用于形成接触孔的方法与等离子体刻蚀方法

摘要

本发明提供用于形成接触孔的方法与等离子体刻蚀方法，用以抑制栅上方氮化物层的肩部损伤。其中，所述等离子体刻蚀方法，包括：提供基片至等离子体刻蚀装置的反应腔，所述基片包括多个栅、位于栅上方及两侧的氮化物层、填充在相邻栅之间及氮化物层上方的氧化物层；将第一气体作为反应气体通入至反应腔，刻蚀所述氧化物层；将第二气体作为反应气体通入至反应腔，修复栅上方的氮化物层的形貌；将反应气体切换回第一气体，刻蚀相邻栅之间的氧化物层，以形成所述接触孔；其中，所述第一气体对氧化物层的刻蚀速度比第二气体快，所述第二气体对氮化物层的刻蚀速度比第一气体快。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造，尤其涉及在半导体器件上制作自对准接触孔(self-aligned contact)的方法。

背景技术

SAC(self-aligned contact，自对准接触孔)刻蚀技术的研究在存储器制备和发展中起着至关重要的作用。SAC的基本结构如图1所示。栅12的上方和四周被停止层14所包覆，栅的材质通常可为多晶硅，停止层的材质通常可为氮化物，比如Si₃N₄。介质层16覆盖在停止层14上方，并填充满相邻的栅12之间的空隙，介质层的材质通常可为氧化物，比如SiO₂。图案化的光刻胶(PR)18形成在介质层16的上方。沿光刻胶18刻蚀介质层即可形成所需的SAC结构。

但是，沿光刻胶18刻蚀介质层16形成接触孔这一步骤在实际实施时存在很多困难。首先，需要在刻蚀中保证足够量的聚合物沉积以保护氮化物14，尤其是氮化物的侧壁，这就需要很高的氧化物对氮化物(SiO₂/Si₃N₄)的选择比，但这同时会使刻蚀停止裕度(etch>2/Si₃N₄选择比也容易使介质层的沟槽形貌(profile)变形，出现necking或bowing等问题，如图2(b)中所示，在刻蚀过程中，尤其是当氮化物(Si₃N₄)暴露出来后，化学环境发生变化，具有SiO₂/Si₃N₄高选择比的刻蚀剂(反应气体)会倾向只在SiO₂表面刻蚀，最终导致沟槽形貌(profile)变形，影响后续工艺。

不仅如此，刻蚀中氮化物14的不可避免的损耗会导致常见的肩部损伤(shoulder damage)，如图3所示。这是因为：即使拥有较高的SiO2/Si3N4选择比，对SiO2的刻蚀还是难以避免Si3N4的损耗，而其边缘区域顶部的损耗又远远超出其中间区域的损耗，这使得氮化物在边缘处明显低于中间区域。该“肩部损伤”缺陷直接影响到字线(word line)与存储节点(storage node)之间的击穿电压。并且，传统的刻蚀技术几乎都会遇到这个“肩部损伤”问题。因而，有必要对该“肩部损伤”问题进行改善。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种用于形成接触孔的等离子体刻蚀方法，包括：

提供基片至等离子体刻蚀装置的反应腔，所述基片包括多个栅、位于栅上方及两侧的氮化物层、填充在相邻栅之间及氮化物层上方的氧化物层；

将第一气体作为反应气体通入至反应腔，刻蚀所述氧化物层；

将第二气体作为反应气体通入至反应腔，修复栅上方的氮化物层的形貌；

将反应气体切换回第一气体，刻蚀相邻栅之间的氧化物层，以形成所述接触孔；

其中，所述第一气体对氧化物层的刻蚀速度比第二气体快，所述第二气体对氮化物层的刻蚀速度比第一气体快。

可选的，所述第二气体包括主气体，所述主气体由一种或多种气体组成。

可选的，所述主气体包括(1)CH₂F₂、(2)CHF₃、(3)CF₄与H₂的组合、(4)CF₄与CH₄的组合、(5)C₂H₃F，(6)C₂H₄F₂等六组气体中的至少一组。

可选的，所述第二气体还包括辅助气体CO、O₂或Ar。

可选的，所述第一气体包括主气体，所述主气体包括由碳和氟两种元素组成的气体。

可选的，所述第一气体还包括辅助气体CO、O₂或Ar。

可选的，在栅上方的氮化物层暴露前，就结束氧化物层的刻蚀而开始氮化物层形貌的修复步骤。

可选的，所述氧化物层的材质为氧化硅，所述氮化物层的材质为氮化硅。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于形成接触孔的的方法，包括：

提供基片，所述基片包括多个栅、位于栅上方的氮化物层、填充在相邻栅之间的氧化物层；

处理位于栅上方的所述氮化物层，以使得所述氮化物层的至少中间区域的上表面较处理前变得更平坦或使得所述中间区域的上表面形成凹陷；

等离子体刻蚀相邻栅之间的氧化物层，以形成接触孔。

可选的，所述氧化物层除填充在相邻栅之间外，还形成在氮化物层的上方。

可选的，在处理位于栅上方的所述氮化物层的步骤之前，还包括以下步骤：

等离子体刻蚀位于氮化物层上方的氧化物层。

可选的，在栅上方的氮化物层暴露前，就结束对氮化物层上方的氧化物层的刻蚀步骤而开始该处理氮化物层的步骤。

可选的，利用由碳和氟两种元素组成的气体(CxFy)来刻蚀氮化物层上方的氧化物层。

可选的，以等离子体刻蚀的方式来实现所述处理位于栅上方的所述氮化物层的步骤，采用的气体包括(1)CH₂F₂、(2)CHF₃、(3)CF₄与H₂的组合、(4)CF₄与CH₄的组合、(5)C₂H₃F，(6)C₂H₄F₂等六组气体中的至少一组。

可选的，以化学机械研磨的方式来实现所述处理位于栅上方的所述氮化物层的步骤。

可选的，所述氧化物层的材质为氧化硅，所述氮化物层的材质为氮化硅。

附图说明

图1是自对准接触孔的基本结构的示意图；

图2与图3是利用传统刻蚀方法形成自对准接触孔的过程中经常出现的缺陷类型的示意图；

图4是本发明原理的说明图；

图5是本发明用于形成自对准接触孔的等离子体刻蚀方法的一个实施例的流程图；

图6与图7是被刻蚀前基片的结构示意图。

具体实施方式

自对准接触孔刻蚀的主刻蚀剂(或者说，主反应气体)通常选用C_xF_y、O₂与Ar等的组合，通过调节C_xF_y与O₂的比例、用于固定基片的静电夹盘(ESC)的温度、功率配比(power>2/Si₃N₄选择比，以减小刻蚀过程中氮化物的损耗。但这种传统方法仍然难以避免严重的shoulder>

在对上述问题的研究、探索中，发明人发现，shoulder damage缺陷的产生是由位于栅上方的氮化物材料本身的结构缺陷(或者说形貌缺陷)以及刻蚀中聚合物(polymer)的分布不均所导致。如图4(a)，由于化学气相沉积工艺自身的局限性，形成在栅上方的氮化物层(图中的黑色区域)的上表面总是不平坦，通常是中间区域高，边缘区域低，并且中间区域的材质较硬，边缘区域的材质较软。

基于上述发现，为有效抑制shoulder damage缺陷，发明人提出了一种新的自对准接触孔刻蚀方法：在刻蚀上方氧化物层的过程中，当氮化物层的上表面即将露出时，停止氧化物层的刻蚀，而改用对氮化物/氧化物选择比高的刻蚀剂(比如，CH₂F₂，或CHF₃，或CF₄与H₂的组合，或CF₄与CH₄的组合，或C₂H₃F，或C₂H₄F₂)对氮化物层上表面的形貌进行预处理，从而可改善后续刻蚀过程中聚合物(polymer)在氮化物层上的分布。预处理结束后，继续使用对氧化物/氮化物选择比高的刻蚀剂(比如，CxFy)来刻蚀氧化物，在相邻栅之间的氧化物层内形成接触孔。

在上述预处理的过程中，中间区域处氮化物损耗较多，边缘区域处(即，shoulder处)氮化物因受周围氧化物的保护而损耗较少，如图4(b)所示。该预处理步骤牺牲了少量的顶部氮化物，修改了氮化物层的原有形状，平衡了材料本身在shoulder处的结构缺陷以及刻蚀时聚合物的分布不均，使shoulder处的氮化物在后续刻蚀过程中的损耗显著降低，抑制了shoulder damage缺陷，实现了形貌可控。图4(c)是自对准接触孔形成后，氮化物层的形貌示意图，图中显示，其已明显消除了shoulder>

不仅如此，shoulder damage缺陷的改善也使得工艺的控制窗口(process control window)变大，在一定范围内可通过加大偏置功率源功率(bias power)、降低O₂含量等手段进一步提高氧化物/氮化物选择比，减少总的氮化物损失量。

图5是本发明用于形成自对准接触孔的等离子体刻蚀方法的一个实施例的流程图。

首先，执行图5中的步骤S1：提供基片至等离子体刻蚀装置的反应腔，所述基片包括多个栅、位于栅上方及两侧的氮化物层、填充在相邻栅之间及氮化物层上方的氧化物层。

步骤S1所使用的等离子体刻蚀装置通常可以是本领域惯常使用的电容耦合型(CCP)等离子体处理装置。

步骤S1所使用的基片的结构可如图6与图7所示。其中，图6是俯视图，图7是图6中沿线6-6的剖视图。如图7所示，衬底20的上方形成有多个栅(图中有显示，但未标号)，栅的材质可为多晶硅。栅的上表面和两侧(更确切地讲，是“四周”)形成有氮化物层24(图中的黑色区域)，所述氮化物可为Si₃N₄。相邻的栅之间以及氮化物层24的上方沉积有氧化物层26，所述氧化物可为SiO₂。如图6所示，栅及其上方氮化物层(图中的虚线框区域)已为氧化物层26所覆盖，自基片的上方已不可观察到。图案化的光刻胶28形成在氧化物层26的上方。光刻胶28与栅(更确切地将，是“氮化物层”)交错排布，共同作为自对准接触孔的掩模，即，它们共同限定了接触孔的位置和大小。

而后，执行图5中的步骤S2：将第一气体作为反应气体通入至反应腔，刻蚀所述氧化物层。

步骤S2中所采用的反应气体可以是本领域惯常用于刻蚀氧化物(SiO₂)而对氮化物(Si₃N₄)刻蚀较慢的反应气体(刻蚀剂)，比如，可利用由碳和氟两种元素组成的气体(CxFy)作为主气体(main>2)，作为稀释气体的氩气(Ar)。

通常可在栅上方的氮化物层暴露前(即，氮化物层上方尚有少量氧化物残留时)，就结束步骤S2而开始下面的步骤S3。理论上，步骤S2结束时氮化物层上方残留的氧化物越薄越有利于减少后续步骤S3的处理时间。实践中，可同时结合各个步骤(如，该氮化物层的沉积步骤)的制造公差(特别是不同位置处氮化物层的高度差别)来设定这个残留厚度。通常这个残留厚度可设定为小于10到15纳米(nm)。可利用常用的刻蚀终点监测设备和方法来对氧化物层残留厚度进行控制。

在其它实施例中，也可等氮化物层初步露出后再结束步骤S2、开始步骤S3，其同样可改善氮化物层的“shoulder damage”缺陷，只是改善效果略有不如而已，但仍比传统刻蚀方法优越得多。

再后，执行图5中的步骤S3：将第二气体作为反应气体通入至反应腔，修复栅上方的氮化物层的形貌，其中，所述第二气体对氮化物层的刻蚀速度比第一气体快，所述第一气体对氧化物层的刻蚀速度比第二气体快。

步骤S3中所采用的反应气体可以是本领域惯常用于刻蚀氮化物(Si₃N₄)而对氧化物(SiO₂)刻蚀较慢的反应气体(刻蚀剂)，比如，可利用以下六组气体的一组或多组——(1)CH₂F₂，(2)CHF₃，(3)CF₄与H₂的组合，(4)CF₄与CH₄的组合，(5)C₂H₃F，(6)C₂H₄F₂——作为主气体(main>2)和/或一氧化碳(CO)，作为稀释气体的氩气(Ar)。

在步骤S3的刻蚀中，反应腔的气压可控制在40到80mT(毫托)；用于控制等离子体产生和浓度的源射频功率源(Source RF Power)的频率可维持在60MHz(兆赫兹)，功率可维持在400到800W(瓦)；用于控制等离子体能量和分布的偏置功率源(Bias RF Power)的频率可维持在2MHz(兆赫兹)，功率可维持在50到150W(瓦)。

这里所说的“修复氮化物层的形貌”至少包含两重涵义：(i)、步骤S3的工艺要触及氮化物层，并且要对氮化物层的上表面的形貌有改善作用，至少要使得氮化物层的中间区域与边缘区域的高度差有减小趋势，更理想(但不必需)的效果是，在高度差得以减小的同时，中间区域自身也变得更平坦(但并不要求其绝对平坦，中间区域略有凹陷〈即中间区域比边缘区域低〉的情形仍可很好地实现发明目的)；(2)、步骤S3后，不管是在中间区域还是边缘区域，氮化物层都要留有足够的厚度，不能出现氮化物层被过度消耗的情形。

而后，执行图5中的步骤S4：将反应气体切换回第一气体，刻蚀相邻栅之间的氧化物层，以形成接触孔。

在步骤S3的预期目的(“修复氮化物层的形貌”)实现后，即可结束步骤S3、开始步骤S4。

步骤S4的工艺参数可与步骤S2相同，这里不再重复描述。

在其它实施例中，步骤S2与步骤S4所使用的反应气体可不相同，所选用的具体工艺参数也可根据需要有所差异。

另外，步骤S3中，用于修复氮化物层形貌的手段也可不局限于等离子体刻蚀，凡对氮化物层形貌有修复作用的手段理论上都可供利用。例如，假如对接触孔的高度没特殊要求，可考虑采用化学机械研磨(CMP)的方式来修复氮化物层的形貌。不仅如此，在其它实施例中，步骤S2中的等离子体刻蚀也可以CMP工艺来代替。

更极端的情形里(假如允许的话)，可将步骤S2与步骤S3直接以一个化学机械研磨(CMP)步骤来替代，即，CMP不仅去除氮化物层上方的氧化物层，还要修复氮化物层中间区域的形貌。但要注意，在此种情形下，一定要保证：在CMP终止时，氮化物层至少在其边缘处的上方要残留有氧化物。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。