在掩膜二氧化硅上鉆孔的等離子蝕刻方法

專利名稱：在掩膜二氧化硅上鉆孔的等離子蝕刻方法
技術領域：
本發明涉及一種關于如何在一個二氧化硅(SiO2)膜層上進行等離子蝕刻的方法，尤其涉及如何在一具備掩膜的摻雜或未摻雜二氧化硅膜層的鉆孔的方法，其中這個二氧化硅膜層的掩膜之上采用一種基于碳氟化合物(CnFm)的浸蝕氣體，這種氣體常常被用于半導體器件的生產。
近些年來，隨著半導體集成電路裝置(ICs)的集成程度的進一步提高，設計規則也變得越來越低。另一方面，為使一個基于SiO2夾層介質層的表面平面化，人們通常使用化學機械磨光法(CMP)。因此，產生了一種使夾層介質層加厚的做法傾向。
在這種情況下，在夾層介質層上鉆出的接觸孔就有一種不僅在尺寸或直徑上變小，而且在深度上變大的趨勢。這就意味著，這些接觸孔不僅需要有小直徑而且要有較大的縱橫尺寸比。這個縱橫尺寸比就是接觸孔的深度對其直徑的比率。
通常情況下，作為一種SiO2薄膜的微型加工工藝，等離子早已被半導體裝置制造領域中所熟知并廣泛采用。在等離子蝕刻工藝中，一種基于碳氟化合物(CnFm)的氣體常常被作為一種浸蝕氣體被浸入一個反應室中，其中n是一個介于1和6之間的整數，m是一個介于4和14間的整數。然后，在兩端電極上加以特定高度的電壓以使反應室中產生一股輝光電流，這樣就在反應室中產生一個等離子體，這種被浸入反應室中的基于碳氟化合物的氣體(CnFm)的分子與存在于等離子體中的高能電子發生碰撞，這樣，就會引發這種碳氟氣體的離解。
在反應室中，活動或反應性的物質，即在中性離解過程中產生的CnFm碳氟化合物分子、粘著基以及中性基，都會沉積在一個將被蝕刻的SiO2層上，這樣就在其上產生了一層碳氟聚合物。在沉積的同時，由電離離解產生的高能離子就會與沉積下來的碳氟聚合物層相撞，這樣就使碳氟聚合物層膜和其下的SiO2層膜揮發，這樣，SiO2膜層就得到了所需的蝕刻。
當SiO2膜層上被覆蓋了一層一定分布格式的掩膜層以在這個SiO2膜上形成一個大尺寸比例的鉆孔時，SiO2膜相對于掩膜層的蝕刻選擇性就需要盡量地高。如果實現了這一必需要求，SiO2膜層就被選擇性地蝕刻，從而形成一個根據掩膜層覆式分布的分布狀況。
為了實現SiO2膜層對覆蓋其上的掩膜的高度蝕刻選擇性，人們采用了許多不同的技術。
其中人們熟知的，發展最好的技術之一的例子就是把氣態一氧化碳添至一種基于碳氧化合物的浸蝕氣體。這項技術見于E.Ikawa所著的一篇文獻中，其名為《未來一代裝置處理技術中的干蝕刻技術專論》，截于1993年《日本半導體技術程序》，見于405-411頁。
這種常見的技術中，把一氧化碳添入碳氟蝕刻氣體中的做法增大了沉積碳氟聚合物膜中碳和氟的比例，也就是(C/F)比例，這樣就改進了碳氟聚合物的濺鍍和浸蝕阻抗性能。換言之，沉積在掩膜上的碳氟聚合物膜的浸蝕速率在等離子浸蝕過程中變低而作為一個浸蝕對象的SiO2膜的浸蝕速率大致保持不變。這樣，SiO2膜對于掩膜和沉積碳氟聚合物膜的浸蝕選擇性就相應地增大。
另一項人們熟知，應用較好的技術是于1996年發表的日本未審查專利公告號8-92768中。在這項常用技術中，(1)一種CnFm氣體和氖(Ne)氣的混合氣體，(2)一種CnFm氣體，氖氣(Ne)和一氧化碳(CO)的混合氣體，或者(3)一種CnFm氣體氦氣(He)和一氧化碳氣體(CO)的混合氣體被用作蝕刻氣體，一種氮化硅(Si3N4)膜常用作為掩膜或蝕刻保護膜。
在這項常用技術中，由于采用了上述混合氣體(1),(2)和(3)中的任何一種，掩膜層上的沉積碳氟聚合物膜層的(C/F)比率就被增大。這樣，SiO2膜對于掩膜層和沉積碳氟聚合物膜的選擇性就變高。
但是，上述的兩項常用的等離子浸蝕技術中，會發生下列問題具體地說，為了鉆一個小直徑或尺寸的鉆孔，例如，大約0.30μm或更小，就需要由一種高超紫外線阻抗材料(UV)形成一層極細薄的掩膜層以達到必須的格式準確度。在這種情況下，掩膜層的浸蝕阻抗性能就會隨著本身厚度的減小而減弱。
因此，在上述的常用等離子浸蝕技術中很難做到只通過增大掩膜層上的沉積碳氟聚合物膜的C/F比率來鉆出一個小尺寸的穿孔(大約0.3μm或更小的直徑)并使之有較高的縱橫尺寸比。
事實上，發明者從未聽過到任何一種通過使用一層固定格式掩膜層在SiO2膜層上鉆一個直徑小于或等于0.25μm，縱橫尺寸比又較高的穿孔的說法。
這樣，為了處理好下一代半導體裝置的制造技術，就需要實現一項能在一個SiO2膜上形成一個輕小直徑(大約0.3μm或更小)而又有較高縱較尺寸比的穿孔的等離子浸蝕方法。
相應地，本發明的一個目的就是提供一種等離子浸蝕方法，以使在一個摻雜或未摻雜的覆有固定格式掩膜層的二氧化硅膜上形成一個大小約0.3μm或更小，擁有較高縱橫尺寸比的穿孔。
本發明的中另一目的是提供一種等離子浸蝕方法，在一個等離子浸蝕條件已理想化的摻雜或未摻雜的二氧化硅膜上形成一個大小約0.3μm或小于0.3μm的，擁有較大縱橫比的穿孔。
上述目的以及本處未提及的其它發明目的將會在下面的闡述中詳細加以說明。
本發明的在一個摻雜或未摻雜的二氧化硅膜上形成一個大小約0.3μm或更小的穿孔的等離子浸蝕方法包括在被浸蝕的二氧化膜上開一個帶窗孔的掩膜層以及采用一種碳氟化合氣體和在一個反應室中的等離子體選擇性地穿過掩膜層窗孔對二氧化硅膜進行蝕刻兩個步驟，這樣就在該二氧化硅膜上形成了穿孔。
在選擇性蝕刻二氧化的過程中，蝕刻條件被加以調整，這樣以使得一碳氟聚合物層(其碳氟比率，即C/F比率，在1.1至1.8之間)沉積在掩膜層上。
在本發明的等離子蝕刻方法中，在選擇性蝕刻二氧化硅膜的過程中沉積在掩膜層上的碳氟聚合物膜的C/F比率被調整在1.1至1.8之間。
因此，在掩膜層表面上的碳氟聚合物膜的沉積率就能夠足夠地高，這樣才能阻止在沉積碳氟聚合物膜由于大小約0.3μm或更小的穿孔之故沒有關閉掩膜層窗孔的時候對掩膜層進行的浸蝕。
而且，在二氧化硅膜的一個未掩膜區域上的碳氟聚合物的沉積率足夠地低，以允許對這一未帶掩膜的區域進行蝕刻。
這樣，一個直徑小于或等于0.3μm，有較高縱模尺寸比的穿孔就可以在覆有固定格式掩膜層的摻雜的二氧化硅膜上形成了。
另外，在選擇性對二氧化硅膜進行蝕刻的步驟中，碳氟聚合物層沉積在掩膜層窗孔的內側壁和二氧化硅膜的一個級進式蝕刻孔的內側壁上，這就形成了側壁對蝕刻的阻隔效果。這樣，側壁很少有浸蝕，這樣就實現了滿意的浸蝕異向性效果。
由于所需接觸孔是由簡單地調整沉積碳氟聚合物膜的C/F比率至1.1至1.8范圍之間形成的，等離子浸蝕條件就實現了理想化。
本發明的設計人做出徹底的努力，來解決常規等離子浸蝕方法中上述問題。以下是他所發現的事實。
具體地說，當在等離子浸蝕中沉積在掩膜層上的碳氟聚合物膜的C/F比率被調至1.1至1.8范圍值之間時，碳氟聚合物膜是沉積在掩膜層的一個表面上，而不能或很難通過掩膜層的窗孔沉積在二氧化硅膜上的一個未帶有掩膜的區域上。
換言之，在掩膜層的一個表面上的碳氟聚合物膜的沉積率足夠地高，這樣就阻止了在沉積碳氟聚合物由于大小約0.3μm或更小的穿孔之故不能關閉掩膜層窗孔的時候對掩膜層的浸蝕。而且，在二氧化硅的一個不帶有掩膜的區域上沉積的碳氟聚合物膜的沉積率就足以低，以允許對這一不帶掩膜區域的蝕刻。
這樣，即使掩膜層極其細薄，仍能夠實現二氧化硅膜對掩膜層和較高的選擇性。這就意味著能夠在摻雜或未摻雜的二氧化硅膜上形成一個直徑小于或等于0.3μm，縱橫尺寸比大的穿孔。
另外，在選擇性蝕刻二氧化硅膜的步驟中，碳氟聚合物層沉積在掩膜窗孔的內側壁和二氧化硅膜的一個級進式蝕刻口的內側壁上，這就產生了對蝕刻的側壁阻隔效應。這樣，這些側壁很少有蝕刻發生，這就較好地實現了蝕刻的異向性。
本發明中的方法是根據上述實施發明出來的。
在本發明提及的方法中，最好應使蝕刻條件調整到碳氟聚合物膜沉積在掩膜層上。在這種情況下，還有一個優點就是浸蝕選擇性比碳氟聚合物的C/F比率介于1.2至1.8之間更高。且二氧化硅膜的蝕刻率也足夠地高。
由于上述相同原因，最好還應使浸蝕條件調整到沉積在掩膜層上的碳氟聚合物膜的C/F比率在1.2至1.7之間。
在本發明的方法中，作為基于碳氟化合物的浸蝕氣體，可以使用飽和鏈烴的任意一種。這種飽和未飽和鏈烴的任一種的氫原子(H)都可以完全或部分地被氟原子(F)代替。
例如，可以使用CF4、CHF5、CH2F2、C2HF5、C2H6或者C4H5。在這些飽和和不飽和的鏈烴中，最好使用CHF3、CH2F2或者C2HF5，因為這樣可以實現較高的浸蝕選擇性和較高的二氧化硅膜浸蝕率。
無須贅言，可以組合使用這些飽和和未飽和鏈烴中的至少兩個未作的碳氟化合物浸蝕氣體。
也可以作用一種惰性氣體如He、Ne、Ar、Kr或Xe來作為碳氟化合浸蝕氣體的一個成分。在這些惰性氣體中，He、Ne或Ar是較理想的選擇。因為它們容易得到。Ar其理想的選擇，因為它們容易得到。Ar尤其理想，因為Ar不僅易得到，而且介格便宜。
為了使沉積的碳氟聚合物膜的C/F比率在1.1至1.8范圍值之間，可以加入CO作為碳氟化合浸蝕氣體的一個成分，換句話說，可以把CO加至飽和和不飽和鏈烴的至少一種之中來產生碳氟化合浸蝕氣體。這是因為沉積碳氟聚合物膜C/F比率已被通過控制或調整CO氣體和飽和和未飽和鏈烴氣體至少之一的流速限定至1.1至1.8范圍值之間了。
當包含有未被取代的氫的飽和和不飽和鏈烴的任一種被采用的時候，還有另一優點就是沉積的碳氟聚合物膜的C/F比率能夠被限定在1.1至1.8范圍值之間而不需使用CO。
即使采用擁有同一種成分的浸蝕氣體，沉積碳氟化合物膜的C/F比率也會因所使用的等離子儀和浸蝕條件的類型不同而各不相同。因此，浸蝕氣體的成分，如流速需要根據等離子儀和浸蝕條件的類型/種類的不同進行適當的調整。
在本發明的方法中，可以使用任何一類型的等離子浸蝕儀。例如，一個表面波等離子(SWP)蝕刻儀，一個電子回旋共振(ECR)微波等離子蝕刻儀，一個電感耦合等離子(ICP)蝕刻儀，一個螺旋波等離子蝕刻儀，一個磁控管等離子蝕刻儀，一個無線電頻率等離子蝕刻儀，或者一個雙頻RIE等離子蝕刻儀都可以被使用。
但是，根據本發明的方法，最好要使用一個表面波等離子(SWP)蝕刻儀。這是因為，表面波等離子蝕刻儀使用面波，這樣就可以實現較好的蝕刻均質性。
一個等離子蝕刻儀的反應室或蝕刻室里的壓力根據蝕刻儀的種類/類型加以調整。總的來說，如果反應室里的壓力過低的話，沉積的碳氟聚合物膜就沒有足夠的厚度來保護掩膜層不受浸蝕，這就不能實現較令人滿意的蝕刻選擇性。另一方面，如果反應室里的壓力過高的話，沉積的碳氟聚合物膜就會有較大的厚度，它總是通過掩膜層的窗孔沉積在二氧化硅膜上的沒有掩膜的區域。這樣，碳氟聚合物膜的可釋放度就會下降而蝕刻的選擇性也就不能令人滿意。
根據發明者的測試，最好能把SWP蝕刻儀里的反應室中的壓力限定在20mTorr至60mTorr范圍值之間。這是因為高蝕刻選擇性可以較輕易地實現一個小于或等于0.3μm的具有較大縱橫尺寸比的穿孔。
除此之外，最好再能使SWP蝕刻儀中的反應室里的壓力值范圍限定在30mTorr至50mTorr之間，其原因和壓力值在20mTorr和60mTorr之間的情況下相同。
作為一個掩膜層，可以使用任何一種由無機化合物組成的膜層，例如，氮化硅(Si3N4)。但是最好能夠使用一個光保護膜(通常叫光敏抗蝕膜)。如果使用一個無機化合物組成的膜層來作為掩膜層，就不僅需要另采取措施來處理無機物膜層本身，而且可達到的定型準確率也應低一些。通過使用一個能經過曝光和顯像定型的光保護膜來作為掩膜，掩膜所必需的定型過程就能夠被大大地簡化并且可以較高的精確度形成掩膜窗孔。
作為一種光保護膜，最好能夠使用擁有化學放大性能以及能高度UV曝光的一種光保護膜。這是因為，這種光保護膜能夠經愛一束激元激光(如KrF激光)或電子束的光曝作用，這就使得很高的精確度對光保護膜進行定型布圖成為可能。
由于必須對上述光組膜的窗孔進行定型布圖，根據這一必要性，最好要使光保護膜的厚度再一薄些。如果光保護膜的厚度不大，那么光保護膜的抗蝕刻就會減弱。根據本發明的方法，恰恰實現了蝕刻的高度的選擇性，使之達到令人滿意的狀態，甚至厚度小的光保護膜也有較滿意的選擇性，這樣，就可以把光膜的厚芳限定在1μm或更小而不會有什么問題。
更進一步地，這個光保護膜的厚度還可以設定為0.8μm或更小。在這種情況下，本發明中的這種方法就獲得了明顯的優勢。光保護膜的厚度還可以設為0.5μm或更小，因為這樣可以更有效地發揮本發明的方法的明顯優勢。然而，如果光保護膜的厚度過小的話，二氧化硅膜上的穿孔就很難有一個較大的縱橫尺寸比。因此，當二氧化硅膜的穿孔的尺寸比大約為6或更大時，光保護膜的厚度就最好應為0.2μm或稍大。
掩膜窗孔限定了二氧化硅膜上的穿孔的大小。本發明中的方法尤其適合于掩膜窗孔約為0.3μm或更小的情況，因為這樣更能體現和發揮本發明的優越性。掩膜窗孔的大小可為0.25μm或更小，或者為0.15μm或更小，因為這樣可以更好地發揮本發明的方法的優勢。
掩膜窗孔以及二氧化硅上的穿孔的橫截面形狀通常應為環形或橢圓形。但是，本發明所提出的方法并不只限于這些形狀。無需多說，掩膜層窗孔和二氧化硅膜的穿孔的形狀可以不僅僅為圓形式橢圓形，還可以為其他形狀，如方形和長方形。
二氧化硅膜上的穿孔的縱橫尺寸比最好的為6或更大，因為這樣可以更有效地發揮本發明中的方法的優勢。二氧化硅膜上的穿孔的縱橫尺寸比還可以是7.5μm或更大，因為這樣可以更小地發揮本發明的方法的優點。
在本發明中的方法中，二氧化硅膜可以是未摻雜物，或是任何雜質的摻雜物。具體地說，不僅可以使用流行工藝如熱氧化法或化學氣相沉積法(CVD)加工的未摻雜二氧化硅，還可以使用一個摻雜的二氧化，其雜質可為像硼(B)和/或磷(P)這樣的物質。
雜質的硼的摻雜二氧化硅在室溫下有玻璃屬性。因此，它被稱為硼硅玻璃(BsG)。雜質為磷的二氧化硅在室溫下有玻璃屬性，故它被稱為磷硅玻璃(PSG)。雜質為硼和磷兩種物質的二氧化硅在室溫下有玻璃屬性。故被稱為硼磷硅玻璃(BPSG)。
本發明的方法能有效地適用于在一個半導體器件內作為一個夾層介質層的摻層的摻雜或未摻雜的二氧化硅膜上開一個小尺寸接觸孔或通路，并使之有較大縱模尺寸比的工藝過程。
據發現，依據本發明提出的方法，可以在一個BPSG膜上開一個直徑約0.12μm、縱橫尺寸比約為17.5μm的接觸孔。
在本發明提出的方法中，可以在以下幾個方面發現其最佳蝕刻條件。
具體地說，首先，碳氟化合物蝕刻氣體的總流速和蝕刻氣體的氣態成分的單個流速是由兩個因素決定的，即沉積碳氟聚合物膜的C/F比率介于1.1和1.8之間，反應室內的壓力被固定在一具體值上。
第二，反應室內的壓力從這個具體值起加以調節或改變，這樣，二氧化硅膜和掩膜層之間的蝕刻選擇性被最大化。這樣，就可以找到最佳蝕刻條件。
很明顯，上述最佳化步驟是非常簡單而又可以較易實現的。
為使本發明能被有效地付諸實踐，下面是對有關圖示的說明。


圖1是一個根據本發明第一實施方案用于等離子浸蝕方法中的表面波等離子蝕刻儀的模截面簡圖。
圖2A至2E分別是例示本發明第一實施例方案中的等離子蝕刻儀的一個樣品的部分橫截面略圖。
圖3表示的是根據第一實施例方案提出的等離子蝕刻方法中的沉積碳氟氟合物膜的C/F比率和BPSG膜的蝕刻選擇性和蝕刻速率的關系。
圖4表示的是根據本發明第二實施例方案的等離子蝕刻方法中光保護膜和帶有反應室內壓力的BPSG膜之間的蝕刻選擇性關系。
圖5是一個根據本發明第三實施例的等離子蝕刻方法蝕刻而成的樣品的部分橫截面簡圖，在這個方案中，具有不同直徑的接觸孔用來穿透一個BPSG膜。
本發明的最佳實施例分別參閱圖1和圖5加以描述。
第一實施例根據本發明第一實施例的等離子蝕刻方法，需使用如圖1所示的一個表而波等離子(SWP)蝕刻儀，它在一個BPSG膜上開出一個接觸孔。
如圖1所示，這個等離子蝕刻儀有一個圓柱狀的反應室4和一個微波波導管3。微波波導管3固定在反應室4上，它是由鋁板1(Al)組成的，并擁有一個能在其內部產生微波的腔體。微波波導管3的前端固定在反應室4的頂部。
一個由一塊氟塑料組成的環狀介質板2被固定在波導管3的前端，介質板2位于反應室4的頂部。
另一個由陶瓷組成的在反應室4的內部環狀介質板9。它被固定在反應室4的內側壁上并和疊于其上的介質板2相離。
一個環狀陽極8固定在反應室4內的環狀介質板9上。陽極8在中央部位有一環狀窗孔8a，通過環狀窗孔8a可以發射表面波。并且，陽極8與地面電接通。
一個陰極6位于反應室4中。陰極6固定在反應室4中的底部，與陽極8相對。陰極6的設計可以使其頂部平面放置一個樣品5或一個蝕刻物。
在反應室4的外部是一個射頻(RF)能源供應裝置7，它通過電容14與陰極6相聯通。RF電源供應裝置7給陰極6和樣品5供應偏壓電壓。
一個位于反應室4側壁的加熱器10給所述部位供應熱源，這樣就可以使反應室4的內部保持一定的溫度。
氣管12a可以穿過反應室4的側壁。碳氟化合物浸蝕氣體通過氣管12a進入反應室4。
抽氣管12b可以穿透反應室4的底部。存在于反應室4中的浸蝕氣體和浸蝕產品通過刻抽氣管12b排出反應室4。
位于介質板9下面并由介質板9分開的反應室4的內部空間可作為反應空間或蝕刻空間13。
在實際操作中，微波徑由波導管子被供給到反應室4的內部，以這種方式供給的微波被集中在介質板2上，然后開始沿著介質板2傳播。這樣，一個表面波就在介質板2上產生并向上發射。以這種方式產生的表面波經過在介質板2和9之間的空間傳播至反應室4的蝕刻空間13，介質板9和陽極8的窗孔8a。
陽極8與地面電連接。因此，當一個RF偏壓被RF能源供應裝置7輸至陰極6的時候，這個偏壓被跨過陽極8和陰極6，在這種情況下，在碳氟化合物蝕刻氣體中產生輝光放電，進行蝕刻空間13和反應室4，這就會產生一個等離子11。蝕刻氣體被等離子11溶解并產生活動性或蝕刻物質。
如圖2A所示，根據第一例的離子浸蝕方法，采用一個單晶體硅(Si)基片或晶片15來形成樣品5。在硅基片15的一個主要表面上，通過CVD工藝法形成一個厚度為2.1μm的BPSG膜。而且，在BPSG膜16上還形成一個厚度為0.8μm的高UV光保護膜17。這一階段的狀況見圖2A。
如圖2B所示，光保護膜17有一個直徑為0.25μm的環形窗口17a，它是通過使光保護膜17曝光(光線由使用一個曝光掩膜片從一個KrF激發物激光產生的)并使曝光的光保護膜17顯像的方法形成的。這個階段的狀況見圖2B。
然后，由Si基片15,BPSG膜16和以按圖路點飾的光保護膜17組成的樣品5被放在陰極6上。陰極6在SWP蝕刻儀(如圖1)的反應室4的蝕刻空間13中。
相應地，作為碳氟化合物浸蝕氣體，CHF3、CO、以及Ar的氣態混合物被添入反應室4中的蝕刻空間13中。CHF3和CO氣體的總流速保持在80Sccm，同時，CHF3和CO氣體的單個流速以以下方式變化(1)CO和CHF3的流速被分別定為0和80Sccm。在這種情況下，沉積碳氟聚合物膜20的C/F比率(見圖2C)是1.1。
(2)CO和CHF3的流速被分別定為16Sccm和64Sccm。在這種情況下，沉積碳氟聚合物膜20的C/F比率是1.3。
(3)CO和CHF3的流速被分別定為28和52Sccm。在這種情況下，沉積碳氟聚合物膜20的C/F比率是1.6。
(4)CO和CHF3的流速被分別定為64和16Sccm。在這種情況下，沉積碳氟聚合物膜20的C/F比率是1.8。
被RF能量供應裝置7傳到陰極6的能量和頻率分率分別被為600W和400KHz。被傳到反應室4內部的微波的能量和頻率分別定為1500W和2.45GHz。由加熱器10提供的反應室4的側壁溫度為180℃。作為樣品5一個部分的Si基片的溫度被定為65℃，在反應室4的蝕刻空間13內產生的等離子11(見圖1和2C)的密度是1012cm-3。
在反應室4中進行的等離子蝕刻過程如下如圖2C所示，樣品5受到由等離子11產生的蝕刻物質(未圖示)和反應室4的蝕刻空間13內的蝕刻氣體的蝕刻作用。具體地說，整個光保護膜17都受到蝕刻用作，同時，BPSG膜16的一個不帶有掩膜的區域通過光保護膜17的窗孔17a受到相同的蝕刻作用。
在蝕刻過程中，如圖2C所示，一碳氟聚合物膜層20會沉積到光保護膜17的表面上，碳氟聚合物膜層20的作用是使光保護膜17不受蝕刻作用。而且，在此蝕刻過程中，碳氟聚合物20被繼續沉積到光保護膜17a的窗孔17a的內側壁和BPSG膜16的一個級進式蝕刻孔或凹陷處19的內側壁上面。沉積在這些內側壁上的碳氟聚合物膜20產生一種防止蝕刻作用的側壁阻隔效果。這樣，側壁很少有蝕刻作用發生。這就相應達到了滿意的蝕刻異向性。
另一方面，碳氟聚合物膜層20幾乎不會通過光保護膜17的窗孔17a沉積到BPSG膜16的不帶掩膜的區域。因此，BPSG膜16的不帶掩膜區域小孔或凹陷處19在BPSG膜16中形成。小孔或凹陷處19的位置在光保護膜17的窗孔17a的正下方。
圖2C中的數字21表示小孔或凹陷處19的底或BPSG膜16的不帶掩膜的區域。小孔或凹陷處19的底部與一個蝕刻的區域。小孔或凹陷處19的底部與一個蝕刻端面相對應。
盡管碳氟聚合物膜20總是沉積在BPSG膜17的無掩膜區域，但這個無掩膜區域并未由碳氟聚合物膜20覆蓋。這種現象是由于碳氟聚合物膜層20的沉積速度低于它的蝕刻速度。相應地BPSG膜16被選擇地在無掩膜區21蝕刻，這就使BPSG膜16上形成小孔或凹陷處19。
如圖2C所示，沉積碳氟聚合物膜20有一個突起20a，它從位于光保護膜17的窗孔17a和BPSG膜16的小孔或凹陷處19之上的碳氟聚合物膜20的一個垂直向下延伸的部分呈輻射狀向內凸出。突起20a的形成原理是沉積碳氟聚合物膜20的組成微粒包含了不與光保護膜20表面垂直的沉積方向。
在這個蝕刻過程中，蝕刻端面Li向下級進，直至Si基片15的主表面暴露出來，如圖2D所示。相對蝕刻作用來說，Si基片15的蝕刻速率很低，因此，在蝕刻過程中蝕刻端面21不再級進，這樣，碳氟聚合物膜20也沉積在基片15的暴露表面區域。這個階段的狀況見圖2D。
最后，沉積碳氟聚合物膜20和光保護膜17再次被蝕刻或灰化過程通過在反應室4個的蝕刻空間13中產生的一個氧(O2)等離子去除。這樣，如圖2E所示，就形成了一個能穿過BPSG膜16的柱狀接觸孔18。
圖3表示的是BPSG膜16的蝕刻速率和沉積碳氟聚合物膜20的C/F率的關系以及BPSG膜16和光保護膜17的蝕刻選擇性關系。它們根據的是第一實施例中的等離子蝕刻方法。在圖3中，曲線a代表蝕刻速率，曲線b代表的蝕刻選擇性。
如圖3所示，蝕刻選擇性指數等于或大于7.5，并且處于一定范圍，在這個范圍中，沉積碳氟聚合物膜20的C/F比率被限制1.1至1.8的范圍值之間。這樣，就可以在碳聚合物膜20的C/F比率被限定在1.1至1.8之間時實現較高的蝕刻選擇性。
而且，BPSG膜16的接觸孔18可以從一個掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。這樣，就會發現，接觸孔18的內側壁相對基片15的主表面有一個大于等于80度的斜度。同樣，還會發現，在接觸孔18的底部看不到蝕刻殘物。
沉積碳氟聚合物膜20的C/F比率以以下途徑測量在其上述BPSG膜16和形成的相同光保護膜17的另一Si基片15作為樣品5。然后，樣品5被放在如圖1所示的等離子蝕刻儀的陰極6上。接著，在與上述情況(1)至(4)相同的蝕刻條件下，一碳氟聚合物膜層就沉積在光保護膜17上而不需經陰極6供給RF偏壓，也就是說，不需產生等離子11。這樣沉積下來的碳氟聚合物膜20可以經過X射線光電分光鏡(XPS)分析，這樣就可以測量出碳氟聚合物膜20的C/F比率。
第二實施例根據本發明第二例實施例的在一個BPSG膜上開出一個接觸孔的等離子蝕刻法是通過采用上述如圖1所示的SWP蝕刻儀和上述如圖2A所示的樣品5實現的。
此蝕刻過程的蝕刻條件與第一實施例方法中的條件一樣，例外的是，CO和CHF3氣體的流速需加以調節，以使碳氟聚合物膜20的C/F比率大致等于1.5，且反應室4的蝕刻空間13中的壓力在10mTorr至60mTorr間變動。
圖4表示的是第一實施例中在反應空間13壓力下的光保護膜17和BPSG膜16的蝕刻選擇性關系。
從圖4發現，當蝕刻空間13內的壓力設定在20mTorr至60mTorr之間的范圍時，就可以實現一個值為7.5或更高的高蝕刻選擇性。
而且，BPSG膜16的接觸孔18可以以第一實施例同樣的方法進行觀察。這樣，就會發現接觸孔18的內側壁相對基片15的主表面有一個大于等于80度的斜度。同樣，在接觸孔18的底部觀察不到蝕刻殘余物。
第三實施例本發明第三實施例在一個BPSG膜上開一個接觸孔的等離子蝕刻方法是通過使用如圖1所示的上述SWP蝕刻儀實現的。
至于樣品5，與第一和第二例不同的地方在于，深度UV光保護膜17的厚度設為0.5μm，比第一和第二例還要薄。而且，深度UV光保護膜17有三個環狀窗孔17a，直徑分別為0.16μm,0.14μm，和0.12μm，這比第一和第二例中的還要小。
此蝕刻過程的蝕刻條件與第一實施例中的條件相同，不同的是，CO和CHF3氣體的流速分別設為32sccm和48sccm，這樣，碳氟聚合物膜20的C/F比率就為1.5，且反應室4的蝕刻空間13的壓力被設為30mTorr。
這樣，BPSG膜16和光保護膜17的蝕刻選擇性為12。
而且，在去除光保護膜17之前，可由一個SEM儀觀察BPSG膜16的接觸孔18。因此，如圖5所示，就會發現，在BPSG膜16中形成了幾個接觸孔19，它們都有一個相對于基片15的主表面具有斜度值大約為80度或更大。同樣，接觸孔19的最大直徑大約0.16μm，0.14μm，和0.12μm。
最大直徑為0.12μm的接觸孔19的縱橫尺寸比大約為17.5(=2.1/0.12)。
在上述的第一到第三實施例中，如果沉積碳氟聚合物20的C/F比率被保持在1.1至1.8之間且BPSG膜16的蝕刻速率保持在不致使半導體器件的工作能力極低的水平的話，RF能量、微波能量以及蝕刻氣體的流速就可以被選擇性地改變。同樣，硅基片15的溫度就可被設定在40℃至80℃之間。
盡管本發明第一實施例中采用的是一個SWP蝕刻儀，但本發明并不限制只使用此種儀器，任何除SWP蝕刻儀之外的等離子蝕刻儀都能被本發明的等離子蝕刻方法采用。
此外，一個BPSG膜都在第一至第三實施例采用。BPSG膜具摻雜二氧化硅膜之一，且是半導體器件中夾層介質層的一個典型例子。但是，本發明可被應用于其他任何類型/種類的二氧化硅膜。例如，可以使用一個常常由熱氧化法或CVD法形成的摻雜二氧化硅膜。還可使用一個PSG膜，即一個摻有磷的摻雜二氧化硅膜或一個BSG膜，即摻有硼的摻雜二氧化硅膜。
基片15可以是單晶體硅以外的其他任何材料。
盡管我們已對本發明的較佳實施例進行了描述，但須認識到，在沒有偏離本發明實質的情況下由枝巧熟練者作一定的修改是不可避免的。因此，本發明的范圍是由下列權利要求決定的。
權利要求
1.一種等離子蝕刻方法，它可以在一塊摻雜或未摻雜二氧化硅膜上開一個大小于0.3μm或更小的穿孔。這個方法包括在將被蝕刻的二氧化硅膜上開一個帶有窗孔的掩膜層以及使用在一個反應室中的一個等離子和一種基于碳氟化合物的蝕刻氣體通過所述掩膜層的所述窗孔對所述二氧化硅膜進行選擇性蝕刻兩上步驟。這樣，就在所述二氧化硅膜上開了一個小穿孔。其特征在于所述二氧化硅進行選擇性蝕刻的步驟中，要調節蝕刻條件，以使一個碳氟比率在1.1至1.8之間的碳氟聚合物膜沉積在所述掩膜層上。
2.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述碳氟聚合物膜的C/F比例范圍在1.15至1.75之間。
3.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述碳氟聚合物膜的C/F比例范圍是1.2至1.8。
4.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述碳氟蝕刻氣體是CHF3、CH2F2和C2HF5三種氣體中的一種。
5.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述基于碳氟化合物的蝕刻氣體的成分中包括一種惰性氣體，
6.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述基于碳氟化合物的蝕刻氣體的成分中包括一種CO氣體。
7.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述二氧化硅膜的選擇性蝕刻是通過一個表面波等離子蝕刻儀實現的。
8.如權利要求1中所述的方法，其特征在于在一個SWP蝕刻儀中所述反應室中的壓力值范圍在20mTorr至60mTorr之間。
9.如權利要求1中所述的方法，其特征在于在一個SWP蝕刻儀中所述反應室中的壓力值范圍介于30mTorr至40mTorr之間。
10.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述掩膜是由一個光保護膜形成的。
11.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述掩膜層的厚度大約為1μm或更小。
12.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述穿孔的縱橫尺寸比約為6或更大。
13.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述二氧化硅膜至少一種雜質摻雜，其雜質為硼或磷。
14.一種等離子蝕刻方法，能夠在一個二氧化硅膜上開一個大小約為0.3μm或更小的穿孔。它包括以下幾個步驟(a)在一個摻雜或未摻雜的二氧化硅膜上開一個帶窗孔的腌膜層；(b)把所述帶所述掩膜層的二氧化硅放在一個反應室里；(c)把一種基于碳氟化合物的蝕刻氣體導入一個放有所述二氧化硅膜的反應室中，所述二氧化硅膜有所述的掩膜層；(d)在所述反應室中用導入到所述反應室中的基于碳氟化合物的蝕刻氣體產生等離子；以及(e)使用所述等離子和所述掩膜層對所述二氧化硅膜進行選擇性的蝕刻；其中在步驟(e)中，一個碳氟比例值在1.1至1.8之間的碳氟聚合物膜沉積在所述蝕刻保護膜上。
15.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述碳氟化合物的蝕刻氣體是CHF3、CH2F2和C2HF5一組氣體中的一種。
16.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述二氧化硅膜進行選擇性蝕刻的步驟(e)是由一個表面波等離子蝕刻儀完成的。
17.如權利要求16中所述的方法，其特征在于在SWP蝕刻儀中所述反應室中的壓力值范圍在20mTorr至60mTorr之間。
18.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述掩膜層的厚度大約為1μm或更小。
19.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述穿孔的縱橫尺寸比約為6或更大。
20.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述碳氟化合的蝕刻氣體的總流速和所述蝕刻氣體的氣態成分的單個流速的決定因素是所述沉積碳氟聚合物膜的C/F比例范圍在1.1至1.8之間，且所述反應室中的壓力固定在一個具體值上；并且，所述反應室的壓力從這個具體值起加以調節，以最大化所述二氧化硅膜和所述掩膜層之間的蝕刻選擇性，這樣就能有最佳的蝕刻條件。
全文摘要
本發明涉及一種等離子蝕刻方法,它在一摻雜或未摻雜二氧化硅膜上開一個約0.3μm或更小、具有較大縱橫尺寸比的穿孔。該方法包括形成一個帶窗孔的掩膜層的步驟和一個通過該窗孔采用在反應室內的等離子和碳氟化合物蝕刻氣體對二氧化硅膜進行選擇性蝕刻的步驟。在選擇性蝕刻的步驟中,需對蝕刻條件進行調節,使碳氟比例為1.1至1.8范圍值的碳氟聚合物膜沉積在掩膜層上。掩膜厚度最好約為1μm,本方法宜用表面波等離子蝕刻儀來實現。
文檔編號H01L21/311GK1214537SQ9812060
公開日1999年4月21日 申請日期1998年10月15日 優先權日1997年10月15日
發明者南部英高 申請人:日本電氣株式會社