專利名稱：在基板上形成高縱橫比特征的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于在基板上形成高縱橫比特征的方法。更具體地說，本 發(fā)明一般涉及在半導(dǎo)體制造中用于通過各向異性蝕刻工藝形成高縱橫比特征 的方法。
背景技術(shù)：
可靠地制造亞一半微米或更小特征是用于下一代極大規(guī)模集成(VLSI) 以及超大規(guī)模集成(ULSI)半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵技術(shù)中之一。但是，由于推進(jìn) 集成電路技術(shù)發(fā)展的限制，因此VLSI和ULSI技術(shù)中互聯(lián)尺寸縮小對處理能 力提出了進(jìn)一步的需求。集成電路可包括超過一百萬個微米級電子場效應(yīng)晶體 管(例如補(bǔ)償型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)場效應(yīng)晶體管)，其形成在基板 (例如半導(dǎo)體晶片)上并共同協(xié)作以在電路中實施各種功能?？煽康匦纬蓶艠O 圖案對于集成電路的成功以及持續(xù)努力提高電路密度以及單個基板和管芯的 質(zhì)量是很重要的。
由于特征尺寸逐漸地變小，因此對較高縱橫比的要求已經(jīng)持續(xù)地增加到了 20:1甚至更大，該縱橫比被定義為特征深度和特征寬度之間的比率。開發(fā)能 夠可靠地形成具有這種高縱橫比的特征的蝕刻工藝已成具有重要意義的挑戰(zhàn)。
通常，具有約io:l左右縱橫比的特征可以通過各向異性蝕刻介電層至預(yù) 定深度和寬度來制造。例如，圖1A描述了具有由通過圖案化掩膜層106形成 的開口 108暴露出的部分介電層104的基板102。在蝕刻期間，蝕刻處理期間 產(chǎn)生的副產(chǎn)物或者其他材料的再次沉積或者堆積會聚集在被蝕刻特征110的 頂部和/或側(cè)壁上，由此阻塞了掩模106中的開口 108以及形成于介電層104 中的特征110的開口 108，如圖1B中所示。由于被蝕刻特征110的開口 108 由于聚集的再沉積材料114的原因而被窄化和/或被密封，因此阻止了反應(yīng)蝕 刻劑到達(dá)特征110的下表面U2，由此限制了可能獲得的縱橫比。此外，由于 再沉積材料或副產(chǎn)物的堆積任意地和/或不規(guī)則地粘附到介電層104的頂表面和/或側(cè)壁上，其結(jié)果獲得的再沉積材料114的不規(guī)則輪廓(profile)和生 長會改變反應(yīng)蝕刻劑的流路，從而導(dǎo)致介電層104中形成的特征110的弓形或 翹曲輪廓118，如圖1C中所示。
因此，現(xiàn)有技術(shù)中對于用于蝕刻具有高縱橫比的特征的改進(jìn)方法存在需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種形成高縱橫比特征的方法。在此描述的該方法通過蝕 刻期間的導(dǎo)電側(cè)壁管理方案便利地簡化了具有高縱橫比特征的輪廓和尺寸控 制。
在一個實施方式中，用于各向異性蝕刻基板上介電層的方法包括在蝕刻室 中提供具有設(shè)置于介電層上的圖案化掩膜層的基板，向蝕刻室中提供至少包括 含有氟和碳?xì)怏w以及氟化硅氣體的氣體混合物，以及在由氣體混合物形成的等 離子體存在的情況下蝕刻介電層中的特征。
另一實施方式中，用于各向異性蝕刻基板上介電層的方法包括向蝕刻室中 提供具有設(shè)置在介電層上的圖案化非晶碳層的基板，將至少包括含氟和碳?xì)怏w 以及氟化硅氣體的氣體混合物提供到蝕刻室中，以及在由氣體混合物形成的等 離子體存在的情況下通過非晶碳層中的開口蝕刻特征至大于約20:1的縱橫 比。
在再一實施方式中，用于各向異性蝕刻基板上介電層的方法包括將具有設(shè) 置在介電層上的圖案化非晶碳層的基板提供到蝕刻室中，將至少包括含氟和碳 氣體以及氟化硅氣體的氣體混合物提供到蝕刻室中，通過由氣體混合物形成的 等離子體在介電層中蝕刻特征至大于約20:1的縱橫比，蝕刻時在特征表面上 形成導(dǎo)電聚合物層，以及將特征構(gòu)成為用于場效應(yīng)晶體管的接觸結(jié)構(gòu)。


通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可容易理解本發(fā)明的教導(dǎo)，附圖中 圖1A-1C示出了用于制造高縱橫比特征的常規(guī)制造順序的截面圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明至少一個實施方式用于進(jìn)行蝕刻工藝的等離子體處理 裝置的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明至少一個實施方式適合于制造高縱橫比特征的方法的 工藝流程圖4A—4C是根據(jù)圖3的方法被蝕刻以形成高縱橫比特征的復(fù)合結(jié)構(gòu)的順
序截面圖；和
圖5是在用于場效應(yīng)晶體管的接觸結(jié)構(gòu)中具有通過本發(fā)明形成的高縱橫
比特征的復(fù)合結(jié)構(gòu)的截面圖。
為了便于理解，可能的情況下，已經(jīng)使用相同參考標(biāo)表示圖中共用的相同 元件。將預(yù)期在一個實施方式中的元件和/或處理歩驟可有利地用在其他實施 方式中而不需特別說明。
但是，應(yīng)當(dāng)注意，由于本發(fā)明可允許其他等效的實施方式，因此附圖僅示 出了本發(fā)明的示范性實施方式且因此不應(yīng)認(rèn)為其限制了本發(fā)明的范圍。
具體實施例方式
本發(fā)明一般涉及用于由蝕刻工藝形成具有高縱橫比特征的方法。在一個實 施方式中，該方法包括使用氟化硅氣體以及氟和硅基氣體的蝕刻氣體混合物來 等離子體蝕刻介電層。蝕刻氣體混合物的氟化硅氣體在被蝕刻介電層側(cè)壁和/ 或表面上形成了導(dǎo)電聚合物層，由此在蝕刻期間在深度特征中延伸離子軌跡。 該延伸的離子軌跡協(xié)助向下蝕刻介電層至介電層的底部，由此形成具有所需高 縱橫比的特征同時保持良好的輪廓控制和臨界尺寸。
在此描述的蝕刻工藝可在任意等離子體蝕刻室中進(jìn)行，例如HART蝕刻反 應(yīng)器、HARTTS蝕刻反應(yīng)器，Decoupled Plasma Source (DPS)、 DPS-II或者 €￡>^1^@蝕刻系統(tǒng)的DPS Plus或者DPS DT蝕刻反應(yīng)器，所有這些都可從 Santa Clara, California的Applied Materials公司獲得。也可使用從其他制造商 獲得的合適的等離子體蝕刻室。
圖2描述了蝕刻處理室200的一個實施方式的示意圖。室200包括支撐介 電圓頂形頂板(以下稱作圓頂220)的導(dǎo)電室壁230。其他室可具有其他類型 的頂板(例如平坦頂板)。壁230連接到地電勢(electrical ground) 234。
至少一個電感線圈天線部分212通過匹配網(wǎng)絡(luò)219耦合到射頻(RF)源 218。天線部分212被設(shè)置在圓頂220外部且用于保持由室內(nèi)的處理氣體形成 的等離子體。在一個實施方式中，提供到電感線圈天線212的源RF功率，在約50kHz和約B.56MHz之間的頻率范圍內(nèi)，為約0瓦特至約2500瓦特之間 的范圍。在另一實施方式中，提供到電感線圈天線212的源RF功率在約200 瓦特至約800瓦特之間的范圍內(nèi)，諸如約400瓦特。
處理室200也包括耦合到第二 (偏置)RF源222的基板支撐底座216 (偏 置元件)，該第二 RF源222通常能夠產(chǎn)生RF信號以在接近13.56 MHz的頻率 下產(chǎn)生約1500瓦特或更少的偏置功率(例如沒有偏置功率)。偏置源222通 過匹配網(wǎng)絡(luò)223耦合到基板支撐底座216。施加到基板支撐底座216的偏置功 率可以是DC或者是RF。
操作中，基板214被設(shè)置在基板支撐底座216上且通過常規(guī)技術(shù)保持于其 上，諸如靜電卡盤或者機(jī)械夾持基板214。氣態(tài)成分從氣體面板238通過進(jìn)口 端226提供到處理室200中以形成氣態(tài)混合物250。由混合物250形成的等離 子體通過分別自RF源218和222向天線212和基板支撐底座216施加RF功 率而被保持在處理室200中。使用位于室200和真空泵236之間的節(jié)流閥227 控制在蝕刻室200內(nèi)部的壓力。使用設(shè)置在室200的壁230中的含液體管道 (未示出)控制在室壁230表面處的溫度。
通過穩(wěn)定支撐底座216的溫度和從源248經(jīng)由管道249向由基板214背部 和底座表面上的溝槽(未示出)形成的通路流動傳熱氣體，控制基板214的溫 度。氦氣可用作傳熱氣體以利于基板支撐底座216和基板214之間的傳熱。在 蝕刻處理期間，基板214經(jīng)由DC功率源224通過設(shè)置在基板支撐底座216 中的電阻加熱器225加熱至穩(wěn)定狀態(tài)溫度。設(shè)置在底座216和基板214之間 的氦利于均勻加熱基板214。使用圓頂220和基板支撐底座216的熱控制，將 基板214保持在約100攝氏度和約500攝氏度之間的溫度下。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解也可使用其他形式的蝕刻室來實施本發(fā)明。例如， 可利用具有遠(yuǎn)程等離子體源的室、微波等離子體室、電子回旋加速器諧振 (ECR)等離子體室等來實施本發(fā)明。
包括中央處理單元(CPU) 244、存儲器242以及用于CPU244的支持電 路246的控制器240耦合到蝕刻處理室200的各部件以利于蝕刻處理的控制。 為了易于控制如上所述的室，CPU244可以是任意形式通用計算機(jī)處理器中的 一種，其能夠用在工業(yè)設(shè)備中用于控制各種室和子處理器。存儲器242耦合到 CPU 244。存儲器242或者計算機(jī)可讀介質(zhì)可以是容易獲得的存儲器中的一種或多種，諸如隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、軟盤、硬盤或 者任意其他形式的數(shù)字存儲器、本地的或者是遠(yuǎn)程的。支持電路246耦合到 CPU244，用于以常規(guī)方式支持處理器。這些電路包括緩存、電源、時鐘電路、 輸入/輸出電路以及子系統(tǒng)等。諸如在此描述的蝕刻處理通常是以軟件程序存 儲在存儲器242中。軟件程序也可通過由CPU 244控制的硬件遠(yuǎn)程設(shè)置的第 二CPU (未示出)來進(jìn)行存儲和/或執(zhí)行。
圖3是在室200或者其它合適的處理室中實施的蝕刻處理300的一個實施 方式的流程圖。圖4A—4C是與處理300的各步驟對應(yīng)的一部分復(fù)合基板的示 意性截面圖。處理300可用于形成例如大于20:1的高縱橫比特征，用于諸如 場效應(yīng)晶體管的接觸結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。另外，處理300可便利地用于蝕刻其他類型 的結(jié)構(gòu)。
在框302，處理300開始，其中通過將基板214傳送(即提供)到蝕刻處 理室諸如2中描述的蝕刻室200來開始處理300。在圖4A中描述的實施方式 中，基板214具有膜疊層400，該膜疊層具有設(shè)置于介電層404上的圖案化的 掩膜層406。該圖案化的掩膜層406具有暴露出部分下部介電層404的開口 408用于蝕刻?；?14可以是半導(dǎo)體基板、硅晶片、玻璃基板等中的任何一 種。
在一個實施方式中，掩膜層406可以是硬掩模，光致抗蝕劑掩模或者其組 合。掩膜層406用作蝕刻掩模用于以所需縱橫比來蝕刻介電層404中的特征 410。在此描述的特征410包括溝槽、通孔、開口等。在一個實施方式中，掩 膜層406可以是選自由硅、氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、非晶硅和其 組合構(gòu)成的組的材料。在此描述的一個示例性實施方式中，掩膜層406是非晶 碳層。非晶碳層的一個實例是Advanced Patterning Film (APF)，其可從 Applied Materials公司獲得。介電層404可以是介電氧化物層。用于介電層的 其他合適的材料包括未摻雜硅玻璃(USG)諸如氧化硅或者TEOS、硼硅酸鹽 玻璃(BSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)及其組合。 在此描述的一個示例性實施方式中，介電層404是未摻雜的硅玻璃(USG)層。 在一個實施方式中，介電層404具有約3000A至約15000A之間的厚度、例如 在約4000A至約12000A之間、例如為約IOOOOA的厚度。
在框304中，將包括氟和碳基氣體以及氟化硅氣體的氣體混合tl提供到蝕刻室中以各向異性蝕刻設(shè)置于其中的基板214。在蝕刻期間，氟和碳?xì)怏w以及 氟化硅氣體通過由氣體混合物產(chǎn)生的等離子體離解為反應(yīng)蝕刻劑種類。來自氟 化硅氣體的硅離子與來自氣體混合物中的氟和碳?xì)怏w的一部分碳離子反應(yīng)，在
介電層404中蝕刻的特征410的蝕刻表面諸如側(cè)壁上形成導(dǎo)電含硅聚合物，如 圖4B中所示。由于在蝕刻期間硅離子可較通常用于保護(hù)介電層404的蝕刻表 面諸如側(cè)壁的碳基聚合物提供更多的電子，因此含硅聚合物416的導(dǎo)電特性有 助于在蝕刻反應(yīng)期間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移過程。導(dǎo)電含硅聚合物416將離子和/或電 子傳導(dǎo)至特征410更深的部分，如通過箭頭418所示。導(dǎo)電聚合物層416還 可以降低電荷在介電層404特征4i0中的堆積和生長，由此防止特征被關(guān)閉、 窄化、變弓形或者進(jìn)一步干擾蝕刻處理。導(dǎo)電含硅聚合物416改善了蝕刻的特 征410中的粒子軌道，從而利于在介電層404中的深處形成具有高縱橫比的特 征410。
在蝕刻期間，掩膜層406還可能受到來自所提供的氣體混合物的氟離子的 侵蝕。這樣，通過添加氟化硅氣體到氟和碳基氣體混合物中，來自氟化硅氣體 的硅離子可有效地與掩膜層406反應(yīng)以在掩膜層406的上表面上形成強(qiáng)的保 護(hù)層414。在其中掩膜層406是非晶碳層的實施方式中，硅離子與非晶碳層中 的碳元素反應(yīng)，硅離子與掩膜層406中的碳元素反應(yīng)，從而在掩膜層406的上 表面上形成堅固的碳化硅層，由此保護(hù)掩膜層406在高縱橫比特征410形成期 間不受侵蝕。
在一個實施方式中，在氣體混合物中提供的氟化硅氣體選自由SiF4、 SiCl4 等構(gòu)成的組。在氣體混合物中提供的氟和碳?xì)怏w選自由CF4、 CHF3、 C4F8、 C2F6、 C4F6、 C5F8、 CH2F2等構(gòu)成的組。惰性氣體可任選地與氣體混合物一起 提供的以有助于將氣體混合物運載到蝕刻室中的惰性氣體。惰性氣體的適當(dāng)實 例包括N2、 Ar、 He和Kr氣體。
調(diào)節(jié)幾個處理參數(shù)同時將氣體混合物提供到蝕刻室中。在一個實施方式 中，調(diào)節(jié)室的壓力至約10m乇至約60m乇之間，例如約20m乇。施加RF源 功率以保持由第一處理氣體形成的等離子體。例如，將約200瓦特至約1000 瓦特的功率提供到電感耦合天線源以保持在蝕刻室內(nèi)部的等離子體。氟和碳?xì)?體以約20sccm至約100sccm之間的速度流入到室中。氟化硅氣體以約10sccm 至約50sccm之間的速度流入到室中。惰性氣體以約200sccm至約1000sccm之間的速度流入到室中?；鍦囟缺３衷诩s20攝氏度至約80攝氏度之間。 另外，可控制提供到氣體混合物中的氟和碳?xì)怏w與氟化硅氣體的比率。在
--個實施方式中，氟和碳?xì)怏w與氟化硅氣體的氣體比率被控制在約1:0.15至
約1:0.5之間，例如為約1:0.25.
在框306中，隨著一個特征410達(dá)到所需深度、到達(dá)任選的下部層和/或
基板214，蝕刻處理的終點可以通過任意合適方法來確定。例如，終點可通過
監(jiān)控光發(fā)射、預(yù)定時間周期的終止或者通過確定該被蝕刻層已經(jīng)被充分去除的
另一指示來確定。
如圖4C中所示，具有所需縱橫比的特征410形成在基板214上。在一個 實施方式中，形成在基板214上的特征410具有大于約20:1的縱橫比。在一 個實施方式中，利用處理300以形成具有特征410的接觸結(jié)構(gòu)，具有大于約 20:1縱橫比的該特征410形成在介電層404中作為設(shè)置在基板502上場效應(yīng) 晶體管504中的接觸結(jié)構(gòu)，如圖5中所示。特征410可填充或沉積有金屬材料 以在基板上形成互聯(lián)結(jié)構(gòu)。金屬材料的實例包括鎢(W)、氮化鎢(WN)、銅 (Cu)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鋁(Al)等。另外，處理300可用于制造用于生 產(chǎn)集成電路的其它結(jié)構(gòu)。
由此，本申請?zhí)峁┝擞糜谖g刻基板以形成具有大于20:1縱橫比特征的改 進(jìn)方法。該方法便利地與附加的氟化硅氣體一起使用氟和碳基氣體混合物，以 在蝕刻期間形成導(dǎo)電聚合物層，從而有效地提供形成于基板上的具有高縱橫比 特征的良好輪廓和尺寸控制。
雖然前述內(nèi)容針對本發(fā)明的實施方式，但是可設(shè)計出本發(fā)明其它的和進(jìn)一 步的實施方式而不超出其基本范圍，且其范圍由以下的權(quán)利要求書來確定。
權(quán)利要求
1. 一種用于以高縱橫比各向異性蝕刻基板上介電層的方法，包括在蝕刻室中提供具有設(shè)置于介電層上的圖案化掩膜層的基板；向蝕刻室中提供至少包括含氟和碳?xì)怏w及氟化硅氣體的氣體混合物；和在由氣體混合物形成的等離子體存在的情況下在介電層中蝕刻各特征。
2. 如權(quán)利要求1的方法，其中介電層選自由未摻雜硅玻璃(USG)、硼硅 酸鹽玻璃(BSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)及其組 合構(gòu)成的組。
3. 如權(quán)利要求1的方法，其中圖案化掩膜層選自由硅、氧化硅、氮化硅、 氧氮化硅、碳化硅、非晶碳和其組合構(gòu)成的組。
4. 如權(quán)利要求1的方法，其中提供氣體混合物還包括-在介電層的被蝕刻的表面上形成導(dǎo)電聚合物層。
5. 如權(quán)利要求4的方法，其中導(dǎo)電聚合物層是含硅聚合物。
6. 如權(quán)利要求4的方法，其中導(dǎo)電聚合物層協(xié)助將由用于各向異性蝕刻介 電層的等離子體產(chǎn)生的離子向下傳導(dǎo)傳向介電層的底部。
7. 如權(quán)利要求1的方法，其中含氟和碳的氣體以及氟化硅氣體是SiF4和 SiCU。
8. 如權(quán)利要求1的方法，含氟和碳的氣體選自由CF4、 CHF3、 C4F8、 C2F6、 C4F6、 C5F8、 CH2F2構(gòu)成的組。
9. 如權(quán)利要求1的方法，其中提供氣體混合物還包括 與氣體混合物一起提供惰性氣體，其中惰性氣體選自由N2、 Ar、 He和Kr構(gòu)成的組。
10. 如權(quán)利要求1的方法，其中提供氣體混合物還包括-.以約20sccm和約100sccm之間的流速提供含氟和碳?xì)怏w；和 以約10sccm和約50sccm之間的流速提供氟化硅氣體。
11. 如權(quán)利要求10的方法，其中提供氣體混合物還包括 保持處理壓力在約10m乇和約60m乇之間； 控制基板溫度在約20攝氏度和約80攝氏度之間；和 施加在約200瓦特和約1000瓦特之間的等離子體功率。
12. 如權(quán)利要求1的方法，其中蝕刻介電層中的特征還包括形成具有大于約20:1縱橫比的至少一個溝槽或通孔。
13.如權(quán)利要求l的方法，其中蝕刻介電層中的特征還包括形成用于場效應(yīng)晶體管的接觸結(jié)構(gòu)。
14. 一種用于以高縱橫比各向異性蝕刻基板上介電層的方法，包括 將具有設(shè)置于介電層上的圖案化非晶碳層的基板提供到蝕刻室中； 將至少包括含氟和碳?xì)怏w及氟化硅氣體的混合氣體提供到蝕刻室中；和 在由氣體混合物形成的等離子體的存在情況下通過非晶碳層中的開口蝕刻特征至大于約20:1的縱橫比。
15. 如權(quán)利要求14的方法，其中提供氣體混合物還包括 在介電層的被蝕刻的表面上形成導(dǎo)電聚合物層。
16. 如權(quán)利要求15的方法，還包括由氟化硅氣體提供的硅元素和非晶碳層反應(yīng)以形成保護(hù)層。
17. 如權(quán)利要求15的方法，其中提供氣體混合物還包括與氣體混合物一起提供惰性氣體到蝕刻室中，其中惰性氣體選自由N2、 Ar、 He和Kr構(gòu)成的組。
18. —種用于以高縱橫比各向異性蝕刻基板上介電層的方法，包括 將具有設(shè)置于介電層上的圖案化非晶碳層的基板提供到蝕刻室中； 將至少包括含氟和碳?xì)怏w以及氟化硅氣體的氣體混合物提供到蝕刻室中；通過由氣體混合物產(chǎn)生的等離子體在介電層中蝕刻特征至大于約20:1的 縱橫比；在特征表面上形成導(dǎo)電聚合物層同時進(jìn)行蝕刻；和 構(gòu)造特征作為用于場效應(yīng)晶體管的接觸結(jié)構(gòu)。
19. 如權(quán)利要求18的方法，其中提供氣體混合物的步驟還包括 與氣體混合物一起提供惰性氣體到蝕刻室中，其中惰性氣體選自由N2、Ar、 He和Kr構(gòu)成的組。
20. 如權(quán)利要求18的方法，其中介電層選自由氧化硅、硼硅酸鹽玻璃 (BSG)、磷硅酸鹽玻璃(PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)及其組合構(gòu)成的
全文摘要
提供了一種用于在蝕刻處理中形成用于高縱橫比應(yīng)用的各向異性特征的方法。在此描述的該方法便利地易于具有高縱橫比特征的輪廓和尺寸控制。在一個實施例中，用于各向異性蝕刻基板上介電層的方法包括在蝕刻室中提供具有設(shè)置于介電層上圖案化掩膜層的基板，將至少包括含氟和碳?xì)怏w以及氟化硅氣體的氣體混和物提供到蝕刻室中，和在存在由氣體混合物形成的等離子體的情況下在介電層中蝕刻特征。
文檔編號H01L21/311GK101431023SQ200810175539
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者凱瑟琳·凱瑟克, 斯蒂芬·韋格, 溫西奧克·李, 肯尼·林·多恩, 蘇比哈什·德什穆赫 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司