專利名稱：包括對低介電常數材料進行非原位背側聚合物去除的等離子體電介質蝕刻處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括對低介電常數材料進行非原位背側聚合物去除的等離 子體電介質蝕刻處理。
背景技術：
集成電路性能正通過增大器件開關速度、增大互連密度和減小相鄰導 體之間的串擾而得到持續(xù)的改進。通過采用介電常數低的新的電介質薄膜 材料(諸如多孔摻雜碳的二氧化硅)已經增大開關速度和減小串擾。通過 增大互連的導電層的數量和減小特征尺寸(例如，線寬、孔直徑)己經增 大互連。這些深層之間的連接導致了高的高寬比(深且窄)的導體開口或 者"過孔"。這些變細的特征已經要求(用于光刻的)光刻膠能適于更短 的波長。該光刻膠趨于在電介質蝕刻處理過程中更薄并更易于形成諸如針 孔或者條紋的缺陷。此問題通過在電介質層間絕緣膜的等離子體蝕刻過程 中采用氟碳化學物質來解決，以為了在光刻膠上沉積保護性氟碳聚合物。 該聚合物必須在蝕刻處理之后從晶片去除以為了避免污染此后必須在晶片 上執(zhí)行的處理步驟。因而，執(zhí)行蝕刻后聚合物去除步驟。然而，在蝕刻后 聚合物去除步驟中，難以去除所有沉積的聚合物。這是因為一些聚合物穿 過晶片邊緣和在晶片基座外圍處的環(huán)圈處理工具之間的間隙，堆積在外圍
的晶片背側上。要求該間隙避免與靜電夾盤(ESC)的干擾，該靜電夾盤 將晶片有力地夾持到經冷卻的表面以滿足等離子體蝕刻處理的溫度控制要 求。在蝕刻后聚合物去除步驟過程中，晶片的邊緣至環(huán)的圈間隙太窄使得 等離子體不能穿過并從晶片背側去除聚合物。因而，對此問題的傳統解決 方法已經在蝕刻后聚合物去除步驟中采用氧等離子體以氧化含碳材料(諸 如聚合物和光刻膠)，隨后將晶片浸入液態(tài)HF酸中。此步驟能采用單獨的相對不貴的"灰化"室，該室具有被加熱的且并晶片溫度(例如，300
或者更高的度數)比較高的晶片支撐基座和簡單的遠程等離子體源。此處 理不會損害諸如二氧化硅的傳統的電介質材料(其為堅固的材料)。然 而，該氧化處理會對諸如多孔摻雜碳的二氧化硅的更新的介電常數低的絕 緣體材料造成災難性的損害。蝕刻后清潔步驟的氧化化學物質從摻雜碳的 二氧化硅電介質材料去除碳，碳最終被來自大氣的水置換。這極大地增大 了絕緣體的介電常數，從而消除了其主要優(yōu)點。這種損害作為在輪廓圖像 中觀察到的電介質層側壁的底切而明顯。此底切在蝕刻后清潔步驟之后將
晶片浸入稀的酸中時出現。另一問題是根據我們的調查，即使在60秒之 后，這種氧化處理也不會完全去除背側聚合物。
因而，需要一種從晶片背側完全和快速地去除聚合物的方法，該方法 不需要任何額外的處理時間且不損害介電常數低的絕緣體材料。

發(fā)明內容
通過在工件上執(zhí)行氟碳基蝕刻處理以蝕刻電介質層的露出部分同時在 光刻膠掩膜上沉積保護性氟碳聚合物來在蝕刻反應器中首先執(zhí)行用于使用 光刻膠掩膜蝕刻多孔摻雜碳氧化硅電介質層的等離子體蝕刻處理。然后， 在灰化反應器中，通過將工件加熱超過IO(TC來去除聚合物和光刻膠，露 出所述工件的背側的外圍部分，并提供來自氫處理氣體的等離子體的產品 以在所述工件上還原在聚合物和光刻膠中包含的碳，直到聚合物已經從所 述工件的背側去除。處理氣體優(yōu)選包含氫氣體和水蒸氣兩者，不過主要成 分是氫氣體。晶片(工件)背側可以通過延伸晶片升降銷露出。


圖1是示出根據本發(fā)明的處理的方框流程圖。
圖2示出由圖1的處理形成的器件。
圖3示出用于執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選等離子體蝕刻反應器。
圖4A示出了在灰化室中執(zhí)行的本發(fā)明的處理步驟。
圖4B示出了在其中無需延伸升降銷就露出晶片背側邊緣的可選實施例中在灰化室中執(zhí)行本發(fā)明的處理步驟。
圖5是示出在本發(fā)明中獲得的聚合物厚度的徑向分布(平坦線)和在 聚合物去除步驟之前獲得的聚合物厚度的徑向分布(曲線)。
圖6示出了根據本發(fā)明又一方面的處理系統。
具體實施例方式
本發(fā)明基于我們對低介電常數材料的蝕刻處理的發(fā)現，該蝕刻處理包 括蝕刻后聚合物去除步驟，該蝕刻后聚合物去除步驟徹底地去除背側聚合 物和光刻膠兩者，且不對低介電常數的絕緣體層(例如，多孔摻雜碳二氧
化硅或者多孔有機硅酸鹽材料)造成一點損害，并在小于60秒的時間內 完成。圖1示出了根據本發(fā)明的蝕刻處理，圖2示出了能使用圖1的處理 形成的薄膜結構的一個示例。圖2中示出的光刻膠掩膜IO沉積在電介質 層12上，該掩膜10具有與在電介質層12中要蝕刻的特征18相對應的孔 徑10a。這對應于圖1的方框16的步驟。該特征可以是窄過孔18。過孔 18延伸穿過電介質層12并穿過阻擋層20以露出銅線22的頂表面。電介 質層是諸如多孔摻雜碳二氧化硅的低介電常數材料。阻擋層20可以是碳 化硅。在圖1的方框24的步驟中，通過使用含氟碳處理氣體蝕刻掉電介 質材料12的虛線以上的部分來形成圖2的過孔18。在等離子體蝕刻反應 器(諸如，具有在蝕刻晶片28的圖3中示出的類型的電容耦合等離子體 蝕刻反應器)中執(zhí)行此步驟。圖3的蝕刻反應器具有側壁30、由氣體板 32a供應并被RF等離子體源功率產生器33a通過阻抗匹配33bRF驅動的頂 置電極/氣體噴頭32、具有內電極36的靜電夾盤34，其被D.C.夾持電壓控 制器36a控制并被RF偏置產生器37a通過阻抗匹配37b驅動、和在晶片 28的延伸超過夾盤34的外圍部分下面的環(huán)圈38或者處理工具。圈38和 晶片28的背側之間的間隙39防止當D.C.夾持電壓被施加到電極36時靜 電夾盤34的晶片夾持功能與圈38的干擾。在圖1的方框24的蝕刻步驟過 程中，氟碳處理氣體分裂成簡單的氟碳蝕刻物種和更重或者富碳聚合物形 成物種，這些物種在圖2的光刻膠IO上形成保護層11。聚合物形成物種 行進穿過晶片一圈間隙以在晶片28的背側上形成環(huán)形背側聚合物層40。在接下來的步驟圖2的方框42中，晶片28從圖3的蝕刻室移除并置 于圖4A所圖示的灰化室29中。圖4A的灰化室29的主要區(qū)別是它具有被 加熱的晶片支撐50，并被設計成將晶片加熱到非常高的溫度(例如，400 °C)和高的壓力(例如，幾Torr)，并采用遠程等離子體源54作為手 段。(相反，圖3的蝕刻室必須將晶片冷卻到精確的溫度以獲得可接受的 蝕刻性能，因而必須采用靜電夾盤34以將晶片夾持到被冷卻的表面，夾 盤34通常僅僅能將晶片加熱到6(TC，反應器在非常低的壓力下(在毫托 范圍中)工作)。圖4A的灰化室在晶片支撐50內具有加熱器52以能將 晶片28加熱到幾百"C。遠程等離子源54從由處理氣體供應56提供的處理 氣體產生等離子體。晶片28可以由傳統的升降銷58提升和下降到支撐50 上。圖4A的灰化室是傳統的。圖4A中圖示的偏置功率產生器37a和阻抗 匹配37b以及電極36是可選的而非灰化室必需的。在可選的模式中，可 以采用圖4B的灰化室來代替圖4A的灰化室。圖4B的灰化室和圖4A不 同之處在于在圖4B中晶片支撐50的直徑小于晶片28的直徑，使得晶片 背側的外圍露出而不必使升降銷延伸。圖4B的室是傳統的，并可不必包 括SESC電極36和偏置功率產生器37a或者匹配37b。當使用圖4B的修 改的灰化室時，可以消除延伸升降銷的方框44c的步驟。
在接下來的步驟圖1的方框44中，去除圖3的背側聚合物膜40和圖 2的光刻膠掩膜10。此步驟如下開始升降銷58收縮將晶片28置于被加 熱的晶片支撐50上使得晶片28接觸晶片支撐50，然后將晶片28加熱到 非常高的溫度(例如，200 — 300度C)(對應于圖1的方框44a的步 驟)。接著，在方框44b的步驟中，氫氣體和水蒸氣引入遠程等離子體源 54中，并且等離子體體RF源功率(7500瓦特量級)被施加到遠程等離子 體源(RPS)以產生等離子體。來自RPS54的等離子體產品(例如，中性 的粒子)到達灰化室29的內部并形成其中聚合物被還原(而不是被氧 化)因而從晶片去除的環(huán)境。還原劑是氫。優(yōu)選地，在氫處理氣體中包括 水蒸氣，因為已經發(fā)現添加水比進一步添加氫，室中自由氫的數量增大更 多。我們已經觀察到此隨著水蒸氣的添加氫線數量(hydrogen line magnitude)不成比例增大?；一抑袣涞脑黾釉龃罅司酆衔锉贿€原的比率。接下來的步驟(圖1的方框44c)是使升降銷58延伸以將晶片提升到 晶片支撐50的上方，由此露出晶片的背側。以非常短的時間段(例如， 60秒)執(zhí)行此步驟，在此時間段期間，所有的背側聚合物膜40被完全去 除。本發(fā)明發(fā)現在灰化反應器29中可以采用還原化學物質(例如，氫 基)以在小于60秒的時間中完全去除背側聚合物和光刻膠。明顯地，處 理氣體中的氫通過形成氫碳化合物還原聚合物中的碳，但是很少還原或者 不還原多孔摻雜碳二氧化硅電介質材料(圖2的絕緣層12)中的碳。
我們已經發(fā)現方框44a的晶片加熱步驟是重要的，因為在更低的晶片 溫度下，聚合物去除處理需要更長的時間，在此時間期間對圖2的電介質 常數絕緣層12的損害增大超過可以忽略的水平。
另一驚訝之處是發(fā)現還原或者氫基化學物質比傳統的氧化化學物質更 徹底和快速地去除背側聚合物。在圖5的曲線圖中圖示了我們對兩個不同 晶片的背側聚合物厚度的測量。圖5的陡的曲線表示在執(zhí)行聚合物去除步 驟之前晶片的狀況，并表示在60秒氧化蝕刻步驟之后仍殘留有大量背側 聚合物。在圖1的方法中獲得圖5的平坦的曲線，在該方法中在灰化反應 器29中采用還原化學物質，該曲線表示完全去除所有背側聚合物。因 而， 一個驚訝的結果是還原化學物質比氧化化學物質更快速地起作用。另 一驚訝的結果是還原化學物質對低介電常數絕緣體材料12沒有造成看得 見的損害(而氧化化學物質會對低介電常數絕緣體材料造成災難性損 害)。在我們的調查中通過執(zhí)行電介質蝕刻步驟，然后執(zhí)行背側聚合物去 除步驟，最終將晶片浸入稀的HF中來確定對多孔慘雜碳的二氧化硅電介 質薄膜的損害。此后，獲得蝕刻輪廓的掃描的電子顯微鏡圖像。對于使用 傳統的氧化蝕刻后聚合物去除技術處理的那些晶片，蝕刻輪廓圖像揭示了 蝕刻結構的底切較大。然而，對于其中蝕刻后背側聚合物去除步驟采用還 原化學物質的那些晶片，在蝕刻輪廓的SEM圖像中可以看見對多孔摻雜 碳二氧化硅非常小的底切或者損害，底切不超過2nm或者更小(可忽略的 量)。此步驟在去除碳基膜方面很徹底和有效，使得在與背側聚合物去除 的同時去除所有光刻膠。
在方框42的步驟中轉移晶片28的一個優(yōu)點是在執(zhí)行每個蝕刻步驟之刻反應器的內部的機會。可以使用從室內表面快速蝕 刻聚合物的含等離子體的物種(氧或者氨或者其它)來執(zhí)行清潔。這種介 入的室清潔步驟的優(yōu)點是在隨后蝕刻步驟期間來自前次蝕刻步驟的聚合物
將不會堆積在室中釋放氟或者其它材料。因而，在方框42的步驟完成晶 片轉移時，在方框46的步驟中清潔蝕刻室。
采用本發(fā)明不僅解決了在存在低介電常數絕緣體膜的情況下去除背側 聚合物的問題，而且還將蝕刻生產率增大至三倍或者四倍且資金費用不會 成比例地增大。在傳統實踐中，整個等離子體蝕刻處理開始于在蝕刻反應 器中蝕刻穿過電介質材料以形成過孔或者溝槽(例如)的主歩驟，并結束 于在灰化反應器中去除光刻膠和聚合物，共花費時間400秒，其中在灰化 反應器中用去160秒，其余時間(240秒)用在蝕刻反應器中。聚合物和 光刻膠去除步驟用去小于60秒并可能用去小達40秒的時間的發(fā)現可以3 倍或者4倍增大整個蝕刻生產率，且資金費用增大較小。圖6圖示了這是 如何完成的。在單個設備中，中央晶片轉移單元100耦合到具有圖4中示 出的類型的一個灰化反應器102和具有圖3中示出的類型的三個或者四個 蝕刻反應器104a、 104b、 104c、 104d。圖6的設備是根據以下工序來操作 的在由四個蝕刻反應器104執(zhí)行的單個蝕刻步驟的240秒時間期間，灰 化反應器在之前被四個蝕刻反應器104處理的四個不同的晶片上依次執(zhí)行 背側聚合物和光刻膠去除，并在蝕刻反應器104中同時執(zhí)行的240秒蝕刻 處理結束時，在由四個蝕刻反應器處理的當前組的四個晶片上，灰化反應 器102準備重復相同的任務。
在方框44的背側聚合物去除步驟的一個示例中，7500瓦特的RF源功 率施加到灰化反應器29 (圖4)的遠程等離子體源54，而在灰化反應器室 壓力是3Torr的同時，7500sccm的氫氣體和350sccm水蒸氣供應到 RPS54。 一般地，處理氣體(從該處理氣體RPS54產生等離子體)主要是 純氫氣體，該氫氣體的至少一部分分裂成自由氫。水蒸氣含量是處理氣體 的氫含量的一小部分，并被調節(jié)到使氣體的自由氫含量最大，這可以由發(fā) 光光譜來顯示。水蒸氣流率通常僅僅是進入RPS54或者等離子體產生區(qū)域 的氫氣體流率的一小部分，小達氫流率的十分之一或者二十份之一 (如在以上的示例中)?？梢詮奶幚須怏w消除水蒸氣，不過這樣的選擇不是優(yōu)選 的。
權利要求
1. 一種等離子體蝕刻處理，包括提供具有多孔摻雜碳二氧化硅電介質層的工件；在所述工件的表面上限定光刻膠；在蝕刻反應器中在所述工件上執(zhí)行氟碳基蝕刻處理，以蝕刻所述電介質層的露出部分，同時在所述光刻膠掩膜上沉積保護性氟碳聚合物；將所述工件轉移到灰化反應器中，并在所述灰化反應器中將所述工件加熱超過100℃；露出所述工件的背側的外圍部分；并且提供來自氫處理氣體的等離子體的產品以在所述工件上還原聚合物合格光刻膠，直到所述聚合物已經從所述工件的背側去除。
2. 根據權利要求1所述的處理，其中，所述氫處理氣體包含純氫。
3. 根據權利要求1所述的處理，其中，所述氫處理氣體包含氫氣體和 水蒸氣兩者。
4. 根據權利要求1所述的處理，其中，露出所述晶片的背側的外圍部 分的步驟包括在所述灰化反應器的晶片支撐中延伸升降銷以提升所述晶片 并露出所述晶片的背側。
5. 根據權利要求1所述的處理，其中，露出所述晶片的背側的外圍部 分的步驟包括在所述灰化反應器中提供直徑小于所述晶片直徑的晶片支 撐。
6. 根據權利要求1所述的處理，其中，執(zhí)行提供來自氫處理氣體的等 離子體的產品以還原聚合物的步驟，直到所有聚合物己經從所述工件的背 側去除。
7. 根據權利要求1所述的處理，其中，執(zhí)行提供來自氫處理氣體的等離子體的產品以還原聚合物的步驟，直到所有聚合物家和光刻膠已經從所 述工件的背側去除。
8. 根據權利要求1所述的處理，還包括通過使氫氣體以第一流率和水蒸氣以第二流率流入等離子體產生區(qū)域中來產生所述等離子體，其中，所 述第一流率超過所述第二流率。
9. 根據權利要求8所述的處理，其中，所述第一流率是所述第二流率 的十倍多。
10. 根據權利要求8所述的處理，其中，所述第一流率是所述第二流 率的二十倍多。
11. 根據權利要求8所述的處理，其中，所述等離子體產生區(qū)域包括 耦合到所述灰化反應器的遠程等離子體源，并且使氫氣體和水爭取流入等 離子體產生區(qū)域的步驟包括使它們流入所述遠程等離子體源。
12. 根據權利要求l所述的處理，其中，還包括在將所述工件轉移到所述灰化反應器之后，在所述蝕刻反應器中執(zhí)行 等離子體清潔步驟，以從所述蝕刻反應器的內室表面去除聚合物。
13. —種等離子體蝕刻處理，包括提供多個工件，每個所述工件具有摻雜碳的氧化硅電介質層；在每個所述工件的表面上限定光刻膠掩膜；在多個蝕刻反應器中在各個所述蝕刻反應器中在各個所述工件上同時執(zhí)行氟碳基蝕刻處 理，以蝕刻各個所述電介質層的露出部分，同時在各個所述光刻膠掩膜上 沉積保護性的氟碳聚合物；在灰化反應器中，在所述多個工件的相繼工件上在不超過在每個蝕刻反應器中執(zhí)行所述氟碳基蝕刻處理所需的時間窗中執(zhí)行以下步驟 將所述工件加熱超過100 °C; 露出所述工件的背側的外圍部分；并且提供來自氫處理氣體的等離子體的產品以在所述工件上還原聚合物和 光刻膠，直到所述聚合物已經從所述工件的背側去除。
14. 根據權利要求13所述的處理，其中，在所述灰化反應器中執(zhí)行的步驟被執(zhí)行，同時在所述多個蝕刻反應器中在相繼組的多個所述工件上同 時重復所述蝕刻處理。
15. 根據權利要求13所述的處理，其中，所述氫處理氣體含有純氫。
16. 根據權利要求13所述的處理，其中，所述氫處理氣體含有氫氣體 和水蒸氣兩者。
17. 根據權利要求13所述的處理，其中，露出所述晶片的背側的外圍部分的步驟包括在所述灰化反應器的晶片支撐中延伸升降銷以提升所述晶 片，并露出所述晶片的背側。
18. 根據權利要求13所述的處理，其中，露出所述晶片的背側的外圍 部分的步驟包括在所述灰化反應器中提供直徑小于所述晶片直徑的晶片支 撐。
全文摘要
通過在工件上執(zhí)行氟碳基蝕刻處理以蝕刻電介質層的露出部分同時在光刻膠掩膜上沉積保護性氟碳聚合物來在蝕刻反應器中首先執(zhí)行用于使用光刻膠掩膜蝕刻多孔摻雜碳氧化硅電介質層的等離子體蝕刻處理。然后，在灰化反應器中，通過將工件加熱超過100℃來去除聚合物和光刻膠，露出所述工件的背側的外圍部分，并提供來自氫處理氣體的等離子體的產品以在所述工件上還原在聚合物和光刻膠中包含的碳，直到聚合物已經從所述工件的背側去除。處理氣體優(yōu)選包含氫氣體和水蒸氣兩者，不過主要成分是氫氣體。晶片(工件)背側可以通過延伸晶片升降銷露出。
文檔編號H01L21/311GK101421829SQ200780013193
公開日2009年4月29日 申請日期2007年4月7日 優(yōu)先權日2006年4月11日
發(fā)明者因扎吉特·拉西里, 布萊恩·西-元·施赫, 格拉多·A·戴戈迪諾, 譚-迪恩·蘇, 阿施克·K·辛哈 申請人:應用材料公司