选择性蚀刻掺杂碳的低介电常数材料的方法技术

一种在等离子体蚀刻室中选择性蚀刻基底上的低介电常数材料的等离子体蚀刻制程。此制程利用一蚀刻气体混合物进行蚀刻，此蚀刻气体混合物包括一种多氟的氟碳气体或氢氟碳气体、一种含氮气体以及一种或多种添加气体，添加气体例如是一种多氢的氢氟碳气体、一种惰性气体及／或一种碳－氧气体。以此制程蚀刻低介电常数材料层时，低介电常数材料层和光刻胶掩膜的蚀刻选择比约大于５∶１，低介电常数材料层和阻障／衬层的蚀刻选择比约大于１０∶１，且低介电常数材料层的蚀刻率约大于４０００埃／分钟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关于一种半导体制程技术，且特别是有关于一种在低介电常数材料层中蚀刻图案的方法。
技术介绍
高操作速度的半导体器件通常会受到金属线的时间延迟效应T＝RC的限制，其中R是金属线的电阻值，而C是金属线周围的介电绝缘材料的电容值。随着集成电路的特征尺寸持续的缩小，金属线将会变得更薄且更为密集，因而导致金属线的电阻值升高且会使电容值升高，因此将使得延迟时间更长。透过改变不同材料的方式，例如是使用高导电性的材料以作为金属线且使用低介电常数材料以作为绝缘材料，组件尺寸的缩小就不会冲击到操作速度。因此在许多半导体器件制程的后段制程中，已经利用铜以及低介电常数材料(例如是有机硅酸玻璃)来取代铝以及氧化硅。将铜/低介电常数材料取代铝/氧化硅这样的改变对于后段制程而言会牵涉到许多的基础原则的改变。由于铜不容易蚀刻，因此需要新的制程，如”镶嵌”或是”双重镶嵌”制程。铜镶嵌/双重镶嵌制程是先在绝缘材料中蚀刻出介层洞以及沟道，之后再将铜填入介层洞以及沟道内且回研磨之，以使导电材料仅留在介层洞以及沟道内。在此制程所遭遇到的挑战之中，在低介电常数材料中蚀刻出介层洞以及沟道可能是较具有挑战性的，这是因为所使用的介电材料具有复杂化学成分且还会使用多种低介电常数材料。因此，蚀刻低介电常数材料的蚀刻化学物需配合材料中的碳、氢、硅、氟以及氧的含量来做搭配。蚀刻低介电常数材料层的蚀刻速率对蚀刻邻近的不同材料的膜层的蚀刻速率的比例称为蚀刻选择比。通常在蚀刻制程中，光刻胶层会用来作为低介电常数材料的掩膜。随着特征尺寸的缩小，光刻胶的厚度也会随着缩小，才能适应因小尺寸所造成的微影制程相关的挑战。而对于薄的光刻胶层而言必须更小心的控制其介电蚀刻选择比。然而，由于许多低介电常数材料仍含有碳与氢，因此将使得光刻胶层难以达到蚀刻选择比的要求。因此，相较于传统的介电蚀刻制程，低介电常数材料的蚀刻选择比需由制程化学物以及制程参数的搭配而更加的精确。蚀刻低介电常数材料的另一个问题是由于图案密度以及蚀刻特征图案(介层洞或是沟道)的尺寸而引发的低介电常数材料的蚀刻速率问题，其即是蚀刻速率微负载(microloading)，或是微负载。蚀刻速率微负载指的是在不同尺寸的图案中的蚀刻速率的差异，其是在大的图案中的蚀刻速率与在小的图案的蚀刻速率(除以在大的图案中的蚀刻速率)之间的差异的百分比值。值得注意的是，微负载效应会随着小尺寸图案的开口的缩小以及小尺寸图案的高宽比的增加而增加。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低介电常数材料的蚀刻制程，此制程可以增加相邻层之间的选择比并可改善现有低介电常数材料层蚀刻制程微负载(microloading)的问题。在本专利技术一实施例中，低介电常数介电层系形成在基底上，其下层为阻障/衬层，上层为光刻胶掩膜。基底系置于一等离子体蚀刻室中，等离子体蚀刻室中系提供维持一气体混合物的等离子体，以蚀刻低介电常数介电层。上述蚀刻气体混合物包括包括一多氟的氟碳气体或氢氟碳气体、一含氮气体以及一或多种添加气体。其中，多氟的氟碳气体或氢氟碳气体例如是CF4、C2F8、CHF3、C2F6等，含氮气体例如是N2、NH3、NF3等，添加气体例如是一多氢的氢氟碳气体、一惰性气体及/或一碳-氧气体。为让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。附图说明图1为表示在一介电层中的沟道或介层洞在一蚀刻制程中间的垂直剖面示意图。图2是依据本专利技术一实施例的用于低介电常数材料的蚀刻制程的等离子体反应室的垂直剖面示意图。图3是依据本专利技术另一实施例的用于低介电常数材料的蚀刻制程的等离子体反应室的垂直剖面示意图。图4A的图表显示出在低介电常数材料的蚀刻制程中添加不同添加物于氟碳为主的等离子体中所产生的变化。图4B的图表显示出在低介电常数材料的蚀刻制程中添加不同添加物于氟碳/氢氟碳混合物为主的等离子体中所产生的变化。图5A系依据本专利技术一实施例的图表，其显示出在改变CH2F2/CF4的流速比例时的低介电常数材料的蚀刻速率、对于光刻胶的蚀刻选择比以及微负载的趋势。图5B系依据本专利技术一实施例的图表，其显示出在横越300mm基底上的低介电常数材料的蚀刻均匀度。图6是依据本专利技术一实施例的用于蚀刻低介电常数材料层的制程程序的流程图。具体实施例方式本专利技术的蚀刻制程用于蚀刻低介电常数材料层时具有绝佳的蚀刻速率，且其相对于上方的掩膜层以及底下的阻障/衬层具有高蚀刻选择比。详细的说明如以下所述，执行此蚀刻制程时是使得低介电常数材料层未被掩膜层覆盖的部分暴露在于具能量的气体中，其例如是等离子体，其包括具有能量以及反应性的物质。此等离子体通常是在一等离子体反应室内形成，例如是在一磁力增益型反应性离子蚀刻(MERIE)反应室，或是双频电容等离子体源蚀刻反应室，其为CENTURA半导体晶圆制程系统的一部分，其可由Applied Material Inc.，Santa Clara，Calif取得。低介电常数材料层通常是形成在一基底上，且使用定义有特征图案的掩膜来蚀刻而将其图案化。图1是依照本专利技术一较佳实施例的一晶圆100的剖面图，其具有特征图案101，其例如是位于基底150上的一低介电常数材料层120内的沟道或是介层洞，且图1为进行一低介电常数材料层的蚀刻制程到一半的时候，特征图案101的侧壁105以及底部表面106已经因蚀刻制程而被暴露出来。图案化的掩膜层110部分的覆盖住介电层120且定义出特征图案101的开口。在一些应用中，介电层120与基底之间系以阻障/衬层130分隔开来。金属线(未绘示)可能会位于阻障/衬层的底下。在一些应用中，阻障/衬层130可作为金属线与介电层120之间的扩散阻障层，并且在蚀刻介电层120的过程中作为一蚀刻终止层。在本专利技术之一实施例中，介电层120包括一低介电常数材料，其介电常数是低于氧化硅(SiO2)的介电常数，氧化硅的介电常数约为4.0。另外，低介电常数材料层120的厚度约为0.4～1.5微米。在蚀刻之前的掩膜层110的厚度一般是1930埃，而阻障衬层130的厚度通常是数百埃。上述膜层并未以实际比例绘示于图中。图2是绘示MERIE反应室200的剖面示意图，其为用于执行本专利技术的制程的一反应室实例。反应室200包括一腔室210，其由一侧壁212、一基部214以及一顶部260所构成。腔室包括位在中间的一制程区201，其所涵盖的体积约为5,000至50,000cm3。反应室200更包括一制程气体供应器220，其用以提供气体以使气体经一气体歧管262进入腔室210内，以及一气体分配盘(GDP)264，其位于腔室210的顶部260，因此形成制程气体。用尽的气体或挥发性的蚀刻产物，是通过泵240而排出制程腔室210外。另外，节流阀245控制腔室210内的压力。而侧壁212、基部214、顶部260以及GDP 264一般都是用铝所制成，其是通过电镀铝于腔室210的内表面。侧壁212、基部214、顶部260以及GDP 264通常是接地。腔室210更包括基座230，其是用以支撑腔室210内的基底300。基座230是通过一支撑环232而与基部214电性隔离，且基座230会通过一阻抗匹配网络255而连接至一射频(RF)电源供应系统2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该低介常数材料的介电常数小于４，该制程包括：将该低介电常数材料层置于一等离子体蚀刻腔室中，并于该等离子体蚀刻腔室通入一蚀刻气体混合物，该蚀刻气体混合物包括一多氟的氟碳气体或氢氟碳气 体、一含氮气体以及一多氢的氢氟碳气体；以及在该等离子体蚀刻腔室中维持该蚀刻气体混合物的一等离子体，以蚀刻该低介电常数材料层。

【技术特征摘要】
US 2003-8-1 10/632,8731.一种选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该低介常数材料的介电常数小于4，该制程包括将该低介电常数材料层置于一等离子体蚀刻腔室中，并于该等离子体蚀刻腔室通入一蚀刻气体混合物，该蚀刻气体混合物包括一多氟的氟碳气体或氢氟碳气体、一含氮气体以及一多氢的氢氟碳气体；以及在该等离子体蚀刻腔室中维持该蚀刻气体混合物的一等离子体，以蚀刻该低介电常数材料层。2.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该多氟的氟碳气体为CF4，该含氮气体为N2，该多氢的氢氟碳气体选自CH2F2、CH3F及其混合物。3.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该蚀刻气体混合物的等离子体蚀刻该低介电常数材料层的蚀刻速率大于4000埃/分钟。4.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该多氟的氟碳气体或氢氟碳气体选自CF4、C2F8、CHF3及其混合物。5.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该含氮气体系选自N2、NH3、NF3及其混合物。6.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该多氢的氢氟碳气体系选自CH2F2、CH3F及其混合物。7.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中在该等离子体蚀刻腔室中所通入的该蚀刻气体混合物中的该多氟的氟碳气体或氢氟碳气体的流速为一第一体积流速、该含氮气体的流速为一第二体积流速、该多氢的氢氟碳气体的流速为一第三体积流速且该第二体积流速和该第一体积流速之比为1∶4至2∶1。8.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中在该等离子体蚀刻腔室中所通入的该蚀刻气体混合物中该多氟的氟碳气体或氢氟碳气体的流速为一第一体积流速、该含氮气体的流速为一第二体积流速、该多氢的氢氟碳气体的流速为一第三体积流速且该第三体积流速和该第一体积流速之比为1∶3至1∶1。9.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该低介常数材料形成于一基底上，该基底置于该等离子体蚀刻腔室的基座上，且在该等离子体蚀刻腔室中维持该蚀刻气体混合物的等离子体的步骤包括电容耦合射频电源至该等离子体蚀刻腔室内，以在该基座与该等离子体之间产生一实质的直流偏压。10.如权利要求1所述的选择性蚀刻低介电常数材料的等离子体蚀刻制程，其中该低介常数材料形成于一基底上，该基底置于该等离子体蚀刻腔室的基座上，且维持该蚀刻气体混合物的等离子体的步骤包括对该基座上施加一偏极电源；以及对面对该基座的一顶部电极施加一源极电源，其中该源极电...

【专利技术属性】
技术研发人员：金洋山，辛南宏，陈一佑，邱杰，叶洋，田方，赵晓烨，
申请(专利权)人：应用材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]