專利名稱：：用水蒸汽和稀釋氣體增強(qiáng)的氫灰化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般性地涉及集成電路制造中材料的等離子刻蝕。具體地，本發(fā)明涉及光刻膠的灰化。
背景技術(shù)：
：在硅集成電路制造中廣泛使用等離子刻蝕技術(shù)。其中一個(gè)工藝步驟通常被稱為電介質(zhì)刻蝕，該步驟被用于形成穿過(guò)電介質(zhì)層的孔，從而在集成電路的不同層之間提供垂直電連接。在圖1的橫截面圖中示意性地示出了一種原型過(guò)孔(via)結(jié)構(gòu)。形成在晶片表面上的下電介質(zhì)層10在其表面內(nèi)形成有導(dǎo)電構(gòu)件(feature)12。上電介質(zhì)層14沉積在下電介質(zhì)層10和其導(dǎo)電構(gòu)件12的上方。平面光刻膠16層被旋涂在未圖案化的上電介質(zhì)層14上，利用步進(jìn)式光刻機(jī)按照輻射圖案對(duì)其進(jìn)行曝光形成穿過(guò)光刻膠層16的掩膜孔18，從而形成具有掩膜孔18的光刻掩膜，掩膜孔18位于導(dǎo)電構(gòu)件12上方并借助過(guò)孔與其電連接。在上電介質(zhì)層14和光刻膠層16之間可能還形成有其它層，例如刻蝕硬掩膜或者抗反射涂層。被光刻掩膜覆蓋的晶片被放進(jìn)等離子刻蝕反應(yīng)器中，在其中上電介質(zhì)層14被向下刻蝕到導(dǎo)電構(gòu)件從而形成過(guò)孔20。典型地，可以使用相同的刻蝕反應(yīng)器來(lái)刻蝕抗反射涂層和硬掩膜(如果有的話)，而對(duì)不同的層使用不同的刻蝕化學(xué)試劑。電介質(zhì)刻蝕通常利用碳氟化合物，例如使用六氟丁二烯(C4F6)。在電介質(zhì)刻蝕之后，利用鋁或銅等金屬填充過(guò)孔20從而提供與導(dǎo)電構(gòu)件12的垂直電連接。對(duì)于雙鑲嵌結(jié)構(gòu)，通常使用銅金屬化，過(guò)孔20被上電介質(zhì)層14下部的更短的過(guò)孔代替，其連接至在頂部水平延伸的溝槽(trench)，兩者同時(shí)用銅填充。對(duì)于接觸層的金屬化，下電介質(zhì)層10被活性硅層代替，并且導(dǎo)電構(gòu)件12也由硅構(gòu)成，但是在過(guò)孔20的界面處可能有復(fù)合硅化物和柵極氧化物，在這種情況下過(guò)孔20被稱為接觸孔。在完成電介質(zhì)刻蝕后，一些光刻膠可能殘留在電介質(zhì)層14頂部，或者刻蝕殘余物(通常是碳質(zhì)材料)可能殘留在過(guò)孔18內(nèi)。殘余物可能在過(guò)孔20的側(cè)面上形成多聚物涂層22，這有助于產(chǎn)生垂直的刻蝕輪廓，或者殘余物形成被隔離的刻蝕殘余物24(包括在過(guò)孔20底部的一些)。類似的多聚物涂層可能覆蓋光刻膠的剩余部分產(chǎn)生硬化外表面。金屬填充過(guò)程要求過(guò)孔20包覆上一層保形的襯里(包括阻擋層)，并且在通過(guò)電化學(xué)鍍覆(ECP)工藝進(jìn)行銅金屬化時(shí)，銅層可以作為晶種層和電鍍電極。目前，阻擋層通常是TaN/Ta雙層，并且阻擋層和銅晶種層可以通過(guò)先進(jìn)濺射法進(jìn)行沉積。重要的是在沉積過(guò)孔的襯里層之前將光刻膠和其它殘余物從結(jié)構(gòu)中除去，因?yàn)樗鼈兎纸庹掣皆谶^(guò)孔側(cè)壁上并且增大了過(guò)孔底部的接觸電阻，兩者都會(huì)影響器件的良率和可靠性。等離子灰化(plasmaashing)早已被用于在刻蝕之后除去光刻膠和其它殘余物。氧等離子體對(duì)于刻蝕除去碳基材料層非常有效。盡管以前在被設(shè)計(jì)來(lái)批處理大量晶片的筒狀灰化器中進(jìn)行灰化，更新的技術(shù)采用單晶片等離子灰化器，其或者是一個(gè)單獨(dú)的刻蝕反應(yīng)器或者是在用于電介質(zhì)刻蝕的同樣的等離子刻蝕反應(yīng)器中進(jìn)行的單獨(dú)處理步驟。當(dāng)電介質(zhì)層由二氧化硅形成、具有Si02的近似化學(xué)組成和約3.9的介電常數(shù)時(shí)，傳統(tǒng)的灰化工藝是有效的。但是用于先進(jìn)集成電路所需的更低介電常數(shù)電介質(zhì)時(shí)會(huì)遇到很多困難。早期的低介電常數(shù)電介質(zhì)是通過(guò)用氟摻雜二氧化硅使介電常數(shù)降低到約3.5來(lái)形成的。更低的低-3介電常數(shù)可以通過(guò)氫化的氧碳化硅(siliconoxycarbide)來(lái)得到，例如加利福尼亞州SantaClara的AppliedMaterials公司的BlackDiamond電介質(zhì)。更低的低于3的介電常數(shù)可以通過(guò)沉積這些材料并使其多孔化來(lái)得到。這些材料的氧灰化引起了很多問(wèn)題。氧等離子體不僅攻擊碳質(zhì)光刻膠的殘余物和其它殘余物，它也會(huì)消耗氧碳化硅中的碳，從而增大其介電常數(shù)。多孔介電材料相對(duì)易碎，并且更容易被氧等離子體破壞，原因是部分氧穿透進(jìn)入孔中以及孔的坊縮。因此，先進(jìn)灰化工藝已經(jīng)從氧等離子體的氧化化學(xué)試劑轉(zhuǎn)移到由氫和可能的氮的一些組合(例如，H2、H2/N2或NH3)形成的等離子體的還原化學(xué)試劑。與氧灰化相比，基于氫自由基tf的灰化具有更好的性能和更少的電介質(zhì)破壞。但是，由于還原反應(yīng)速率低并且在僅有還原氣體的環(huán)境中產(chǎn)生的氫自由基密度低，氫灰化是非常慢的工藝。氧灰化工藝可能需要20秒的處理，而氫灰化可能需要10倍的時(shí)間，從經(jīng)濟(jì)角度考慮這明顯是個(gè)缺點(diǎn)。因此，通常將少量的氧加到還原氣體中以便提高灰化速率和灰化效率。然而，多孔低介電常數(shù)材料對(duì)即使少量的氧也是敏感的，這些氧會(huì)從氧碳化硅材料除去大量的碳并使孔結(jié)構(gòu)坍縮，從而增大介電常數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行無(wú)氧等離子體灰化工藝，其中主要的灰化步驟包括從氫氣、可選的氮?dú)?、水蒸氣、和非活性氣體或稀釋氣體(例如氬或氦)形成的等離子體?？梢杂冒睔獯鏆浜偷Ｐ纬傻入x子體的水蒸氣多于氫氣，并且非活性氣體多于水蒸氣。該灰化工藝特別適用于含碳和氧化硅的低介電常數(shù)材料，例如氫化的氧碳化硅。可選地，可以向主要的灰化步驟中的等離子體加入碳?xì)浠衔餁怏w，例如甲烷。碳?xì)浠衔锏囊胩貏e適用于多孔低介電常數(shù)材料，例如介電常數(shù)小于3的材料。初始的無(wú)氧等離子體灰化步驟或表面處理步驟包括從含氫還原氣體(例如氫氣或氨氣)和可選的氮?dú)?但沒(méi)有水蒸氣)形成的等離子體。表面處理步驟可以比主要灰化步驟用時(shí)短。圖1是介電刻蝕后的過(guò)孔的橫截面圖，包括殘余光刻膠、側(cè)壁多聚物涂層、和其它需要被灰化工藝除去的刻蝕殘余物。圖2是可用于本發(fā)明的等離子灰化器的橫截面示意圖。具體實(shí)施例方式在基于氫的灰化等離子體中加入水蒸氣和大量氬氣或氦氣，這大大增加了氫自由基的濃度，并增大了灰化速率而對(duì)低介電常數(shù)電介質(zhì)的損壞更小。本發(fā)明可以在等離子灰化反應(yīng)器30中進(jìn)行，如圖2的橫截面圖所示。用真空泵浦系統(tǒng)36將真空處理室32抽至低壓力范圍。室32內(nèi)的基座38支撐著待灰化的晶片40，與氣體噴頭42相對(duì)，氣體噴頭42通過(guò)大量小孔44供應(yīng)處理氣體。處理氣體通過(guò)遠(yuǎn)程等離子源48被供應(yīng)到噴頭42后面的歧管46，遠(yuǎn)程等離子源48激發(fā)處理氣體而形成等離子體。遠(yuǎn)程等離子源48可以位于遠(yuǎn)離真空室32的一定距離處，但它仍被認(rèn)為附屬于真空室32，因?yàn)楹性谶h(yuǎn)程等離子源48產(chǎn)生的等離子體的氣體在其等離子狀態(tài)下流入真空室32。優(yōu)選地，絕大多數(shù)自由基和相對(duì)很少的等離子體離子被送到處理室32。遠(yuǎn)程等離子源和歧管的一些細(xì)節(jié)公開(kāi)在Fu等2006年2月10日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)11/351,676中，現(xiàn)在該申請(qǐng)已公開(kāi)為美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)2007/0190266。遠(yuǎn)程等離子源48可以使用在低GHz范圍(例如2.54GHz)操作的微波激發(fā)源或者在亞GHz范圍(例如270—650kHz)操作的RF激發(fā)源。遠(yuǎn)程等離子源48有利地具有帶電粒子過(guò)濾器，使得送到處理室的等離子體僅包含中性自由基，而沒(méi)有帶電離子。如果氫氣(H2)被用作主要的灰化氣體，則從氫氣源50通過(guò)質(zhì)量流量控制器52向遠(yuǎn)程等離子源48供應(yīng)氫氣。氮?dú)?N2)可以從氮?dú)庠?4通過(guò)另一個(gè)質(zhì)量流量控制器56供應(yīng)。氮往往用作氫自由基刻蝕的鈍化劑。從含有液體水池62的真空密封的水安瓿60向遠(yuǎn)程等離子體源48供應(yīng)水蒸汽(H20)。質(zhì)量流量控制器64從安瓿60計(jì)量供應(yīng)水蒸汽。室溫下水的蒸汽壓約為20Torr，這遠(yuǎn)高于通常操作遠(yuǎn)程等離子源48的真空壓強(qiáng)水平。因此，一旦安瓿60被反向抽吸，具有約20Torr壓力的水蒸汽就會(huì)出現(xiàn)在安瓿60中液體水池62上方的頂部空間66中。安瓿60可以直接安裝在室32上以使管道長(zhǎng)度最短，水會(huì)在管道壁上凝結(jié)。按照插入控制器70中、存儲(chǔ)在可讀介質(zhì)72(例如CDROM)上的指令集來(lái)操作控制器70，從而控制泵浦系統(tǒng)36、遠(yuǎn)程等離子源48和各個(gè)質(zhì)量流量控制器，包括已經(jīng)提到的質(zhì)量流量控制器52、56、64以及其它質(zhì)量流量控制器。根據(jù)本發(fā)明，另外的非活性氣體(如Ar)從氬氣源80經(jīng)質(zhì)量流量控制器82計(jì)量供應(yīng)?？梢杂煤ご鏆濉宕龠M(jìn)了H20解離成tT和OH這被認(rèn)為是在Perming過(guò)程中發(fā)生的，其中激發(fā)態(tài)氬自由基的能量被轉(zhuǎn)移給水分子。因而，與單獨(dú)的H2相比，水蒸汽產(chǎn)生氫自由基tf密度更高。結(jié)果，盡管氬氣和氦氣通常被認(rèn)為是非活性的稀釋氣體，它們?cè)趯?shí)際灰化過(guò)程中保持非活性，但是促進(jìn)了高密度的活性灰化自由基的生成。然而，在配方中有利地包括H2可以抑制氧自由基CT的產(chǎn)生。此外，還有利地加入N2，不僅增強(qiáng)1120的解離，還在灰化過(guò)程中提供了一定的鈍化效果。氫化的氧碳化硅的灰化工藝的一個(gè)實(shí)施例在表1中示出。表1中示出的是一個(gè)兩歩驟工藝，其中處理氣體流量的單位是標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>第一個(gè)步驟是中度的軟刻蝕或者表面處理，它并不會(huì)使光刻膠或多聚物側(cè)壁涂層表面變硬。第一個(gè)步驟主要基于氫還原化學(xué)物質(zhì)，因此較慢。然而，它只是用于刻蝕掉表面?？梢杂闷渌€原氣體(如單獨(dú)的H2或氨氣NH3)來(lái)代替H2/N2。第二個(gè)步驟用于迅速除去光刻膠的主體部分和殘余物。第二個(gè)步驟是主要的灰化步驟，并且比初始的表面處理歩驟用時(shí)長(zhǎng)。應(yīng)該理解這里概括的配方僅是本發(fā)明工藝的代表性例子。壓力范圍可以容易地?cái)U(kuò)展到0.5-5Torr，RPS源功率范圍對(duì)于300mm的室介于2kW-8kW之間，氫流量為200-2000sccm，氬氣流量為3000-10000sccm，水蒸汽流量為500-3000sccm。如前所述，可以用氦代替氬。通常，在第一步驟中，主要供給氫，但也可以供給少量的氮。在第二步驟中供給的氬比水多，供給的氫比水蒸汽少。在這兩個(gè)步驟中都不供給氧氣或其自由基形式的臭氧。也可以在不進(jìn)行第一步驟的初步表面處理或進(jìn)行其它初步處理的情況下，實(shí)施第二步驟的主要灰化工藝。表1的配方對(duì)于氫化的氧碳化硅非多孔低介電常數(shù)電介質(zhì)是有效的。然而，對(duì)于目前更好的同樣組成的多孔低介電常數(shù)電介質(zhì)，額外的鈍化是理想的。因此，可以從碳?xì)浠衔餁怏w源84通過(guò)另一個(gè)質(zhì)量流量控制器86供應(yīng)碳?xì)浠衔?，例如甲?CH4)，但也可以替換成其它由碳和氫組成的碳?xì)浠衔?，例如乙?C2H6)、乙烯(C2H4)和乙炔(C2H2)，以及其它高級(jí)烷烴、烯烴、炔烴等。表2中示出了一種用于多孔低介電常數(shù)電介質(zhì)的優(yōu)選配方。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2的配方與表1的配方基本一致，只是在第二步驟中引入了用量遠(yuǎn)少于其它組分的甲烷。這些少量的碳?xì)浠衔锉徽J(rèn)為可以通過(guò)封閉電介質(zhì)材料的孔來(lái)鈍化和保護(hù)暴露的低介電常數(shù)電介質(zhì)，從而防止刻蝕等離子體(尤其是氧)穿透進(jìn)入孔內(nèi)的深處并降解電介質(zhì)材料。本發(fā)明并不限于使用遠(yuǎn)程等離子源的等離子體灰化器，本發(fā)明也可以在二極管等離子刻蝕反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)，其中在靠近晶片或其它襯底的真空室內(nèi)產(chǎn)生等離子體，但是等離子體的離子濃度需要被最小化。此外，本發(fā)明也不限于上面描述的氫化的氧碳化硅低介電常數(shù)電介質(zhì)，也可以用于其它類型的電介質(zhì)材料，并可以在金屬刻蝕或硅刻蝕工藝之后應(yīng)用。本發(fā)明提供了特別適用于低介電常數(shù)電介質(zhì)材料的快速且具有保護(hù)性的灰化工藝。附圖標(biāo)記索引10下電介質(zhì)層12導(dǎo)電構(gòu)件14上電介質(zhì)層16光刻膠層18掩膜孔20過(guò)孔22多聚物涂層24被隔離的刻蝕殘余物30等離子灰化反應(yīng)器32真空處理室36真空泵浦系統(tǒng)38底座40晶片42氣體噴頭44小孔46歧管48遠(yuǎn)程等離子源50氫氣源52質(zhì)量流量控制器54氮?dú)庠?6質(zhì)量流量控制器60水安瓿62池64質(zhì)量流量控制器66頂部空間70控制器72可讀介質(zhì)80氬氣源82質(zhì)量流量控制器84氫氣源86質(zhì)量流量控制器權(quán)利要求1.一種灰化工藝，包括將主要灰化氣體的等離子體施加于襯底的主要灰化步驟，其中所述主要灰化氣體包括第一量的選自氫氣和氨氣的還原氣體；大于第一量的第二量的水蒸氣；大于第二量的第三量的選自氬氣和氦氣的稀釋氣體，且不含有有效量的氧氣。2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述還原氣體包括氫氣。3.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述還原氣體包括氨氣。4.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述主要灰化氣體額外含有第四量的碳?xì)浠衔餁怏w。5.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中所述第四量小于第一量。6.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中所述碳?xì)浠衔餁怏w包括甲烷。7.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所述襯底包括電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層中具有暴露于灰化工藝的孔。8.如權(quán)利要求7所述的工藝，還包括按照一個(gè)光刻膠掩膜刻蝕所述電介質(zhì)層中的孔的在先步驟。9.如權(quán)利要求1_8中任一項(xiàng)所述的工藝，還包括在主要灰化步驟之前進(jìn)行的初始灰化步驟，其中將初始灰化氣體的等離子體施加于襯底，所述初始灰化氣體包括第四量的含氫還原氣體且不含有效量的水蒸氣或碳?xì)浠衔铩?0.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述含氫還原氣體包括氫氣。11.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述初始灰化氣體還包括小于第四量的第五量的氮?dú)狻?2.如權(quán)利要求9所述的工藝，其中所述襯底包括電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層中具有暴露于灰化工藝的孔。13.如權(quán)利要求12所述的工藝，還包括按照一個(gè)光刻膠掩膜刻蝕所述電介質(zhì)層中的孔的在先步驟。14.一種對(duì)襯底進(jìn)行灰化的工藝，所述襯底具有事先在其中刻蝕有孔的電介質(zhì)層，所述工藝包括在其中放置有所述襯底且包括附屬裝置的等離子體刻蝕室中進(jìn)行的如下步驟將第一氣體混合物激發(fā)成第一等離子體的第一步驟，所述第一氣體混合物包括第一量的氫氣，且不含有有效量的氧氣和水蒸氣；隨后進(jìn)行的將第二氣體混合物激發(fā)成第二等離子體的第二步驟，所述第二氣體混合物包括第二量的氫氣、第三量的水蒸氣、第四量的選自氬氣和氦氣的非活性氣體，且不含有有效量的氧氣。15.如權(quán)利要求14所述的工藝，其中第二步驟進(jìn)行的時(shí)間比第一步驟長(zhǎng)。16.如權(quán)利要求14所述的工藝，其中所述附屬裝置包括遠(yuǎn)程等離子源，在其中第一和第二等離子被激發(fā)并流入所述室中。17.如權(quán)利要求14所述的工藝，其中所述第一氣體混合物還含有氮18.如權(quán)利要求14一17中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述第二氣體混合物還含有第五量的碳?xì)浠衔餁怏w。19.如權(quán)利要求18所述的工藝，其中所述碳?xì)浠衔餁怏w包括甲垸。20.如權(quán)利要求14一17中任一項(xiàng)所述的工藝，其中所述第三量大于第二量且小于第四量。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種特別適用于基于氫化的氧碳化硅的低介電常數(shù)材料的無(wú)氧的氫等離子體灰化工藝。主要的灰化步驟包括將事先被刻蝕的電介質(zhì)層暴露于從氫氣(50)、可選的氮?dú)?54)、大量的水蒸汽(60)、和大量的氬氣(80)或氦氣形成的等離子體(48)。尤其是對(duì)于多孔低介電常數(shù)電介質(zhì)，主要的灰化等離子體額外地包括碳?xì)浠衔餁怏w(84)，例如甲烷。在主要的灰化步驟之前可以有一個(gè)短時(shí)間的表面處理步驟，這通過(guò)含有諸如氫氣和可選的氮?dú)獾暮瑲溥€原氣體的等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)。文檔編號(hào)G03F7/42GK101295145SQ200810095009公開(kāi)日2008年10月29日申請(qǐng)日期2008年4月21日優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日發(fā)明者昌琿·李,晨-思揚(yáng)·楊申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司