專利名稱：腐蝕絕緣層和制作半導(dǎo)體器件的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到制作半導(dǎo)體器件的工藝，更確切地說是涉及到制作半導(dǎo)體器件過程中所用的腐蝕工藝。
為了緩解諸如串?dāng)_、導(dǎo)體之間的非有意的電容以及改善性能之類的問題，現(xiàn)代半導(dǎo)體器件采用k值低的介電材料作為層間介質(zhì)似乎更適當(dāng)。用作k值低的介質(zhì)的材料通常包括聚合物薄膜或氧化硅基薄膜。如本說明書所用的那樣，k值低的介質(zhì)是介電常數(shù)不大于大約3.5的介質(zhì)。通常二氧化硅被用作介電材料，其介電常數(shù)約為3.9。通常，當(dāng)腐蝕氧化硅基材料時，腐蝕過程停止于諸如氮化硅、富硅的氮化硅或其它相似的材料之類的腐蝕停止層上。
作為氧化硅基材料的更新型的k值低的介質(zhì)，包括摻氟的氧化物以及含碳和氫的氧化物。當(dāng)氧化硅基薄膜中存在氫或碳與氫二者時，對這些氧化硅基的k值低的介質(zhì)材料的腐蝕變得特別困難。當(dāng)腐蝕這些材料時，需要相對氮化硅有選擇性地腐蝕這些材料。否則可能發(fā)生自對準(zhǔn)接觸中的電短路或形成金屬覆蓋物(銅或鋁)。
特別是對于有機氧化硅基薄膜(OSG)，傳統(tǒng)的二氧化硅腐蝕工藝無法很好地工作。通常，八氟丁烯(C4F8)和一氧化碳(CO)被用來相對氮化硅有選擇性地腐蝕二氧化硅薄膜。但這一腐蝕過程不能有效地腐蝕存在于OSG膜中的碳和氫。在氧化物腐蝕過程中，分子態(tài)氮(N2)已經(jīng)被加入到三氟甲烷(CHF3)和四氟化碳(CF4)氣體中。在此特定實施例中，氮對總的碳氟化合物的比率被認為是約為1∶2。這一化學(xué)過程進行了剪裁專用于傳統(tǒng)氧化物(氫或碳水平大大低于1原子百分比)的高形狀比窗口。對于典型的有機氧化硅基介質(zhì)，存在的氮的水平可能不足以清除氫和碳。
用舉例的方法描述了本發(fā)明，本發(fā)明不局限于附圖，在這些附圖中，相同的參考號表示相同的元件，其中


圖1示出了制作柵電極之后的部分半導(dǎo)體器件和k值低的介電材料的剖面圖；圖2示出了腐蝕接觸窗口之后的圖1的襯底剖面圖；圖3示出了在窗口中制作導(dǎo)電栓之后的圖2的襯底的剖面圖；圖4示出了制作互連和另一組層間介電層之后的圖3的襯底的剖面圖；圖5示出了制作雙重鑲嵌窗口的通道窗口部分之后的圖4的襯底的剖面圖；圖6示出了制作雙重鑲嵌窗口之后的圖5的襯底的剖面圖；圖7示出了形成基本上完成的器件之后的圖6的襯底的剖面圖。
熟練的技術(shù)人員理解，圖中的元件為簡明而示出，沒有必要按比例繪出。例如，為了有助于理解本發(fā)明的實施例，圖中某些元件的尺度可能相對于其它元件被夸大了。
可以使用各種各樣的絕緣層腐蝕方法。在一組實施例中，用氧化物腐蝕組分、氟清除組分和有機腐蝕組分來腐蝕絕緣層。在另一組實施例中，絕緣層包括至少1原子重量百分比的碳或氫。用氧化物腐蝕氣體和含氮的氣體來腐蝕此絕緣層。在又一組實施例中，絕緣層制作在直徑至少約為300毫米的半導(dǎo)體器件襯底上。用氧化物腐蝕氣體和含氮的氣體來腐蝕此絕緣層。本發(fā)明由權(quán)利要求規(guī)定，在閱讀下列實施例的描述之后，能夠更好地理解本發(fā)明。
圖1示出了工藝中間階段的半導(dǎo)體器件的剖面圖。參照圖1，半導(dǎo)體器件襯底100包括作為源、漏或源/漏區(qū)的摻雜區(qū)102。如本說明書中所用的那樣，半導(dǎo)體器件襯底包括單晶半導(dǎo)體晶片、絕緣體上半導(dǎo)體晶片、或制作半導(dǎo)體器件過程中所用的任何其它襯底。半導(dǎo)體器件襯底的直徑約為200毫米(mm)，當(dāng)然也能夠使用諸如300mm或甚至更大的其它尺寸。柵介電層104覆蓋部分半導(dǎo)體器件襯底100和區(qū)域102。柵電極層106覆蓋柵介電層104，而帽層108覆蓋柵電極106。通常，帽層108包括氮化硅或其它相似的材料。在制作這些元件之后，再在摻雜區(qū)和部分柵電極疊層上制作襯墊層110。襯墊層110通常是氧化物。沿緊鄰襯墊層110的柵電極結(jié)構(gòu)的垂直側(cè)壁部分，制作側(cè)壁間隔112。在此實施例中，側(cè)壁間隔112由氮化硅制成。
然后在襯墊層110和間隔112上制作第一層間介電層114。第一層間介電層114通常是包括氫或氫和碳的氧化硅基材料。通常，氫或碳和氫的原子重量百分比至少約為5％，并可以高達大約20％。在這一水平，氧化硅基薄膜腐蝕明顯地不同于傳統(tǒng)的二氧化硅薄膜。雖然原硅酸四乙酯基(TEOS基)氧化物包括碳和氫，但由TEOS制作的二氧化硅薄膜通常在薄膜中具有比1原子百分比低得多的碳和氫組分。因此，有機氧化硅基薄膜具有高得多的氫和碳水平，例如大約5-20原子百分比的氫或組合的氫和碳。當(dāng)僅僅加入氫時，此薄膜的介電常數(shù)通常在大約2.7-3.5的范圍內(nèi)。若碳和氫二者都加入大約10原子百分比，則介電常數(shù)在大約2.5-2.8的范圍內(nèi)?？梢杂眯糠椒ɑ蚧瘜W(xué)汽相淀積方法來制作第一ILD層114。在制作被整平的第一層間介電層之后，通常制作覆蓋它的帽層116。帽層116通常是二氧化硅薄膜，但若有需要，也可以使用其它薄膜。然后制作光刻膠層120，并在要形成接觸窗口的地方進行圖形化。
執(zhí)行腐蝕以清除部分帽層116、第一ILD層114和襯墊層110，以便形成圖2所示的接觸窗口20。用來腐蝕第一ILD層114的腐蝕化學(xué)成分通常包括至少一種包含碳和氟的物質(zhì)(碳氟化合物物質(zhì))。此腐蝕物質(zhì)主要是用于k值低的介電材料中的氧化硅的氧化物腐蝕劑組分。此外，此腐蝕過程包括用來改善對氮化物的選擇性的氟清除組分和用來腐蝕第一ILD層中的碳和氫的有機腐蝕劑。在一個具體的實施例中，此過程能夠包括作為氧化硅腐蝕劑的八氟丁烯(C4F8)、作為氟清除組分的一氧化碳(CO)、和作為有機腐蝕組分的分子態(tài)氮氣。CO有助于改善對氮化物的選擇性，而氮氣與碳和氫反應(yīng)形成成為氣體的氰化氫(HCN)。
第一ILD層114具有相對帽層108和側(cè)壁間隔112二者中的氮化硅選擇性被腐蝕的能力，致使比較小的(不重要的)部分被清除。利用這一腐蝕的氧化物∶氮化物清除的選擇性通常為至少5∶1，更普通是在大約6∶1-25∶1的范圍內(nèi)。在一個具體的實施例中，八氟丁烯的流速約為每分鐘10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)，一氧化碳流速約為400sccm，而分子態(tài)氮氣的流速約為100sccm。在此具體的實施例中，各個氣體流速被用于直徑為200mm的晶片。若使用不同的晶片尺寸，則一般需要調(diào)整各個流速。簡單的轉(zhuǎn)換可以是將待要腐蝕的襯底的直徑尺寸(單位為毫米)除以200，再取大約1.5-2.5次方。以這種方式，能夠?qū)Ω鞣N晶片尺寸調(diào)整氣體流速。
在其它實施例中，一氧化碳的流速可以被調(diào)整到大約100sccm，而氮氣的流速保持恒定為大約100sccm。在又一個實施例中，一氧化碳和氮氣的流速可以提高到上述流速以上。當(dāng)一氧化碳的流速約為每分鐘500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米，而氮氣約為每分鐘200標(biāo)準(zhǔn)立方厘米時，可以達到高達25∶1的腐蝕選擇性。借助于進一步優(yōu)化氣體流速，有可能得到甚至更高的選擇性。
氮氣對八氟丁烯的氣體比率通常至少約為1∶1，而更普通是在大約5∶1-20∶1的范圍內(nèi)。就一氧化碳與分子態(tài)氮之間的氣體比率而言，希望一份一氧化碳對一份氮氣的氣體流速比率高達至少4∶1。通常，選擇性隨一氧化碳數(shù)量的增加而得到改善。但若氮氣的相對部分相對于一氧化碳被降低太多，則可能降低利用氮氣得到的某些碳氫化合物腐蝕。因此，雖然并不知道一氧化碳對氮氣的比率的下限，但存在腐蝕碳氫化合物太慢的情況。氣體流速和比率之外的所有其它腐蝕參數(shù)應(yīng)該是工業(yè)常規(guī)采用的參數(shù)。
可以使用其它的含氧化硅的物質(zhì)。理想的情況下，氧化硅腐蝕物質(zhì)應(yīng)該不具有氫原子。例子包括四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、六氟丙烯(C3F6)、和八氟戊二烯(C5F8)。氧化硅腐蝕物質(zhì)仍然可以包括某些氫，例如三氟甲烷(CHF3)。
在其它實施例中，若氮化物層108和112足夠厚，則可以不要求一氧化碳腐蝕ILD層114。在這些特定的實施例中，可以僅僅使用碳氟化合物腐蝕物質(zhì)和分子態(tài)氮氣。此時，碳氟化合物對氮氣的比率應(yīng)該至少為1∶1，而通常在5份氮氣對1份碳氟化合物直到大約20份氮氣對1份碳氟化合物的范圍內(nèi)。在再一個實施例中，可以用氧化亞氮(N2O)代替一氧化碳和氮氣中的一個或二者。若使用氧化亞氮，則可以是相似于一氧化碳的氟清除劑。由于當(dāng)N2O分裂時應(yīng)該存在氮，故有可能等離子體中的氮可以是有機腐蝕劑，與氧化硅基材料中的碳和氫反應(yīng)。
雖然沒有發(fā)現(xiàn)，但這些典型提供的腐蝕過程中的每一個也將包括諸如氬、氦、氖之類的稀有氣體。根據(jù)工藝工作室動力學(xué)，惰性氣體有助于控制工作室壓力、補償停留時間、和改善腐蝕速率均勻性。
可以用與腐蝕第一ILD層114相同的腐蝕過程，或用更傳統(tǒng)的氧化物腐蝕過程，來腐蝕帽層116和氧化物襯墊層110。
在另一個實施例中，可以執(zhí)行多個步驟來產(chǎn)生接觸窗口20。在一個實施例中，可以與氮氣組合使用適當(dāng)?shù)奶挤衔镂镔|(zhì)來腐蝕大部分帽層116和第一ILD層114，然后接近腐蝕終點，此過程被轉(zhuǎn)換成可以包括低的氟對碳比率氣體、氮和一氧化碳的選擇性化學(xué)成分。
然后如圖3所示，在接觸窗口中制作接觸栓30。用勢壘膜32和導(dǎo)電填充材料34來制作接觸栓。在一個特定的實施例中，勢壘膜32包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、其它難熔金屬、它們的相應(yīng)氮化物、或它們的組合。導(dǎo)電填充材料34通常是鎢，但在某些實施例中也可以使用鋁或銅。
如圖4所示，借助于制作第二ILD層400和制作接觸導(dǎo)電栓的互連溝槽，來制作第一互連層。第二ILD層400通常由相似于第一ILD層114的材料制作。在用對腐蝕第一ILD層114所述的任何一種腐蝕條件對第二ILD層400進行腐蝕之后，用勢壘膜412和導(dǎo)電填充材料414填充互連溝槽。如圖4所示，在拋光之后就形成互連410。勢壘膜412可以是對勢壘膜32列出的材料中的任何一種或多種。在此特定的實施例中，導(dǎo)電填充材料414通常是銅、鋁、鎢之類。
制作第二組薄膜，用來形成要制作的雙重鑲嵌窗口。制作氮化物帽層420以便保護互連410中的銅414。相繼制作第三ILD層422和腐蝕停止層424、第四ILD層426、和帽層428。帽層428相似于圖1所述的帽層116。層間介電層422和426相似于關(guān)于第一層間介電層114所述的層間介電層。通常，層420和424是絕緣層。腐蝕停止層424通常由諸如氮化硅之類的氮化物層制成，而帽層420也由氮化硅之類制成。然后制作光刻膠層430，并對應(yīng)于雙重鑲嵌窗口的通道的形狀進行圖形化。
參照圖5，然后執(zhí)行腐蝕以產(chǎn)生延伸穿過層422-428的通道52部分。腐蝕停止于帽層420以防止發(fā)生可能的通道覆蓋物形成。若形成通道部分52過程中所用的等離子體腐蝕延伸到與導(dǎo)電填充材料414相接觸，則能夠形成通道覆蓋物。前面關(guān)于第一ILD層114所述的腐蝕過程，可以用來腐蝕層422和426。當(dāng)腐蝕通過氮化物腐蝕停止層424時，腐蝕過程將改變，且在達及帽層420之前可能改變。
在清除光刻膠層430之后，在帽層428上制作另一個光刻膠層64并進行圖形化以對應(yīng)于互連窗口。參照圖6，然后執(zhí)行腐蝕以形成包括互連溝槽部分62和通道部分52的雙重鑲嵌互連窗口60。通常執(zhí)行腐蝕來清除帽層428和第四ILD層426，停止于腐蝕停止膜424。腐蝕的后續(xù)部分使用氮化物腐蝕過程來清除雙重鑲嵌窗口中的腐蝕停止膜424和帽層420。由于帽層420和腐蝕停止層424的腐蝕是在比氧化物腐蝕更低的功率下進行的，故減小了通道覆蓋物形成的可能性。
工藝?yán)^續(xù)進行以形成圖7所示的基本上完成的器件。首先制作勢壘膜72，隨之以形成導(dǎo)電填充材料74。此時可以使用為用于互連410而列出的各種材料。拋光步驟被用來清除位于雙重鑲嵌窗口外面的部分膜72和材料74。這就形成了圖7所示的互連70。然后在最上層互連上制作鈍化層76以形成基本上完成的器件。
本發(fā)明的各個實施例包括許多好處。最大的好處之一是能夠得到k值低的氧化硅基的含有機物的材料的合理的腐蝕速率。碳氟化合物和含氮的腐蝕過程的組合使得能夠腐蝕氧化硅和碳氫化合物二者。來自碳氟化合物的氟還腐蝕二氧化硅，含氮的材料使得能夠腐蝕k值低的介電材料中的碳氫化合物材料。一氧化碳的加入有助于對其它層特別是氮化硅的選擇性。相信一氧化碳清除了等離子體中的自由氟，從而有助于選擇性。更確切地說，當(dāng)使用諸如八氟丁烯之類的化合物時，等離子體能夠產(chǎn)生自由氟和碳氟聚合物二者。一氧化碳有助于清除自由氟，同時使等離子體中的氟碳聚合物成為鈍化劑。
通常，在含氧化硅的材料的腐蝕過程中釋放的氧有助于釋放連續(xù)腐蝕含氧化硅的薄膜組分所要求的自由氟。但由于氧不以獨立物質(zhì)的形式被引入，故只有存在于等離子體中的氧是含氧化硅的材料組分的腐蝕過程中釋放的氧。當(dāng)?shù)飳颖桓g時，將不形成氧。因此，一氧化碳清除存在的自由氟，且不再存在氧來使八氟丁烯進一步分裂成過量的自由氟。
在上述說明中，已經(jīng)參照具體實施例描述了本發(fā)明。但本技術(shù)領(lǐng)域的一般熟練人員理解，能夠作出各種各樣的修正和改變而不超越下列權(quán)利要求所述的本發(fā)明的范圍。因此，本說明書和附圖被認為是示例性的而不是限制性的，且所有這些修正被認為包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
上面根據(jù)具體的實施例已經(jīng)描述了好處、其它的優(yōu)點和問題的解決方法。但此好處、優(yōu)點、問題的解決方法、以及可能引起任何好處、優(yōu)點、或解決方法發(fā)生或變得更明顯的任何因素，都不構(gòu)成任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵的要求的或主要的特點或因素。如此處所用的那樣，術(shù)語“包含”、“含有”、或它們的任何其它變種，被認為覆蓋了非排他性的內(nèi)含，使包含元件清單的工藝、方法、物件、或裝置，不僅包括這些元件，而且可以包括沒有特意列出或這些工藝、方法、物件或裝置固有的其它的元件。
權(quán)利要求
1．一種用來腐蝕絕緣層(114、400、422、416)的工藝，其特征是在襯底(100)上制作絕緣層(114、400、422、416)；以及用氧化物腐蝕組分、氟清除組分和有機腐蝕組分，對絕緣層(114、400、422、416)進行腐蝕。
2．權(quán)利要求1的工藝，其中的氧化物腐蝕組分包括碳和氧。
3．權(quán)利要求1的工藝，其中氧化物腐蝕組分是碳氟化合物材料；氟清除組分是一氧化碳；而有機腐蝕組分是分子態(tài)氮。
4．一種用來制作半導(dǎo)體器件的工藝，其特征是在直徑至少約為300毫米的半導(dǎo)體器件襯底(100)上，制作絕緣層(114、400、422、416)；以及用氧化物腐蝕氣體和含氮的氣體，對絕緣層(114、400、422、416)進行腐蝕。
5．一種用來腐蝕絕緣層(114、400、422、416)的工藝，其特征是在襯底(100)上制作絕緣層(114、400、422、416)，其中的絕緣層(114、400、422、416)包括至少1原子重量百分比的選自碳和氫所構(gòu)成的組中的元素；以及對絕緣層(114、400、422、416)進行腐蝕，其中用氧化物腐蝕氣體和含氮的氣體來執(zhí)行腐蝕。
6．權(quán)利要求4或5的工藝，其中含氮的氣體對氧化物腐蝕氣體的分子比率在大約5∶1-20∶1的范圍內(nèi)。
7．權(quán)利要求1、2、3、4或5的工藝，其中絕緣層中的氫和碳的總原子百分比濃度在大約5-20％的范圍內(nèi)。
8．權(quán)利要求1、2、3、4或5的工藝，其中含氮層(420)位于絕緣層(422)下方；腐蝕過程在絕緣層中確定窗口，且一直執(zhí)行到氮化物層(420)被暴露。
9．權(quán)利要求8的工藝，其中含金屬的材料(414)位于含氮層(420)下方；且對含氮層(420)進行腐蝕，直到含金屬的材料(414)被暴露，其中在此過程中，沿絕緣層(422)暴露的側(cè)壁表面不形成明顯的含金屬材料(414)的部分。
10．權(quán)利要求1、2、3、4或5的工藝，其中絕緣層(114、400、422、426)的介電常數(shù)小于大約3.5。
全文摘要
多種腐蝕絕緣層(114、400、422、426)的方法。在一組實施例中,用氧化物腐蝕組分、氟清除組分和有機腐蝕組分來腐蝕。在另一組實施例中,絕緣層(114、400、422、426)包括至少1原子重量百分比的碳或氫。用氧化物腐蝕氣體和含氮的氣體來腐蝕此絕緣層。在又一組實施例中,絕緣層(114、400、422、426)被制作在直徑至少約為300毫米的半導(dǎo)體器件襯底(100)上。用氧化物腐蝕氣體和含氮的氣體來腐蝕絕緣層(114、400、422、426)。
文檔編號H01L21/768GK1288253SQ00127000
公開日2001年3月21日 申請日期2000年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月13日
發(fā)明者格尼西·拉佳格帕蘭 申請人:摩托羅拉公司