CN102044482A - 沟槽的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沟槽的形成方法，预先根据刻蚀气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型，包括步骤：提供晶片，在晶片上具有层间介质层；测试晶片上从边缘区域到中央区域的所述层间介质层的厚度变化曲线；根据所述厚度变化曲线得到晶片从边缘区域到中央区域所需的刻蚀速率；利用所述所需的刻蚀速率和所述非线性函数模型，得到所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间；利用所述所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间进行刻蚀，在所述层间介质层中形成沟槽。从而减小对沟槽下层器件的损伤。

Description

沟槽的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种沟槽的形成方法。

背景技术

随着集成电路向超大规模集成电路发展，集成电路内部的电路密度越来越大，所包含的元件数量也越来越多，这种发展使得晶圆表面无法提供足够的面积来制作所需的互连线。

为了满足元件缩小后的互连线需求，两层及两层以上的多层金属互连线的设计成为超大规模集成电路技术所通常采用的一种方法。目前，不同金属层或者金属层与衬垫层的导通是通过金属插塞实现的，金属插塞的形成包括：在金属层与金属层之间或者金属层与衬垫层之间的介质层形成一沟槽，在沟槽内填入金属导电材料就形成了金属插塞。在申请号为200610030809.4的中国专利文件中能够发现更多的关于现有的沟槽的形成方案。

一种现有的金属插塞的形成过程包括步骤：首先，在晶片上沉积一定厚度的层间介质层，并利用光刻、刻蚀技术去除对应沟槽处的层间介质层直至露出衬底表面，以形成沟槽，在所述刻蚀中通常认为所述层间介质层的表面为一平坦表面，并且晶片的所有位置上的刻蚀速率相同；接着，在具有沟槽的层间介质层表面沉积阻挡层；所述阻挡层表面形成填充沟槽的金属层；去除部分所述金属层、部分阻挡层和部分层间介质层，形成金属插塞。

但是在上述方法中，由于在之前的工艺中，例如化学机械抛光(CMP)，使得晶片上的层间介质层的表面不平坦，换言之，晶片边缘区域的层间介质层和晶片中央区域的层间介质层的厚度不同，从而使得刻蚀形成的晶片边缘区域的沟槽和晶片中央区域的沟槽的深度不同，这样容易使得晶片边缘区域的沟槽刻蚀的过深，从而对下层的半导体器件造成损伤。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种沟槽的形成方法，从而减小对沟槽下层器件的损伤。

为了解决上述问题，本发明提供了一种沟槽的形成方法，预先根据刻蚀气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型，所述刻蚀速率包括晶片从边缘区域到中央区域的层间介质层的刻蚀速率，该方法还包括步骤：提供晶片，在晶片上具有层间介质层；测试晶片上从边缘区域到中央区域的所述层间介质层的厚度变化曲线；根据所述厚度变化曲线得到晶片从边缘区域到中央区域所需的刻蚀速率；利用所述所需的刻蚀速率和所述非线性函数模型，得到所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间；利用所述所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间进行刻蚀，在所述层间介质层中形成沟槽。

可选的，预先得到刻蚀气体流量和刻蚀速率得到刻蚀速率的非线性函数模型的步骤包括：

提供具有层间介质层的晶片模型；

对所述晶片模型上的层间介质层刻蚀；

根据晶片中央区域到晶片边缘区域的层间介质层去除的厚度和刻蚀时间得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率；

根据气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型。

可选的，得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率后，还包括：

压缩为至少两个一维矩阵分别与压缩因子相乘后，再求和的形式。

可选的，所述刻蚀气体为CHF₃。

可选的，所述层间介质层包括低温氧化物层和位于低温氧化物层上的黑钻石层。

可选的，所述晶片上的层间介质层的厚度从中央区域向边缘区域递减。

可选的，所述晶片上的层间介质层的厚度从中央区域向边缘区域递增。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

本发明利用了在对同一片晶片的刻蚀步骤中，晶片边缘区域和晶片中央区域的刻蚀速率不同的原理，从而预先根据刻蚀气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型。这样在对晶片刻蚀之前，只要对晶片上的层间介质层测量，得到边缘区域到中央区域的厚度变化曲线，然后就可以找到该曲线对应的刻蚀气体流量，从而利用该刻蚀气体流量进行刻蚀，就可以同时将晶片边缘区域和晶片中央区域的层间介质层刻蚀干净，而避免了边缘区域或者中央区域的过刻蚀问题，减小对沟槽下层器件的损伤，提高了器件的质量。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的沟槽形成方法的流程图；

图2为晶片上不同位置刻蚀去除的介质层厚度示意图；

图3为晶片上不同位置的刻蚀速率示意图；

图4为晶片上的层间介质层的厚度测试示意图；

图5为晶片的厚度变化曲线。

具体实施方式

由背景技术可知，由于晶片边缘区域的层间介质层和晶片中央区域的层间介质层的厚度不同，从而使得刻蚀形成的晶片边缘区域的沟槽和晶片中央区域的沟槽的深度不同，容易使得晶片边缘区域的沟槽刻蚀的过深，从而对下层的半导体器件造成损伤。

本发明的发明人经过大量的实验认为：由于刻蚀气体在刻蚀腔中不是均匀分布的，通常刻蚀腔的中央和刻蚀腔的边缘刻蚀气体流量的分布不同，使得晶片边缘区域的层间介质层和晶片中央区域的层间介质层刻蚀速率不同，从而不同的刻蚀时间去除掉的晶片边缘区域的层间介质层和晶片中央区域的层间介质层的厚度也不同，从而本发明的发明人利用多组具有层间介质层的晶片模型进行刻蚀，根据气体流量和刻蚀速率得到晶片边缘区域到中央区域的层间介质层刻蚀速率的非线性函数模型。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

图1为本发明的沟槽的形成方法的流程图，本发明的沟槽的形成方法包括步骤：

S10：预先根据刻蚀气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型，所述刻蚀速率为晶片从边缘区域到中央区域的层间介质层的刻蚀速率。

具体包括：

首先，提供具有层间介质层的晶片模型。

接着对所述晶片模型上的层间介质层刻蚀，例如利用CHF₃，流量为10sccm。

根据晶片中央区域到晶片边缘区域的层间介质层去除的厚度和刻蚀时间得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率，即刻蚀速率在晶片上的分布；

根据气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型，例如神经网络模型。

例如利用CHF₃，在流量为20sccm对晶片刻蚀，然后测试晶片中央区域到晶片边缘区域的层间介质层去除的厚度如图2所示，刻蚀时间为t，则用图2所示的曲线除以刻蚀时间t，得到如图3所示晶片从边缘区域到中央区域的刻蚀速率。

同样，在改变刻蚀气体流量，例如30sccm后再次进行刻蚀，然后测试晶片中央区域到晶片边缘区域的层间介质层去除的厚度，计算得到刻蚀速率。

从而多次测量之后，可以得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率和刻蚀气体流量的对应关系，然后根据刻蚀速率和气体流量建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型。

为了简化计算得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率后还可以包括步骤：

将晶片边缘区域到中央区域刻蚀速率进行压缩，压缩为至少两个一维矩阵分别与压缩因子相乘后，再求和的形式，例如具体的刻蚀速率为一组矩阵式的非线性函数模型，因此可以将该矩阵关系拆分为两组矩阵和的形式。

一个气体流量对应的蚀刻速率本身是个一维的，压缩之后可以是几个一维矩阵的加合。直接参与模型建立的不是矩阵本身而是矩阵的系数。比如可以拆分为下面三个矩阵的和的形式，如矩阵A1、A2、A3分别为八个点，矩阵系数(也叫做压缩因子)a1、a2、a3是3个数值。蚀刻速率＝a1×A1+a2×A2+a3×A3。

S20：提供晶片，在晶片上具有层间介质层。

所述晶片为可以为单晶、多晶或非晶结构的硅或硅、锗、砷化镓或硅锗化合物，也可以具有外延层或绝缘层上硅结构，还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓，这里不再一一列举。所述晶片还可以包括器件层，例如MOS器件。

所述层间介质层包括低温氧化物层(ILD)及位于ILD上的BD(Black Diamand，黑钻石)层。

所述层间介质层的材料还可以选自SiO₂或者掺杂的SiO₂，例如USG(Undoped silicon glass，没有掺杂的硅玻璃)、BPSG(Borophosphosilicate glass，掺杂硼磷的硅玻璃)、BSG(borosilicate glass，掺杂硼的硅玻璃)、PSG(Phosphosilitcate Glass，掺杂磷的硅玻璃)等。

S30：测试晶片上从边缘区域到中央区域的所述层间介质层的厚度变化曲线。

如图4所示，具体的，可以利用本领域技术人员熟知的测试方法，依次测量晶片从边缘区域到中央区域的层间介质层的厚度，例如可以均匀的选择一些点进行测试，如选择晶片510的同一直径520上的间距相等的一些点进行测试，从而得到从晶片上从边缘区域到中央区域的所述层间介质层的厚度变化曲线，例如图5所示的厚度变化曲线。

S40：根据所述厚度变化曲线得到晶片从边缘区域到中央区域所需的刻蚀速率。

利用厚度变化曲线上每个点的厚度除以相同的刻蚀时间，得到晶片上从边缘区域到中央区域的所需的刻蚀速率。

S50：利用所述所需的刻蚀速率和所述非线性函数模型，得到所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间。

具体的，将所述厚度变化曲线带入所述非线性函数模型，得到所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间，例如利用CHF₃，CHF₃流量为10sccm，刻蚀时间为10s。

S60：利用所述所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间进行刻蚀，在所述层间介质层中形成沟槽。

所述刻蚀介质层可以是任何常规刻蚀技术，比如化学刻蚀技术或者等离子体刻蚀技术，在本实施例中，采用等离子体刻蚀技术，采用CHF₃作为反应气体刻蚀层间介质层直至形成暴露晶片的沟槽。

刻蚀介质层的工艺可以为等离子体刻蚀工艺，具体包括：选用电感耦合等离子体型刻蚀设备，刻蚀设备腔体压力为10毫托至50毫托，顶部射频功率为200瓦至500瓦，底部射频功率为150瓦至300瓦，CHF₃流量为10sccm，刻蚀时间为30s刻蚀层间介质层直至形成将层间介质层去除干净形成沟槽。

在其它实施例中，所述刻蚀气体还可以是CH₂F₂、CH₃F、C₄F₈或者C₅F₈中的一种或其组合。

另外，所述层间介质层包括低温氧化物层和位于低温氧化物层上的BD层。所述层间介质层的厚度包括低温氧化物层和BD层厚度之和。

本发明利用了在对同一片晶片的刻蚀步骤中，晶片边缘区域和晶片中央区域的刻蚀速率不同的原理，从而预先根据刻蚀气体流量和刻蚀速率建立晶片从边缘区域到中央区域的刻蚀速率的非线性函数模型。这样在对晶片刻蚀之前，只要对晶片上的层间介质层测量，得到边缘区域到中央区域的厚度变化曲线，然后就可以找到该曲线对应的刻蚀气体流量，从而利用该刻蚀气体流量进行刻蚀，就可以同时将晶片边缘区域和晶片中央区域的层间介质层刻蚀干净，而避免了边缘区域或者中央区域的过刻蚀问题，减小对沟槽下层器件的损伤，提高了器件的质量。

并且不管晶片上的层间介质层的厚度从中央区域向边缘区域递减、递增或者不变，都可以利用本发明的函数得到所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种沟槽的形成方法，其特征在于，预先根据刻蚀气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型，所述刻蚀速率包括晶片从边缘区域到中央区域的层间介质层的刻蚀速率，该方法还包括步骤：

提供晶片，在晶片上具有层间介质层；

测试晶片上从边缘区域到中央区域的所述层间介质层的厚度变化曲线；

根据所述厚度变化曲线得到晶片从边缘区域到中央区域所需的刻蚀速率；

利用所述所需的刻蚀速率和所述非线性函数模型，得到所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间；

利用所述所需的刻蚀气体流量和刻蚀时间进行刻蚀，在所述层间介质层中形成沟槽。

2.根据权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，预先得到刻蚀气体流量和刻蚀速率得到刻蚀速率的非线性函数模型的步骤包括：

提供具有层间介质层的晶片模型；

对所述晶片模型上的层间介质层刻蚀；

根据晶片中央区域到晶片边缘区域的层间介质层去除的厚度和刻蚀时间得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率；

根据气体流量和刻蚀速率建立各刻蚀气体流量下的刻蚀速率在晶片上分布的非线性函数模型。

3.根据权利要求2所述的沟槽的形成方法，其特征在于，得到晶片从边缘区域到中央区域的的刻蚀速率后，还包括：

压缩为至少两个一维矩阵分别与压缩因子相乘后，再求和的形式。

4.根据权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述刻蚀气体为CHF₃。

5.根据权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述层间介质层包括低温氧化物层和位于低温氧化物层上的黑钻石层。

6.根据权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述晶片上的层间介质层的厚度从中央区域向边缘区域递减。

7.根据权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述晶片上的层间介质层的厚度从中央区域向边缘区域递增。

Images