多层介质刻蚀方法技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，公开了一多层介质刻蚀方法，包括步骤：提供半导体基底，其表面依次覆盖有多层介质和图形化的光阻材料层；以图形化的光阻材料层为掩膜，对刻蚀气体为碳氟化合物气体、氟化的碳氢化合物气体、氮氧气体的混合气体等离子化，并以此对多层介质进行刻蚀至暴露出半导体基底表面。该方法采用高C/F比的碳氟化合物气体和氟化的碳氢化合物气体作为主刻蚀气体，并添加一定流量的氮氧气体，能够通过一次等离子体刻蚀达到刻蚀不同材料形成的多层介质的目的，而无需按照材料分层多步进行。同时，其对作为掩膜的光阻材料层具有较低的刻蚀速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，特别涉及半导体制备过程中层间介质层等多层介质结构的刻蚀技术。
技术介绍
半导体集成电路的制备是一个极其复杂的过程，其目的在于将特定电路所需的各种半导体器件结构和金属互连，小尺寸的制备在尽可能小面积的半导体衬底上。其中，各半导体器件结构必须经由适当的金属互连来实现电性连接，才能发挥预期的电路功能。随着集成电路的制备向超大规模集成电路(ULSI)发展，其内部的半导体器件结构密度即器件集成度越来越大。而随着集成电路芯片中所包含的半导体元器件数量不断增加，实际上半导体结构表面金属连线的可用空间就大大的减少了。这一问题的解决方法采用多层金属导线设计，利用多层绝缘层和导电层相互叠加进行多层连接，这其中，需要刻蚀多层不同介质材料形成的介质层以制备用于层间金属互连的接触孔。此外，随着半导体技术的发展，半导体器件结构逐渐多样化、复杂化，在半导体器件制备过程中，同样涉及对由不同介质材料形成的层间介质层的刻蚀，用以形成通孔、沟槽等半导体结构。在半导体器件制备过程中，常用的绝缘介质材料以及层间介质层材料包括二氧化硅、氮化硅、含碳的氮化硅(NDC)以及低介电常数材料等。要实现半导体器件层间金属互连接触孔，特别是背照式(Backside Illumination, BSI)工艺中的金属互连接触孔，以及其他半导体表面结果，大多需要刻蚀不同介质材料形成的多层介质，以形成通孔或沟槽结构。现有技术中，传统的刻蚀二氧化硅材料的工艺，刻蚀二氧化硅的反应气体重要为含氟基气体，如CF4、SF6, NF3等。反应离子刻蚀二氧化硅时，在辉光放电中分解出的氟原子或氯原子，与二氧化硅表面原子反应生成气态产物，达到刻蚀的目的。一般而言，高C/F比的碳氟化合物是二氧化硅反应离子刻蚀工艺常用的刻蚀气体，如cf4、C3F8, C4F8, C4F6等，其中所含的碳可以帮助去除氧化层中的氧，产生副产物CO及C02。其中，CF4为最常用的气体。用CF4刻蚀二氧化硅时，刻蚀气体发生离解，主要反应过程如下CF4+e — CF3*+F*+e ； CF3*+e — C+F*+e。生成的CF3*自由基到达二氧化硅材料表面，反应生成挥发物质 Si02+CF3* — SiF4丨+CO2丨。活性离子刻蚀的机理为碳氟化合物在二氧化硅材料表面形成 CF聚合物，在离子物理轰击提供能量的作用下，CF聚合物与二氧化硅材料反应形成挥发性的SiFx，被真空系统抽离反应腔。该反应过程中，CF3*、F*表示具有强化学反应活性的自由基。作为目前主流的二氧化硅刻蚀技术，为实现较高的刻蚀速度，除高C/F比的碳氟化合物气体外，还需要一些辅助性气体，如02、Ar等。在低压、高功率条件下，由高能的Ar+轰击提供能量,碳氟化合物气体和待刻蚀的二氧化硅材料进行化学反应。二氧化硅分解生成的氧离子和CF3*等基团反应， 生成的CO丨、C02丨、S iF4丨等挥发性气体被真空系统抽离反应腔，完成对二氧化硅的刻蚀。 由此可见，刻蚀二氧化硅主要是碳氟活性基的作用，反应中的碳氟活性基比例大，则有利于进行二氧化硅的刻蚀而现有技术中能刻蚀氮化硅、含C氮化硅等的气体很多，通常能产生氟、氯活性基的气体均可以刻蚀氮化硅等材料。以氮化硅的刻蚀为例，CHF3等氟化的碳氢化合物是刻蚀氮化硅的常用气体，刻蚀氮化硅的主要过程为CHF3+e — CHF2*+CF3*+F*+H*+e ； CF3*+e — C+F*+e ;F*+H* — HF i ;Si3N4+F* — SiF4 t +N2 t。该反应过程中，CF3*、CHF2*、 F*、H*表示具有强化学反应活性的自由基，反应生成的SiF4丨、HF丨、N2丨等挥发性气体被真空系统抽离反应腔体，完成对氮化硅的刻蚀。由此可见，刻蚀氮化硅主要是氟原子自由基的作用，反应气体中氟活性原子的比例大则有利于氮化硅刻蚀的进行。综上所述，二氧化硅的刻蚀主要是碳氟自由基在高能离子的协助下的“反应离子刻蚀”，反应气体中碳氟活性基的比例大则有利于二氧化硅刻蚀的进行；而氮化硅的刻蚀则主要是依靠氟原子自由基与被刻蚀材料间的化学反应为主的化学刻蚀，反应气体中氟活性原子的比例大则有利于氮化硅刻蚀的进行，但如果被刻蚀材料表面的聚合物(反应副产物) 过多，则会阻碍刻蚀的进行。然而，若将进行二氧化硅刻蚀的刻蚀气体和进行氮化硅及其类似材料刻蚀的刻蚀气体机械组合在一起，采用诸如CF4、CHF3> 02、Ar的混合气体作为刻蚀气体，而对二氧化硅、 氮化硅及低介电常数材料等不同材料形成的多层介质进行刻蚀，无论如何调节各种气体比例，都无法对上述不同材料形成的多层介质进行快速、高质量的等离子体刻蚀。其原因在于，这些气体的组合对二氧化硅的刻蚀速率与对氮化硅及其类似材料的刻蚀速率的选择比很难控制在1:1附近，通常是二氧化硅的刻蚀速率大大高于氮化硅的刻蚀速率。如对于由多层介质材料形成的通孔刻蚀，由于高能离子在侧壁附近被反射，将造成侧壁附近刻蚀速率略快于通孔中心，当刻蚀前沿穿过氮化硅层时，如果侧壁附近的刻蚀前沿先接触到下一层的二氧化硅层，则使该位置的刻蚀速率大大高于通孔中心的刻蚀速率，就会发生如图1 所示的刻蚀停止(Etching Stop)现象,在氮化娃介质材料100中刻蚀通孔101的底部形成凸起102，严重影响刻蚀结构质量。同时，由于半导体结构中二氧化硅、氮化硅、含碳氮化硅以及低介电常数材料等不同材料形成的多层介质作为层间介质层，通常在不同的器件特征处具有不同的厚度差异， 且有些材料介质层厚度极很薄，针对不同材料的介质层采用不同的刻蚀气体进行不同的刻蚀工艺步骤是难以实现的。除此之外，在对不同材料形成的多层介质刻蚀的同时，还要保证刻蚀过程中对各材料介质的刻蚀速率远大于对作为等离子体刻蚀掩膜的光阻材料的刻蚀速率。因此，针对二氧化硅、氮化硅、含碳氮化硅以及低介电常数材料等不同材料形成的多层介质的等离子体刻蚀，如何选择刻蚀气体、确定产生等离子体的相关工艺条件，以达到使用一次等离子体刻蚀工艺即可将上述不同材料形成的多层介质在可接受的速率下完成刻蚀，同时保证该刻蚀工艺对作为掩膜的光阻材料具有一定的选择比，成为半导体结构制备工艺中的一大难点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术是，提供一种，使用一次等离子体刻蚀工艺即可将上述不同材料形成的多层介质在可控速率下完成刻蚀 。本专利技术提供的包括以下步骤提供半导体基底，所述半导体基底表面依次覆盖有多层介质和图形化的光阻材料层； 以所述图形化的光阻材料层为掩膜，对刻蚀气体为碳氟化合物气体、氟化的碳氢化合物气体、氮氧气体的混合气体等离子化，并采用等离子化的上述气体对所述多层介质进行刻蚀至暴露出所述半导体基底表面。作为可选的技术方案，所述多层介质为包括二氧化硅、氮化硅、含碳的氮化硅以及低介电常数材料中任意两种或两种以上不同材料形成的叠层介质层。进一步地，所述低介电常数材料的介电常数小于2. 8，为多孔硅、碳掺杂氧化硅或碳化娃。作为可选的技术方案，所述多层介质与图形化的光阻材料层之间，还包括顶层介质层，所述顶层介质层表面全部覆盖有图形化的光阻材料层。作为可选的技术方案，所述刻蚀气体还包括Ar。作为可选的技术方案，所述碳氟化合物气体为CF4、C4F8, C4F6中任意一种或几种的混合气体。作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层介质刻蚀方法，包括以下步骤：提供半导体基底，所述半导体基底表面依次覆盖有多层介质和图形化的光阻材料层；其特征在于：以所述图形化的光阻材料层为掩膜，激发刻蚀气体为碳氟化合物气体、碳氢化合物或氟化的碳氢化合物气体、氮氧气体的混合气体以产生等离子体，以对所述多层介质进行刻蚀至暴露出所述半导体基底表面。

【技术特征摘要】
1.一种多层介质刻蚀方法，包括以下步骤提供半导体基底，所述半导体基底表面依次覆盖有多层介质和图形化的光阻材料层；其特征在于以所述图形化的光阻材料层为掩膜，激发刻蚀气体为碳氟化合物气体、碳氢化合物或氟化的碳氢化合物气体、氮氧气体的混合气体以产生等离子体，以对所述多层介质进行刻蚀至暴露出所述半导体基底表面。2.根据权利要求1所述的多层介质刻蚀方法，其特征在于，所述多层介质为包括二氧化硅、氮化硅、含碳的氮化硅以及低介电常数材料中任意两种或两种以上不同材料形成的叠层介质层。3.根据权利要求2所述的多层介质刻蚀方法，其特征在于，所述低介电常数材料的介电常数小于2. 8，为多孔硅、碳掺杂氧化硅或碳化硅。4.根据权利要求2所述的多层介质刻蚀方法，其特征在于，所述多层介质与图形化的光阻材料层之间，还包括顶层介质层，所述顶层介质层表面全部覆盖有图形化的光阻材料层。5.根据权利要求2所述的多层介质刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体还包括Ar。6.根据权利要求2所述的多层介质刻蚀方法，其特征在于，所述碳氟化合物气体为 CF4, C4F8, C4F6中任意一种或几种的混合气体。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜若昕，王兆祥，刘骁兵，刘志强，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：