TW200935519A - Methods for forming high aspect ratio features on a substrate - Google Patents

Description

200935519 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致關於在基板上形成高 取巧深寬比特徵的方法。 更具體地說，本發明大致關於在半 于等體製造中藉由非等 向性蝕刻處理形成高深寬比特徵的方法。 【先前技術】 ® ”地產生次-半微米與更小特徵是用於下一代極大 型積體電路（vLSI)及超大型積體電路（ulsi)半導體 元件的關鍵技術其中一者。但是’由於推進積體電路技 術發展的限制，因此VLSI* ULSI技術中互聯尺寸縮小 對處理能力提出了進一步的需求。積體電路可包括超過 一百萬個微米級電子場效電晶體（例如，補償型金屬氧 化物半導體（CMOS)場效電晶體），其形成在基板（例 ❿ 如’半導體晶圓）上並共同合作以在電路中執行各種功 能。可靠地形成柵極圖案對於積體電路的成功以及持續 努力提高電路密度以及各個基板和晶粒的質量是很重要 ' 的。 由於特徵尺寸逐漸地變小，因此對較高深寬比的要求 已經持續地增加到了 20·· 1甚至更大，該深寬比被定義爲 特徵深度和特徵寬度之間的比率。開發能夠可靠地形成 具有這種高深寬比之特徵的蝕刻處理已成具有重要意義 的挑戰。 ❹ 鲁 200935519 通常具有可以藉由非等向性 和寬度來製造& + 丨電層至預定深度 术製、約ι〇:1左右深寬比的特徵

圖描述了 1古.3、a & 例如’第1A 了具有通過圖案化遮罩層1〇6形 ==電…基板1〇2，刻期間，= :=生的副産物或者其他材料的再次沉積或者堆 積會聚集在被蝕刻之特徵11〇的頂部與/或側壁上，由此 ^塞了料106中及形成於介電層1〇4中之特徵HO的 歼口 108,如第18圖中所示。由於被姓刻特徵⑽的開 口⑽被聚集的再度沉積材料114窄化與/或密封，因此 阻止了反應㈣劑到達特徵110的下表面112，由此限制 了可能獲得的深寬比。此外，由於再度沉積材料或副産 物的堆積任意地與/或不規則地附著到介電層104的頂表 面與/或側壁上，得到的再度沉積材料114之不規則輪廓 (profile )和生長會改變反應蝕刻劑的流路，從而導致 介電層104中形成之特徵110的弓形或翹曲輪廓118，如 第1C圖中所示。 因此，現有技術中對於用於蝕刻具有高深寬比的特徵 的改進方法存在需求。 【發明内容】 本發明提供了一種利用蝕刻處理形成高深寬比特徵的 方法。在此描述的方法藉由蝕刻期間的導電側壁管理方 案有利地促進具有高深寬比特徵之輪廓和尺寸控制。 200935519 、在-個f施例中，料向性钱刻基板上之介電層的方 法包括在蝕刻室中提供具有設置於介電層上之圖案化遮 罩層的基板，供應至少包括含有氟和碳氣懸及氟切氣 體的氣體混合物進人_室中，以及在氣體混合物形成 之電漿存在的情況下蝕刻介電層中之特徵。 另實施例中，非等向性蝕刻基板上之介電層的方法 包括提供具有設置在介電層上之圖案化非晶碳層的基板 0 進入蝕刻至中，供應至少包括含氟和碳氣體及氟化矽氣 體的氣體混合物進人㈣室中，以及在氣體混合物形成 之電漿存在的情況下通過非晶碳層肀的開口將特徵的深 寬比蝕刻至大於約20:1 〇 另實施例中，非等向性钱刻基板上之介電層的方 法包括提供具有設置在介電層上之的圖案化非晶碳層的 基板進入钱刻至令，供應至少包括含氟和碳氣體及氟化 石夕氣體的氣體混合物進入蝕刻室中，藉由氣體混合物形 ® 成之電聚將介電層中之特徵的深寬比蝕刻至大於約 20:1，蝕刻時在特徵表面上形成導電聚合物層並將特 徵構成爲場效電晶體的接觸結構。 【實施方式】 本發明大致關於利用蝕刻處理形成具有高深寬比之特 徵的方法。在—個實施例中’該方法包括使用氟化矽氣 體及氣和石夕基氣體的蝕刻氣體混合物來電漿蝕刻介電 200935519 層。蝕刻氣體混合物的氟化矽氣體在被蝕刻之介電層側 壁與/或表面上形成了導電聚合物層，由此在蝕刻期間在 深度特徵中延伸離子軌迹。該延伸的離子軌迹協助向下 蝕刻介電層至介電層的底部，由此形成具有所欲之高深 寬比的特徵同時保持良好的輪廓控制和臨界尺寸。 在此描述的蝕刻處理可在任意電漿蝕刻室中進行，例 如HART蝕刻反應器、HART TS蝕刻反應器’ Dec〇upled

Plasma Souree ( DpS )、DPS-II 或者 cENTURA、刻系統 的DPS Plus或者DPS DT蝕刻反應器，所有這些都可從

Santa Clara，California 的 Applied Materials 公司獲得。 也可使用從其他製造商獲得的合適的電漿蝕刻室。 第2圖描述了蝕刻處理室2〇〇之一個實施例的示意 圖。室200包括支撐介電圓頂形頂板（以丁稱作圓頂) 的導電室壁23(N其他室可具有其他類型的頂板（例如， 平坦頂板）壁230連接到電接地（eiectrical gr〇und) ❹ 234。 至夕個電感線圈天線部分212藉由匹配網路2 19輕 合到射頻（RF)源218。天線部分212被設置在圓頂22〇 外部且用於保持室内之處理氣體形成的電漿。在一個實 施例中’提供到電感線圈天線212的源RF功率，在約 50kHz和約13.56MHz之間的頻率範圍内，爲约〇瓦特至 約500瓦特之間的範圍。在另一實施例中，提供到電感 線圈天線212的源RF功率在約200瓦特至約8〇〇瓦特之 間的範圍内，例如約400瓦特。 200935519 處理室200也包括耗合到第-^择麻、 4乐—（偏壓）RF源222的基 板支撐底座216 (偏壓元件）’該第二RF源222通常能 夠産生RF信號以在接近13.56 MHz的頻率下産生約 1500瓦特或更少的偏壓功率（例如，沒有偏壓功率）。 - 偏麗源222通過匹配網路223耦合到基板支撐底座216。 施加到基板支標底座216的偏壓功率可以是DC或者是 RF。 〇 操作中，基板214被設置在基板支撐底座216上且通 過傳統技術保持於其上，諸如靜電夾持或機械夾持基板 214。氣態成分從氣體面板238通過進口蟀226供應到處 理至200中以形成氣態混合物250。藉由分別自rf源21 8 和222向天線212和基板支撐底座216施加率而於 處理至200中保持混合物250形成的電漿。使用位於室 200和真空泵236之間的節流閥227控制餘刻室200内 部的壓力。使用設置在室200之壁230中的含液艘管道 Ο (未示出）控制室壁230表面處的溫度。 藉由穩定支撐底座216之溫度並從源248經由管道249 向由基板214背部形成的通路和底座表面上的溝槽（未 示出）流動傳熱氣體，以控制基板214的溫度^氦氣可 用作傳熱氣體以利於基板支撐底座216和基板214之間 的傳熱。在蝕刻處理期間，基板214經由DC功率源224 通過設置在基板支撐底座216中的電阻加熱器225加熱 至穩定狀態溫度。設置在底座216和基板214之間的氦 利於均勻加熱基板214。使用圓頂220和基板支撐底座 200935519 216兩者的熱控制’將基板2丨4保持在約1 〇〇乞和約5〇〇 C之間的溫度下。 本領域技術人員將理解也可使用其他形式的蝕刻室來 實施本發明。例如，可利用具有遠端電漿源的室、微波 電聚室、電子迴旋共振式（ECR)電装室等來實施本發 明。

包括中央處理器（CPU) 244 '記憶體242以及用於 CPU 244之支援電路246的控制器24〇耦合到蝕刻處理 室200的不同部件以利於蝕刻處理的控制。爲了易於控 制如上所述的至，CPU 244可以是任意形式通用電腦處 理器中的-種，其能夠用在工業設備中用於控制各種室 和子處理器。記憶體242耦合到Cpu 244。記憶體242 或者電腦可讀媒體可以是容易獲得的記憶體中的一種或 多種，諸如隨機存取記憶體（RAM )、唯讀記憶體 (ROM )軟^硬碟或者任意其他形式的數位記憶體、 本地的或者是遠端的。支援電路246耦合到cpu 244’ 用於以常規方式支援處理器。這些電路包括緩存、電源、 計時電路、輸入/輸出電路以及子系統等。例如在此描 述的钱刻處理通常是以軟體程式存健在記憶體Μ中。 軟體程式也可通過由 CPU 244控制的硬體遠端設置的第 二CPU (未示出）來進行存儲與/或執行。 第3圖是在室200或者其他合適的處理室中實施之蝕 刻處理300 @ -個實施例的流程圖。f 4a—4c圖是與 處理綱的各步驟對應之—部分複合基板的示意性截面 200935519 圖。處理300可用於形成例如大於2〇:ι的高深寬比特 徵，用於諸如場效電晶體之接觸結構的結構。另外，處 理300可有利地用於钱刻其他類型的結構。 處理300開始於文字塊3G2，其中藉由將基板214傳 送（即’提供）到钱刻處理室（例如，第2圖中描述的餘 刻室。在第4A圖中描述的實施例中，基板214具 有膜疊層400,該膜昼層具有設置於介電層4〇4上之圖 〇 帛化的遮罩層傷。該圖案化的遮罩層406具有暴露出 部分下部介電層404的開口 4〇8用於蝕刻❶基板214可 以是半導體基板、矽晶圓、玻璃基板等中的任何一種。 在一個實施例中，遮罩層406可以是硬遮罩，光阻遮 罩或者上述之組合。遮罩層406用作蝕刻遮罩用於以所 欲之深寬比來蝕刻介電層404中的特徵41〇。在此描述 的特徵410包括溝槽、通孔、開口等。在一個實施例中， 遮罩層406可以是選自石夕、氧化石夕、氣化石夕、氮氧化石夕、 ® 碳化矽、非晶矽和其組合構成之群組的材料。在此描述 的一個示例性實施例中，遮罩層4〇6是非晶碳層。非晶 碳層的一個實例是 Advanced Patterning FilmTM ( APF)， 其可從Applied Materials公司獲得。介電層4〇4可以是 介電氧化物層。用於介電層的其他合適的材料包括未捧 雜石夕破璃（USG)(諸如，氧化矽或者te〇S)、硼石夕酸鹽 玻璃（BSG)、磷矽酸鹽玻璃（PSG)、硼磷矽酸鹽坡璃 (BPSG )及其組合。在此描述的一個示例性實施例中 介電層404是未摻雜的矽玻璃（USG)層^在一個實施 200935519 例中，介電層404具有約3000Α至約15000Α之間的厚 度、例如在約4000Α至約12000Α之間、例如爲約1〇〇〇〇Α 的厚度。 在文子塊304中，將包括氟和碳基氣體以及氟化矽氣 體的氣體混合物供應到蝕刻室中以非等向性蝕刻設置於 其中的基板214。在蝕刻期間，藉由氣體混合物産生的 電浆將氟和碳氣體卩及氟化石夕氣體離解成反應兹刻物 Ο ❿ 種。來自氟化矽氣體的矽離子與來自氣體混合物中的氟 和碳氣體之一部分碳離子反應，在介電層4〇4中蝕刻之 特徵410的蝕刻表面（例如，側壁）上形成導電含矽聚合 物，如第4Β圖中所示。由於在蝕刻期間矽離子可較通常 用於保護介電$ 404之姓刻表面（例如，侧壁）的碳 合物提供更多的電子’因此含矽聚合物416的導電特性 有助於在蝕刻反應期間發生電子轉移過程。導電含矽聚 合物416將離子與/或電子傳導至特徵4Η)更深的部分， 如通過箭頭418所示。導電聚合物層416還可以降低電 荷在介電層404特徵41G中的堆積和生長由此防止特 徵被關閉、窄化、變弓形或者進一步干擾餘刻處理。導 電含石夕聚合物416改善了钱刻之特徵41()中的粒子軌 道，從而利於在介電層4G4中的深處形成具有高深寬比 的特徵410。 在餘刻期間，遮軍層屬還可能受到來自所供應的氣 體混合物之氟離子的❹。這樣，藉由添加氟化石夕氣體 到I和碳基氣體混合物巾，來自氟切離子可 200935519 有效地與遮罩層406反應以在遮罩層406的上表面上形 成強的保護層414。在遮罩層406是非晶碳層的實施例 中，矽離子與遮罩層406中的碳元素反應，從而在遮罩 層406的上表面上形成堅固的碳化矽層，由此保護遮罩 層406在高深寬比特徵410形成期間不受侵蝕。 在一個實施例中，在氣體混合物中供應的氟化石夕氣體 選自SiF4、SiCU等構成的群組。在氣體混合物中供應的 氟和碳氣體選自 cf4、chf3、c4f8、（:2f6、（:4f6、（:5Fs、 CHZF2等構成的群組。惰性氣體可選擇性地與氣體混合 物一起供應以有助於將氣體混合物運載到蝕刻室中。惰 性氣體的適當實例包括N2、Ar、He和Kr氣體。 調節幾個處理參數同時將氣體混合物供應到蝕刻室 中。在一個實施例中’調節室的壓力至約mT〇rr至約 60 mTorr之間，例如約20 mTorr。施加RF源功率以保 持由第一處理氣體形成的雪链。你丨‘，故_

之間的速度流入到室中。氟化矽氣體以約1〇 sccm至約

在約20°C至約80°C之間。

矽氣體的氣體比率被控制在約1:〇15 氟和碳氣體與氟化 至約1:0.5之間， 12 200935519 例如爲約1:〇 25。 在文字塊3〇6中，随箪 ^ .. 到達任選h 隨著一個特徵410達到所欲深度、 、部層與/或基板214，蝕刻處理的終點可以 二意合適方法來確定。例如，可藉由監控光發射、 八本略^周期的終止或者通過確定該被餘刻層已經被充 刀去除的另一指示來確定終點。 ❹ Ο 如第4C圖中所示，具有所欲深寬比的特徵彻形成在 外板214上。在一個實施例中，形成在基板214上的特 410的深寬比大於約20:1。在一個實施例中，利用處 理3〇〇以形成具有特徵41〇的接觸結構，深寬比大於約 的特徵41G形成在介電層他中作爲設置在基板5〇2 上場效應電晶體504中的接觸結構，如第5圖中所示。 =政仙可填充或沉積有金屬材料以在基板上形成互聯 、’、。構。金屬材料的實例包括鎢（w)、氮化鎢（wn)、銅 (Cu)、欽（Ti)、组（Ta)、銘（A1)等。另外，處理 可用於製造生産積體電路的其他結構。 由此，本申請提供了蝕刻基板以形成深寬比大於2〇:15 之特徵的改進方法》該方法有利地與附加的氟化矽氣體 起使用氟和碳基氣體處合物，以在钮刻期間形成導電 聚合物層，從而有效地提供形成於基板上的具有高深寬 比之特徵的良好輪廓和尺寸控制。 雖然前述内容針對本發明的實施例，但是可設計出本 發明其他的和進一步的實施例而不超出其基本範圍，且 其範圍由以下的申請專利範圍來確定。 13 200935519 【圖式簡單說明】 通過以下結合附圖的詳細說明可容易理解本發明的教 導，附圖中： 第ia-1ch示出了用於製造高深寬比特徵之傳統製造 順序的截面圖； 第2圖是根據本發明至少一實施例用於進行蝕刻處理 之電漿處理設備的示意圖； 第3圖是根據本發明至少一實施例適於製造高深寬比 特徵之方法的處理流程圖； 第4A—4C圖是根據第3圖的方法被蝕刻以形成高深 寬比特徵之複合結構的順序截面圖；和 第5圖是在場效電晶體之接觸結構中具有通過本發明 形成的高深寬比特徵之複合結構的截面圖。 爲了便於理解，可能的情況下，已經使用相同元件符 號表示圖中共用的相同元件。將預期在一個實施例中的 元件與/或處理步驟可有利地用在其他實施例中而不需 特別說明。 但是，應當注意，由於本發明可允許其他等效的實施 例’因此附圖僅示出了本發明的示範性實施例且因此不 應認爲其限制了本發明的範圍。 【主要元件符號說明】 200935519 ❹ ❿ 102、 214、502 基板 104、 404 介電層 106 ' 406 圖案化遮罩層108、 408 開口 110、 410 特徵 112 下表面 114 副產物 116、 412 底部 118 麵曲輪廓 200 室 212 線圈天線 216 底座 218 ' 222 RF 源 219、 223 匹配網 220 圓頂 224 DC功率源 225 電阻加熱器 227 節流閥 230 壁 234 電接地 236 真空泵 240 控制器 242 記憶體 244 CPU 246 支援電路 248 源 249 管道 250 氣體混合物 300 钱刻處理 302、 304 、 306 : 400 膜疊層 414、 416 聚合物 418 箭頭 504 電晶體 15

Claims (1)

1. 200935519 七、申請專利範圍： 1.一種以高深寬比非等向性蝕刻一基板上之一介電層的 方法，包括： 在一蝕刻室中提供一具有一設置於一介電層上之圖 案化遮罩層的基板； 供應一至少包括一含氟和碳氣體及一氟化矽氣體的 氣體混合物進入該餘刻室中；及 在該氣體 >邑合物形杰夕__ a* J- . ,, , J. «切❿成之一電漿存在的情況下蝕刻該 介電層中之特徵。 2.如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該介電層係 選自-由未摻㈣玻璃（USG)、㈣酸鹽玻璃（MG)、 碟石夕酸鹽玻璃（PSG)、料料鹽玻璃（BpsG)及其組合 構成的群組。 ^ ’ 口 ❹ 3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該圖案化遮 罩層係選自—㈣、氧切、氮切、氮氧切、碳化梦、 非晶碳和其組合構成的群組。 之方法’其中供應該氣體 形成一導電聚合物層。 4.如申請專利範圍第1項所述 混合物的步驟更包括： 在該介電層之經餘刻表面上 16 200935519 5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該導電聚合 物層是一含碎聚合物、 6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該導電聚合 物層協助傳導該電漿產生的離子以非等向性蝕刻該介電層 向下至該介電層的一底部。 ❹ 7如申請專利範圍第】項所述之方法，其中該含氟和碳 的氣體及該氟化矽氣體是SiF4和SiCl4。 8.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該含氟和碳 的氣體係選自一由 CF4、CHF3、C4F8、c2F6、c4f6、C5F8、 CH2F2構成的群組。 9·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中供應該氣體 © 處合物的步驟更包括： 與該氣體混合物一起供應一惰性氣體，其中該惰性氣 體係選自一由N2、Ar、He和Kr構成的群組。 1〇.如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中供應該氣 體渴*合物的步驟更包括： 以一約20 seem與約1 〇〇 sccm之間的流速供應該含氟 和碳氣體；及 以一約10 seem與約50 seem之間的流速供應該氟化 17 200935519 碎氣體。 11. 如申請專利範圍第ίο項所述之方法，其中供應該氣 體混合物的步驟更包括： 將一處理壓力保持在約1 〇 mTorr與約60 mTorr之間； 將基板溫度控制在約20°C與約80。(：之間；及 施加一約200瓦特和約1000瓦特之間的電漿功率。 12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該介 電層中之特徵的步驟更包括： 形成深寬比大於約20:1的至少一溝槽或通孔》 13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該介 電層中之特徵的步驟更包括： 形成一場效電晶體的一接觸結構。 14· 一種以高深寬比非等向性蝕刻一基板上之一介電層 的方法’包括： 提供一具有一設置於一介電層上之圖案化非晶碳層 的基板進入一蝕刻室申； 供應一至少包括一含氟和碳氣體及一氟化矽氣體的 氣體現合物進入該蝕刻室中；及 在該氣體混合物形成之一電漿存在的情況下通過該 非晶碳層中之開口將特徵的深寬比蝕刻至大於約20..1。 18 200935519 15如申請專利範圍第 體混合物的步驟更包括： 在該介電層之經蝕 14項所述之方法’其中供應該氣 刻表面上形成—導電聚合物層。 16·如申請專利範圍S 15項所述之方法，更包括： 以

   ，使該氣切氣體提供之碎元素與該非晶碳層反應 形成一保護層。 π如中請專利範圍第15項所述之方法，其中供應該氣 趙混合物的步驟更包括： 與該氣體混合物一起供應一惰性氣體進入該蝕刻室 中’其中該惰性氣體係選自一由仏、Ar、He* Kr構成 的群組。 ❹ 18.種以尚冰·寬比非等向性姓刻一基板上之_介電層 的方法，包括： 提供一具有一設置於一介電層上之圖案化非晶碳層 的基板進入一蝕刻室中； 供應一至少包括一含氟和碳氣體及一氟化矽氣體的 氣體混合物進入該蝕刻室中； 藉由該氣體混合物産生之一電襞將該介電層中之特 徵的深寬比蝕刻至大於約20:1 ; 在該些特徵之表面上形成一導電聚合物層同時進行 200935519 姓刻，及 構造該些特徵作爲場效電晶體的一接觸結構。 19.如申請專利範圍第18頊所述之方法’其中供應該氣 體混合物的步驟更包括： 與該氣體混合物一起供應/惰性氣體進入該蝕刻室 中，其中該惰性氣體係選自一由H2、N2、Ar、He和Kr 構成的群組。 Φ 2〇.如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該介電層 係選自一由氧化矽、硼矽酸鹽玻璃（BSg)、磷矽酸鹽玻璃 (PSG)、蝴磷矽酸鹽玻璃（bpsg)及其組合構成的群組。 20