体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。本发明的刻蚀停止层的刻蚀方法，所采用的可以但不限于是等离子体刻蚀法和应用于等离子体刻蚀工艺腔中，本发明中，等离子体工艺腔可以采用任何种类的，本发明对此不作任何限定。现结合附图2-6，通过具体实施例对本发明的一种通孔的刻蚀方法做进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。本发明的本实施例中，请参阅图2，图2是本发明的一个较佳实施例的带有铜金属层、刻蚀停止层和层间介质层的半导体衬底的截面结构示意图，提供一个半导体衬底1，半导体衬底上包含有铜金属层2作为导线层，铜金属层2上覆盖有刻蚀停止层3，刻蚀停止层3上覆盖有层间介质层4，半导体衬底I可以是任意衬底，比如P或N型硅衬底，用于MOS晶体管半导体衬底等，半导体衬底I内可以但不限于包含沟槽，本发明对此不作任何限制。请参阅图3，图3是本发明的一个较佳实施例的通孔的刻蚀方法的流程示意图。图4-6为本发明的一个较佳实施例的通孔的刻蚀方法的各制备步骤所形成的截面结构示意图。本发明的通孔的刻蚀方法可以但不限于采用等离子体干法刻蚀。下面以在刻蚀停止层和层间介质层中刻蚀出通孔为例进行后续的对通孔的刻蚀方法的描述，需要说明的是，本发明的范围并不限制于此。在完成在半导体衬底I上的铜金属层2顶部的平坦化后，可以采用但不限于化学气相沉积法在半导体衬底I上沉积刻蚀停止层3，然后，再刻蚀停止层3上沉积层间介质层4，刻蚀停止层3可以作为后续刻蚀的硬掩膜层，层间介质层4可以作为上下金属导线层的介质层。刻蚀停止层3的材料可以是氮化硅或碳化硅，层间介质层4的材料可以是单层氧化硅、双层氧化硅/氮化硅、或多层氧化硅/氮化硅/氧化硅。本实施例以刻蚀停止层3为氮化硅。本实施例的通孔的刻蚀方法，包括以下步骤:步骤SOl:请参阅图4，以上述图2中所示的结构为基础，将从下到上依次层叠的含有铜金属层2的半导体衬底、刻蚀停止层3和层间介质层4的表面涂覆一层光刻胶5，并放入反应腔室内；这里，光刻胶5与层间介质层3之间具有较大的刻蚀选择比，以保证刻蚀层间介质层3的过程中，光刻胶5不被刻蚀掉而影响刻蚀出的通孔的形状。步骤S02:请参阅图5，经曝光显影，在光刻胶5上刻蚀出通孔图案，然后以带有通孔图案的光刻胶5为模版对层间介质层4进行刻蚀，对层间介质层4刻蚀的过程中，所采用的反应压强可以但不限于为50-100mTorr，源功率可以但不限于为0-500W，所采用的偏压功率可以但不限于为100-1000W，所采用的频率可以但不限于是60MHz，所采用的刻蚀气体可以但不限于是含氟气体、氮气、氩气或氧气的混合气体，其中含氟气体的比例较大，比如CF4/CHF3/Ar/02/N2的混合气体，这不用于限制本发明的范围。这里，在对层间介质层4刻蚀的过程中，以光刻胶5上的图案来刻蚀层间介质层4，从层间介质层4的顶部向下刻蚀，由于采用高含量的含氟气体，使得对层间介质层4的向下的刻蚀速率增大，再配合一定的偏压功率，进一步加快了向下的刻蚀速率，这是由于在对层间介质层4的主刻蚀过程中，刻蚀气体中的氟与硅发生反应生成聚合物而沉积在刻蚀后的侧壁上，这层聚合物起到了保护侧壁不受刻蚀的作用，这时候，被聚合物覆盖的侧壁不能被刻蚀到，从而引起刻蚀往下进行，从而提高了向下的刻蚀速率，因此，在此过程中，高含量的含氟气体和一定的偏压功率有利于刻蚀的进行。通常，在将要而还未刻蚀到层间介质层4底部时，由于刻蚀速率较快，以及终端探测系统的探测需要的反馈时间，都会造成对层间介质层4刻蚀完毕后而刻蚀到刻蚀停止层，造成对层间介质层4的过刻蚀。层间介质层4的过刻蚀现象的产生，由于刻蚀停止层3较薄，如果步骤S02中对刻蚀停止层3过刻蚀厚度较大，会引起在刻蚀停止层3时，控制刻蚀停止层3工艺过程的精确停止，产生难度。在本发明的本实施例中，在对层间介质层4的刻蚀过程中可以但不限于存在两个过程，分两步对层间介质层4进行刻蚀:主刻蚀工艺(main etch, ME)21和过刻蚀工艺(overetch, 0E) 22，如图5中两条虚线所示；从而可以较为准确的控制刻蚀过程。首先，进行主刻蚀工艺21。主刻蚀工艺21过程的刻蚀可以但不限于由预设时间来控制刻蚀的时间，所采用的反应压强可以但不限于为50-100mTorr，源功率可以但不限于小于等于500W，所采用的偏压功率可以但不限于为100-1000W，所采用的频率可以但不限于是60MHz ;本发明中的本实施例中，主刻蚀工艺过程采用第一刻蚀工艺气体，过刻蚀工艺过程采用第二刻蚀工艺气体，第一刻蚀工艺气体的刻蚀比高于第二刻蚀工艺的刻蚀比；本发明中第一刻蚀工艺气体可以但不限于是含氟气体、氮气、氩气或氧气的混合气体，本实施例中第一刻蚀工艺气体可以包括CF4, CF4与氩气的比例可以为1:1，CF4与氧气的比例小于1/3。本发明的本实施例中，主刻蚀工艺21过程刻蚀层间介质层4的厚度为70% 80%。然后，当主刻蚀工艺21结束后，进行过刻蚀工艺22。过刻蚀工艺22所采用的反应压强可以但不限于为50_100mTorr，源功率可以但不限于小于等于500W,所米用的偏压功率可以但不限于为100-1000W，所采用的频率可以但不限于是60MHz ;本发明中第二刻蚀工艺气体可以但不限于是含氟气体、氮气、氩气或氧气的混合气体，本实施例中第二刻蚀工艺气体可以包括C4F8, C4F8与氩气的比例可以为1:1，C4F8与氧气的比例小于1/10。这里，过刻蚀工艺22的结束是以终端探测系统探测到数据变化为截止点。由于终端探测系统一探测到数据的变化就会立刻发出反馈信息，以及刻蚀停止层3与层间介质层4的刻蚀选择比不同，所以对层间介质层的过刻蚀工艺22不会将刻蚀停止层3刻蚀掉。步骤S03:请参阅图6，经终端探测系统探测到层间介质层4刻蚀完毕，调节偏压功率为零，通入含氟气体和辅助气体的混合气体对刻蚀停止层3进行刻蚀，直至去除所述铜金属表面的所述刻蚀停止层3 ;其中，辅助气体可以是氮气，本实施例中选用含氟气体和辅助气体的混合气体作为刻蚀气体。在本发明中，所采用的混合气体中含氟气体与氮气的比例不大于15%，本实施例中可以但不限于选择5%、10%或15% ;该混合气体的总流量大于等于350sccm,可以但不限于选择350sccm。本发明的本实施例中，利用终端探测系统，比如，发射光谱仪等对刻蚀过程进行探测，由于层间介质层4和刻蚀停止层3所含元素以及元素比例不同，从而导致发射光谱仪探测到的特征峰的强度明显不同，据此判断层间介质层4是否刻蚀完毕。终端探测系统探测到层间介质层4刻蚀完毕后，反应压强和源功率可以保持不变，即反应压强可以但不限于为50-100mTorr、源功率小于等于500W以及频率可以但不限于为60MHz，然后调节偏压功率为零，可以采用手动关闭偏压电源的方式，也可以是终端探测系统发出触发信号给偏压电源，偏压电源调节偏压功率为零或自动关闭电源，本发明不对此做任何限制。如前所述，在刻蚀过程中，刻蚀气体中的含氟气体会和刻蚀停止层中的氮化硅或碳化硅发生反应，在侧壁上形成聚合物，这样侧壁被保护不能被刻蚀到，促进刻蚀向下进行，横向刻蚀宽度会减小，纵向刻蚀深度加大，实际刻蚀出的通孔底部的宽度会小于预先制定的宽度，在刻蚀到刻蚀停止层3的底部暴露出铜金属层2时，并不能将铜金属层2上的刻蚀停止层3去除，按照工艺要求，刻蚀停止层3需要去除，此时，刻蚀过程不会停止，将铜金属层2上的刻蚀停止层3去除需要一段时间，在这段时间里，由于铜金属层2已有一部分暴漏出来，在等离子体的轰击下，会产生铜金属的溅射，不仅造成对工艺腔的污染，还影响对刻蚀停止层3的刻蚀速率的大幅度波动，造成工艺的不稳定。因此，本发明采用低含量的含氟气体和高含量的氮气的混合气体，因为低含量的含氟气体可以减小刻蚀过快造成刻蚀不均匀，高含量的氮气可以有效去除刻蚀过程中沉积在侧壁上的聚合物以及起到稀释气体的目的，这样再配合偏压功率为零即在无偏压的情况下，促进刻蚀的均匀，避免由于刻蚀不均匀造成的铜金属表面的暴露，以及其引起刻蚀速率的大幅度波动和工艺的稳定性。本实施例中，将铜金属层2表面的刻蚀停止层3去除后，还可以将半导体衬底I上的光刻胶去除，本发明对此不作任何限制。请参阅图7，图7是采用本发明的本实施例的刻蚀方法进行刻蚀工艺的过程中，分别在反应腔受污染和未受污染时所对应的刻蚀速率的曲线图，图7中传统刻蚀方法分别在反应腔受污染和未受污染时所对应的曲线图用于对比说明；其中，在传统刻蚀方法中:B’ I代表对第一个样品进行刻蚀时，未受污染时的刻蚀速率，A’ I代表对第一个样品进行刻蚀时，受污染后的刻蚀速率，B’ 2代表对第二个样品进行刻蚀时，未受污染时的刻蚀速率，A’ 2代表对第二个样品进行刻蚀时，受污染后的刻蚀速率；在本发明的本实施例的刻蚀方法中:BI代表对第一个样品进行刻蚀时，未受污染时的刻蚀速率，Al代表对第一个样品进行刻蚀时，受污染后的刻蚀速率，B2代表对第二个样品进行刻蚀时，未受污染时的刻蚀速率，A2代表对第二个样品进行刻蚀时，受污染后的刻蚀速率；曲线Cl代表在样品边缘区域检测到的刻蚀速率。曲线C2代表在样品中心区域检测到的刻蚀速率。如图7所示，将数据归一化后，以纵坐标数值I为平衡点，相对于平衡点，反应腔室受到污染时的刻蚀速率比受到污染后的刻蚀速率的偏移量增大，Cl曲线显示，采用传统刻蚀方法的工艺过程中，应腔室受到污染时的刻蚀速率相对于平衡点偏移量约为0.04，而采用本发明的本实施例的刻蚀方法所得到的该偏移量约为0.035，曲线C2中显示，采用传统刻蚀方法的工艺过程中，应腔室受到污染时的刻蚀速率相对于平衡点偏移量约为0.05，而本发明的本实施例的刻蚀方法所得到的该偏移量约为0.019，显然，采用本发明的本实施例的刻蚀方法得到的受污染时的刻蚀速率的偏移量数值比采用传统的刻蚀方法的小；另外，经计算得到采用本发明的本实施例的刻蚀方法的在反应腔室受到污染后相对于受到污染前的刻蚀速率的偏移率小于2%，而传统的刻蚀方法得到的该数值大于3%。请参阅表1，表I为本发明的刻蚀工艺在含氟气体与氮气比例分别为5%、10%和15%时所对应的反应腔受到污染后的刻蚀速率的偏移率的数值列表。在含氟气体与氮气比例小于15%时，反应腔受到污染后的刻蚀速率的偏移率均小于2%，相比于采用传统刻蚀方法的该刻蚀速率偏移率明显降低，本发明的本实施例的通孔的刻蚀方法可以有效减小在通孔刻蚀过程中反应腔室受到铜金属暴露而产生的污染，并有效减小刻蚀速率的偏移率，从而提闻刻蚀工艺的稳定性。
权利要求
1.一种通孔的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法包括: 步骤SOl:将从下到上依次层叠的含有铜金属层的半导体衬底、刻蚀停止层和层间介质层的表面涂覆光刻胶，并放入反应腔内； 步骤S02:对所述光刻胶和所述层间层介质进行刻蚀； 步骤S03:经终端探测系统探测到所述层间介质层刻蚀完毕后，调整偏压功率为零，通入含氟气体和辅助气体的混合气体作为刻蚀气体； 步骤S04:对所述刻蚀停止层进行刻蚀，直至去除所述铜金属层表面的所述刻蚀停止层。
2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述含氟气体与辅助气体的比例不大于15%。
3.根据权利要求1或2所述的刻蚀方法，其特征在于，步骤S02包括:对所述层间介质层的主刻蚀工艺过程和过刻蚀工艺过程；其中，所述主刻蚀工艺过程是仅对层间介质层进行的刻蚀过程，所述过刻蚀过程是指主刻蚀过程之后刻蚀到刻蚀停止层的刻蚀过程。
4.根据权利要求3所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀工艺过程采用第一刻蚀工艺气体，所述过刻蚀工艺过程采用第二刻蚀工艺气体，其中，所述第一刻蚀工艺气体的刻蚀比高于第二刻蚀工艺气体的刻蚀比。
5.根据权利要求4所述的刻蚀方法,其特征在于,所述第一刻蚀工艺气体包括氧气、IS气和CF4，所述第二刻蚀工艺气体包括氧气、氩气和C4F8。
6.根据权利要求5所述的刻蚀方法,其特征在于,所述第一刻蚀气体中CF4与気气的比例为1:1，CF4与氧气的比例小于1/3。
7.根据权利要求5所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀气体中C4F8与氩气的比例为1:1，C4F8与氧气的比例小于1/10。
8.根据权利要求3所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀工艺过程刻蚀所述层间介质层厚度的70% 80%。
9.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述混合气体的总流量大于等于350sccmo
10.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述的含氟气体为cf4。
11.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述辅助气体为氮气。
12.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的刻蚀过程中采用的反应压强为50-100mTorr，源功率为小于等于500W。
13.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的刻蚀过程中采用的源功率的频率为60MHz。
14.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述的刻蚀停止层的材料为氮化硅或碳化硅。
15.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述的层间介质层的结构为如下结构中的任一种: 单层氧化硅； 双层氧化硅/氮化硅； 多层氧化硅/氮化硅/氧化硅。
全文摘要
本发明提供一种通孔的刻蚀方法，包括将从下到上依次层叠的含有铜金属层的半导体衬底、刻蚀停止层和层间介质层的表面涂覆光刻胶，并放入反应腔内；对光刻胶和中间层介质进行刻蚀；经终端探测系统探测到层间介质层刻蚀完毕，调节偏压功率为零，通入含氟气体和辅助气体的混合气体对刻蚀停止层进行刻蚀，直至将铜金属层表面的刻蚀停止层去除。本发明通过在刻蚀过程中采用大量的辅助气体和少量的含氟气体所形成混合气体作为刻蚀气体，含氟气体起到主要的刻蚀作用，辅助气体起到移除刻蚀的侧壁上的聚合物和稀释气体的目的，同时配合零偏压功率，这样可以有效避免刻蚀过程中刻蚀不均匀的现象，从而提高刻蚀速率和刻蚀工艺的效率。
文档编号H01L21/768GK103199058SQ20131013935
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者刘志强 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司