在超高纵横比电介质刻蚀中减少扭曲

摘要

一种刻蚀包含于基板的电介质层的装置。刻蚀反应器包含上电极和下电极。刻蚀气体源供应刻蚀气体到该刻蚀反应室。第一射频(RF)电源产生具有第一频率的第一RF功率并供应该第一RF功率到该刻蚀反应室，其中该第一频率在100千赫兹(kHz)到600kHz之间。第二RF电源产生具有第二频率的第二RF功率并供应该第二RF功率到该刻蚀反应室，其中该第二频率至少为10兆赫兹(MHz)。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及半导体器件的制造。

背景技术

[0002]等离子刻蚀工艺在半导体制造过程中被广泛使用。一般来说，光阻材料在要刻蚀的晶片表面上形成特征图案，然后通过将该晶片暴露于特定类型的刻蚀气体中将特征刻入该晶片。等离子体刻蚀中面临的一个挑战是满足设计要求所需要的不断增大的纵横比，尤其是对于超高密度的结构来说。当在半导体晶片上刻蚀特征时，刻蚀的特征被定义为该特征的深度(d)和该特征的宽度(w)或直径之间的比例。随着越来越多的特征被封装在单片晶片上，以创建更高密度的结构，每个单独的特征的宽度(w)或直径必定会减小，而该特征的深度却保持不变。因此，每个单独的特征的纵横比随着器件特征的缩小而增大。

[0003]近来，在超高纵横比(UHAR)刻蚀扭曲过程中，新的困难出现了，其一般被定义为特征底部附近与该特征顶部由掩模所定义的图案在位置、方向、形状和尺寸上的偏差。当该特征的宽度非常小时，当特征的纵横比达到了特定的阈值，就会出现扭曲，特别是在该特征的底部附近。

[0004]图1A显示了具有四个刻蚀特征的晶片的侧视图，其中扭曲发生在每个特征的底部附近。在图1A中，沉积在晶片110表面的掩模100掩蔽了四个特征120、122、124、126。这四个特征120、122、124、126被刻入该晶片110，直到阻止层130。这四个特征120、122、124、126各有宽度W和深度D。这四个特征120、122、124、126中的每一个的纵横比是D/W。如图1A所示，特征120、122、124、126的侧壁不是直的，而是在特征底部附近是弯曲的。特征120、122、124、126的底部附近与掩模100所定义的图案之间的这种偏差就是扭曲。

[0005]一般来说，扭曲可能以以下一种或多种形式表现。侧向扭曲被定义为刻蚀形态中心与特征底部附近的竖直直线的偏差。倾角扭曲被定义为刻蚀形态的倾角方向与特征底部附近的预定义角度的偏差。形状扭曲被定义为刻蚀形态与特征底部附近的预定义的一致形状的偏差。所有三种扭曲形式可能同时出现在单一特征中。

[0006]图1B显示了该刻蚀的特征的底部附近的各种形式的扭曲的样本的俯视图。当扭曲出现时，该椭圆形横截面在尺寸、位置、方向、形状或其结合上是不完美的。在图1B中，对于侧向扭曲，横截面140、142、144、146、148偏移，因而该椭圆的中心不再位于原始图案的中心。对于倾角扭曲，横截面150、152、154、156、158旋转，因而该椭圆不再与该原始图案对齐。对于形状扭曲，横截面160、162、164、166、168不再是原始的形状。最后，在综合扭曲的情况下，横截面170、172、174、176、178同时偏移、旋转并改变形状。所有这些形式的扭曲都会导致缺陷和器件故障。因此，需要在UHAR刻蚀过程中减少或消除扭曲。

发明内容

[0007]为了满足上述需要，并根据本发明的发明目的，提供一种刻蚀基板上的电介质层的装置。刻蚀反应器包含上电极和下电极。刻蚀气体源供应刻蚀气体到该刻蚀反应室。第一射频(RF)电源产生具有第一频率的第一RF功率并供应该第一RF功率到该刻蚀反应室，其中该第一频率在100千赫兹(kHz)到600kHz之间。第二RF电源产生具有第二频率的第二RF功率并供应该第二RF功率到该刻蚀反应室，其中该第二频率至少为10兆赫兹(MHz)。

[0008]在本发明的另一个实施方式中，提供一种刻蚀基板上的电介质层的装置。刻蚀反应器包含上电极和下电极。刻蚀气体源供应刻蚀气体到该刻蚀反应室。第一RF电源产生具有第一频率的第一RF功率并供应该第一RF功率到该刻蚀反应室，其中该第一频率在100千赫兹(kHz)到600kHz之间。第二RF电源产生具有第二频率的第二RF功率并供应该第二RF功率到该刻蚀反应室，其中该第二频率至少为10兆赫兹(MHz)。第三RF电源产生具有第三频率的第三RF功率并供应该第三RF功率到该刻蚀反应室，其中该第三频率至少为40兆赫兹(MHz)。

[0009]在本发明的另一个实施方式中，提供一种在基板上的电介质层中刻蚀特征的方法。将具有该电介质层的该基板放置到刻蚀反应室内的下电极上，其中该电介质层在该基板上。将刻蚀气体传送入该刻蚀反应室。将具有第一频率的第一RF功率传送入该刻蚀反应室，其中该第一频率在100kHz到600kHz之间。将具有第二频率的第二RF功率传送入该刻蚀反应室，其中该第二频率至少为10MHz。刻蚀该电介质层以形成至少一个超高纵横比(UHAR)特征。

[0010]下面在本发明的具体实施方式部分，结合附图，对本发明的这些特征和其他特征作出更加详细的描述。

附图说明

[0011]本发明是结合附图中的图示，用实施例的方式进行描述的，而不是用限制的方式描述的，其中同类的参考标号指代类似的元件，其中：

[0012]图1A(现有技术)显示了具有四个刻蚀特征的晶片的侧视图，其中扭曲出现在每个特征的底部附近。

[0013]图1B(现有技术)显示了刻蚀特征的底部附近的各种形式的扭曲的样本的俯视图。

[0014]图2是在实施本发明时可以使用的刻蚀反应器的示意图。

[0015]图3A和图3B描绘了电脑系统，其适于实现在本发明的一个或多个实施方式中使用的控制器。

[0016]图4是在本发明的一个实施方式中使用的高级别工艺流程图。

[0017]图5A显示了使用本发明刻蚀的堆栈的描绘性侧视图。

[0018]图5B显示了图5A中的使用本发明刻蚀的堆栈的描绘性侧视图。

[0019]图5C显示了图5B中刻蚀的四个特征底部附近的横断面的描绘性俯视图。

[0020]图6显示了在UHAR电介质刻蚀工艺中，使用400kHz偏置RF电源和2MHz偏置RF电源的扭曲的对比。

具体实施方式

[0021]下面参考附图中描绘的几个优选实施方式，对本发明进行详细描述。在下面的描述中，提到了几个具体细节，以提供对本发明的完全理解。然而，显然，对本领域的技术人员来说，没有其中一些或全部的具体细节，本发明仍然能够实施。另一方面，没有对熟知的工艺步骤和/或结构进行详细描述，以免不必要地模糊本发明的重点。

[0022]尽管不希望被以下问题束缚，试验性理论认为扭曲是超高纵横比(UHAR)特征的非对称刻蚀的结果。随着纵横比的增加，有几种机制促成了非对称刻蚀。主要的机制是在该UHAR特征底部附近的入射离子轨迹的非对称偏斜。各向异性反应离子刻蚀(RIE)是暴露的电介质表面和该等离子体的反应中性基和离子之间的复杂反应的结果。中性物质向特征底部的迁移是由努森扩散(Knudsendiffusion)和该物质与该特征侧壁的粘着系数决定的。电介质刻蚀中使用的碳氟基一般都具有高粘着系数，因而它们向特征底部的迁移强烈依赖于该特征的纵横比(AR)。

[0023]随着特征的AR的增加(通常大于10比1)，到达该特征底部的中性迁移大大减少而无法继续驱动刻蚀反应。在高纵横比尤其是超高纵横比(通常大于10比1，尤其是大于15比1)情况下，刻蚀反应是由到该特征底部的离子迁移驱动的。向该特征底部的离子迁移是由等离子体的离子密度、离子能量分布和由差分充电产生的特征底部电势决定的。离子首先被横跨该等离子体外鞘的电场加速。该外鞘电场由等离子体本体电势和晶片表面电势决定，该晶片表面电势是由施加的射频(RF)电场驱动的。

[0024]在改进的等离子刻蚀器中，使用多个射频频率来驱动该等离子体。例如，27兆赫兹(MHz)和/或60MHz的RF电源，也被称为“源RF功率”，被用于维持等离子体的密度，而2MHz的RF功率，也被称为“偏置RF功率”，被用于驱动该等离子体外鞘电势。在该晶片的上表面，在RF周期中当该等离子体外鞘坍塌时，瞬间电子迁移会形成电荷平衡。然而，电子流是没有方向性的，因此不能有效地到达该UHAR特征的底部。因而，在一个RF周期中，UHAR特征的底部聚集了残存的正电荷。这被称为差分充电。也就是说，比电子更多的离子到达UHAR特征的底部，导致了该RHAR特征底部的正差分充电，这使得该UHAR特征的底部具有更高的差分电势。

[0025]差分充电导致该UHAR特征底部的电势升高，这会阻碍或偏离入射离子向该UHAR特征底部的运动。差分充电还导致随着AR的增加刻蚀速率降低，这是一种熟知的纵横比相关刻蚀现象(ARDE)。也就是说，当入射能量在该差分充电电势以下时，离子会偏离。另一方面，当入射能量在该差分充电电势以上时，离子被减慢，然而不会偏离，导致超高纵横比下的刻蚀速率更低。如果因为聚合物残留的随机优先聚集或者超高纵横比下的充电使得差分充电非对称的话，离子偏离变得非对称。这是前馈机制。非对称刻蚀前端增强了非对称差分充电，而非对称差分充电进一步衍生了该非对称刻蚀前端，等等。结果是，在UHAR刻蚀中出现扭曲。

[0026]本发明提供了减少UHAR电介质刻蚀中的扭曲的装置和方法。在半导体器件制造过程中，通常穿过掩模将特征刻入基板上的待刻层。特征的纵横比是该特征开口的深度/宽度比。以前，深度/宽度比为5/1就被认为是高纵横比。近来，“高纵横比”这个词用来指代约为10/1的深度/宽度比。现在，刻蚀特征的纵横比更高了。优选地，对于本发明的特征，该超高纵横比(UHAR)被定义为大于15/1的深度/宽度比。更优选地，对本发明的特征，UHAR被定义为至少20/1。而且，优选地，本发明适用于在电介质层内刻蚀宽度不大于300纳米(nm)的特征。更优选地，本发明适用于在电介质层内刻蚀宽度不大于200nm的特征。最优选地，本发明适用于在电介质层内刻蚀宽度不大于150nm的特征。

[0027]优选地，本发明适用于任何电介质刻蚀。更优选地，本发明适用于电介质层为氧化硅基的电介质层。也就是说，该电介质层是主要是由氧化硅形成的，并混入了少量其他类型的材料。

[0028]出乎意料地，一种用于减少UHAR电介质刻蚀中的扭曲的装置和方法已经被揭示出来。尤其是，通过使用较低频率的偏置功率代替2MHz的偏置功率，可以在避免上述方法的缺点的情况下有效地减少扭曲。在本发明的一个或更多实施方式中，优选地，该偏置RF功率具有100千赫兹(kHz)到600kHz之间的频率。更优选地，该偏置RF功率具有200kHz和600kHz之间的频率。更优选地，该偏置RF功率具有350kHz和450kHz之间的一个频率。最优选地，该偏置RF功率具有400kHz的频率。

[0029]图2是可以用于实现本发明的刻蚀反应室的示意图。在本发明的一个或多个实施方式中，刻蚀反应室200包含上电极202和下电极204。还是在该刻蚀反应室200中，基板210被置于该下电极204上。在基板210上是电介质层212，且该层是待刻层。掩模214沉积在该电介质层212上，该掩模掩蔽了要刻蚀的特征的图案。可选地，该下电极204包括合适的基板夹持机构(例如，静电的，机械夹紧的等等)以容纳该基板210。

[0030]优选地，该电介质层212是氧化硅基的——也就是说，该电介质层主要是由氧化硅形成的，并混入了少量其他类型的物质。特征将被刻入该电介质层。

[0031]在该刻蚀工艺中，刻蚀气体源220连接于该刻蚀反应室200并供应该刻蚀气体到该刻蚀反应室200。

[0032]第一RF电源230电性连接于该刻蚀反应室200。更准确地说，该第一RF电源230电性连接于该下电极204。该第一RF电源230也被称为“偏置RF电源”。它产生偏置RF功率并供应该偏置RF功率至该刻蚀反应室200。优选地，该偏置RF功率具有100千赫(kHz)到600kHz之间的频率。更优选地，该偏置RF功率具有200kHz到600kHz之间的频率。更优选地，该偏置RF功率具有350kHz到450kHz之间的频率。最优选地，该偏置RF功率具有400kHz的频率。

[0033]该偏置RF功率水平根据工艺需要与发生器的容量而变化。优选地，该偏置RF功率水平在100瓦(W)到10000W范围内。更优选地，该偏置RF功率水平在500W到5000W范围内。最优选地，对于300毫米(mm)等离子体刻蚀反应室，该偏置RF功率水平在1000W到4000W范围内。

[0034]第二RF电源232电性连接于该刻蚀反应室200。更具体地说，该第二RF电源232电性连接于该下电极204。该第二RF电源232也被称为该“源RF电源”。它产生源RF功率并供应该源RF功率至该刻蚀反应室200。优选地，该源RF功率具有大于该偏置RF功率的频率。更优选地，该源RF功率具有大于或者等于10MHz的频率。最优选地，这些源RF功率具有27MHz的频率。

[0035]可选地，第三RF电源234电性连接于该刻蚀反应室200。更具体地说，该第三RF电源234电性连接于该下电极204。类似于该第二RF电源232，该第三RF电源234也被称为该“源RF电源”。除由该第二RF电源232产生的RF功率之外，它产生另一个源RF功率并供应该源RF功率至该刻蚀反应室200。优选地，此源RF功率具有大于该偏置RF功率的频率。更优选地，此源RF功率具有大于或者等于40MHz的频率。最优选地，此源RF功率具有60MHz的频率。

[0036]该低频偏置RF功率230可以随着该晶片尺寸而调整，以完成可比较的功率密度和外鞘电势。该400kHz偏置RF功率可被用于与一个或多个更高频率的RF功率(例如27MHz和/或60MHz)结合，以保持该等离子体。其他的RF功率可被应用于该刻蚀反应室200的同一个下晶片电极204，和/或相对的上电极202。该低频偏置功率230通过电容耦合被传送到该刻蚀反应室200。该较高频率RF功率232、234通过电容耦合或电感耦合被传送到该刻蚀反应室200。

[0037]控制器240连接于该刻蚀气源220、该第一RF电源230，该第二RF电源232和该第三RF电源244(如果该第三RF电源存在的话)。该控制器240控制流入该刻蚀反应室200的该刻蚀气体气流，以及该三个RF电源230、232、234的RF功率的产生。

[0038]图3A和图3B描绘了计算机系统，其适于实现在本发明的一个或多个实施方式中使用的控制器。该控制器340如图3所示。图3A显示了该计算机系统300的一种可能的物理形式。当然，计算机系统可具有多种物理形式，从集成电路、印刷电路板、小型手持装置到巨大的超级计算机。计算机系统300包括监视器302、显示器304、外壳306、磁盘驱动308、键盘310和鼠标312。磁盘314是电脑可读介质，用于向电脑系统300传送和接收数据。

[0039]图3B是计算机系统300的方框图的实施例。各种子系统连接于系统总线320。处理器(一个或多个)322(也被称为中央处理单元或CPU)耦合于存储器件，包括存储器324。存储器324包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器。如本领域所熟知的，ROM用作向该CPU单向传送数据和指令，而RAM一般被用为以双向方式传送数据和指令。这两种类型的存储器都包括下述任何合适的计算机可读介质。固定磁盘326也与CPU 322双向耦合，它提供了更多的资料存储容量，并可包括下述任何的计算机可读介质。固定磁盘326可被用于存储程序、数据等，且一般是比主存储器慢的二级存储器介质(例如硬盘)。应当注意，固定磁盘326内保持的信息，在合适的情况下，可以在存储器324中作为虚拟内存以标准方式合并。可移除磁盘314可采用下述任何计算机可读介质的形式。

[0040]CPU 322还耦合于各种输入/输出器件，比如显示器304、键盘310、鼠标312和扬声器330。一般来说，输入输出器件可以是以下任一种：视频显示器、轨迹球、鼠标、键盘、麦克风、触摸屏、传感器读卡器(transducer card reader)、磁带或纸带阅读器、平板(tablet)、手写笔、声音或手写识别器、生物特征识别器或其他的电脑。可选地，CPU 322使用网络接口340耦合于另一台计算器或电信网络。通过这样的网络接口，可以预期，在执行上述方法步骤的过程中，该CPU可以从该网络获取信息或者将信息输出到该网络上。而且，本发明的方法实施方式可以在CPU 322上单独执行，也可以通过网络(比如因特网)结合共享部分处理操作的远程CPU来执行。

[0041]另外，本发明的实施方式进一步涉及具有计算机可读媒介的计算机存储器产品，该计算机可读媒介具有用以执行各种计算机完成的操作的计算机代码。该介质和计算机代码可以是为本发明的目的特殊设计和制造的，也可以是对具有计算机软件领域的技术的人员来说熟知并可以获得的。计算机可读介质的实施例包括，但不限于：磁性介质比如硬盘、软盘和磁带；光学介质比如CD-ROM和全息器件；磁-光介质比如可光读软盘(floptical disk)；和特别配置为存储和执行程序代码的硬件器件，比如专用集成电路(ASIC)、可编程序逻辑器件(PLD)和ROM及RAM。计算机代码的实施例包括比如由编译器生成的机器码，及包含可由计算机使用解释器执行的高级代码的文件。计算机可读介质还可以是通过嵌入载波的计算机数据信号传送并代表由处理器执行的指令序列的计算机代码。

[0042]图4是本发明的具体实施方式中使用的工艺的高级别流程图。在本发明的一个或多个实施方式中，具有电介质层和掩模的基板被放置到刻蚀反应室内部的下电极上(步骤400)。该电介质层在该基板上，该掩模在该电介质层上。该电介质层将要被刻蚀。该刻蚀特征图案已经被掩模覆盖于该电介质层上，可能是通过使用光阻材料的沉积而形成的。该电介质层可以是氧化硅基的。

[0043]将刻蚀气体传送入该刻蚀反应室(步骤410)。优选地，该刻蚀气体包含碳氟化合物(C_xF_y)、氧和某种类型的惰性气体(比如氩(Ar)或者氙(Xe))的结合。更优选地，该刻蚀气体是没有氟化氮(NF₃)和氟化硫(SF₆)的。更优选地，该刻蚀气体是没有碳氟氢化合物(C_xH_yF_z)的。

[0044]同时，将具有100kHz到600kHz之间的频率的第一RF功率传送入该刻蚀反应室(步骤420)，将具有至少10MHz频率的第二RF功率传送入该刻蚀反应室(步骤430)。该刻蚀气体被转化为等离子体。该第一、较低频率RF功率可以通过电容耦合传送到该刻蚀反应室的。该第二、较高频率RF功率可以通过电容耦合或者电感耦合传送到该刻蚀反应室。可选地，除该第二RF功率之外，具有至少40MHz频率的第三RF功率也被传送到该刻蚀反应室。最终，对该基板的该电介质层进行刻蚀以根据该掩模的图案形成至少一个UHAR特征(步骤440)。

[0045]通过使用两个RF功率(一个偏置RF功率和一个源RF功率)，或者三个RF功率(一个偏置RF功率和两个源RF功率)，并保持该偏置RF功率为低频(比如400kHz附近)，同时保持该源RF功率为高频(比如27MHz和60MHz附近)，可以减少在UHAR电介质刻蚀工艺中的扭曲，并带来更好的刻蚀特征。

[0046]图5A显示了使用本发明刻蚀的堆栈的描绘性侧视图。图案化的掩模500在该电介质层510上，该电介质层510位于停止层530上，该停止层530位于基板上。该掩模500指示了将被刻入该电介质层510的四个特征。

[0047]图5B显示图5A中的使用本发明刻蚀的堆栈的描绘性侧视图。根据该图案化的掩模500，四个特征520、522、524、526被刻入该电介质层510，直至该停止层530。该四个特征520、522、524、526各有宽度W和深度D。该四个特征520、522、524、526的每一个的纵横比为D/W。如图5B所示，该四个特征520、522、524、526具有从顶部直到底部的最小的扭曲。每个特征的侧壁都是竖直的。竖直的侧壁被定义为从该侧面的顶部到底部相对于该特征的底部的角度为88°和92°之间的侧面。

[0048]图5C显示了图5B中的刻蚀的四个特征底部附近的横断面的俯视图。在该电介质层510中刻蚀了四个特征520、522、524、526。每个特征都是原点在该特征中心的椭圆。没有侧向扭曲、倾角扭曲或者形状扭曲。

[0049]图6显示了在UHAR电介质刻蚀工艺过程中使用400kHz偏置RF功率和2MHz偏置RF功率产生的扭曲的对比。除了偏置功率的频率外，该两个刻蚀工艺具有完全相同的程式。尤其是，该刻蚀室气压为30毫托(mTorr)。该刻蚀气体包含150标准立方厘米每分钟(sccm)的氩(Ar)、4sccm的C₄F₆、18sccm的C₄F₈和17到25sccm的氧(O₂)。该源RF功率为2000瓦(W)，频率为27MHz。实线600表示使用频率为400kHz的2000W的偏置RF功率产生扭曲的量，而破折线610表示使用频率为2MHz的2000W的偏置RF功率产生的扭曲的量。随着氧(O₂)的量从基线增加，使用400kHz偏置RF功率产生的扭曲的量明显小于使用2MHz偏置RF功率产生的扭曲的量。

[0050]该数据表明，扭曲从使用2MHz偏置RF功率时的大约4nm(具有1-sigma标准偏差)，到使用400kHz偏置RF功率时的大约2nm(具有1-sigma标准偏差)。事实上，下面的椭圆间隙距离2nm(具有1-sigma标准偏差)主要是由于扫描电子显微镜(SEM)的分辨率极限在大约2nm每像素。因此，通过使用400kHz偏置RF功率，在纵横比超过20/1的UHAR刻蚀中，在O₂气流范围内的扭曲基本上被消除了。

[0051]如上所述，扭曲是在UHAR特征中非对称刻蚀的结果，必须尽可能地消除、至少是尽量减少扭曲。人们已经朝着该目标作出了努力。例如，一种方法是通过调整刻蚀化学品来抑制等离子体聚合物形成。然而，该方法具有明显缺点，因为，更少的聚合化的化学品严重地降低了掩模和/或基板的选择性，导致了临界尺寸(CD)的损失和顶部形态的变形(条纹)。另一种方法是在该等离子体外鞘上增加离子的加速度。然而，这种方法也有缺点，因为它倾向于使得顶部形态条纹变糟。

[0052]本发明具有几个优于以前使用的方法的优点。首先，对于AR大于15比1，特别是对于AR大于20比1的O₂气流范围内的UHAR刻蚀，它几乎完全消除了扭曲。其次，它没有其他方法所具有的任何缺点。尤其是，本发明不会带来临界尺寸的损失和顶部形态的变形，也不会使得顶部形态条纹变糟。

[0053]尽管本发明是使用几个优选实施方式的措辞进行描述的，然而，本发明存在变更、置换和各种等同替换，这些均落入本发明的范围。还应当注意，有许多实现本发明的方法和装置的替代方式。因此，所附权利要求意在被解读为包括落入本发明的真实精神和范围的所有这些变更、置换和各种等同替换。