專利名稱：一種有機物層刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有機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)要求下的有機物層的刻蝕方法。
背景技術(shù)：
在半導體器件制造領(lǐng)域內(nèi)，利用等離子來進行加工的各種反應腔普遍存在。隨著加工精度越來越高，臨界尺寸(critical dimension)越來越小,現(xiàn)在業(yè)界的臨界尺寸已經(jīng)達到了 45nm以下，如22nm的CPU已經(jīng)面世。而現(xiàn)有的通過光學方法對光刻膠進行照射來獲得加工圖形的方法最小臨界尺寸僅能達到45nm左右，要獲得更高精度的光刻機，以獲得低尺寸圖形要付出巨大代價，不具有經(jīng)濟價值。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，使得刻蝕過程中圖形尺寸能夠均勻的縮小，且不會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)可以應用到多種材料層的刻蝕，如絕緣材料層，通常是含硅的無機物如APL、Si02，SiN等。這些材料層相對比較堅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物材料層，通過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，因為這些材料層與光刻膠類似，是較軟的有機物材料層，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等刻蝕氣體來對這些BPR層進行刻蝕，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)@種有機物材料層進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)容只提供一個對本發(fā)明部分方面和特點的基本理解，其不是對本發(fā)明的廣泛的概述，也不是用來特別指出本發(fā)明關(guān)鍵的要素或者勾畫發(fā)明的范圍。其唯一的目的是簡化地呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念，為后續(xù)詳細的描述本發(fā)明作一些鋪墊。本發(fā)明揭露了一種有機物層刻蝕方法，所述刻蝕方法包括:將待刻蝕基片放入等離子反應腔，所述基片上包括刻蝕目標有機物材料層；通入反應氣體到等離子反應腔；向反應氣體施加射頻電能點燃等離子體，對所述基片進行刻蝕；其中所述反應氣體包括主刻蝕氣體，稀釋氣體和側(cè)壁保護氣體，其中主刻蝕氣體分子為02，稀釋氣體選自Ar、N2、CO之一或者這三者的混合物，側(cè)壁保護氣體為C0S,稀釋氣體流量大于所述主刻蝕氣體流量,側(cè)壁保護氣體流量小于主刻蝕氣體流量。其中所述刻蝕目標材料層包括一層有機物掩膜材料層，以及位于該有機物掩膜材料層上方圖形化的無機材料層，所述圖形化無機材料層具有第一臨界尺寸。其中所述圖形化無機材料層的圖形通過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。所述有機物掩膜材料層通過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。并且以具有第二臨界尺寸圖形的所述有機物掩膜材料層為掩膜刻蝕下方的第二無機材料層。其中所述反應腔中通入反應氣體中稀釋氣體與主刻蝕氣體02的流量比可以為5:1 10: 1，也可以是5:1 8:1。其中所述反應腔中通入反應氣體中稀釋氣體的流量與側(cè)壁保護氣體COS的流量比可以在20: I 至Ij 6:1 之間。根據(jù)本發(fā)明一個實施例，其中所述有機物掩膜材料層厚度大于lOOnm。所述射頻電能施加為100-1000W的射頻電能，刻蝕時間持續(xù)大于30秒。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:如下附圖構(gòu)成了本說明書的一部分，和說明書一起列舉了不同的實施例，以解釋和闡明本發(fā)明的宗旨。以下附圖并沒有描繪出具體實施例的所有技術(shù)特征，也沒有描繪出部件的實際大小和真實比例。圖1顯示了本發(fā)明一個等離子反應腔圖示。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的刻蝕材料層結(jié)構(gòu)示意3顯示了本發(fā)明一個實施例通過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)明一個實施例的通過掩膜層刻蝕有機物材料層后的材料層刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖。圖5顯示了利用本發(fā)明實施例 刻蝕方法刻蝕有機物材料層后材料層的截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例提供一種對施加到等離子處理腔的射頻功率進行控制的系統(tǒng)和方法，以實現(xiàn)最小化反射功率并有效地將射頻功率施加到等離子中。各種實施例都在不需要修改驗證過的工藝菜單的情況下實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)射頻功率。這一自動調(diào)節(jié)可以用調(diào)節(jié)頻率匹配的和射頻匹配網(wǎng)絡參數(shù)的方式來實現(xiàn)。圖1顯示了一個本發(fā)明刻蝕進行的等離子反應腔I。該反應腔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，在等離子點燃后通過調(diào)節(jié)該低頻射頻電源的功率來調(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€包括一個邊緣環(huán)36，以實現(xiàn)對基片邊緣位置溫度，電場分布等的控制，還能保護下方器件不被反應腔中點燃的等離子腐蝕。反應腔頂部與基座相對的位置還包括一氣體擴散裝置40，該氣體擴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)等離子反應腔。與電容耦合型相比主要的區(qū)別是:ICP是通過圍繞反應腔的線圈將射頻功率穿透反應空間外圍的絕緣材料窗進入反應空間實現(xiàn)對反應氣體的電離。其它能夠?qū)Ψ磻獨怏w電離的反應腔結(jié)構(gòu)都能用于本發(fā)明的刻蝕方法，由于與本發(fā)明方法主要特征點影響不大，所以在此不再贅述。
圖2顯示了本發(fā)明一個實施例的刻蝕材料層結(jié)構(gòu)示意圖。其中本發(fā)明刻蝕目標層20通常是絕緣材料層，如Si02，1w-K材料等，在刻蝕目標層上分別覆蓋有厚度較大底層光亥丨J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11 (BARC)。在加工開始時首先通過傳統(tǒng)方法利用光刻技術(shù)獲得放大后的目標圖形。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定。通常比傳統(tǒng)的光刻膠層要厚很多，可以達到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明所用材料類似，都是比較柔軟的有機物材料并不代表兩者相同。在利用中間掩膜層刻蝕有機物材料層13時，如圖3所示，在有機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)明第一實施例在利用中間掩膜層12刻蝕有機物材料層13時向反應腔內(nèi)通入反應氣體。該反應氣體包括主要刻蝕氣體如02用于被射頻電場作用解離出氧離子或氧的自由基與有機物層反應，氧化后形成氣體被抽走。為了保護側(cè)壁還要提供側(cè)壁鈍化氣體，如COS。COS能與有機物層側(cè)壁的碳原子結(jié)合形成穩(wěn)固的化學鍵，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、Ar、CO等，通過調(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。通過注入上述處理氣體在反應腔內(nèi)達到氣壓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用。連接到下電極33的低頻(2/13Mhz)功率小于250W。下面以具體實施例來說明本發(fā)明的刻蝕工藝和效果。本發(fā)明第一實施例，其中通入的處理氣體包括主刻蝕氣體02流量30sccm，稀釋氣體CO氣體200sccm以及側(cè)壁鈍化氣體COS流量20sccm，達到氣壓10mt，以600W功率的60Mhz射頻電場施加到等離子反應腔持續(xù)30秒。其刻蝕效果如圖5所示。

利用氧氣作為有機物層主刻蝕氣體，會很容易造成側(cè)壁被刻蝕形成等向性刻蝕的弧形側(cè)壁。所以本發(fā)明在主刻蝕氣體以外添加了大量稀釋氣體，稀釋氣體的流量遠大于主刻蝕氣體02，達到20: 3，再配合少量側(cè)壁保護氣體就能實現(xiàn)對有機物層的精確刻蝕，同時保證刻蝕速率。其中稀釋氣體和主刻蝕氣體比例在5: I到8: I之間甚至5: I到10: I之間仍然能實現(xiàn)本發(fā)明的刻蝕目的。相應的，稀釋氣體的流量與側(cè)壁保護氣體COS的流量比可以在20:1到6:1之間選擇。采用這些氣體流量比仍然能實現(xiàn)如果5所示的刻蝕效果。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腔為基礎(chǔ)獲得的，本發(fā)明也可以用于電壓耦合型反應腔(ICP)其參數(shù)將會有很大不同，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)明上述實施例中敘述的相近。即使同樣是電容耦合型(CCP)等離子反應腔也會略有不同，同樣只要符合本發(fā)明思想的，只要氣體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。本說明書實施例中所用的術(shù)語和表達方式是用來描述發(fā)明而不是限制，所以這些表達都不應排除任何等同物或者可替換物。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過對本發(fā)明說明書的理解和對本發(fā)明的實踐，能夠容易地想到其它實現(xiàn)方式。本文所描述的多個實施例中各個方面和/或部件可以被單獨采用或者組合采用。需要強調(diào)的是，說明書和實施例僅作為舉例，本發(fā)明實際的范圍和思路通過下面 的權(quán)利要求來定義。
權(quán)利要求
1.一種有機物層刻蝕方法，所述刻蝕方法包括: 將待刻蝕基片放入等離子反應腔，所述基片上包括刻蝕目標有機物材料層； 通入反應氣體到等離子反應腔； 向反應氣體施加射頻電能點燃等離子體，對所述基片進行刻蝕； 其中所述反應氣體包括主刻蝕氣體，稀釋氣體和側(cè)壁保護氣體，其中主刻蝕氣體分子為02，稀釋氣體選自Ar、N2、C0之一或者所述幾種氣體的混合物，側(cè)壁保護氣體為C0S，稀釋氣體流量大于所述主刻蝕氣體流量，側(cè)壁保護氣體流量小于主刻蝕氣體流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于其中所述刻蝕目標材料層包括一層有機物掩膜材料層，以及位于該有機物掩膜材料層上方圖形化的無機材料層，所述圖形化無機材料層具有第一臨界尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于其中所述圖形化無機材料層的圖形通過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所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于其中所述有機物掩膜材料層通過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物掩膜材料層為掩膜刻蝕下方的第二無機材料層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于其中所述有機物掩膜材料層厚度大于lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于所述反應腔中通入反應氣體中稀釋氣體與主刻蝕氣體02的流`量比為5: I 10:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于所述反應腔中通入反應氣體中稀釋氣體與主刻蝕氣體02的流量比為5: I 8:1。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于所述反應腔中通入反應氣體中稀釋氣體的流量與側(cè)壁保護氣體COS的流量比可以在20:1到6:1之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機物層刻蝕方法，其特征在于其中所述射頻電能施加為100-1000W的射頻電能，刻蝕時間持續(xù)大于30秒。
全文摘要
一種有機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腔，所述基片上包括刻蝕目標有機物材料層；通入反應氣體到等離子反應腔；向反應氣體施加射頻電能點燃等離子體，對所述基片進行刻蝕；其中所述反應氣體包括主刻蝕氣體，稀釋氣體和側(cè)壁保護氣體，其中主刻蝕氣體分子為O2，稀釋氣體選自Ar、N2、CO之一或者所述幾種氣體的混合物，側(cè)壁保護氣體為COS，稀釋氣體流量大于所述主刻蝕氣體流量，側(cè)壁保護氣體流量小于主刻蝕氣體流量。
文檔編號H01L21/311GK103227109SQ20121002207
公開日2013年7月31日 申請日期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 申請人:中微半導體設(shè)備(上海)有限公司