專利名稱：通孔及雙鑲嵌結構的形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種通孔及雙鑲嵌結構的形成方法。
背景技術：
半導體集成電路的制作是極其復雜的過程，其目的在于將特定電路所需的各種電 子組件和線路，縮小制作在小面積的硅片上，并且各個組件必須藉由適當?shù)膬?nèi)連導線來作 電性連接，才能發(fā)揮所期望的功能。其中，為了實現(xiàn)硅片上多層電路間的電連接需要制作大 量的通孔，這些通孔性能的好壞對電路的整體性能有著重要的影響。 圖1到圖4是說明現(xiàn)有的通孔形成方法的器件剖面示意圖。其中，圖1為現(xiàn)有的 通孔形成過程中形成介質(zhì)層后的器件剖面示意圖，如圖1所示，通常在生長用于層間電絕 緣的介質(zhì)層102之前，會在硅襯底IOO上生長刻蝕停止層IOI，其可以為氮化硅層或碳化硅 層，如，在65nm以下工藝結點中，該層通常為摻氮的碳化硅層(NDC)。該刻蝕停止層101的 刻蝕速率要明顯低于介質(zhì)層102，以確保在刻蝕通孔開口時能較為均勻地停止于該刻蝕停 止層101內(nèi)。 圖2為現(xiàn)有的通孔形成過程中形成通孔圖形后的器件剖面示意圖，如圖2所示，利 用光刻工藝在介質(zhì)層102表面上定義通孔圖形105。 圖3為現(xiàn)有的通孔形成過程中形成通孔開口后的器件剖面示意圖，如圖3所示，用 光刻膠定義通孔圖形105后，可以利用干法刻蝕技術在介質(zhì)層102內(nèi)形成通孔開口 107。由 于下層的刻蝕停止層101的刻蝕速率要遠小于介質(zhì)層102的刻蝕速率，本步刻蝕會停止于 刻蝕停止層101內(nèi)。 圖4為現(xiàn)有的通孔形成過程中去除刻蝕停止層后的器件剖面示意圖，如圖4所示， 介質(zhì)層刻蝕完成后，還需要將通孔開口 107底部殘留的刻蝕停止層101去除，以曝露下層的 導電結構，本步驟通?？煞Q為停止層去除步驟(LRM， Liner Removal)。 實際操作中，本步的LRM步驟通常是利用干法刻蝕工藝實現(xiàn)，其同時會利用等離 子體對刻蝕時產(chǎn)生的聚合物進行各向同性的去除。因此，在本步刻蝕過程中易在刻蝕停止 層的側壁處(即通孔側壁下方處)出現(xiàn)凹陷問題(undercut或pull back)，如圖4中凹陷 110所示。尤其是65nm以下技術結點中，該刻蝕停止層101通常由較為薄弱的摻氮的碳化 硅形成，這一凹陷問題就更為嚴重。而一旦出現(xiàn)該類凹陷問題，將直接影響到后面通孔內(nèi)金 屬的填充質(zhì)量，進而影響到集成電路內(nèi)的電連接質(zhì)量，令器件的性能，如可靠性等方面，變 差甚至失效。 于2008年7月30日公開的公開號為CN101231968A的中國專利申請公開了一種 鑲嵌內(nèi)連線結構與雙鑲嵌工藝，其利用四氟化碳及三氟化氮氣體等離子體為LRM中的刻蝕 氣體，以解決鑲嵌結構中由于對不準而導致的在下層介質(zhì)層中形成凹槽的問題。但該申請 對于上述LRM步驟中通孔側壁下方處出現(xiàn)凹陷的問題沒有提出有效的解決辦法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通孔及雙鑲嵌結構的形成方法，以改善現(xiàn)有通孔或雙鑲嵌結構形 成過程中易在通孔側壁下方處出現(xiàn)凹陷的現(xiàn)象。
為達到上述目的，本發(fā)明提供的一種通孔的形成方法，包括步驟 提供襯底，且在所述襯底上具有刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層上具有介質(zhì)層； 在所述介質(zhì)層上定義通孔圖形； 進行第一刻蝕，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口，至曝露出所述刻蝕停止層；
進行第二刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第二刻蝕中所用的氣 體包括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小 于氬氣的氣體。 本發(fā)明具有相同或相應技術特征的另一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括步驟
提供襯底，且在所述襯底上具有下層導電結構，在所述下層導電結構上具有刻蝕 停止層，在所述刻蝕停止層上具有第一介質(zhì)層；
在所述第一介質(zhì)層上定義通孔圖形； 進行第一刻蝕，在所述第一介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口 ，至曝露出所述刻蝕停止層； 在所述第一介質(zhì)層上及通孔開口內(nèi)形成第二介質(zhì)層； 在所述第二介質(zhì)層上形成溝槽圖形； 進行第二刻蝕，形成與至少一個通孔開口相連的溝槽； 去除所述通孔開口內(nèi)的第二介質(zhì)層； 進行第三刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第三刻蝕中所用的氣 體包括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小 于氬氣的氣體。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點 本發(fā)明的通孔及雙鑲嵌結構的形成方法，在LRM步驟中的輔助氣體不再采用質(zhì)量 較重的氬氣，而采用質(zhì)量較輕的氣體，如采用氮氣、氦氣、氧氣、氫氣等的一種或若干種，該 類質(zhì)量較輕的氣體轟擊力較小，減少了各向同性的物理性轟擊對刻蝕停止層側壁的損傷， 避免了在通孔側壁下方出現(xiàn)凹陷的問題，提高了通孔或雙鑲嵌結構的形成質(zhì)量。
圖1為現(xiàn)有的通孔形成過程中形成介質(zhì)層后的器件剖面示意圖； 圖2為現(xiàn)有的通孔形成過程中形成通孔圖形后的器件剖面示意圖； 圖3為現(xiàn)有的通孔形成過程中形成通孔開口后的器件剖面示意圖； 圖4為現(xiàn)有的通孔形成過程中去除刻蝕停止層后的器件剖面示意圖； 圖5為采用現(xiàn)有技術制作的雙鑲嵌結構的剖面圖； 圖6為本發(fā)明第一實施例通孔形成方法的流程圖； 圖7為本發(fā)明第一實施例中提供的襯底的剖面示意圖； 圖8為本發(fā)明第一實施例中形成通孔圖形后的器件剖面示意圖； 圖9為本發(fā)明第一實施例中形成通孔開口后的器件剖面示意圖； 圖10為本發(fā)明第一實施例中去除刻蝕停止層后的器件剖面示意 圖11為本發(fā)明第二實施例雙鑲嵌結構形成方法的流程圖； 圖12為本發(fā)明第二實施例中提供的襯底的剖面示意圖； 圖13為本發(fā)明第二實施例中形成通孔圖形后的器件剖面示意圖； 圖14為本發(fā)明第二實施例中形成通孔開口后的器件剖面示意圖； 圖15為本發(fā)明第二實施例中形成第二介質(zhì)層后的器件剖面示意圖； 圖16為說明本發(fā)明第二實施例中形成溝槽圖形后的器件剖面圖； 圖17為說明本發(fā)明第二實施例中進行第二刻蝕后的器件剖面示意圖； 圖18為說明本發(fā)明第二實施例中形成雙鑲嵌結構開口后的器件剖面示意圖； 圖19為本發(fā)明第二實施例中去除刻蝕停止層后的器件剖面示意圖； 圖20為本發(fā)明第二實施例中形成的雙鑲嵌結構的剖面圖； 圖21為本發(fā)明采用NF3后形成的雙鑲嵌結構的剖面圖； 圖22為本發(fā)明采用NF3后形成的雙鑲嵌結構的電阻特性圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明 的具體實施方式
做詳細的說明。 本發(fā)明的處理方法可以被廣泛地應用于各個領域中，并且可利用許多適當?shù)牟牧?br>
制作，下面是通過具體的實施例來加以說明，當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領域
內(nèi)的普通技術人員所熟知的一般的替換無疑地涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。 其次，本發(fā)明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為了便于說
明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，不應以此作為對本發(fā)明的限定，此
外，在實際的制作中，應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。 現(xiàn)有技術中，在形成通孔和雙鑲嵌結構時，為了令刻蝕能較為均勻一致，且不會損 傷下層導電結構，通常會在介質(zhì)層之下，下層導電結構之上生長一層刻蝕停止層。該刻蝕停 止層需選用與介質(zhì)層不同的材料，且在適于刻蝕介質(zhì)層的刻蝕條件下對其的刻蝕速率明顯 較低，以確保通孔開口的刻蝕能較為均勻地停止于該刻蝕停止層內(nèi)。之后，還需要再加入一 步去除該刻蝕停止層的步驟(LRM步驟)，以令下層導電結構曝露出來。 然而，在該步LRM步驟中，常會在通孔側壁處出現(xiàn)凹陷問題。尤其當器件制作工藝 達到65nm技術結點以下時，為了與低介電常數(shù)的材料更好地匹配，通常需采用較為薄弱的 含氮的碳化硅材料，這一凹陷問題就變得更為嚴重。 圖5為采用現(xiàn)有技術制作的雙鑲嵌結構的剖面圖，如圖5所示，在形成的雙鑲嵌結
構的通孔的側壁下方處形成了凹陷501(圖中圓圈中所示)。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，該凹陷位
于刻蝕停止層內(nèi)，可知其只能是在去除刻蝕停止層時在其側壁處出現(xiàn)的。該凹陷501的出
現(xiàn)會影響后續(xù)通孔內(nèi)金屬的填充質(zhì)量，進而影響到器件的電連接性能。 經(jīng)過大量實驗分析，發(fā)現(xiàn)該凹陷的出現(xiàn)主要是因為在LRM步驟中加入了氬氣。該
步刻蝕中加入氬氣的作用主要有兩個，一個是在刻蝕過程中利用該氬等離子體去除刻蝕過
程中產(chǎn)生的聚合物，另一個是可以對刻蝕氣體起稀釋作用，以調(diào)節(jié)刻蝕速率。 分析認為，由于氬氣質(zhì)量較重，其的等離子體轟擊力較強，且該氬等離子體對襯底
的物理性轟擊是各向同性的，在刻蝕去除刻蝕停止層時，尤其是選用較為薄弱的材料制成的刻蝕停止層時，就易在其側壁處出現(xiàn)凹陷。 為此，本發(fā)明提供了一種新的通孔形成方法，包括步驟提供襯底，且在所述襯底 上具有刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層上具有介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上定義通孔圖形；進 行第一刻蝕，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口 ，至曝露出所述刻蝕停止層；進行第二刻蝕，去 除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第二刻蝕中所用的氣體包括刻蝕反應氣體及輔助 氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小于氬氣的氣體。
本發(fā)明中，將在刻蝕過程中主要通過化學反應去除刻蝕停止層的氣體稱為刻蝕反 應氣體；將在刻蝕過程中主要通過在高壓作用下成為等離子體，利用物理方式去除刻蝕停 止層及刻蝕過程中所產(chǎn)生的聚合物的氣體，以及對刻蝕反應氣體起稀釋作用的氣體統(tǒng)稱為 輔助氣體。 其中，優(yōu)選地，所述含氟氣體包括氟化氮?？蛇x地，所述輔助氣體包括氮氣和氦氣。
優(yōu)選地，所述氟化氮的流量在5至15sccm之間。 優(yōu)選地，所述氮氣的流量在20至100sccm之間，所述氦氣的流量在100至500sccm 之間?？蛇x地，所述第二刻蝕在室溫下進行，且工作時的腔室壓力在20至60mTorr之間，
偏置功率在100至500W之間，源功率在50至200W之間。 可選地，所述輔助氣體包括氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中一種或其組合。 其中，所述刻蝕停止層可以為摻氮的碳化硅層。 本發(fā)明還提供了一種對應的雙鑲嵌結構的形成方法，包括步驟提供襯底，且在所 述襯底上具有下層導電結構，在所述下層導電結構上具有刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層 上具有第一介質(zhì)層；在所述第一介質(zhì)層上定義通孔圖形；進行第一刻蝕，在所述第一介質(zhì) 層內(nèi)形成通孔開口 ，至曝露出所述刻蝕停止層；在所述第一介質(zhì)層上及通孔開口內(nèi)形成第 二介質(zhì)層；在所述第二介質(zhì)層上形成溝槽圖形；進行第二刻蝕，形成與至少一個通孔開口 相連的溝槽；去除所述通孔開口內(nèi)的第二介質(zhì)層；進行第三刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的 刻蝕停止層，且所述第三刻蝕中所用的氣體包括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應 氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小于氬氣的氣體。 其中，優(yōu)選地，所述含氟氣體包括氟化氮。可選地，所述輔助氣體包括氮氣和氦氣。
優(yōu)選地，所述氟化氮的流量在5至15sccm之間，所述氮氣的流量在20至100sccm 之間，所述氦氣的流量在100至500sccm之間。 可選地，所述第三刻蝕在室溫下進行，且工作時的腔室壓力在20至60mTorr之間， 偏置功率在100至500W之間，源功率在50至200W之間。 可選地，所述輔助氣體還可以包括氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中一種或其組合。
其中，所述刻蝕停止層可以為摻氮的碳化硅層。 本發(fā)明的通孔及雙鑲嵌形成方法，在LRM步驟中，利用質(zhì)量較輕的氣體代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的氬氣，以減小等離子體的轟擊力，進而減小了該LRM步驟對刻蝕停止層側壁的損傷，防止 了凹陷問題的出現(xiàn)。 本發(fā)明的通孔及雙鑲嵌結構的形成方法，采用了 NF3為刻蝕氣體，其可以減少刻蝕 時所產(chǎn)生的聚合物，確保即使采用氮氣等較輕的氣體也可以將刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物去 除干凈，改善了通孔或雙鑲嵌結構的電阻特性，進一步提高了通孔或雙鑲嵌結構的形成質(zhì)量。
7
第一實施例 本發(fā)明第一實施例說明了一種通孔的形成方法，圖6為本發(fā)明第一實施例通孔形 成方法的流程圖，圖7至圖10為描述本發(fā)明第一實施例中通孔形成過程的器件剖面示意 圖。下面結合圖6至圖IO對本發(fā)明的第一實施例進行詳細說明。 步驟601 :提供襯底，且在所述襯底上刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層上具有介質(zhì)層。 圖7為本發(fā)明第一實施例中提供的襯底的剖面示意圖，如圖7所示，在襯底700上 形成了刻蝕停止層701及介質(zhì)層702。 本實施例中的襯底700可以為已形成金屬氧化物半導體晶體管的襯底，也可以為 已形成底層金屬連線結構的襯底。 本實施例中的刻蝕停止層701是利用PECVD沉積形成的含氮的碳化硅層，其的刻 蝕速率與后面在其上生長的介質(zhì)層702的刻蝕速率相比較低，以確?？涛g通孔時能較均勻 地停止于該層內(nèi)。 該刻蝕停止層701的厚度需要折衷考慮，即不能過薄(以防止過刻蝕，確?？涛g 停止于該層內(nèi))，也不能過厚(后面去除時易損傷襯底)，通?？蓪⑵涞暮穸仍O置在300至
500A之間，如為300、400或500A。 本實施例中的介質(zhì)層702為利用化學氣相沉積方法形成的未摻雜的氧化硅層，其 的厚度通常可以設置在3500至5000 A之間，如為3500、4000或5000A。
步驟602 :在所述介質(zhì)層上定義通孔圖形。 圖8為本發(fā)明第一實施例中形成通孔圖形后的器件剖面示意圖，如圖8所示，在介 質(zhì)層702上利用光刻膠定義了通孔圖形705。 另外，在本發(fā)明的其它實施例中，當刻蝕的通孔較深時，為確?？涛g過程中掩膜的 保護作用足夠。還可以在利用光刻膠形成通孔圖形705前，在介質(zhì)層702上再形成一層硬 掩膜層，其的刻蝕速率與介質(zhì)層702相差較大(如可以為氮化硅層)。然后，在利用光刻膠 在該硬掩膜層上定義通孔圖形后，先對該硬掩膜層進行刻蝕，將通孔圖形轉移至該硬掩膜 層內(nèi)，接著，再利用光刻膠與該圖形化后的硬掩膜一起在通孔刻蝕過程中實現(xiàn)掩膜保護。
步驟603 :進行第一刻蝕，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口 ，至曝露出所述刻蝕停止 層。 圖9為本發(fā)明第一實施例中形成通孔開口后的器件剖面示意圖，如圖9所示，本步 刻蝕后在介質(zhì)層702內(nèi)形成了通孔開口 707。由于下層的刻蝕停止層701的刻蝕速率要遠 小于介質(zhì)層702的刻蝕速率，本步刻蝕可以較均勻地停止于刻蝕停止層701內(nèi)。
本實施例中，對該第一刻蝕工藝所用的工藝條件進行了優(yōu)化，以達到較好的刻蝕
效果。優(yōu)化后的工藝條件包括使用包含c;Fs和02的刻蝕氣體，且二者的流量比可以在 4 : l至l : l之間，如為2 : l。例如，可以將C4F8的流量設置在15sccm， 02的流量設置 在石sccm。 除C4F8和02刻蝕氣體外，優(yōu)化后的第一刻蝕工藝中還可以通入CH2F2及Ar氣體， 具體地，可將CH2F2的流量設置在5至15sccm之間，如為5、 10或15sccm ;將Ar的流量設置 在300至600sccm之間，如為300、450或600sccm。 本實施例中，該第一刻蝕過程中的腔室壓力設置在20至80mTorr之間，如為20、60
8或80mTorr ;RF電源功率設置在2000至2500W之間，如為2000、2200或2500W。 步驟604 :進行第二刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第二刻蝕中
所用的氣體包括含氟氣體，不含氬氣。 圖IO為本發(fā)明第一實施例中去除刻蝕停止層后的器件剖面示意圖，如圖IO所示， 本步第二刻蝕將通孔開口內(nèi)殘留的刻蝕停止層701刻蝕去除。 為了防止本步刻蝕時在通孔側壁下方出現(xiàn)凹陷(如圖5中501所示)，本實施例中 利用質(zhì)量較輕的氣體，如氮氣，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氬氣，減小了等離子體對刻蝕停止層的轟擊力， 進而減小了對刻蝕停止層側壁的損傷，防止了凹陷的出現(xiàn)。 本實施例中通過大量實驗及分析，得到了較為優(yōu)選的工藝條件。例如，可以將本 步第二刻蝕設置為在室溫下進行，且工作時的腔室壓力在20至60mTorr之間，如20、40、 60mTorr等，偏置功率在100至500W之間，如100、200、300、400或500W等，源功率在50至 200W之間，如50、100、200W等。 本實施例中，在第二刻蝕過程中加入的氣體可以有多種組合方式，如可以加入刻 蝕反應氣體CHF3，及輔助氣體N2和02三種氣體，其中，CHF3作為刻蝕反應氣體在刻蝕過程中 與曝露在外的通孔內(nèi)的刻蝕停止層(本實施例中為含氮的碳化硅層)發(fā)生反應，將其去除； N2和02在刻蝕過程中在高壓作用下成為等離子體，主要用于去除刻蝕過程中所產(chǎn)生的聚合 物，并對刻蝕反應氣體有一定稀釋作用。 本實施例中，CHF3的流量設置在20至40sccm之間，如為20、30或40sccm等；02的 流量設置在10至20sccm之間，如為10、14、18或20sccm等；N2的流量設置在20至100sccm 之間，如為20、40、60或100sccm等。 在本發(fā)明的另一實施例中，在第二刻蝕過程中加入CHF3、 N2和He三種氣體，其中， CHF3作為刻蝕反應氣體在刻蝕過程中與曝露在外的通孔內(nèi)的刻蝕停止層發(fā)生反應，將其去 除；作為輔助氣體的^在刻蝕過程中在高壓作用下成為氮等離子體，主要用于去除刻蝕過 程中所產(chǎn)生的聚合物，并對刻蝕反應氣體有一定稀釋作用；作為輔助氣體的He則主要用于 稀釋刻蝕反應氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也有一定的清除作用。
該實施例中，CHF3的流量設置在10至40sccm之間，如為10、20、30或40sccm等； N2的流量設置在20至100sccm之間，如為20、40、60或100sccm等，He的流量設置在100至 500sccm之間，如為100、200、300、400或500sccm等。 在本發(fā)明的其它實施例中，還可以在第二刻蝕過程中除加入CH&夕卜，再加入包括 氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中任一種或其組合作為輔助氣體，其可用于稀釋刻蝕反應氣體，同時 對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也有一定的清除作用。 采用上述本發(fā)明第一實施例的方法形成的通孔，其側壁下方的凹陷問題有明顯改 善，但發(fā)現(xiàn)其形成的通孔的電阻值有所上升。經(jīng)過分析認為，在第二刻蝕過程中，刻蝕反應 氣體CHF3產(chǎn)生的聚合物較多，而在刻蝕過程中不再加入質(zhì)量較重的氬氣，改用其它質(zhì)量較 輕的氣體后，其轟擊力下降，導致刻蝕過程中對產(chǎn)生的聚合物的去除力度不夠，這使得第二 刻蝕后通孔內(nèi)會殘留部分聚合物，并引發(fā)了通孔電阻值上升的問題。 為解決這一 問題，在本發(fā)明的再另一實施例中，在第二刻蝕過程中將刻蝕反應氣 體CH^更改為NF3，其不含碳，可以明顯減少刻蝕過程中聚合物的產(chǎn)生量，使得即使因改用 較輕的氣體后產(chǎn)生的轟擊力變小，也可以確保通孔內(nèi)的聚合物被去除干凈。
如，可以在第二刻蝕中通入NF3、N2和He三種氣體，其中，NF3作為刻蝕反應氣體在 刻蝕過程中與曝露在外的通孔內(nèi)的刻蝕停止層(本實施例中為含氮的碳化硅層)發(fā)生反 應，將其去除，同時，其產(chǎn)生的聚合物較少；作為輔助氣體的^在刻蝕過程中在高壓作用下 成為氮等離子體，主要用于去除刻蝕過程中所產(chǎn)生的聚合物，并對刻蝕反應氣體有一定稀 釋作用；作為輔助氣體的He則主要用于稀釋刻蝕反應氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合 物也有一定的清除作用。 該實施例中，可以將NF3的流量設置在5至15sccm之間，如為5、 10或15sccm等，
在該范圍內(nèi)，可以確保含氮的碳化硅層的刻蝕速率遠高于介質(zhì)層的氧化硅，如在i.5 : i以
上，因刻蝕停止層701較薄，該選擇比即可實現(xiàn)去除刻蝕停止層701的同時，介質(zhì)層702不 受損傷或損傷較小。 另外，NF3的流量對刻蝕速率有較大影響，在對其流量進行選擇時也要對此加以考 慮。如其它工藝條件不變，若NF3流量為5sccm，其刻蝕速率在300A/min左右，而當NF3流量 為10sccm時，其刻蝕速率在680A/min;當NF3流量為15sccm時，其刻蝕速率在815A/min。 如果對NF3的流量選擇不當，一則會導致刻蝕停止層與介質(zhì)層間的選擇比不合適， 損傷介質(zhì)層；二則可能會使得刻蝕速率過快或過慢，而該層厚度不大，這將會導致本步工藝 不易控制。 該實施例中，可以將N2的流量設置在20至100sccm之間，如為20、40、60或
100sccm等。N2的主要作用是清除聚合物，雖然采用NF3后，聚合物明顯減少，但若對^流
量選擇不當，也會導致聚合物去除不徹底，表現(xiàn)為各通孔的電阻值分散。He的流量設置在100至500sccm之間，如為100、200、300、400或500sccm等。
He主要是稀釋作用，其的流量大小對刻蝕速率也會有影響，如其它工藝條件不變，He流量
為100sccm時刻蝕速率為720 A/min，流量為300sccm時刻蝕速率為665 A/min,流量為
500sccm時刻蝕速率為500 A/min。因此，對He的流量也需要進行優(yōu)化處理。 在本發(fā)明的其它實施例中，在第二刻蝕過程中采用NF3作為刻蝕反應氣體時，也可
以加入包括氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中的任一種或其組合的氣體作為輔助氣體，用于稀釋刻
蝕反應氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也起到一定的清除作用。 采用NF3作為刻蝕反應氣體，同時加入質(zhì)量較輕的氣體作為輔助氣體后，不僅通孔
側壁下方處的凹陷問題得到解決，通孔的電阻特性也得到了明顯改善，說明其內(nèi)的聚合物
殘留問題也已解決。 本實施例中形成的刻蝕圖形為通孔，在本發(fā)明的其它實施例中，也可以利用本發(fā)
明的方法形成其它刻蝕圖形，如接觸孔等。 第二實施例 半導體工藝技術進入0. 18微米以后，器件的特征尺寸進一步縮小，互連線的RC延 遲逐漸成為影響電路速度的主要矛盾，為改善這一點，開始采用由金屬銅制作金屬互連線 結構的工藝方法。與傳統(tǒng)的鋁工藝相比，銅工藝的優(yōu)點在于其電阻率較低，導電性更好，由 其制成的內(nèi)連接導線可以在保持同等甚至更強電流承載能力的情況下做得更小、更密集。 此外，其在電遷移、RC延遲、可靠性和壽命等方面也比鋁工藝具有更大的優(yōu)勢。由于銅金屬 不易刻蝕的特點，銅金屬連線的制作需要采用雙鑲嵌的結構來實現(xiàn)，而在65nm以下工藝結 點中制作形成雙鑲嵌結構中的通孔時，同樣也存在著上述凹陷問題。
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本發(fā)明第二實施例說明了一種雙鑲嵌結構的形成方法，其可以克服上述凹陷問 題。圖11為本發(fā)明第二實施例雙鑲嵌結構形成方法的流程圖，圖12至圖19為說明本發(fā)明 第二實施例中雙鑲嵌結構形成過程的器件剖面示意圖。下面結合圖11至圖19對本發(fā)明的 第二實施例進行詳細說明。 步驟1101 :提供襯底，且在所述襯底上具有下層導電結構，在所述下層導電結構 上具有刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層上具有第一介質(zhì)層。 圖12為本發(fā)明第二實施例中提供的襯底的剖面示意圖，如圖12所示，在襯底1200
上形成了刻蝕停止層1201及第一介質(zhì)層1202。其中，下層導電結構未示出。 本實施例中的襯底1200可以為已形成金屬氧化物半導體晶體管的襯底，也可以
為已形成底層金屬連線結構的襯底。 為了提高刻蝕圖形在刻蝕深度方面的均勻性、一致性，通常在襯底上形成第一介 質(zhì)層之前，會先生長一層刻蝕停止層。在O. 13微米以上的工藝中，該層一般采用氮化硅材 料，而0. 13微米以下的工藝中，為了與低k值的介質(zhì)材料更好地匹配，該刻蝕停止層通常為 含氮或含氧的碳化硅層。本實施例中的刻蝕停止層1201是利用PECVD沉積形成的含氮的 碳化硅層，其的刻蝕速率與后面在其上生長的第一介質(zhì)層1202的刻蝕速率相比較低，以確 保通孔刻蝕時能較均勻一致地停止于該層內(nèi)。 該刻蝕停止層1201的厚度需要折衷考慮，即不能過薄(以防止過刻蝕，確?？涛g 停止于該層內(nèi))，也不能過厚(后面去除時易損傷襯底)，通?？蓪⑵涞暮穸仍O置在300至
500A之間，如為300、400或500A。 對于高集成度、高速器件，為降低寄生電容，第一介質(zhì)層1202必須選擇低k值的介 質(zhì)層，如利用化學氣相沉積方法形成的摻氟的氧化硅(FSG)，摻碳的氧化硅(CDO)，未摻雜 的氧化硅(USG)層，或者采用旋涂的方式(SOD)利用液態(tài)的膠狀氧化硅基材料形成的多孔 介質(zhì)層等。本實施例中選用的是具有低k值的化學氣相沉積方法制成的黑鉆石(BD，Black Diamond)材料。其的厚度通常可以設置在3500至8000 A之間，如為3500、4000、6500或 8000 A。 另外，在本發(fā)明的其它實施例中，該第一介質(zhì)層1202還可以由多層介質(zhì)材料組 成，如可以包括一層BD材料層，一層USG材料層等。
步驟1102 :在所述第一介質(zhì)層上定義通孔圖形。 圖13為本發(fā)明第二實施例中形成通孔圖形后的器件剖面示意圖，如圖13所示，在 介質(zhì)層1202上利用光刻膠定義了通孔圖形1204。 本實施例中，是直接以光刻膠為掩膜對通孔進行刻蝕的，在本發(fā)明的其他實施例
中，還可以在第一介質(zhì)層1202上再形成一層硬掩膜層(如可以生長一層氮化硅層作為硬掩
膜)，先對該硬掩膜進行圖形化處理，再以其為掩膜對其下的第一介質(zhì)層1202進行刻蝕形
成通孔開口 ；或者在對該硬掩膜層進行圖形化后，再以光刻膠及該硬掩膜層一起作為掩膜
進行通孔開口的刻蝕，該硬掩膜層的存在，可以令形成的通孔邊緣形狀更好。 步驟1103 :進行第一刻蝕，在所述第一介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口，至曝露出所述刻
蝕停止層。 圖14為本發(fā)明第二實施例中形成通孔開口后的器件剖面示意圖，如圖14所示，本 步刻蝕后在第一介質(zhì)層1202內(nèi)形成了通孔開口 1205。由于下層的刻蝕停止層1201的刻蝕
11速率要遠小于第一介質(zhì)層1202的刻蝕速率，本步刻蝕會停止于刻蝕停止層1201內(nèi)。
本實施例中，對該第一刻蝕工藝所用的工藝條件進行了優(yōu)化，以達到較好的刻蝕
效果。優(yōu)化后的工藝條件包括使用包含c;Fs和02的刻蝕氣體，且二者的流量比可以在 4 : i至i : l之間，如為2 : i。例如，可以將c4f8的流量設置在i5SCCm， o2的流量設置
在石sccm。 除C4F8和02刻蝕氣體外，優(yōu)化后的第一刻蝕工藝中還可以通入CH2F2及Ar氣體， 具體地，可將CH2F2的流量設置在5至15sccm之間，如為5、 10或15sccm ;將Ar的流量設置 在300至600sccm之間，如為300、450或600sccm。本實施例中，該第一刻蝕過程中的腔室壓力設置在20至80mTorr之間，如為20、60 或80mTorr ;RF電源功率設置在2000至2500W之間，如為2000、2200或2500W。
步驟1104 :在第一介質(zhì)層上及通孔開口內(nèi)形成第二介質(zhì)層。 圖15為本發(fā)明第二實施例中形成第二介質(zhì)層后的器件剖面示意圖，如圖15所示， 第一刻蝕完成后，去除了殘留的光刻膠，接著，在第一介質(zhì)層1202上及通孔開口 1205內(nèi)覆 蓋了第二介質(zhì)層1206。 本實施例中，為了較好地填充通孔1205，同時能得到較為平坦的表面，該第二介質(zhì)
層1206采用了利用旋涂方法形成的DUO材料層。 步驟1105 :在所述第二介質(zhì)層上形成溝槽圖形。 圖16為說明本發(fā)明第二實施例中形成溝槽圖形后的器件剖面圖，如圖16所示，本
步通常是利用光刻技術在第二介質(zhì)層1206上定義出溝槽的圖形1207。 步驟1106 :進行第二刻蝕，形成與至少一個通孔開口相連的溝槽。 圖17為說明本發(fā)明第二實施例中進行第二刻蝕后的器件剖面示意圖，如圖17所
示，利用干法刻蝕技術刻蝕未被光刻膠保護的第二介質(zhì)層1206及部分第一介質(zhì)層1202。 步驟1107 :去除所述通孔開口內(nèi)余下的第二介質(zhì)層。 圖18為說明本發(fā)明第二實施例中形成雙鑲嵌結構開口后的器件剖面示意圖，如 圖18所示，利用干法刻蝕技術刻蝕未被光刻膠保護的第二介質(zhì)層1206及部分第一介質(zhì)層 1202，形成與至少一個通孔開口 1205相連的溝槽1208，再去除通孔開口 1205內(nèi)余下的第 二介質(zhì)層1206。再去除第二介質(zhì)層1206表面所殘留的光刻膠，就形成了與至少一個通孔 1205相連的溝槽1208。 形成的溝槽1208下方的通孔1205可以有一個或多個，其是根據(jù)電路的功能設計 安排每一個溝槽下所對應的通孔的情況，通常至少會有一個。形成溝槽1208后，還需要將 位于通孔開口 1205底部的刻蝕停止層1201去除。 步驟1108 :進行第三刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第三刻蝕 中所用的氣體包括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體 包括質(zhì)量小于氬氣的氣體。 圖19為本發(fā)明第二實施例中去除刻蝕停止層后的器件剖面示意圖，如圖19所示， 本步第三刻蝕將通孔開口 1205內(nèi)殘留的刻蝕停止層1201刻蝕去除。 為了防止本步刻蝕時在通孔側壁下方出現(xiàn)凹陷，本實施例中利用質(zhì)量較輕的氣體 作為輔助氣體，如氮氣，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氬氣，減小了等離子體對刻蝕停止層的轟擊力，進而減 小了對刻蝕停止層側壁的損傷，防止了凹陷的出現(xiàn)。
本實施例中通過大量實驗及分析，得到了較為優(yōu)選的工藝條件。例如，可以將本 步第三刻蝕設置為在室溫下進行，且工作時的腔室壓力在20至60mTorr之間，如20、40、 60mTorr等，偏置功率在100至500W之間，如100、200、300、400或500W等，源功率在50至 200W之間，如50、100、200W等。 本實施例中，在第三刻蝕過程中加入的氣體可以有多種組合方式，如可以加入 CHF3、N2和02三種氣體，其中，CHF3作為刻蝕反應氣體在刻蝕過程中與曝露在外的通孔內(nèi)的 刻蝕停止層(本實施例中為含氮的碳化硅層)發(fā)生反應，將其去除；N2和02作為輔助氣體 在刻蝕過程中在高壓作用下成為等離子體，主要用于去除刻蝕過程中所產(chǎn)生的聚合物，并 對刻蝕反應氣體有一定稀釋作用。 本實施例中，CHF3的流量設置在20至40sccm之間，如為20、30或40sccm等；02的 流量設置在10至20sccm之間，如為10、14、18或20sccm等；N2的流量設置在20至100sccm 之間，如為20、40、60或100sccm等。 圖20為本發(fā)明第二實施例中形成的雙鑲嵌結構的剖面圖，如圖20所示，采用本發(fā) 明第二實施例方法形成的雙鑲嵌結構的通孔側壁下方處已不再有凹陷問題(如圖中2001 的圓圈所示)。 在本發(fā)明的另一實施例中，在第三刻蝕過程中加入CHF3、 N2和He三種氣體，其中， CHF3作為刻蝕反應氣體在刻蝕過程中與曝露在外的通孔內(nèi)的刻蝕停止層發(fā)生反應，將其去 除；作為輔助氣體的^在刻蝕過程中在高壓作用下成為氮等離子體，主要用于去除刻蝕過 程中所產(chǎn)生的聚合物，并對刻蝕反應氣體有一定稀釋作用；作為輔助氣體的He則主要用于 稀釋刻蝕反應氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也有一定的清除作用。
該實施例中，CHF3的流量設置在10至40sccm之間，如為10、20、30或40sccm等; N2的流量設置在20至100sccm之間，如為20、40、60或100sccm等，He的流量設置在100至 500sccm之間，如為100、200、300、400或500sccm等。 在本發(fā)明的其它實施例中，除了在第三刻蝕過程中加入CHF3夕卜，還可以加入包括 氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中的任一種或其組合的氣體作為輔助氣體，其可用于稀釋刻蝕反應 氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也有一定的清除作用。 采用上述本發(fā)明第二實施例的方法形成的雙鑲嵌結構，其通孔側壁下方的凹陷問 題有明顯改善，但發(fā)現(xiàn)其形成的結構的電阻值有所上升。經(jīng)過分析認為，在第三刻蝕過程 中，刻蝕反應氣體CHF3產(chǎn)生的聚合物較多，而在刻蝕過程中不再加入質(zhì)量較重的氬氣，改用 其它質(zhì)量較輕的輔助氣體后，其轟擊力下降，導致刻蝕過程中對產(chǎn)生的聚合物的去除力度 不夠，這使得第三刻蝕后通孔內(nèi)會殘留部分聚合物，并引發(fā)了通孔電阻值上升的問題。
為解決這一問題，在本發(fā)明的再另一實施例中，在第三刻蝕過程中將刻蝕反應氣 體CH^更改為NF3，其不含碳，可以明顯減少刻蝕過程中聚合物的產(chǎn)生量，使得即使因采用 較輕的輔助氣體后產(chǎn)生的轟擊力變小，也可以確保通孔內(nèi)的聚合物被去除干凈。
如，可以在第三刻蝕中通入NF3、N2和He三種氣體，其中，N^作為刻蝕反應氣體在 刻蝕過程中與曝露在外的通孔內(nèi)的刻蝕停止層(本實施例中為含氮的碳化硅層)發(fā)生反 應，將其去除，同時，其產(chǎn)生的聚合物較少；作為輔助氣體的^在刻蝕過程中在高壓作用下 成為氮等離子體，主要用于去除刻蝕過程中所產(chǎn)生的聚合物，并對刻蝕反應氣體有一定稀 釋作用；作為輔助氣體的He則主要用于稀釋刻蝕反應氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也有一定的清除作用。 該實施例中，可以將NF3的流量設置在5至15sccm之間，如為5、 10或15sccm等，
在該范圍內(nèi)，可以確保含氮的碳化硅層的刻蝕速率遠高于介質(zhì)層的氧化硅，如在i.5 : i以
上，因刻蝕停止層1201較薄，該選擇比即可實現(xiàn)去除刻蝕停止層1201的同時介質(zhì)層1202 不受損傷或損傷較小。 另外，NF3的流量對刻蝕速率有較大影響，在對其流量進行選擇時也要對此加以考 慮。如其它工藝條件不變，若NF3流量為5sccm，其刻蝕速率在300A/min左右，而當NF3流量 為10sccm時，其刻蝕速率在680A/min;當NF3流量為15sccm時，其刻蝕速率在815A/min。 如果對NF3的流量選擇不當， 一則會導致刻蝕停止層與介質(zhì)層間的選擇比不合適， 損傷介質(zhì)層；二則可能會使得刻蝕速率過快或過慢，而該層厚度不大，這將會導致本步工藝 不易控制。 該實施例中，可以將N2的流量設置在20至100sccm之間，如為20、40、60或 100sccm等。N2的主要作用是清除聚合物，雖然采用NF3后，聚合物明顯減少，但若對^流 量選擇不當，也會導致聚合物去除不徹底，表現(xiàn)為各通孔的電阻值分散。
該實施例中，可以將He的流量設置在100至500sccm之間，如為100、200、300、 400或500sccm等。He主要是稀釋作用，其的流量大小對刻蝕速率也會有影響，如其它工 藝條件不變，He流量為100sccm時刻蝕速率為720 A/min，流量為300sccm時刻蝕速率為 665 A/min，流量為500sccm時刻蝕速率為500 A/min。因此，對He的流量也需要進行優(yōu)化 處理。 在本發(fā)明的其它實施例中，在第三刻蝕過程中采用NF3作為刻蝕反應氣體時，也可
以加入包括氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中任一種或其組合的氣體作為輔助氣體，用于稀釋刻蝕 反應氣體，同時對刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物也起到一定的清除作用。 采用NF3作為刻蝕反應氣體，同時加入質(zhì)量較輕的氣體作為輔助后，不僅通孔側壁 下方處的凹陷問題得到解決，通孔的電阻特性也得到了明顯改善，說明其內(nèi)的聚合物殘留 問題也已解決。 接著，再對通孔開口 1205及溝槽1208進行金屬化處理，形成雙鑲嵌結構。
圖21為本發(fā)明采用NF3后形成的雙鑲嵌結構的剖面圖，如圖21所示，本發(fā)明采用 NF3后形成的雙鑲嵌結構的通孔側壁下方處也已不再有凹陷問題(如圖中2101的圓圈所 示)。 圖22為本發(fā)明采用NF3后形成的雙鑲嵌結構的電阻特性圖，如圖22所示，圖中橫 坐標為氮氣流量，縱坐標為本發(fā)明采用NF3后形成的雙鑲嵌結構的電阻值，2201為實驗得到 的數(shù)據(jù)，可以看到，通過對氮氣流量的調(diào)整，可以令形成的雙鑲嵌結構的電阻值的一致性較 為理想。 本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領域技 術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保 護范圍應當以本發(fā)明權利要求所界定的范圍為準。
1權利要求
一種通孔的形成方法，其特征在于，包括步驟提供襯底，且在所述襯底上具有刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層上具有介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上定義通孔圖形；進行第一刻蝕，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口，至曝露出所述刻蝕停止層；進行第二刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第二刻蝕中所用的氣體包括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小于氬氣的氣體。
2. 如權利要求1所述的形成方法，其特征在于所述含氟氣體包括氟化氮。
3 如權利要求2所述的形成方法，其特征在于所述輔助氣體包括氮氣和氦氣。
4. 如權利要求3所述的形成方法，其特征在于所述氟化氮的流量在5至15sccm之間。
5. 如權利要求4所述的形成方法，其特征在于所述氮氣的流量在20至100sccm之間， 所述氦氣的流量在100至500sccm之間。
6. 如權利要求1或5所述的形成方法，其特征在于所述第二刻蝕在室溫下進行，且工 作時的腔室壓力在20至60mTorr之間，偏置功率在100至500W之間，源功率在50至200W 之間。
7. 如權利要求2所述的形成方法，其特征在于所述輔助氣體包括氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中一種或其組合。
8. 如權利要求1所述的形成方法，其特征在于所述刻蝕停止層為摻氮的碳化硅層。
9. 一種雙鑲嵌結構的形成方法，其特征在于，包括步驟提供襯底，且在所述襯底上具有下層導電結構，在所述下層導電結構上具有刻蝕停止 層，在所述刻蝕停止層上具有第一介質(zhì)層； 在所述第一介質(zhì)層上定義通孔圖形；進行第一刻蝕，在所述第一介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口 ，至曝露出所述刻蝕停止層； 在所述第一介質(zhì)層上及通孔開口內(nèi)形成第二介質(zhì)層； 在所述第二介質(zhì)層上形成溝槽圖形； 進行第二刻蝕，形成與至少一個通孔開口相連的溝槽； 去除所述通孔開口內(nèi)的第二介質(zhì)層；進行第三刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第三刻蝕中所用的氣體包 括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小于氬 氣的氣體。
10. 如權利要求9所述的形成方法，其特征在于所述含氟氣體包括氟化氮。
11. 如權利要求10所述的形成方法，其特征在于所述輔助氣體包括氮氣和氦氣。
12. 如權利要求11所述的形成方法，其特征在于所述氟化氮的流量在5至15sccm之間。
13. 如權利要求12所述的形成方法，其特征在于所述氮氣的流量在20至100sccm之 間，所述氦氣的流量在100至500sccm之間。
14. 如權利要求9或13所述的形成方法，其特征在于所述第三刻蝕在室溫下進行，且 工作時的腔室壓力在20至60mTorr之間，偏置功率在100至500W之間，源功率在50至200W 之間。
15. 如權利要求10所述的形成方法，其特征在于所述輔助氣體包括氮氣、氧氣、氦氣、氫氣中一種或其組合。
16. 如權利要求9所述的形成方法，其特征在于所述刻蝕停止層為摻氮的碳化硅層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通孔的形成方法，包括步驟提供襯底，且在所述襯底上具有刻蝕停止層，在所述刻蝕停止層上具有介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上定義通孔圖形；進行第一刻蝕，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成通孔開口，至暴露出所述刻蝕停止層；進行第二刻蝕，去除所述通孔開口內(nèi)的刻蝕停止層，且所述第二刻蝕中所用的氣體包括刻蝕反應氣體及輔助氣體，其中，刻蝕反應氣體包括含氟氣體，輔助氣體包括質(zhì)量小于氬氣的氣體。本發(fā)明還公開了對應的一種雙鑲嵌結構的形成方法，本發(fā)明的通孔及雙鑲嵌形成方法避免了在通孔側壁下方出現(xiàn)凹陷的問題，提高了通孔或雙鑲嵌結構的形成質(zhì)量。
文檔編號H01L21/311GK101740477SQ200810225760
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月11日 優(yōu)先權日2008年11月11日
發(fā)明者孫武, 尹曉明, 王新鵬 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司