專利名稱：等離子體灰化方法
相關申請的交叉參考本公開為2001年5月14日提交的美國專利申請No.09/855177的部分延續(xù)申請，并要求其優(yōu)先權，本文全文引入作為參考。
背景技術：
本公開一般涉及用于從襯底表面上選擇性地除去光刻膠、有機罩面層和聚合物殘留物的等離子體灰化方法，并且特別涉及基本上不含氧且不含氮的等離子體灰化方法。
灰化為一種等離子體作為媒介的剝離方法，通過該方法可在暴露于等離子體時從襯底剝離或除去光刻膠、有機罩面層和/或聚合物殘留物?；一ǔ０l(fā)生在進行蝕刻工藝后，在蝕刻過程中光刻膠材料用作用于蝕刻圖案到襯底內的光掩模?；一椒ㄟ€用于除去其它有機層如抗反射涂層(ARC)，如果存在的話。另外，可為了除去線向不正的光刻膠圖案(“返工晶片”)和在剝離處理中進行灰化方法。眾所周知，在灰化前發(fā)生的處理步驟可改變光刻膠和ARC的表面，和/或形成聚合物/殘留物。當灰化時非常希望能盡可能快地完全除去光刻膠和其它有機罩面層、聚合物/殘留物，而不損失任何包含底層的材料。
重要的是注意到灰化方法明顯不同于蝕刻方法。盡管兩種方法都可以等離子體為媒介，但蝕刻方法明顯不同，因為等離子體化學被選擇以通過光刻膠掩模中開孔除去部分襯底表面來永久轉移圖像到襯底內。等離子體通常包括在低溫下的高能離子轟擊以除去部分襯底。此外，暴露于離子的襯底部分通常以等于或大于光刻膠掩模的除去速度的速度被除去。相反，灰化方法通常是指選擇性地除去光刻膠掩模和蝕刻中形成的任何聚合物或殘留物。灰化等離子體化學遠比蝕刻化學的侵蝕性低，且通常被選擇以遠大于下面襯底的除去速度的速度除去光刻膠掩模層。此外，大多數灰化方法加熱襯底至高于200℃的溫度以提高等離子體反應性。因此，蝕刻和灰化方法涉及明顯不同的材料的除去，從而需要完全不同的等離子體化學和方法。成功的灰化方法不用于永久轉移圖像到襯底內。相反，成功的灰化方法由光刻膠、聚合物和殘留物除去速度來限定，而不影響或除去包含下面襯底的層。
灰化選擇性定義為與下面層相比的光刻膠和其它有機罩面層的相對除去速度。通常優(yōu)選具有至少50∶1的灰化選擇性，其中比下面的襯底快至少50倍地除去光刻膠。更優(yōu)選地，灰化選擇性遠大于100∶1。
在等離子體灰化方法中，重要的是保持各種特征(feature)的臨界尺寸(CD)在嚴格控制的規(guī)格內，以及促進適宜的下層表面條件，以在光刻膠和/或聚合物/殘留物除去后進行的處理步驟中成功地填充金屬。在下層中形成的圖案化輪廓的微小偏差可負面影響器件性能、最終集成電路的產率和可靠性。傳統上，灰化等離子體由含氧氣體產生。但是，發(fā)現含氧等離子體容易損壞在高級集成電路制造中使用的某些材料。例如，已知含氧等離子體在等離子體處理過程中提高了低k介電下層的介電常數。介電常數的提高尤其影響互連電容，這直接影響了器件性能。此外，對于使用銅金屬層的高級器件制造，通常不太優(yōu)選使用含氧等離子體。
為了解決這些問題，已開發(fā)出無氧等離子體化學。無氧等離子體可用于有效地從包含低k介電材料的襯底上除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物，而不物理損傷低k介電層。無氧等離子體一般由氫和氮氣混合物產生，該混合物還可包含氟氣。但是，在一些情況下，發(fā)現使用含氮的無氧等離子體可能改變和/或影響下面襯底的化學、機械和電性質。例如，暴露含碳和/或氫的低k介電材料到由氫、氮和氟氣體混合物產生的無氧等離子體導致嚴重損傷。有時，在等離子體處理后襯底的計量檢查中不能檢測到損傷。但是，損傷可容易地通過隨后的濕清潔處理證實，一般在等離子體灰化后使用濕清潔處理，其中部分含碳和/或氫的低k介電材料被除去。介電材料的除去部分是特征臨界尺寸(CD)的變化源，其通常不能被接受，并影響整體器件產率。此外，即使不包括濕清潔處理，介電材料的電和機械性質也可能因暴露于無氧等離子體而變化，從而影響操作性能。認為碳在等離子體暴露過程中從介電材料中損耗。由于無氧等離子體通常由含氮的氣體混合物產生，因此認為氮損傷了電介質，從而在隨后的金屬填充過程中導致問題，如在溝槽結構的底部形成空隙。
因此，非常希望具有能完全并迅速除去光刻膠、任何有機罩面層、聚合物/殘留物而不會影響或除去下面的表面材料的灰化等離子體化學。

發(fā)明內容
本文公開了從包含低k材料的半導體襯底上選擇性除去光刻膠和其它有機罩面層的等離子體灰化方法。該方法包括通過暴露等離子體氣體組合物到能源以形成等離子體來形成反應性物質，其中該等離子體基本不含反應性氮物質和反應性氧物質；和暴露其上具有光刻膠和/或有機罩面層的襯底到反應性物質以選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層，并留下與暴露襯底到反應性物質前基本相同的低k材料。
在另一實施方案中，等離子體灰化方法包括通過暴露等離子體氣體組合物到能源以形成等離子體來形成反應性物質，其中該等離子體基本不含反應性氮物質和反應性氧物質；以相對于未引入氧到等離子體中能有效提高灰化速度的量引入氧到等離子體內；和暴露其上具有光刻膠和/或有機罩面層的襯底到反應性物質以選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層，其中在進一步暴露于稀氫氟酸濕處理工藝后，低k介電材料的損失小于50埃，稀氫氟酸濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
一種從半導體襯底選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物的蝕刻后(post etch)等離子體灰化方法，其中襯底包括含有介電常數小于3.0的含碳低k介電材料的層，等離子體灰化方法包括將在襯底表面上包含光刻膠和/或有機罩面層和/或聚合物/殘留物的襯底放到反應室內；通過由基本不含氮和氧的氣體組合物產生等離子體形成反應性物質，其中基本不含氮和氧的氣體組合物包含痕量水平的含氧和/或氮的氣體；暴露襯底到在等離子體中由基本不含氮和氧的氣體組合物形成的反應性物質；和通過形成揮發(fā)性化合物、可沖洗除去的化合物及其混合物從表面選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物，其中氧和/或氮的痕量水平為能在進一步暴露于濕處理工藝后除去小于約50埃低k介電材料的量，濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
一種制造微電子器件的方法，包括在半導體襯底的表面上形成光刻膠掩模，其中襯底包括含碳的低k介電層；通過光刻膠掩模中的開孔蝕刻和除去部分襯底以永久轉移圖像到襯底內并暴露低k介電層的表面，其中蝕刻在襯底上形成聚合物和殘留物；和選擇性灰化光刻膠掩模，并利用由含氫和氦的氣體混合物產生的基本不含氧和氮的等離子體從襯底除去聚合物和殘留物或使它們可除去。
一種從襯底表面選擇性剝離光刻膠和/或有機罩面層和/或聚合物/殘留物的等離子體灰化方法，包括放置其上具有光刻膠/有機掩模的襯底到反應室內；由含氫和氦的氣體混合物產生基本不含氧和氮的等離子體，其中該氣體混合物含其量能在灰化光刻膠掩模和隨后的濕處理工藝后除去小于約50埃的低k介電材料的含氧和/或氮氣體，并且其中該等離子體既含電中性粒子又含帶電粒子；從等離子體中基本除去帶電粒子；暴露襯底和光刻膠/有機掩模到等離子體中的電中性物質，其中暴露于等離子體的襯底包括含碳低k介電材料；和灰化光刻膠/有機掩模以從襯底選擇性除去掩模，其中低k介電層的化學組成與暴露襯底到等離子體步驟前基本相同。
在另一實施方案中，從包括低k材料的襯底的表面選擇性剝離光刻膠、有機罩面層和/或聚合物/殘留物的等離子體灰化方法包括將其上具有光刻膠掩模、有機罩面層和/或聚合物和殘留物的襯底放到反應室內；在第一溫度下暴露襯底到基本不含氧和氮物質的等離子體中；加入痕量的氧和/或氮到等離子體中持續(xù)第一段時間；提高第一溫度到第二溫度并停止加入痕量的氧和/或氮到等離子體中，和暴露襯底持續(xù)第二段時間，其中該等離子體中氧和/或氮的總量和時間的總量能在進一步暴露于濕處理工藝后有效除去小于約50埃的低k介電材料，濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
在又一實施方案中，從包括低k材料的襯底的表面選擇性剝離光刻膠、有機罩面層和/或聚合物/殘留物的等離子體灰化方法包括將其上具有光刻膠掩模、有機罩面層和/或聚合物/殘留物的襯底放到反應室內；在第一溫度下暴露襯底到基本不含氧和氮物質的等離子體中；加入痕量的氧和/或氮到等離子體中持續(xù)一段時間；降低第一溫度到第二溫度并加入痕量的氧和/或氮到等離子體中一段時間，和暴露襯底持續(xù)第二段時間，其中該等離子體中氧和/或氮的總量和時間的總量能在進一步暴露于濕處理工藝后有效除去小于約50埃的低k介電材料，濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
從結合附圖描述的本公開的詳細說明中將能更好地理解本公開的這些和其它目的、優(yōu)點和特征。
附圖簡述

圖1A為在使用氦/氫氣體混合物(He/H2)作為產生等離子體的等離子體氣體組分之一的常規(guī)蝕刻后灰化方法后的溝槽特征的掃描電鏡圖；圖1B為按照圖1A灰化的襯底濕清潔處理后的溝槽特征的掃描電鏡圖；圖2A為在使用氮基合成氣體混合物(N2/H2)作為產生等離子體的等離子體氣體組分之一的常規(guī)蝕刻后灰化方法后的溝槽特征的掃描電鏡圖；圖2B為按照圖2A灰化的襯底濕清潔處理后的溝槽特征的掃描電鏡圖；圖3為說明含有氦氣或氮氣的各種等離子體氣體混合物的光刻膠除去速度作為用于形成等離子體的混合物中氫氣百分比的函數的圖；圖4圖示了灰化速度作為溫度的函數；圖5圖示了多孔低k介電材料損傷作為在三個不同灰化溫度下處理的氫/氦等離子體中不同氮雜質水平的函數；圖6圖示了灰化速度和H-自由基濃度作為氫/氦等離子體氧雜質水平的函數；圖7圖示了灰化速度和H-自由基濃度作為氫/氦等離子體氧雜質水平的函數；圖8(a-d)為暴露于氫氦等離子體后并暴露于隨后的稀HF濕處理后的多孔低k介電材料的掃描電子圖；和圖9圖示了低k損傷作為使用和未使用百萬分之十氮氣和百萬分之十氧氣的氫/氦灰化等離子體時間的函數。
詳細描述一種從襯底選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物的方法。通常，該方法包括用不含氧且不含氮的等離子體灰化襯底以從襯底選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物。該灰化方法尤其適用于從其中包括低k介電材料的襯底除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物。優(yōu)選地，該方法用于其中低k材料在它的結構中包含碳和/或氫的襯底，如摻雜氧化物、多孔材料和有機低k薄膜。含碳的低k介電材料可包括含碳的側基或可為碳基的，其中介電材料的骨架主要由硅的互連網絡組成。使用不含氮且不含氧的等離子體的方法提供了高的灰化選擇性，并克服了現有技術中提及的因灰化光刻膠以及來自碳和/或氫基低k介電材料的聚合物/殘留物出現的問題。此外，該方法減輕了由灰化等離子體中的氮引起的后續(xù)金屬填充問題。
根據另一實施方案，意外發(fā)現灰化方法中可承受痕量的氧和/或氮。因此，現在已發(fā)現可使用不會損傷低k介電表面的基本不含氧且基本不含氮的等離子體灰化方法。痕量的使用，如本文將說明，為等離子體灰化方法提供了更經濟的解決方案。例如，較低的泄漏速度規(guī)格可為等離子體室所忍受，以及使用具有較低純度規(guī)格的基本不含氧和氮的氣體，從而降低了成本。另外，發(fā)現在等離子體中具有少量氧是有利的，因為已發(fā)現光刻膠和/或其它有機罩面層的灰化速度會提高、更為穩(wěn)定，并且提高了選擇性。
灰化方法包括由等離子體氣體混合物產生反應性物質和暴露襯底到反應性物質。按照在等離子體形成條件下合成氣體和等離子體的能力來選擇等離子體氣體混合物的具體組分。選擇的氣體混合物不含或基本不含在等離子體形成條件下產生反應性氧物質和反應性氮物質的組分。更優(yōu)選地，該氣體混合物不含或基本不含含氧化合物和含氮化合物。氣體混合物可含反應性氣體如含氟氣體、含氫氣體和它們的混合物。但是，對于一些低k材料，氟的存在可對低k材料的物理和化學性質有害。該氣體混合物還可含惰性氣體如氫氣、氦氣、氖氣等。由氣體混合物產生的等離子體主要與碳和光刻膠、聚合物/殘留物中的其它原子反應形成揮發(fā)性化合物和/或可沖洗除去化合物。該方法可被優(yōu)化具有大于50∶1的灰化選擇性。
適用于該方法的含氫氣體包括含氫的那些化合物。含氫氣體包括烴、碳氫氟化含物、氫氣或它們的混合物。優(yōu)選的含氫氣體在等離子體形成條件下以氣態(tài)離開并在等離子體形成條件下釋放氫形成反應性氫如原子氫物質。烴或碳氫氟化合物通常是未取代的，或可被鹵素如溴、氯或氟部分取代。含氫的烴氣體的例子包括甲烷、乙烷和丙烷。
優(yōu)選的含氫氣體為氫氣和稀有氣體的混合物。適用于該方法的稀有氣體的例子包括周期表VIII族中的氣體如氫氣、氖氣、氦氣等。盡管現有技術的不含氧等離子體通常使用包括氫和氮氣混合物的合成氣體組合物，但該方法中大量氮氣的使用被特意排除。因此，由于合成氣體在下文中被定義為含氫氣和氮氣的混合物的氣體(氮氣在合成氣體混合物中通常大于約70體積％或更高)，因此該方法中合成氣體的使用被特意排除。尤其優(yōu)選用于本發(fā)明的是含氫氣和氦氣的氣體混合物。氦氣在等離子體中產生被認為是輕原子并容易擴散到襯底的氦原子，其為等離子體產生的反應性氫物質產生極好的載體特性。
出于安全原因，氣體混合物中氫氣的百分比通常不超過氣體混合物體積的約5％。但是，較高量的氫是可接受的，有時被優(yōu)選用于提高光刻膠和有機罩面層除去速度和選擇性。優(yōu)選地，氣體混合物中氫的量為總體積的約1％至約99％。更優(yōu)選地，氣體混合物中氫的量為總體積的約3％至約30％。
為了使選擇性最大，等離子體中含氟化合物小于等離子體氣體混合物總體積的約10％。已發(fā)現當氟化合物大于約10體積％時，可發(fā)生光刻膠副產物的聚合，使得聚合的光刻膠更難以除去。優(yōu)選的氟化合物包括受等離子體激發(fā)時產生氟反應性物質的那些化合物。優(yōu)選地，氟化合物為在等離子體形成條件下的氣體，并選自具有通式CxHyFz的化合物、HF、F2和SF6，其中x范圍為1-4，y范圍為0-9，z范圍為1-10。不產生反應性氮或氧物質的其它含氟化合物對本領域技術人員是顯而易見的。更優(yōu)選地，含氟化合物為CF4、C2F6或它們的混合物。
光刻膠通常為用于轉移圖像到下面襯底的有機光敏薄膜。本發(fā)明通常適用于灰化在g-線、i-線、DUV、193nm和157nm應用等中使用的那些光刻膠。其包括但不限于酚醛清漆、聚乙烯基苯酚、丙烯酸酯、乙縮醛、聚酰亞胺、縮酮、環(huán)烯烴等。鑒于本公開，適用于本公開的其它光刻膠配方對本領域技術人員是顯而易見的。光刻膠可為正作用或負作用的，取決于光刻膠化學組成和選擇的顯影劑。有機罩面層的例子包括但不打算限于ARC、底部抗反射涂層(BARC)和其它專有的犧牲材料，其一般為掩模總體的一部分。
在高級集成電路中使用的絕緣層一般包括介電常數小于約3.0的低k材料的使用。該低k介電材料可作為溶液被旋涂到襯底上或通過化學氣相沉積方法來沉積。重要的低k薄膜性質包括厚度和均勻性、介電常數、折射率、粘合性、耐化學性、熱穩(wěn)定性、孔尺寸和分布、熱膨脹系數、玻璃轉化溫度、薄膜應力和銅擴散系數。低k電介質通?？煞譃橹旅艿暮投嗫椎摹６嗫椎蚹介電材料的例子包括Nanoglass(可從Honeywell Electronic Materials得到)和氣凝膠、多孔MSQ、和其它SiCOH-基多孔材料。致密低k材料的例子包括CORAL、AURORA、FlowFill和Black Diamond。鑒于本公開，其它合適的低k介電材料對本領域技術人員是顯而易見的。
可在常規(guī)等離子體灰化器中實施該方法。本公開不打算限制于任何特定的等離子體灰化器。例如，可使用利用感應耦合等離子體反應器的等離子體灰化器，或可使用順流式(dowstream)等離子體灰化器。優(yōu)選地，等離子體灰化器為順流式等離子體灰化器，如可在商業(yè)上以商標名Fusion GEMINIES或Fusion ES3LK從在Rockville，Maryland的Axcelis Technologies，Inc.得到的微波等離子體灰化器。更優(yōu)選地，該等離子體灰化器適合于選擇性暴露襯底到反應性原子物質。
鑒于本公開，特定等離子體灰化器的設置和優(yōu)化將為本領域技術人員所熟知。等離子體灰化器通常包括等離子體產生室和等離子體反應室。僅僅為了示例性目的，在300mm Fusion ES3順流式等離子體灰化器中，在反應室中優(yōu)選將晶片加熱至室溫和450℃之間的溫度。更優(yōu)選地，加熱晶片至從約250℃到約350℃的溫度。處理中使用的溫度可是不變的，或在處理過程中勻變(ramp)或躍進。升高溫度被本領域技術人員認為是提高灰化速度的方法。圖4圖示了灰化速度作為溫度的函數。顯然，灰化速度為溫度的指數函數，并表現出Arrhenius行為。
反應室內的工藝壓力優(yōu)選為約1torr或更高。更優(yōu)選地，操作壓力在約0.5torr至約4torr的范圍內。經由氣體入口將可激發(fā)氣體混合物供入到等離子體產生室內。該氣體混合物在等離子體產生室內被暴露于能源而由氣體混合物產生激發(fā)或高能原子，該能源如微波能，優(yōu)選在約500W和5000W之間。產生的等離子體包括由等離子體氣體混合物中使用的氣體形成的電中性和帶電粒子。在等離子體到達晶片前，選擇性除去帶電粒子。優(yōu)選地，形成等離子體的氣體混合物包括氫和氦氣混合物。更優(yōu)選地，該氣體混合物包括氫、氦和氟氣體的混合物。任選地，以氣體純度的函數向處理室加入或慎重加入微量由氧和/或氮組成的氣體。氧和/或氮可作為稀有氣體加入，或者，可作為含氧和/或氮的氣體化合物加入。對于300mm順流式等離子體灰化器，總氣流速度優(yōu)選為約500至12000標準立方厘米/分鐘(sccm)。通過與等離子體產生的激發(fā)或高能原子反應從晶片上選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物?？晒鈱W監(jiān)測反應終點，這為本領域技術人員所熟悉。
當向等離子體氣體組合物中加入痕量氧和/或氮氣或含氧和氮的化合物時，等離子體灰化方法可包括多個步驟，這依所需的應用而定。一個步驟可包括使用摻入痕量氮和/或氧物質的等離子體氣體組合物在溫度T1下逐步灰化襯底達時間t1。第二后續(xù)步驟包括改變襯底溫度到T2持續(xù)時間t2，使用基本不含氧和氮的氣體混合物，其中總時間足以基本除去全部光致抗蝕、有機罩面層和/或聚合物/殘留物。第一溫度優(yōu)選為約100℃至約300℃，第二溫度優(yōu)選為約250℃至約350℃?；蛘?，可使用步驟和/或溫度的相反順序。
盡管不希望受理論約束，但認為現有技術方法通過在等離子體中產生反應性氮或氧物質導致含碳低k電介質中的碳損耗。反應性氧和氮物質與電介質中的碳摻雜物反應形成揮發(fā)性氣體如CO、CO2、HCN和CN。因此，用于形成等離子體的氣體混合物不含任何能產生大量反應性氮或氧物質的氣體。雜質的確切量難以量化，因為影響對低k介電材料的損傷的各種工藝參數的復雜性，如灰化處理時間、灰化方法溫度、濕化學處理時間、濕化學處理材料等。如前所述，可在等離子體中包含微量的反應性氧和氮物質，并且如果存在的話，按低k損傷試驗測定，優(yōu)選其量能有效提供50埃的低k介電材料的凈損失。
低k損傷試驗包括暴露包含低k介電材料的襯底到等離子體達規(guī)定量時間，其間等離子體中任何氧或氮的存在都可消耗低k材料表面層中的部分碳。隨后對晶片進行濕處理，其除去低k介電材料的碳損耗部分，由此限定低k材料損失或損傷的量。比較低k涂層厚度的預先測量值和等離子體暴露且濕處理后的后測量值能夠量化損傷。濕處理工藝包括在室溫下浸沒襯底到稀的HF水溶液中。該稀溶液優(yōu)選具有去離子水中HF份數在100∶1和5000∶1之間的濃度。浸沒可持續(xù)5秒和180秒之間的一段時間。然后是去離子水沖洗。在優(yōu)選試驗中，在100∶1的稀HF水溶液中浸沒襯底30秒。
在暴露于不含氧和氮的等離子體或基本不含氧和氮的等離子體后，可暴露晶片至過氧化物沖洗、去離子水沖洗或濕剝離劑(如上述HF處理)以除去留在晶片上的任何光刻膠、聚合物和殘留物。濕剝離劑包括酸、堿和溶劑，這是本領域技術人員已知的。使用的特定濕剝離劑都為本領域技術人員所熟悉。例如，硝酸、硫酸、氨、氫氟酸都常用作濕剝離劑。操作時，將濕剝離劑浸漬、攪拌、傾注、噴灑等到襯底上，隨后用去離子水沖洗。發(fā)現使用濕剝離劑為確定灰化等離子體是否影響下面襯底的化學、電或機械性質的相當容易和廉價的試驗。
提供下面的實施例僅用于說明目的，并不打算限制本公開的范圍。
實施例1如本實施例所示，不含氧且不含氮的等離子體方法的顯著優(yōu)點是從包括含碳低k電介質的襯底上除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物的效率提高，而不影響下面的介電層。器件制造商轉向在高級集成電路的制造中使用低k介電層，這是最大的商業(yè)優(yōu)點。
現在參考圖1A和1B，通過使用標準蝕刻方法的蝕刻器將溝槽圖案蝕刻到多晶硅襯底10內。襯底10包括低k介電層12和二氧化硅層14。通過使用圖案化的I-線光刻膠掩模選擇性蝕刻圖案。低k介電層12為碳摻雜的氧化物，可在商業(yè)上以商標名CORAL得到。然后使用可從Axcelis Technologies，Incorporated得到的Fusion Gemini ES3Plasma Asher灰化襯底。工藝條件列在表I中。等離子體氣體混合物含氫、氦和CF4氣體。在產生等離子體前，使氫氣與氦氣混合，其中以全部氫/氦混合物的體積計，氫氣的百分比為5％?；一椒ɑ境ノg刻后留在襯底上的全部光刻膠、聚合物和蝕刻后殘留物。一些殘留物16留在襯底上。
表I不含氧且不含氮的等離子體

在灰化完成后，對襯底進行濕清潔處理。將襯底浸到氫氟酸(HF)浴中2分鐘。由50％的濃縮物并用去離子水以100∶1比例稀釋來制備氫氟酸浴。通過使用放大倍率為約50000X的掃描電鏡的橫截面分析來檢查灰化后和濕剝離后的襯底。圖1A顯示了灰化處理后襯底的橫截面示意圖。圖1B顯示了HF濕清潔處理后襯底的橫截面示意圖。每次處理后襯底的比較沒有顯示出臨界尺寸或特征輪廓的任何大的變化。通過濕清潔處理有效地除去蝕刻后殘留物16。
實施例2在這個實施例中，按照實施例1制備襯底，并暴露于常規(guī)灰化等離子體工藝。等離子體氣體混合物含相同體積百分比氮氣以取代氦氣。所有其它條件與實施例1相同。工藝條件示于表II中。
表II含氮的等離子體

如圖2A所示，用含氮等離子體灰化的襯底的掃描電鏡產生與實施例1的不含氮等離子體工藝類似的結果。圖1A和2A的比較顯示出類似的蝕刻剖面。但是，如圖2B所示，暴露灰化的晶片到與實施例1中所用相同的濕處理工藝導致低k介電層12的明顯CD損失。濕清潔處理明顯除去了大量低k介電材料，導致大范圍的側壁腐蝕。這些結果證實在等離子體中以標準濃度存在的氮化學改性了低k介電層12，因為在實施例1和2所用方法之間改變的唯一變量是緩沖氣體氮氣或氦氣的選擇。此外，暴露于含氮等離子體的襯底的分析直到襯底暴露于濕清潔處理才顯示出不同等離子體之間可見的物理損傷。此外，由于含氮灰化方法化學改性低k介電下層，因此假定機械和電性質也改變是合理的。相反，暴露襯底到基本不含氧且不含氮的等離子體沒有表現出這種行為。
實施例3在這個實施例中，監(jiān)測作為等離子體中氫氣百分比的函數的光刻膠除去速度。襯底涂有一厚層光刻膠，并在Fusion Gemini ES3等離子體灰化器中暴露于四種不同等離子體(A-D)中的一種。對于每個晶片組，工藝條件和流速都保持不變。在處理前和后用橢偏測量術按常規(guī)測量光刻膠厚度，以便測定除去速度。如表III所示，襯底暴露于A.不含氮等離子體，B.具有四氟甲烷(CF4)的不含氮等離子體，C.含氮等離子體，和D.具有CF4的含氮等離子體。等離子體氣體混合物中氫的百分比隨氫氣混合物總體積的百分比變化。結果圖示于圖3。
表III等離子體氣體組合物

與用含氮等離子體C和D得到的除去速度相比，不含氮的等離子體A和B表現出有效的光刻膠除去。當氫含量從約5％提高到約40％時，全部等離子體都顯示出光刻膠除去速度的提高。在大于40％的量時，氫含量的提高對光刻膠除去速度表現出很小影響，并且除去速度相對不變。令人感興趣地注意到，對于含氮等離子體D，使用氟顯示出反應性方面的很小或沒有差異，而在不含氮等離子體B中使用氟，則得到最高的除去速度。在約20％氫含量時，等離子體B的除去速度為任何其它等離子體A、C和D的除去速度的約兩倍。能提供最高可能的除去速度的等離子體對提高產量特別有利。此外，出于安全考慮，優(yōu)選在等離子體中使用最少量的氫。因此，使高除去速度與低的氫百分比結合能在生產中提供重大的商業(yè)優(yōu)點。
實施例4在這個實施例中，檢查不含氧和氮的等離子體灰化方法中氮和氧雜質水平的影響。特別地，在各種工藝溫度和各種雜質水平下處理包含多孔低k含碳電介質的襯底。在100∶1稀HF混合物中漂洗30秒后測量低k介電層的厚度損失。
圖5圖示了含各種氮水平(ppm)的氫/氦等離子體在270、300和330℃灰化溫度下的低k電介質的損失。令人驚奇地是，在約50ppm的N2雜質水平下和270℃的灰化方法溫度下，低k電介質損失小于50埃。利用雜質水平為20ppm的氧得到類似的結果。如上面實施例3所示的前述實驗表明在大量氮存在時將對低k介電材料有損傷。這些結果表明，痕量的氮和氧能被忍受，而不損傷低k介電材料，尤其在較低的溫度下。此外，由于試驗的低k介電材料為多孔的，因此可預料到較致密的介電材料(即無孔)將更不易受到損傷，因此，具有較高的氧和氮雜質閾值。
實施例5在這個實施例中，控制量的氧和氮被分別加入到由氫和氦氣形成的等離子體中。監(jiān)測每種氣體各種水平的灰化速度和氫基濃度。
圖6圖示了加入氧到氫和氦等離子體中的結果。如圖所示，通過含相對少量的氧，灰化速度得到明顯提高，并且令人驚奇地沒有損傷低k介電表面超過約50埃的可接受損失。盡管不想受理論約束，但認為灰化速度的提高歸因于等離子體中氫分子的離解增加，導致H基濃度的提高，而在氫/氦(HeH2)等離子體中H基對灰化光刻膠負責。通過繪制兩條獨立選擇的氫和氦的發(fā)射線的比例，在圖6中標示出H濃度的提高。
相反，如圖7所示，加入氮到HeH2等離子體中降低了兩條獨立選擇的氫和氦線的光學信號比例，并沒有顯示出影響灰化速度。這些結果表明，存在H基濃度的降低。盡管氮并未顯示出會提高灰化速度到任何顯著的程度，但發(fā)現HeH2等離子體中氮和/或氧的存在確實會“軟化”先前對晶片進行蝕刻步驟所留下的聚合物，并使它們在隨后的dHF漂洗步驟中可除去。
圖8a-d為圖案化低k結構在HeH2等離子體清潔后(8a和8c)和HeH2等離子體清潔接著30秒稀HF清潔后(8b和8d)的掃描電鏡圖。在圖8a和8c中，HeH2等離子體不含氧和氮雜質。在圖8b和8d中，HeH2等離子體在等離子體中含氮和氧雜質。顯然，可看到在后續(xù)稀HF濕處理工藝中，在暴露于“不純”He-H2等離子體的晶片上容易除去由灰化方法形成的殘留物，而“純”He-H2等離子體處理的晶片則不然。注意到圖8b和8d的放大倍率比圖8a和8c高，即使在較高的放大倍率下，其也未顯示出留在低k介電表面上的聚合物殘留物至任何可測量的程度。
實施例6在這個實施例中，檢查了使用和不使用10ppm氮和10ppm氧時作為氫/氦灰化等離子體方法的等離子體處理時間的函數的多孔低k介電材料損失。如前所述，由于影響低k介電材料損傷的各種工藝參數的復雜性，因此難以量化這些痕量氣體的確切量。關于處理時間方面，低k介電材料暴露于等離子體時間越長，碳損耗越大，這隨后造成在濕處理如稀HF漂洗后材料損失越大。這個實施例中的灰化溫度相對高，為350℃，其將加劇任何低k介電材料的損失。如圖9所示，結果表明，當材料暴露于等離子體較長的時間時，低k材料損失一般會增加。盡管10ppm氮或多或少影響低k材料損失，但相同水平的氧則被觀察到顯著影響低k介電材料的損失。
總之，基本不含氧和氮的方法中的氧和/或氮量是復雜的，并取決于上面所列的眾多因素。在基本不含氧和氮的等離子體中包含的含氮和/或氧氣體的量為在所需的灰化溫度和時間下能有效提供高灰化選擇性(優(yōu)選大于50∶1)并滿足所需的有機層除去速度或產量要求的量。在優(yōu)選的實施方案中，該量能有效最小化低k介電材料的損失至小于約50埃。優(yōu)選地，基本不含氧和氮的等離子體中的痕量氧和氮的量還能有效使聚合物殘留物可漂洗除去。
為了說明和描述，提供了本公開優(yōu)選實施方案的上述描述。不希望徹底涵蓋或限制本公開到公開的確切形式。鑒于上述教導，顯而易見的修改或改變是可能的。這些實施方案是被選擇并描述以提供本公開原理及其實際應用的最好說明，借此能使本領域的普通技術人員利用各種實施方案中的公開，并針對特定應用進行各種修改。當根據其正當、合法和公正授權的范圍作解釋時，所有的這類修改和改變都在附加權利要求所決定的公開范圍內。
權利要求
1.一種從包含低k材料的半導體襯底上選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層的等離子體灰化方法，該方法包括通過暴露等離子體氣體組合物到能源以形成等離子體來形成反應性物質，其中該等離子體基本不含反應性氮物質和反應性氧物質；和暴露其上具有光刻膠和/或有機罩面層的襯底到反應性物質以選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層，并留下與暴露襯底到反應性物質前基本相同的低k材料。
2.根據權利要求1的等離子體灰化方法，其中該等離子體氣體組合物基本由含氫氣體和稀有氣體組成。
3.根據權利要求2的等離子體灰化方法，其中稀有氣體為氦。
4.根據權利要求2的等離子體灰化方法，其中含氫氣體選自烴、碳氫氟化合物和氫氣。
5.根據權利要求2的等離子體灰化方法，其中含氫氣體為氫氣。
6.根據權利要求1的等離子體灰化方法，其中襯底包括介電常數小于3.0的含碳絕緣層。
7.根據權利要求6的等離子體灰化方法，其中含碳絕緣層的介電常數在等離子體灰化方法中基本不變。
8.根據權利要求1的等離子體灰化方法，其中基本不含反應性氮物質和反應性氧物質的等離子體包含痕量水平的氧物質和/或氮物質，痕量水平為在等離子體灰化方法和隨后的濕處理后能除去小于約50埃低k介電材料的量，其中濕處理包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
9.根據權利要求1的等離子體灰化方法，還包括襯底的濕處理，其中襯底上特征的臨界尺寸在濕處理工藝中基本不變。
10.一種從包含低k材料的半導體襯底上選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層的等離子體灰化方法，該方法包括通過暴露等離子體氣體組合物到能源以形成等離子體來形成反應性物質，其中該等離子體基本不含反應性氮物質和反應性氧物質；以相對于未引入氧到等離子體中能有效提高灰化速度的量引入氧到等離子體中；和暴露其上具有光刻膠和/或有機罩面層的襯底到反應性物質以選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層，其中在進一步暴露于稀氫氟酸濕處理工藝后，低k介電材料的損失小于50埃，稀氫氟酸濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
11.一種從半導體襯底選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物的蝕刻后等離子體灰化方法，其中襯底包括含有介電常數小于3.0的含碳低k介電材料的層，該等離子體灰化方法包括將在襯底表面上包含光刻膠和/或有機罩面層和/或聚合物/殘留物的襯底放到反應室內；通過由基本不含氮和氧的氣體組合物產生等離子體形成反應性物質，其中基本不含氮和氧的氣體組合物含痕量水平的含氧和/或氮的氣體；暴露襯底到在等離子體中由基本不含氮和氧的氣體組合物形成的反應性物質；和通過形成揮發(fā)性化合物、可沖洗除去的化合物及其混合物從表面選擇性除去光刻膠、有機罩面層和聚合物/殘留物，其中氧和/或氮的痕量水平為能在進一步暴露于濕處理工藝后除去小于約50埃低k介電材料的量，該濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
12.根據權利要求11的蝕刻后等離子體灰化方法，其中所述氣體組合物含氫氣和氦氣。
13.根據權利要求11的蝕刻后等離子體灰化方法，其中所述氣體組合物還含含氟氣體。
14.根據權利要求12的蝕刻后等離子體灰化方法，其中所述氫氣的量為全部氣體組合物的約1％至約99％。
15.根據權利要求12的蝕刻后等離子體灰化方法，其中所述氫氣的量為全部氣體組合物的約3％至約30％。
16.根據權利要求12的蝕刻后等離子體灰化方法，其中所述氫氣的量為全部氣體組合物的約1％至約5％。
17.根據權利要求12的蝕刻后等離子體灰化方法，其中該等離子體灰化方法在光刻膠和襯底之間產生大于50∶1的灰化選擇性。
18.根據權利要求11的蝕刻后等離子體灰化方法，其中含碳和/或氫的絕緣層的介電常數在等離子體灰化方法中基本不變。
19.根據權利要求11的蝕刻后等離子體灰化方法，其中低k介電材料的化學組成在等離子體灰化方法中基本不變。
20.根據權利要求11的蝕刻后等離子體灰化方法，還包括襯底的濕處理，其中襯底上特征的臨界尺寸在濕處理工藝中基本不變。
21.根據權利要求20的蝕刻后等離子體灰化方法，其中襯底的濕處理包括浸沒襯底到濕化學浴中。
22.根據權利要求21的蝕刻后等離子體灰化方法，其中濕化學浴選擇性除去低k材料的碳損耗部分。
23.根據權利要求21的蝕刻后等離子體灰化方法，其中濕化學浴包括氫氟酸水溶液。
24.一種制造微電子器件的方法，該方法包括在半導體襯底表面上形成光刻膠掩模，其中該襯底包括含碳的低k介電層；通過光刻膠掩模中的開孔蝕刻和除去部分襯底以永久轉移圖像到襯底內并暴露低k介電層的表面，其中所述蝕刻在襯底上形成聚合物/殘留物；和選擇性灰化光刻膠掩模，并利用由含氫和氦的氣體混合物產生的基本不含氧和氮的等離子體從襯底除去聚合物/殘留物或使它們可除去。
25.根據權利要求24的方法，其中低k介電層具有小于3.0的介電常數。
26.根據權利要求24的方法，其中低k介電層包含具有含硅骨架的聚合物。
27.根據權利要求24的方法，其中低k介電層包含碳摻雜的氧化物。
28.根據權利要求24的方法，還包括在從襯底灰化光刻膠后濕處理該襯底，其中該襯底中圖像的臨界尺寸在濕處理工藝中基本不變。
29.根據權利要求24的方法，還包括在從襯底灰化光刻膠后濕處理該襯底，其中聚合物/殘留物在濕處理工藝中基本被除去。
30.根據權利要求28的方法，其中襯底的濕處理包括浸沒襯底到濕化學浴中。
31.根據權利要求30的方法，其中化學浴包含只除去低k介電材料的碳損耗部分的化學物質。
32.根據權利要求31的方法，其中化學物質包括濃度為氫氟酸與水之比為約100∶1至約5000∶1的氫氟酸水溶液。
33.一種從襯底表面選擇性剝離光刻膠和/或有機罩面層和/或聚合物/殘留物的等離子體灰化方法，該方法包括放置其上具有光刻膠/有機掩模的襯底到反應室內；由含氫和氦的氣體混合物產生基本不含氧和氮的等離子體，其中該氣體混合物包含其量能在灰化光刻膠掩模和隨后的濕處理工藝后除去小于約50埃的低k介電材料的含氧和/或氮氣體，并且其中該等離子體既包含電中性粒子又包含帶電粒子；從等離子體中基本除去帶電粒子；暴露襯底和光刻膠/有機掩模到等離子體中的電中性物質，其中暴露于等離子體的襯底包括含碳低k介電材料；和灰化光刻膠/有機掩模以從襯底選擇性除去掩模，其中低k介電層的化學組成與暴露襯底到等離子體步驟前基本相同。
34.一種從包含低k材料的半導體襯底上選擇性除去光刻膠和/或有機罩面層的等離子體灰化方法，該方法包括通過暴露等離子體氣體組合物到能源以形成等離子體來形成反應性物質，其中該等離子體基本不含反應性氮物質和反應性氧物質；以相對于未引入氧到等離子體中能有效提高灰化速度的量引入氧氣或含氧化合物到等離子體中；和暴露其上具有光刻膠/有機罩面層的襯底到反應性物質以選擇性除去光刻膠/有機罩面層，其中在進一步暴露于濕處理工藝后，低k介電材料的損失小于50埃，濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
35.一種從包括低k材料的襯底的表面選擇性剝離光刻膠、有機罩面層和/或聚合物/殘留物的等離子體灰化方法，該方法包括將其上具有光刻膠掩模、有機罩面層和/或聚合物/殘留物的襯底放到反應室內；在第一溫度下暴露襯底到基本不含氧和氮物質的等離子體中；加入痕量的氧和/或氮到等離子體中持續(xù)第一段時間；和提高第一溫度到第二溫度并停止加入痕量的氧和/或氮到等離子體中，和暴露襯底持續(xù)第二段時間，其中該等離子體中氧和/或氮的總量和時間的總量能在進一步暴露于濕處理工藝后有效除去小于約50埃的低k介電材料，濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
36.根據權利要求35的等離子體灰化方法，其中基本不含氧和氮的等離子體由含氫和氦的氣體混合物形成。
37.根據權利要求35的方法，其中第一溫度為約100℃至約300℃，第二溫度為約250℃至約350℃。
38.一種從包括低k材料的襯底的表面選擇性剝離光刻膠、有機罩面層和/或聚合物和殘留物的等離子體灰化方法，該方法包括將其上具有光刻膠掩模、有機罩面層和/或聚合物和殘留物的襯底放到反應室內；在第一溫度下暴露襯底到基本不含氧和氮物質的等離子體中；加入痕量的氧和/或氮到等離子體中持續(xù)一段時間；和降低第一溫度到第二溫度并加入痕量的氧和/或氮到等離子體中一段時間，和暴露襯底持續(xù)第二段時間，其中該等離子體中氧和/或氮的總量和時間的總量能在進一步暴露于濕處理工藝后有效除去小于約50埃的低k介電材料，濕處理工藝包括用氫氟酸與去離子水之比為100∶1的溶液潤濕襯底30秒。
39.根據權利要求38的等離子體灰化方法，其中基本不含氧和氮的等離子體由含氫和氦的氣體混合物形成。
40.根據權利要求38的方法，其中第一溫度為約250℃至約350℃，第二溫度為約100℃至約300℃。
全文摘要
在低k材料存在時從半導體襯底除去光刻膠的基本不含氧和不含氮的等離子體灰化方法，包括通過暴露等離子體氣體組合物到能源形成等離子體來形成反應性物質。所述等離子體氣體組合物基本不含含氧和含氮氣體。通過暴露光刻膠到基本不含氧和氮的反應性物質，等離子體從包含低k材料的底層襯底選擇性除去光刻膠。該方法可用于含碳的低k介電材料。
文檔編號H01L21/02GK1868043SQ200480029808
公開日2006年11月22日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權日2003年8月11日
發(fā)明者C·華德費得, O·伊斯寇希亞, 韓清源, T·布克雷, P·沙克席威爾 申請人:艾克塞利斯技術公司