專利名稱：一種有機(jī)物層刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機(jī)物層的等離子刻蝕方法，，特別涉及一種在低臨界尺寸(critical dimension CD)要求下的有機(jī)物層的刻蝕方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域內(nèi)，利用等離子來(lái)進(jìn)行加工的各種反應(yīng)腔普遍存在。隨著加工精度越來(lái)越高，臨界尺寸(critical dimension)越來(lái)越小,現(xiàn)在業(yè)界的臨界尺寸已經(jīng)達(dá)到了 45nm以下，如22nm的CPU已經(jīng)面世。而現(xiàn)有的通過(guò)光學(xué)方法對(duì)光刻膠進(jìn)行照射來(lái)獲得加工圖形的方法最小臨界尺寸僅能達(dá)到45nm左右，要獲得更高精度的圖形要付出巨大代價(jià)，不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為了在現(xiàn)有光刻技術(shù)條件下獲得更小臨界尺寸的加工能力，現(xiàn)有技術(shù)廣泛采用了臨界尺寸縮小技術(shù)，即在較大掩膜的基礎(chǔ)上通過(guò)刻蝕形成具有梯形剖面的孔洞或溝槽，最終獲得具有較小臨界尺寸的掩膜。采用這一技術(shù)的關(guān)鍵是獲得可以精確控制刻蝕結(jié)果的方法，使得刻蝕過(guò)程中圖形尺寸能夠均勻的縮小，且不會(huì)變形造成最終圖形轉(zhuǎn)換失真。采用這樣的臨界尺寸縮小技術(shù)可以應(yīng)用到多種材料層的刻蝕，如絕緣材料層，通常是含硅的無(wú)機(jī)物如APL、Si02, SiN等。這些材料層相對(duì)比較堅(jiān)硬比較容易控制刻蝕形成的溝道形狀。但是為了減少加工步驟直接獲得高精度的圖形化掩膜，現(xiàn)在也有在傳統(tǒng)光刻膠下方添加一層較厚有機(jī)物材料層，通過(guò)刻蝕直接形成低臨界尺寸掩膜的方法。在這樣的材料層上刻蝕難度就要大的多，因?yàn)檫@些材料層與光刻膠類似，是較軟的有機(jī)物材料層，所以也叫底層光刻膠(bottom photo resist BPR)。在刻蝕中這些材料層的側(cè)壁很容易被破壞形成缺口造成圖形失真?，F(xiàn)有刻蝕方法往往采用HBr/02，C0/02，N2/H2等刻蝕氣體來(lái)對(duì)這些BPR層進(jìn)行刻蝕，但是用這些氣體以及配套的刻蝕工藝很難獲得精確的刻蝕圖形。所以業(yè)界需要一種能夠?qū)@種有機(jī)物材料層進(jìn)行精確刻蝕以形成低臨界尺寸圖形的刻蝕方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明內(nèi) 容只提供一個(gè)對(duì)本發(fā)明部分方面和特點(diǎn)的基本理解，其不是對(duì)本發(fā)明的廣泛的概述，也不是用來(lái)特別指出本發(fā)明關(guān)鍵的要素或者勾畫發(fā)明的范圍。其唯一的目的是簡(jiǎn)化地呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念，為后續(xù)詳細(xì)的描述本發(fā)明作一些鋪墊。本發(fā)明提供一種有機(jī)物層刻蝕方法，所述刻蝕方法包括:將待刻蝕基片放入等離子反應(yīng)腔，所述基片上包括刻蝕目標(biāo)有機(jī)物材料層；通入反應(yīng)氣體到等離子反應(yīng)腔；向反應(yīng)氣體施加射頻電能點(diǎn)燃等離子體，對(duì)所述基片進(jìn)行刻蝕；其中所述反應(yīng)氣體包括主刻蝕氣體，稀釋氣體，其中主刻蝕氣體選自C02，稀釋氣體選自Ar、N2、CO之一或者其混合物，稀釋氣體流量小于所述主刻蝕氣體流量。其中所述刻蝕目標(biāo)材料層包括一層有機(jī)物掩膜材料層，以及位于該有機(jī)物掩膜材料層上方圖形化的無(wú)機(jī)材料層，所述圖形化無(wú)機(jī)材料層具有第一臨界尺寸。其中所述圖形化無(wú)機(jī)材料層的圖形通過(guò)位于其上方的具有第一臨界尺寸圖形的光刻膠為掩膜刻蝕獲得。其中所述有機(jī)物掩膜材料層通過(guò)刻蝕在材料層底部形成具有第二臨界尺寸的圖形，其中第二臨界尺寸小于第一臨界尺寸。本發(fā)明進(jìn)一步以具有第二臨界尺寸圖形的所述有機(jī)物掩膜材料層為掩膜刻蝕下方的第二無(wú)機(jī)材料層。根據(jù)本發(fā)明特征其中所述有機(jī)物掩膜材料層厚度大于lOOnm。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例所述主刻蝕氣體的流量與稀釋氣體流量比大于3: 2小于等于3: 1，或者大于5: 3小于等于5: 2。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例其特征在于所述反應(yīng)氣體還包括側(cè)壁鈍化氣體COS，COS的其它流量小于稀釋氣體的氣體流量。所述COS氣體流量與主刻蝕氣體的流量比例小于I: 10。根據(jù)本發(fā)明特征所述反應(yīng)腔中通入反應(yīng)氣體后的氣壓為10-20mt。


通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:如下附圖構(gòu)成了本說(shuō)明書(shū)的一部分，和說(shuō)明書(shū)一起列舉了不同的實(shí)施例，以解釋和闡明本發(fā)明的宗旨。以下附圖并沒(méi)有描繪出具體實(shí)施例的所有技術(shù)特征，也沒(méi)有描繪出部件的實(shí)際大小和真實(shí)比例。圖1顯示了本發(fā)明一個(gè)等離子反應(yīng)腔圖示。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的刻蝕材料層結(jié)構(gòu)示意圖

圖3顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例通過(guò)光刻形成圖形化掩膜層后的材料層結(jié)構(gòu)示意4顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的通過(guò)掩膜層刻蝕有機(jī)物材料層后的材料層刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖。圖5a_5d顯示了利用本發(fā)明第一到第四個(gè)實(shí)施例刻蝕方法刻蝕有機(jī)物材料層后材料層的截面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例提供一種對(duì)施加到等離子處理腔的射頻功率進(jìn)行控制的系統(tǒng)和方法，以實(shí)現(xiàn)最小化反射功率并有效地將射頻功率施加到等離子中。各種實(shí)施例都在不需要修改驗(yàn)證過(guò)的工藝菜單的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)射頻功率。這一自動(dòng)調(diào)節(jié)可以用調(diào)節(jié)頻率匹配的和射頻匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1顯示了一個(gè)本發(fā)明刻蝕進(jìn)行的等離子反應(yīng)腔I。該反應(yīng)腔I包括基座33，基座上連接有射頻電源。其中基座33也作為下電極連接有低頻的射頻功率，在等離子點(diǎn)燃后通過(guò)調(diào)節(jié)該低頻射頻電源的功率來(lái)調(diào)節(jié)等離子的能量大小?；?3上包括基片固定裝置34，該基片固定裝置可以是靜電夾盤或者機(jī)械夾盤等裝置。待加工基片30固定在基片固定裝置34上方?；鈬€包括一個(gè)邊緣環(huán)36，以實(shí)現(xiàn)對(duì)基片邊緣位置溫度，電場(chǎng)分布等的控制，還能保護(hù)下方器件不被反應(yīng)腔中點(diǎn)燃的等離子腐蝕。反應(yīng)腔頂部與基座相對(duì)的位置還包括一氣體擴(kuò)散裝置40，該氣體擴(kuò)散裝置可以是常用的氣體噴淋頭也可以是其它氣體噴頭。除了圖1中所示的電容耦合型(CCP)等離子反應(yīng)腔，本發(fā)明刻蝕方法也可以用于電感耦合型(ICP)等離子反應(yīng)腔。與電容耦合型相比主要的區(qū)別是:ICP是通過(guò)圍繞反應(yīng)腔的線圈將射頻功率穿透反應(yīng)空間外圍的絕緣材料窗進(jìn)入反應(yīng)空間實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)氣體的電離。其它能夠?qū)Ψ磻?yīng)氣體電離的反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)都能用于本發(fā)明的刻蝕方法，由于與本發(fā)明方法主要特征點(diǎn)影響不大，所以在此不再贅述。
圖2顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的刻蝕材料層結(jié)構(gòu)示意圖。其中本發(fā)明刻蝕目標(biāo)層20通常是絕緣材料層，如Si02，1w-K材料等，在刻蝕目標(biāo)層上分別覆蓋有厚的底層光刻膠層13 (BPR)，中間掩膜層如TEOS材料層12，以及最上方的光刻膠層10 (PR)和光刻膠緊鄰下方的防反射層Il(BARC)。在加工開(kāi)始時(shí)首先通過(guò)傳統(tǒng)方法利用光刻技術(shù)獲得放大后的目標(biāo)圖形。并形成孔洞或溝槽，在利用這一圖形刻蝕下方的防反射層11和中間掩膜層12，形成第一圖形如圖3所示的100。最后利用該中間掩膜層為掩膜將圖形100刻蝕轉(zhuǎn)換到下方的有機(jī)物材料層13中去。BPR材料層13的厚度選擇根據(jù)臨界尺寸縮小的需要來(lái)定。通常比傳統(tǒng)的光刻膠層要厚很多，可以達(dá)到IOOnm以上，如150nm，甚至200nm。底層光刻膠層(BPR)雖然也叫光刻膠層但是其材料并不完全與上方的光刻膠層10相同，比如底層光刻膠層(BPR)不需要添加光敏材料。兩者都叫光刻膠僅說(shuō)明所用材料類似，都是比較柔軟的有機(jī)物材料并不代表兩者相同。在利用中間掩膜層刻蝕有機(jī)物材料層13時(shí)，如圖3所示，在有機(jī)物材料層中形成梯形的剖面結(jié)構(gòu)最終形成需要的臨界尺寸的圖形101。本發(fā)明第一實(shí)施例在利用中間掩膜層12刻蝕有機(jī)物材料層13時(shí)向反應(yīng)腔內(nèi)通入反應(yīng)氣體。該反應(yīng)氣體包括主要刻蝕氣體如C02用于被射頻電場(chǎng)作用解離出氧離子或氧的自由基與有機(jī)物層反應(yīng)，氧化后形成氣體被抽走。為了保護(hù)側(cè)壁還要提供側(cè)壁鈍化氣體，如COS。COS能與有機(jī)物層側(cè)壁的碳原子結(jié)合形成穩(wěn)固的化學(xué)鍵，防止其被主要刻蝕氣體氧化，從而防止側(cè)壁被刻蝕形成弧形結(jié)構(gòu)。鈍化氣體也可以起到減緩刻蝕速率的作用。除了鈍化氣體外還可以添加稀釋氣體如N2，通過(guò)調(diào)整稀釋氣體的量可以調(diào)節(jié)整體的刻蝕速率和氣體的濃度。通過(guò)注入上述處理氣體在反應(yīng)腔內(nèi)達(dá)到氣壓20mt或者更低，施加射頻功率的大小取決于刻蝕的有機(jī)物層的厚度和上面中間掩膜層的材料。100-1000W，60Mhz的射頻功率是一種典型應(yīng)用。連接到下電極33的低頻(2/13Mhz)功率小于250W。下面以具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的刻蝕工藝和效果。本發(fā)明第一實(shí)施例在通入主刻蝕氣體C02氣體流量為250sccm，稀釋氣體N2的氣體流量為IOOsccm以及側(cè)壁鈍化氣體COS的流量25sccm—定時(shí)間，使得氣壓達(dá)到15mt，以600W功率的60Mhz射頻電場(chǎng)施加到等離子反應(yīng)腔，使的反應(yīng)氣體產(chǎn)生并維持等離子體并且持續(xù)7 5秒。利用本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例揭露的方法進(jìn)行刻蝕后獲得的刻蝕效果圖如圖5a所示，可以很明顯看到在采用本發(fā)明方法刻蝕對(duì)側(cè)壁進(jìn)行保護(hù)后，刻蝕形成的孔洞具有輕微梯形的截面圖。得到了對(duì)底層有機(jī)物材料層理想的刻蝕效果:不僅側(cè)壁沒(méi)有出現(xiàn)弧形，而且使得下方通孔尺寸相對(duì)上方通過(guò)上方光刻技術(shù)形成的通孔均勻的按比例縮小。通過(guò)這樣對(duì)有機(jī)物材料層13的刻蝕，使得其上方開(kāi)口的45nm的臨界尺寸在開(kāi)口底部變成了 30nm或者更小的22nm，或者兩者之間的任何尺寸，具體數(shù)據(jù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要來(lái)選擇。本發(fā)明另有一個(gè)實(shí)施例，其中通入的處理氣體，也可以是主要刻蝕C02氣體250sccm，稀釋氣體氬氣(Ar) 150sccm以及側(cè)壁鈍化COS氣體25scm使反應(yīng)腔內(nèi)氣壓達(dá)到氣壓20mt。以600W功率的60Mhz射頻電場(chǎng)施加到等離子反應(yīng)腔，使的反應(yīng)氣體產(chǎn)生并維持等離子體持續(xù)30秒。在經(jīng)過(guò)本發(fā)明這個(gè)實(shí)施例的方式刻蝕后獲得如圖5b所示的刻蝕結(jié)果。從圖5b可看到下方BPR有機(jī)物材料層通過(guò)刻蝕形成的孔洞也具有輕微的梯形側(cè)壁，而且側(cè)壁被很好保護(hù)沒(méi)有被側(cè)向刻蝕。本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例，其中通入的處理氣體，也可以是主刻蝕氣體C02氣體250sccm，稀釋氣體CO流量約150sccm以及COS氣體20scm，使反應(yīng)腔內(nèi)氣壓達(dá)到IOmt，以600W功率的60Mhz射頻電場(chǎng)施加到等離子反應(yīng)腔，持續(xù)90秒。經(jīng)過(guò)本發(fā)明第三實(shí)施例揭露的方法刻蝕后獲得如圖5c所示的刻蝕結(jié)果。從圖5c可看到下方BPR有機(jī)物材料層通過(guò)刻蝕形成的孔洞也具有輕微的梯形側(cè)壁，而且側(cè)壁被很好保護(hù)沒(méi)有被側(cè)向刻蝕。本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例，其中通入的處理氣體，包括主刻蝕C02氣體流量400sccm，稀釋氣體N2氣體200sccm達(dá)到氣壓20mt，以600W功率的60Mhz射頻電場(chǎng)施加到等離子反應(yīng)腔持續(xù)30秒。經(jīng)過(guò)本發(fā)明第四實(shí)施例揭露的方法刻蝕后獲得如圖5d所示的刻蝕結(jié)果。從圖5d可看到下方BPR有機(jī)物材料層通過(guò)刻蝕形成的孔洞也具有輕微的梯形側(cè)壁，而且側(cè)壁被很好保護(hù)沒(méi)有被側(cè)向刻蝕。相對(duì)前述幾個(gè)實(shí)施例由于主刻蝕氣體流量和稀釋氣體流量都大大增加了，但是由于主刻蝕氣體與稀釋氣體兩者的比例仍然與前述實(shí)施例接近為2: 1，所以，即使沒(méi)有COS側(cè)壁保護(hù)仍然能基本實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的刻蝕目的。由于主刻蝕氣體是C02所以本身對(duì)有機(jī)物材料的刻蝕效果不是很強(qiáng)烈，再經(jīng)過(guò)大量稀釋氣體的稀釋，即使不通入側(cè)壁鈍化氣體如COS也能獲得相對(duì)較好的側(cè)壁形狀。這不僅減小了刻蝕工藝調(diào)試的難度，而且減少了氣體使用的成本，C02和N2都是常用氣體，而COS則成本遠(yuǎn)高于前兩者。所以本發(fā)明不僅刻蝕效果相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)更好而且簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約了成本。綜上所述，本發(fā)明刻蝕方法只要刻蝕氣體與稀釋氣體流量的整體比例在5: 3 5: 2范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明刻蝕目的。上述氣體流量比例只是給出具體的最佳實(shí)施例，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，即使上述氣體的流量比在3: 2 3: I的范圍仍然能基本達(dá)到上述刻蝕目的，獲得相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)更好的側(cè)壁形狀。上述刻蝕所用的氣體流量氣壓和功率參數(shù)都是以電容耦合型反應(yīng)腔為基礎(chǔ)獲得的，本發(fā)明也可以用于電壓耦合型反應(yīng)腔(ICP)其參數(shù)將會(huì)有很大不同，但是基本的發(fā)明思想相同，所用其氣體流量的比例將是與本發(fā)明上述實(shí)施例中敘述的相近。即使同樣是電容耦合型(CCP)等離子反應(yīng)腔也會(huì)略有不同，同樣只要符合本發(fā)明思想的，只要?dú)怏w的用途和流量比與本發(fā)明在權(quán)利要求中定義相同都屬于本發(fā)明內(nèi)容。本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例中所用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)方式是用來(lái)描述發(fā)明而不是限制，所以這些表達(dá)都不應(yīng)排除任何等同物或 者可替換物。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)對(duì)本發(fā)明說(shuō)明書(shū)的理解和對(duì)本發(fā)明的實(shí)踐，能夠容易地想到其它實(shí)現(xiàn)方式。本文所描述的多個(gè)實(shí)施例中各個(gè)方面和/或部件可以被單獨(dú)采用或者組合采用。需要強(qiáng)調(diào)的是，說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例僅作為舉例，本發(fā)明實(shí)際的范圍和思路通過(guò)下面的權(quán)利要求來(lái)定義。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)物層刻蝕方法，所述刻蝕方法包括: 將待刻蝕基片放入等離子反應(yīng)腔，所述基片上包括刻蝕目標(biāo)有機(jī)物材料層； 通入反應(yīng)氣體到等離子反應(yīng)腔； 向反應(yīng)氣體施加射頻電能點(diǎn)燃等離子體，對(duì)所述基片進(jìn)行刻蝕； 其中所述反應(yīng)氣體包括主刻蝕氣體，稀釋氣體，其中主刻蝕氣體選自C02，稀釋氣體選自Ar、N2、CO之一或者其混合物，其中稀釋氣體流量小于所述主刻蝕氣體流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于其中所述刻蝕目標(biāo)材料層包括一層有機(jī)物掩膜材料層，以及位于該有機(jī)物掩膜材料層上方圖形化的無(wú)機(jī)材料層，所述圖形化無(wú)機(jī)材料層具有第一臨界尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于其中所述圖形化無(wú)機(jī)材料層的圖形通過(guò)位于其上方的具有第一臨界尺寸圖形的光刻膠為掩膜刻蝕獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于其中所述有機(jī)物掩膜材料層通過(guò)刻蝕在材料層底部形成具有第二臨界尺寸的圖形，其中第二臨界尺寸小于第一臨界尺寸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于以具有第二臨界尺寸圖形的所述有機(jī)物掩膜材料層為掩膜刻蝕下方的第二無(wú)機(jī)材料層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于其中所述有機(jī)物掩膜材料層厚度大于lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于所述主刻蝕氣體的流量與稀釋氣體流量比大于3: 2小于等于3: I。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于所述主刻蝕氣體的流量與稀釋氣體流量比大于5: 3小于等于5: 2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于所述反應(yīng)氣體還包括側(cè)壁鈍化氣體COS，COS的其它流量小于稀釋氣體的氣體流量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于所述COS氣體流量與主刻蝕氣體的流量比例小于1: 10。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)物層刻蝕方法，其特征在于所述反應(yīng)腔中通入反應(yīng)氣體后的氣壓為10-20mt。
全文摘要
一種有機(jī)物層如底層光刻膠材料層的刻蝕方法，所述刻蝕方法包括將待刻蝕基片放入等離子反應(yīng)腔，所述基片上包括刻蝕目標(biāo)有機(jī)物材料層；通入反應(yīng)氣體到等離子反應(yīng)腔；向反應(yīng)氣體施加射頻電能點(diǎn)燃等離子體，對(duì)所述基片進(jìn)行刻蝕；其中所述反應(yīng)氣體包括主刻蝕氣體，稀釋氣體，其中主刻蝕氣體選自CO2，稀釋氣體選自Ar、N2、CO之一或者其混合物，其中稀釋氣體流量小于所述主刻蝕氣體流量。
文檔編號(hào)H01L21/311GK103227108SQ20121002207
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者凱文·佩爾斯 申請(qǐng)人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司