專利名稱：應用于約束等離子體反應室的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，特別是關于利用一個約束等離子體反應室進行蝕刻的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程。
雙鑲嵌制作過程是用于取代目前以鋁-銅為金屬線的制作過程，屬于晶片制造的后段制作過程，即在形成硅底層的接觸栓塞后使用，且依器件設計的金屬導線層數(shù)，可能需重復進行多次。目前世界上各大半導體廠均投入大量人力及成本來開發(fā)雙鑲嵌制作過程，故其制作過程成果及其穩(wěn)定度，將極大地影響各大半導體廠的競爭力。
由于銅金屬導線不易以氣體等離子體(干式)的方式加以蝕刻，因此銅金屬連線的制作大都是采用雙鑲嵌制作過程，而其中的蝕刻部分，為整個雙鑲嵌制作過程中非常重要的一環(huán)。雙鑲嵌蝕刻制作過程依結構形成順序的不同而大致上可分為幾類，其中

圖1(a)至圖1(d)顯示目前最為普遍應用的雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中先完成通孔，再完成其余的結構。參照圖1(a)，首先蝕刻一半導體器件10的導線間層102、104及一蝕刻停止層106，形成可連接至一阻擋層108的一通孔，即該導線間層104中的缺口。然后，定義一光阻層114作為后續(xù)蝕刻溝渠的掩模，且將原本定義該通孔的硬掩模層116暴露于該光阻層114缺口的部分去除。參照圖1(b)，蝕刻該導線間層102，并停止于該蝕刻停止層106，形成一溝渠，即該導線間層102中的缺口。參照圖1(c)，去除該光阻層114。參照圖1(d)，最后蝕刻該阻擋層108及該硬掩模層116，使該通孔可接觸位于該阻擋層108下的一金屬導線層112，而形成雙鑲嵌結構。
另一種雙鑲嵌制作過程是先形成溝渠結構后，再進行后續(xù)制作過程，如圖2(a)至圖2(d)所示。參照圖2(a)，首先在一半導體器件20上形成具有溝渠的結構，包含導線間層202、204、一蝕刻停止層206、一阻擋層208、一金屬導線層212及一光阻層214。該導線間層202中的缺口即為一溝渠。該光阻層214中的缺口，則供后續(xù)蝕刻通孔使用。參照圖2(b)，蝕刻該蝕刻停止層206及導線間層204，且停止于該阻擋層208，形成一通孔。參照圖2(c)，去除該光阻層214，并覆蓋一硬掩模層216作為后續(xù)去除該阻擋層208的掩模。參照圖2(d)，蝕刻該阻擋層208及該硬掩模層216，而形成雙鑲嵌結構。
除了上述的雙鑲嵌蝕刻制作過程外，還有一種不需蝕刻停止層106、206的方法如圖3(a)至圖3(e)所示。參照圖3(a)，一半導體器件30包含一導線間層302、一阻擋層304、一金屬導線層306、一硬掩模層308及一光阻層312。該導線間層302中的缺口即為一通孔。參照圖3(b)，蝕刻該硬掩模層308，定義出溝渠所需圖樣。參照圖3(c)，蝕刻該導線間層302，并于中途停止蝕刻，而于該導線間層302的上部形成一溝渠。參照圖3(d)，去除該光阻層312。參照圖3(e)，蝕刻該阻擋層304及該硬掩模層308，且使該通孔可接觸該金屬導線層306。
大部分已知的蝕刻反應室的設計均采用所謂的聚合物化的模式，或稱為臟模式，即于在蝕刻前該反應室內(nèi)表面沉積一聚合物層，一方面防止等離子體直接接觸反應室內(nèi)壁而造成金屬污染，另一方面可得到對光阻較高的選擇性。此外，因目前大量生產(chǎn)的光阻大部分是一有機物，而已知去光阻的方法均使用另一光阻去除劑以氧氣或氧氣等離子體去除光阻，或于一酸槽中以熱硫酸及雙氧水混合溶液去除。若于蝕刻反應室中以氧氣等離子體去除光阻，將連同該聚合物層一并去除。故上述的通孔或溝渠蝕刻、去除光阻、蝕刻阻擋層及去除硬掩模層等制作過程步驟，并無法于同一蝕刻反應室中完成，而必須于不同機臺中分別進行。一般蝕刻制作過程是于真空狀態(tài)下反應，故晶片于更換機臺時必須經(jīng)過通風、不同機臺間傳送、抽真空及機械手臂傳送等制作過程，若再加上待機的時間，非常不符合時間成本的效益。
發(fā)明的簡要說明本發(fā)明的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，是應用于一約束等離子體反應室，將上述各制作過程步驟于該約束等離子體反應室中連續(xù)完成，可有效減少制作過程時間及生產(chǎn)成本。另外，本發(fā)明的雙鑲嵌蝕刻制作過程是于一干凈模式下進行，可減少傳統(tǒng)的聚合物化模式的記憶效應所導致的制作過程不穩(wěn)定。故本發(fā)明的雙鑲嵌蝕刻制作過程可將不同的制作過程步驟于同一反應室中進行，且由于該約束等離子體反應室中并無聚合物的殘留，故可降低微塵的數(shù)量及產(chǎn)生機率，而延長預防維護(PM)實施的周期。
本發(fā)明的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，是應用于一約束等離子體反應室，該約束等離子體反應室包含環(huán)繞于一晶片的一約束環(huán)及一抗蝕刻的上電極板。該半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程包含蝕刻至少一介電層、去除一光阻層及蝕刻一阻擋層等步驟。上述步驟均于干凈模式下進行，且于該約束等離子體反應室中連續(xù)完成，不需經(jīng)由其它機臺，因此可有效節(jié)省機臺投資的成本。
該約束環(huán)可由石英組成，用以防止等離子體外泄而接觸到該反應室內(nèi)壁。上電極板可由硅組成。石英為一種二氧化硅組成，而一般介電層也為一種二氧化硅組成，只是構造不同。故蝕刻時由石英組成的約束環(huán)可產(chǎn)生揮發(fā)性的氣體，如一氧化碳(CO)及氟化硅(SiF4)等。且該石英環(huán)可能會于蝕刻制作過程中釋放石英材料中的氧，故可有效的避免聚合物的沉積。介電質(zhì)蝕刻中常用的碳-氟(CxFy)氣體對于硅有相當高的選擇性，即對硅的蝕刻速率非常慢，故不易因蝕刻受損傷，可作為上電極板使用。且該硅板具有結合氣體等離子體中的氟的功能，可提升蝕刻時的選擇性。
本發(fā)明亦可應用于一具有含硅光阻層的雙鑲嵌蝕刻制作過程，利用干蝕刻的方式定義出溝渠的圖樣，以取代傳統(tǒng)的石版印刷制作過程中的顯影步驟，并改善光阻選擇性不足的問題。另外，若制作過程中包含一硬掩模層，則必須增加一步驟將該硬掩模層去除。
較佳實施例說明本發(fā)明的較佳實施例的約束等離子體反應室如圖4所示。該約束等離子體反應室40的一晶片402置于一靜電式吸附臺(ESC)404上。一石英環(huán)406環(huán)繞于該晶片402周圍而作為一約束環(huán)，以防止蝕刻時所產(chǎn)生的等離子體408接觸該約束等離子體反應室40的內(nèi)壁410。一硅板412構成該約束等離子體反應室40的上電極。一由硅組成的邊緣環(huán)414置于該石英環(huán)406的下方，一方面與該硅板412及該石英環(huán)406形成一封閉區(qū)間以約束該等離子體408，另一方面則可提高該晶片402于邊緣處的選擇性。
本發(fā)明是于一干凈模式下進行，在理想的狀況下，該約束等離子體反應室40中并不會有聚合物的沉積，故可于該反應室中直接以氧氣等離子體進行原始光阻去除，且同時清潔該約束等離子體反應室40中殘留的聚合物。此外，亦可于每片晶片蝕刻完成且離開該約束等離子體反應室40后，施以一無晶片自動清潔(WAC)來清潔該約束等離子體反應室40中的制作過程對象(process kits)。由于在該約束等離子體反應室40中可直接去光阻，不需移至另一種機臺進行，故可將雙鑲嵌蝕刻制作過程中所有的步驟于該約束等離子體反應室40中連續(xù)完成。
圖5(a)至圖5(d)顯示本發(fā)明的應用于約束等離子體反應室的雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中所有的步驟均于該約束等離子體反應室40中完成。參照圖5(a)，提供一通孔已完成的半導體器件50，該半導體器件50包含一導線間層502、一蝕刻停止層506、另一導線間層504、一阻擋層508、一金屬導線層512、一光阻層514及一硬掩模層516。該導線間層502、504均由介電材料組成，而該蝕刻停止層506、阻擋層508及硬掩模層516可由氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或氮氧化硅(SiON)組成。參照圖5(b)，以碳-氟為主的混合氣體(如CF4、CHF3、C4F8等)等離子體蝕刻該導線間層502，并停止于該蝕刻停止層506。該導線間層502中的缺口即一溝渠結構。參照圖5(c)，以氧氣為主的混合氣體等離子體去除該光阻層514，且亦可添加CF4以增加去除聚合物的能力。參照圖5(d)，以CF4為主的混合氣體等離子體蝕刻該阻擋層508及去除該硬掩模層516，而形成雙鑲嵌結構。值得注意的是，去除該光阻層514的步驟與去除該阻擋層508及該硬掩模層516的步驟可依制作過程需要而更換其順序。如此一來，甚至可省略該硬掩模層516，而直接以該光阻層514作為蝕刻該阻擋層508時的掩模。
圖6(a)至圖6(d)顯示本發(fā)明的另一應用于約束等離子體反應室的雙鑲嵌蝕刻制作過程，用以解決蝕刻時光阻選擇性不足的問題。其中所有的步驟亦可于該約束等離子體反應室中連續(xù)完成。參照圖6(a)，提供一具有半完成的通孔的半導體器件60。該半導體器件60包含導線間層602、604、一蝕刻停止層606、一阻擋層608、一金屬導線層612、一硬掩模層614、一光阻層616及一含硅光阻層618。參照圖6(b)，利用氧氣、氮氣等混合氣體等離子體蝕刻該光阻層616，而定義出溝渠及通孔所需的圖樣，用以取代光微影制作過程中的顯影步驟。參照圖6(c)，以CF4為主的混合氣體等離子體蝕刻該蝕刻停止層606及該硬掩模614。參照圖6(d)，以CF4、CHF3或C4F8為主的混合氣體等離子體蝕刻該導線間層602、604，而形成通孔及溝渠結構。參照圖6(e)，以碳-氟及氧氣為主的混合氣體等離子體依序去除該含硅光阻層618及光阻層616。參照圖6(f)，以CF4為主的氣體等離子體去除該阻擋層608及該硬掩模層614，而形成雙鑲嵌結構。
除了上述的實施例之外，凡是先形成溝渠及無蝕刻停止層的雙鑲嵌制作過程等種種變化，均可應用本發(fā)明的整合式雙鑲嵌介電層蝕刻制作過程于同一約束等離子體反應室中而連續(xù)完成。
本發(fā)明的技術內(nèi)容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術的人士仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應不限于實施例所揭示的，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為以下的申請專利范圍所涵蓋。
權利要求
1.一種應用于約束等離子體反應室的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，該約束等離子體反應室是處于一干凈模式且包含一約束環(huán)及一抗蝕刻的上電極板，該半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程包含下列步驟提供具有一通孔、一導線間層、一金屬導線層、一阻擋層及一用于定義溝渠圖樣的光阻層的一晶片，且該晶片是設置于該約束環(huán)及該上電極板所形成的封閉空間內(nèi)；蝕刻該導線間層，用以形成該溝渠；通過等離子體去除該光阻層，且同時清潔該約束等離子體反應室；及蝕刻該阻擋層，使該通孔可接觸該阻擋層下的該金屬導線層。
2.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中還包含一蝕刻一硬掩模的步驟。
3.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該光阻層為一含硅光阻層。
4.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，還包括一清潔步驟，在該晶片離開該約束等離子體反應室后，去除該約束等離子體反應室中殘留的聚合物。
5.如權利要求4所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該清潔步驟是使用氧氣等離子體進行。
6.如權利要求4所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該清潔步驟是使用包含氧氣與CF4的混合等離子體進行。
7.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該約束環(huán)是以石英制成。
8.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該上電極板是以硅制成。
9.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該導線間層是以基于碳-氟氣體為主的等離子體進行蝕刻。
10.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該等離子體是氧氣等離子體。
11.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該等離子體是包含氧氣及CF4的混合等離子體。
12.如權利要求1所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該阻擋層是以基于CF4的混合等離子體來去除。
13.一種應用于約束等離子體反應室的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，該約束等離子體反應室是處于一干凈模式且包含一約束環(huán)及一抗蝕刻的上電極板，該半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程包含下列步驟提供具有一溝渠、一導線間層、一金屬導線層、一阻擋層及一用于定義通孔圖樣的光阻層的一晶片，且該晶片是設置于該約束環(huán)及該上電極板所形成的封閉空間內(nèi)；蝕刻該導線間層，用以形成該通孔；通過等離子體去除該光阻層，且同時清潔該約束等離子體反應室；及蝕刻該阻擋層，使該通孔可接觸該阻擋層下的該金屬導線層。
14.如權利要求13所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，還包括一清潔步驟，在該晶片離開該約束等離子體反應室后，去除該約束等離子體反應室中殘留的聚合物。
15.如權利要求14所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該清潔步驟是利用氧氣等離子體進行。
16.一種應用于約束等離子體反應室的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，該約束等離子體反應室是處于一干凈模式且包含一約束環(huán)及一抗蝕刻的上電極板，該半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程包含下列步驟提供具有一導線間層、一金屬導線層、一阻擋層及一用于定義溝渠圖樣的光阻層的一晶片，且該晶片是設置于該約束環(huán)及該上電極板所形成的封閉空間內(nèi)；蝕刻該導線間層，用以形成該溝渠及一通孔；通過等離子體去除該光阻層，且同時清潔該約束等離子體反應室；及蝕刻該阻擋層，使該通孔可接觸該阻擋層下的該金屬導線層。
17.如權利要求16所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，還包括一清潔步驟，在該晶片離開該約束等離子體反應室后，去除該約束等離子體反應室中殘留的聚合物。
18.如權利要求17所述的半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，其中該清潔步驟是使用氧氣等離子體進行。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程，利用一具有約束等離子體功能的蝕刻反應室，將半導體雙鑲嵌蝕刻制作過程中，原本于不同反應室中進行的介電層蝕刻、去光阻、去除阻擋層等幾個步驟，于該約束等離子體反應室中連續(xù)完成。該約束等離子體反應室包含環(huán)繞于一個晶片的一個約束環(huán)及一個抗蝕刻的上電極板，可使上述步驟均于干凈模式下進行。本發(fā)明不僅可減少該半導體雙鑲嵌制作過程所需的時間，且可大幅降低成本。
文檔編號H01L21/311GK1405849SQ0212829
公開日2003年3月26日 申請日期2002年8月8日 優(yōu)先權日2001年8月8日
發(fā)明者陳立楷, 焦長泰, 蔡仰東, 柯俊成, 駱傳凱 申請人:藍姆研究公司