TW494492B - Method and composition for dry etching in semiconductor fabrication - Google Patents

Description

本菸日s 3 — 赞明領域 法，；：：：；於-種改善光阻與I 將體積體電路（IC)時备 大的改盖2/、F4的蝕刻氣體混合物内 底之蝕刻選擇性的方 下游微波乾剝離用。 ’對於選擇性有相當 在半 基底上 晶圓上 成所需 做成。 (Cl2)， 名虫刻 住不會 來做去 成不同 化）。 _ 州议伸丁 ¥體I C製造中，如電晶 形成，一般是用矽所做 的金屬層蝕刻掉，可以 的電路。這些金屬層一 傳統的金屬蝕刻劑通常 而蝕刻劑包含BC13/C12 層堆疊經去除處理，移 被蝕刻到的層堆疊區的 除處理。在該元件中， 的氧自由基，以及離子 背景 &的TL件是在半導體晶圓或 成的。金屬互連線從沉積名 5 f將元件轉合在一起，死 般是用鋁，銅，或鋁合金所 6 3詞'銘具有高選擇性的氯，HC 1 /Γ1 /L12，BC13/C12/SF6。 ，先所加到金屬蝕刻上覆蓋 。可以用電漿離子化器 才2激發成電漿，把〇2解離 物’而將光阻離子化（灰燼 將问廷擇性的含氟氣體 的離子化速率，π θ π 礼弘水中，不只是增加光 、十’而且退加強對聚合物沾 少量的CF4 命將/ 了 κ σ物的去除。即使是加 4 ” ％兒漿，很明顯的也合右鲈一 理由是，CF合士 ^ ^ i 9有軚问的離子化速率離子化速率。對较队—a ^ j虱辰度，加強光阻的 、 士移除在金屬钱刻處理時戶斤犯&取入仏十 說，已知眉工At 才所形成聚合物來 '、子^'的氟是最有效的化學物杯 聚合物是古疮子物貝。既然這也複- 疋円度的非揮發性以及钱刻阻止性，使用0

494492 五、發明說明（2) 02/N2，02/H20，02/Ν2/Η20當蝕刻氣體的〇2電漿，對移除這些 聚合物來說，是沒有效的。常常無法完全移除這些物質， 即使是用更強的化學溶劑。複合聚合物或側壁聚合物通常 會在钱刻層堆疊的垂直壁上形成。這些聚合物是複合的副 產物，包含碳（比如從光阻來的），金屬，氧化物，矽酸 鋁，以及氟碳化物。複合聚合物形成對抗通孔側壁的屏 障，是很難被移除的。 雖然有一些優點，但是主要的缺點是與氟化學有關。由 於高反應性氟物質的特性，加上02電漿的CF4不僅會钱刻掉 目標光阻，而且還會攻擊阻障層以及下方的材料，如T i， T i N，T 1 W與S 1 02。這些材料的過度損失造成光阻蝕刻選擇 性的大幅降低。因此，用最小下挖來移除光阻與複合聚合 物，仍是成功製程發展的關鍵因素。 發明摘要 本發明有一部分是基於，在微波去除器中發現到，用包 含〇2，含氟氣體，以及N2的蝕刻氣體混合物，對光阻與側 壁聚合物的乾蝕刻，可以展現出高度的選擇性。特別的 是，已知N2氣加到o2/cf4電漿中，會造成光阻相對於阻障 層與下方材料的選擇性大中幅升高。 其中的一個特點是，本發明是提供一種從半導體晶圓移 除光阻的方法，包含有以下步驟： 將該晶圓安置在處理室中，其中該晶圓包含有光阻； 加入有效量的蝕刻氣體混合物到處理室内，包含02，含 氟氣體，以及N2 ;以及

第5頁 494492 五、發明說明（3) 利用微波輻射以及電漿，分解該蝕刻氣體混合物，使被 分解的氣體與光阻反應。 本發明的另一特點是提供一種處理半導體晶圓的方法， 該半導體晶圓包含有光阻層與複合聚合物，在金屬蝕刻處 理後包含以下的步驟： 在金屬蝕刻處理後，將該半導體晶圓安置在電漿反應室 中；以及 利用包含〇2，含氟氣體，以及N2的#刻氣體混合物，處 理該半導體晶圓。 本發明的進一步特點是提供一種電漿處理系統的方法， 包含真空室，微波輻射源，以及蝕刻氣體組成，利用對金 屬阻障層與氧化層的最小下挖量，以便從半導體晶圓堆疊 上，乾蝕刻掉光阻，該蝕刻氣體組成包含02，含氟氣體， 以及N2。 在較佳實施例中，半導體晶圓包含下方氧化層以及金屬 阻障層，而且加入N2，以降低下方氧化層以及金屬阻障層 的触刻速率。 圖式簡單說明 圖1顯不層狀堆豐的剖不圖’代表在一般的半導體1C製 造時，在金屬蝕刻處理之後而在去除處理之前，所形成的 各層； 圖2是微波電黎去除器的簡化示意圖，適合與本發明的 去除技術一起使用； 圖3與圖4分別顯示出力口入N2或1〇到〇2/CF4蝕刻混合物

第6頁 494492 五、發明說明（4) ΐ鄉對光阻去除速率以及對阻障層與氧化層的蝕刻速率的 影響；以及 ^與圖6分別顯示加入I或⑼到ΜΑ钱刻混合物後， 、光阻/氧化物以及對光阻/TiN選擇性的影響。 較佳實施例的詳細說明 圖1顯示層狀堆疊100的剖示圖’代表在一般基底處理 :’所形成的各層，比如要製造積體電路或平面顯示器。 二^員不在傳統金屬蝕刻處理完成之後而且在鈍化與去除 盆 m且要左思的疋，也可以有其它層在其 丄/、下’或其間。而且，不是所有顯示出來的各層都是 必：：，而且有一些或全部可以用其它不同層來構成。 β在層狀堆疊100的底部，有基底102，-般是由矽構成。 :化：104在基底1〇2上形成，一般是由構成。如上所 它層（未顯示）可以穿插到基底1〇2與氧化層1〇4之 严曰。一層或多層的阻障層1〇6 一般是用Ti ，TiN，τπ或苴 它適當的阻障材解所m > 紀a η π。 十斤構成，可以加在氧化層1 0 4與沉積金 屬層1 0 8之間。告右Hg防_ /Λ ^ ^ 田有阻ρ早層1 0 6時，其作用是在阻止矽原子 從氧化層1 〇 4擴散到、、γ社人 f月艾㈤，儿積金屬層！ 〇 8中。 金屬層1 0 8 '一般0冬柏 匕3鎢，鋁或其中一種已知的鋁合金， 比士口 A 1 - C u » A 1 - S 1 -ν' λ 1 ^ + ，θ > 1 ^AbCu-Si。為方便起見，金屬層108 在此是指鋁層，雖妙、& 、要了解的是，可以使用任何上述的鋁 :—層狀堆叠中剩下的二層包含反射塗佈（ARC)層1 10 與覆盍光阻（PR) A a人叩 々ii2 ，是在金屬層108上形成。ARC層110 一般包含Ti N，Ti w十、甘 w或其它適當的材料，能幫助光線（比如

494492 五、發明說明（5) 從定義出光阻之圖案的微影步驟）不會被金屬層1〇8的表面 所反射以及散射掉。光阻層1 1 2代表傳統的正光阻材料（一 般的I - 1 i n e )，可以被定義出圖案而進行钱刻，比如經曝 光到超紫外線。複合或側壁聚合物副產物會在該元件的側 壁上形成屏璧結構12。 一般’基底1 0 2有約5 0 0到1 0 0 0 n m的厚度，阻障層1 〇 6約 30到30〇nm的厚度，金屬層108約3〇〇到1〇〇〇nm的厚度，射 塗佈層1 1 0約3 0到2 0 0 n m的厚度，光阻層約1到2微米的厚 度。 層狀堆疊100的各層，對於熟知該技術領域的人士來說 是很可以理解的，而且可以用適當與已知數目的沉積製程 來形成，包含濺射，化學氣相沉積（CVD)，電漿強化化學 氣相沉積（PECVD)，以及物理氣相沉積（PVD)。 子 為形成上述的金屬互連線，利用適當的電漿源蝕刻 ^ ΐ金屬層1 〇 8的一部分層狀堆疊（以箭頭1 1 5表示）。舉例 :5兄，該製程牽涉到將光阻材料曝光到微影系統中，以— 成=阻層112的圖案’以及對該光阻材料進行顯影而形疋

来I痛’方便接下來的蝕刻處理。使用適當的蝕刻劑，被 上罩所保護到的金屬層區域。接著被 ：J 層互連線或表面以下的部分。 邊下在金屬 金屬表面上交除$物的殘餘亂’會留在層狀堆疊的 時，這些殘餘露到空氣中 最好是在恭將〜：：成金屬層的扃1虫。因此，層狀堆疊 屯水衣兄中經過}12〇或1〇/〇2混合物的純化處理，

494492 五、發明說明（6)

以移除殘餘的氣。一般傳續的领yf卜声M 又1寻、况的鈍化處理約在3 0 - 6 0 s移除氯 姓刻殘餘。用去除製程移除去[I且的冻t 不征秒I示尤丨且的連率稱作"去除速率丨丨。 本發明的乾钱刻製程，用來從屛壯从田 用木攸肩狀堆疊中移除光阻及/ 或袓合聚合物，是使用微波輕射產+兩 一 风/汉相沿座玍電漿。可以使用如圖 2所示的適當微波去除哭。一 |决％ …， 于σσ 力又不5兄，微波去除器2 0 0 .包含 微波產生器20 2，土比如是2.45GHz的頻率下操作，約5〇〇 到150(^的範圍，較佳為1 0 0 0到150(^的範圍，最好是約 1 2 5 0W。在微波產生器2 0 2中所產生的微波以箭頭2〇5代 表，從波導2 0 4傳到電漿喷射器2〇6上。以箭頭2〇8所表示 的源處理氣，經入口 2 1 〇流到電漿喷射器2 〇 6内，在此被微 波2 0 5所激發，形成電漿212，再經由入口 214流到處理室 2 1 6内。源處理氣的總流率較好的情形是在約5 〇 〇 _ 6 〇 〇 〇標 準立方厘米母分（seem)的範圍，約2000-5000sccm的範圍 更好，而以約4 0 0 0 s c c m的範圍最好。依據本發明不同實施 例的源處理氣組成在以下做說明。 在處理室2 1 6内，電漿在流進鈍化及/或移除層狀堆疊 (未顯示）的基底2 2 0之前，最好是用擋板218來分散開。該 基底是定位在底部電極2 2 2上的處理室2 1 6内，而該底部電 極以電阻加熱方式進行加熱，以保持較好在約1 8 0 - 3 0 0 °C 的溫度範圍，約2 2 5 - 2 7 5 °C的範圍更好，而以約240 -2 5 0 °C 的範圍最好。處理室的壓力保持在約〇 · 5 - 6托較好，約1 一 3 托的範圍更好，而以約2托最好。鈍化及去除處理所產生 的廢料經排出口 2 2 4被抽到外面。

較佳的微波源是化學電漿源（n CPS")，是由位於MA 494492

4944% 五、發明說明（8) 入物，勺Λ人層狀堆®保持在2 5 〇 °C。使用不同的蝕刻氣體混 έ具變動量1(或以I◦當做比較）的02以及 -? ^^^N2^H2〇a,lJ〇2/CF4^^ a|| 。::=中，光阻去除速率以及金屬與氧化物㈣ :=中’很明顯的顯示出I的影響，加入叱會降低金屬 曰氣化矽的蝕刻速率，除了 T i N的蝕刻速率保持固定 以。光阻去除速率在開始時，會增加到當N2約為5% (V )時的最大值，但逐漸的隨加入更多化而降低。與 加亡氣而非\來做比較，在相同的去除製程中，其、纟士、果 二中。光阻去除速率以及ΤιΝ蝕刻速率都顯；：如 二π相頌似的趨勢，但是其它如Τι， Ή W，與W的下層材 2 1及氧化物的钱刻速率，就與加人Η20氣的情形不4。 :1 ?是，對於τ 1與w，.開始的蝕刻速率會降低，緊接著 “ ：[1相反地’對於Tlw ’開始的蝕刻速率會增加，緊 接者會降低。最後，氧化物蝕刻速率鞀-山 如 ^ 範圍内有逐漸增加的現象。…-出，在所試驗的 示出現在上述比較試驗中i軌體混合 或1，對於光阻相對氧化物選擇性的以外 ^ N2 幅的改善光阻相對氧化物的選擇性，。加入〜會大 加入，而有稍微的降低。相類似的，圖^選一擇丨生^10的 氣體混合物内的N2或H2〇量，對於光阻二玺、、員示出現在钱刻 響，光阻相對T 1 N的選擇性一開始便右1 N選擇性的影 使有大幅的改善，且持

494492 五、發明說明（9) 續有改善，雖然隨N2的加入，而有較低的速率。該選擇性 一開始有稍微的增加，接著隨1〇的加入，而有大幅的增 力口0 層狀堆疊具有如圖1所示的結構 的。特別的是，氧化物，阻障層，金屬層，arc，以及光 阻層包含以下材料與厚度：Si〇2 ( 8 0 0 nm)/Ti (20nm)以及 TiN(50nm)/Al (800nm)/TiN(60nm)/PR(1.2 微米）。此時， 阻障層包含T i層與T i N層。形成以上材料的層狀堆疊後， -亥層狀堆登在由位於CA Fremont的Lam Research公司所製 =的 LAM 9 6 0 0 Transformer Coupled Plasma (TCP)Tii 反應 二中進行金屬飯刻處理’形成類似圖1的結構。因此，利 用上述的微波去除器，使用包含（1)02與^或（2)02，^與 ::蝕刻混合物，I完成移除光阻以及複合聚合物。掃描 ;/1鏡顯不* ’加入N2後，會大幅降低下挖現象， 亦即對Τι/ΤιΝ阻障層金屬的攻擊。 哭i ϊ:::法將以每分鐘至少約2微米蝕刻速率的去除 :下最好是每分鐘至少約3到6微米。此外， :約丄比V =較光阻的選擇性至少是約 至少是約280比卜對於包含Ti，T上相♦，於光阻的選擇性 的其中之-的金屬阻障層，i比值T?以及這些混合物 3 5 0比丨。 ，、比值取好是約2 8 0比1到約 雖然只有本發明的較佳實施例被 上的說明中做了解說’而要注意 1 、揭露出來並在 ^ 疋，在不偏離本發明卷

494492

第13頁

Claims (1)

1. 494492 年月s了曰

   案號 87120322 申請專利範圍 列 1. 一種接續金屬餘刻處理羊導體晶圓之W…法一*一 步驟： (a)將該半導體晶圚安置於一微波去除器處理室中，接 續於金屬蝕刻之後，其中該半導體晶圓包含：（i ) 一下方 的氧化物層，（ii) 一金屬阻障層，（iii) 一金屬層，（iv) 一光阻層，以及（v ) —複合聚合物附著至該金屬阻障層與 該金屬層之側壁；以及 (b )乾蝕刻以在一單一步驟移除該光阻，藉由以一蝕刻 氣體混合物處理該半導體晶圓，該混合物主要包含〇2，含 氟氣體及N2，其中該蝕刻氣體混合物係以微波輻射分解， 直到光阻層及複合聚合物被移除為止，且其中加入N2的量 可以增進關於光阻層相對於下方氧化物層及金屬阻障層之 選擇性。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體晶圓包 含下方之氧化層，且該乾蝕刻之步驟引進足量之N2，以降 低下方氧化層被钱刻之速率。 3 .如申請專利範圍第2項之方法，其中該乾蝕刻之步 驟，係在第一速率下移除光阻，並在第二速率下移除下方 之氧化層，且第一速率對第二速率之比例等於至少8 0比 4.如申請專利範圍第3項之方法，其中該下方氧化層包 含S i 02，其比值範圍從約8 0比1至約2 0 0比1。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體晶圓包 含金屬阻障層，且該乾蝕刻之步驟引進足量之N2，以降低

   56196.ptc 第15頁 2002.04. 29.015 494492 _案號87120322 孑Γ年Μ月日_^_ :、申請專利範圍 金屬阻障層被敍刻之速率。 6 .如申請專利範圍第5項之方法，其中該乾蝕刻之步 驟，係在第一速率下移除光阻，並在第二速率下移除金屬 阻障層，且第一速率對第二速率之比例等於至少2 8 0比1。 7.如申請專利範圍第6項之方法，其中該金屬阻障層包 含選自包括Τ 1、T i Ν、T i W及其混合物之材料，且其中該比 例範圍係從約2 8 0比1至約3 5 0比1。 8 .如申請專利範圍第1項之方法，其中〇2佔蝕刻氣體混 合物體積之約4 0至9 9 %，含氟氣體佔蝕刻氣體混合物體積 之約0 . 5至3 0 %，N2佔蝕刻氣體混合物體積之約0 . 5至3 0 %。 9.如申請專利範圍第8項之方法，其中含氟氣體是CF4。 1 0 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該乾蝕刻步驟以 每分鐘至少約2微米之速率蝕刻光阻。 1 1 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該電漿反應處理 室保持於約0 . 5至6托壓力下。 1 2. —種接續金屬蝕刻處理半導體晶圓之方法，包含下 列步驟： (a)將該半導體晶圓安置於一微波去除器處理室中，接 續於金屬蝕刻之後，其中該半導體晶圓包含：（i ) 一下方 的氧化物層，（ii) 一金屬阻障層，（iii) 一金屬層，（iv) 一光阻層，以及（ν ) —複合聚合物附著至該金屬阻障層與 該金屬層之側壁； (b )將該半導體晶圓施以鈍化處理，藉由將該半導體晶 圓暴露於1120或}120及02混合物，以自其移除殘留的氣；

   56196.ptc 第16頁 2002. 04. 29.016 494492 _案號 87120322_年月^r 曰__ 六、申請專利範圍 且，之後， (C )乾蝕刻以在一單一步驟移除該光阻，藉由以一蝕刻 氣體混合物處理該半導體晶圓，該混合物主要包含02，含 氟氣體及N2，其中該蝕刻氣體混合物係以微波輻射分解， 直到光阻層及複合聚合物被移除為止，且其中加入N2的量 可以增進關於光阻層相對於下方氧化物層及金屬阻障層之 選擇性。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之方法，其中該半導體晶圓 包含下方氧化層，該乾蝕刻之步驟引進足量之N2，以降低 下方氧化層被钱刻之速率。

   1 4.如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該乾蝕刻之步 騍係在第一速率下移除光阻，並在第二速率下移除下方氧 化層，且第一速率對第二速率之比例等於至少8 0比1。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之方法，其中下方氧化層包 含S i 02，且其比例範圍係從約8 0比1至約2 0 0比1。 1 6 .如申請專利範圍第1 2項之方法，其中該半導體晶圓 包含金屬阻障層，且該乾蝕刻之步驟引進足量之N2，以降 低金屬阻障層被#刻之速率。

   1 7.如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該乾蝕刻之步 驟係在第一速率下移除光阻，並在第二速率下移除金屬阻 障層，且第一速率對第二速率之比例等於至少2 8 0比1。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之方法，其中該金屬阻障層 包含選自包括T i、T i N、T i W及其混合物之材料，且該比例 範圍係從約2 8 0比1至約3 5 0比1。

   56196.ptc 2002.04. 29.017 第17頁 494492 «87120322 <Pf年（0月曰 修正 六、申請專利範圍 1 9 .如申請專利範圍第1 2項之方法，其中02佔蝕刻氣體 混合物體積之約4 0至9 9 %，含氟氣體佔蝕刻氣體混合物體 積之約0 . 5至3 0 %，Ν2佔蝕刻氣體混合物體積之約0 . 5至 3 0% 〇 2 0 .如申請專利範圍第1 9項之方法，其中含氟氣體是 CF4。 2 1 .如申請專利範圍第1 2項之方法，其中該乾蝕刻之步 驟，係在每分鐘至少約2微米之速率下蝕刻該光阻。 2 2.如申請專利範圍第1 2項之方法，其中該電漿反應室 係保持在約0 . 5至6托之壓力下。

   2002.04.29.018