一种氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法

摘要

本发明提供了一种氮化钽TaN的刻蚀方法，包括：步骤a、在第一时间段内，向反应腔室内通入第一刻蚀气体，以使TaN与所述第一刻蚀气体发生界面反应生成第一刻蚀产物；步骤b、在第二时间段内，向反应腔室内通入第二刻蚀气体；步骤c、循环执行所述步骤a和所述步骤b，直至所述TaN完全去除。在本发明提供的TaN刻蚀方法中，其在整个刻蚀过程中，能够保证TaN薄膜不同区域的刻蚀速率均相同，因此，在整个TaN薄膜材料刻蚀结束后，不会出现局部区域出现过刻蚀的现象，不会出现过刻蚀损害TaN薄膜下方的层结构。因此，相较于现有技术的刻蚀方法，本发明提供的刻蚀方法能够提高刻蚀工艺的兼容性和产品的良率。

权利要求

1.一种氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法，其特征在于，包括：

步骤a、在第一时间段内，向反应腔室内通入第一刻蚀气体，以使TaN与所述第一刻蚀气体发生界面反应生成第一刻蚀产物，所述第一刻蚀产物附着在未反应的TaN薄膜表面上，以形成覆盖于未反应TaN薄膜上的沉积层；

步骤b、在第二时间段内，向反应腔室内通入第二刻蚀气体，所述第二刻蚀气体与至少一部分所述第一刻蚀产物发生反应生成第二刻蚀产物，同时利用所述第二刻蚀气体的气流将所述第二刻蚀产物和未反应的所述第一刻蚀产物从TaN薄膜移除；

步骤c、循环执行所述步骤a和所述步骤b，直至所述TaN薄膜完全去除。

2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀产物包括结构为类金刚石结构的碳氟聚合物，以及包裹于所述碳氟聚合物中的钽氟化物。

3.根据权利要求2所述的刻蚀方法，其特征在于，所述钽氟化物与所述碳氟聚合物之间通过弱化学键连接，或者，所述钽氟化物与所述碳氟聚合物之间仅为物理内嵌关系。

4.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体为C4F8、CO和Ar的混合气体。

5.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体为C4F8、H2和Ar的混合气体。

6.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀气体为O2。

7.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀气体还可以为O2和CF4的混合气。

8.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，O2和CF4的混合气比例在100:1至1000:

1之间。

9.根据权利要求1-3任一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤b中，反应腔室内的压力为10-100mTorr，第二刻蚀气体的流量为500-2000sccm。

说明书

一种氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体加工工艺领域，尤其涉及一种氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法。

背景技术

[0002] 在深亚微米集成电路中，氮化钽TaN是金属互连结构中常用的材料层。这是因为氮化钽是目前理想的阻止金属扩散的扩散阻挡材料。

[0003] 在沉积薄膜的工艺中，反应离子溅射(Reactive Ion Sputtering)是制备TaN(氮化钽)薄膜的常用方法。但是，由于溅射沉积工艺的特点导致TaN薄膜主要有由多种化学态的钽氟化学组分的柱状结构晶粒组成，并且晶粒间存在非晶态以及化学组分偏析的晶介区域。XRD检测表明在溅射沉积的TaN薄膜是Ta2N、Ta4N以及TaN等多种化学组分的混合结构。

[0004] 在刻蚀TaN薄膜的常规方法中，由于上文所述的薄膜物理和化学特性造成在等离子刻蚀过程中刻蚀速率的不均匀性和各向异性。特别地，由于在晶界区域可能存在更多的非晶结构和非化学计量配比的结构，通常在晶界区域的刻蚀速率明显高于周围的晶粒区域。因此，在刻蚀工艺过程中，由于刻蚀速率在整个薄膜上的不均与性和各向异性在部分区域特别是晶界区域会存在过刻蚀的现象，并且由于不均匀和各向异性速率在刻蚀中会随工艺过程进行进一步恶化。过刻蚀现象会造成TaN薄膜下方的薄膜的刻蚀，从而将刻蚀损伤传递到下层结构中，并且由于离子的轰击作用使得损伤进一步加剧。不均匀刻蚀和下层薄膜的损伤会影响刻蚀工艺的兼容性，极大地降低产品良率。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种新的氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法，避免了对TaN薄膜刻蚀的不均与性以及对TaN薄膜层结构的损害，提高工艺兼容性和产品良率。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 一种氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法，包括：

[0008] 步骤a、在第一时间段内，向反应腔室内通入第一刻蚀气体，以使TaN与所述第一刻蚀气体发生界面反应生成第一刻蚀产物，所述第一刻蚀产物附着在未反应的TaN薄膜表面上；

[0009] 步骤b、在第二时间段内，向反应腔室内通入第二刻蚀气体，所述第二刻蚀气体与至少一部分所述第一刻蚀产物发生反应生成第二刻蚀产物，同时利用所述第二刻蚀气体的气流将所述第二刻蚀产物和未反应的所述第一刻蚀产物从TaN薄膜移除；

[0010] 步骤c、循环执行所述步骤a和所述步骤b，直至所述TaN薄膜完全去除。

[0011] 可选地，所述第一刻蚀产物包括结构为类金刚石结构的碳氟聚合物，以及包裹于所述碳氟聚合物中的钽氟化物。

[0012] 可选地，所述钽氟化物与所述碳氟聚合物之间通过弱化学键连接，或者，所述钽氟化物与所述碳氟聚合物之间仅为物理内嵌关系。

[0013] 可选地，所述第一刻蚀气体为C4F8、CO和Ar的混合气体。

[0014] 可选地，所述第一刻蚀气体为C4F8、H2和Ar的混合气体。

[0015] 可选地，所述第二刻蚀气体为O2。

[0016] 可选地，所述第二刻蚀气体还可以为O2和CF4的混合气。

[0017] 可选地，O2和CF4的混合气比例在100:1至1000:1之间。

[0018] 可选地，所述步骤b中，反应腔室内的压力为10-100mTorr，第二刻蚀气体的流量为500-2000sccm。

[0019] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0020] 本发明提供的氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法中，步骤a和步骤b能够将与第一刻蚀气体接触的最外一薄层TaN薄膜刻蚀掉，并从晶圆表面将生成的刻蚀产物移除，从而将未刻蚀掉的TaN裸露在外，再次通入第一刻蚀气体后，该未刻蚀掉的TaN会与通入反应腔内的第一刻蚀气体继续在界面处发生反应，并在步骤b中将步骤a中形成的附着于TaN薄膜表面的生成物移除至腔室抽气系统，由抽气系统排出。如此，通过循环执行步骤a和步骤b逐层将TaN薄膜刻蚀掉，从而达到完全刻蚀TaN薄膜的目的。

[0021] 由于本发明提供的刻蚀方法，每一个循环过程中只能刻蚀掉与第一刻蚀气体接触的最外一层TaN薄膜，通过多次循环过程逐层将待刻蚀TaN薄膜完全刻蚀。由于每个循环过程中步骤a只与最外一层TaN薄膜反应形成类金刚石结构的碳氟聚合物，这层碳氟聚合物沉积在薄膜表面，主要起到两个作用：1、碳氟聚合物中的氟能与TaN中的Ta反应形成钽氟化物，这一钽氟化物被碳氟聚合物包裹，以便在步骤b中随大流量的第二刻蚀气体的气流移除TaN表面，进入抽气系统。2、表面沉积的碳氟聚合物相当于在TaN薄膜表面形成一层保护层，阻止第一刻蚀气体与下层TaN反应，同时也保证了晶界和非晶区域也仅有最外一层与第一刻蚀气体发生反应，阻止了刻蚀速率不均匀和各向异性现象的发生。因此，在每个循环过程中，均不会出现由于TaN薄膜的多晶结构以及晶体缺陷导致的不同区域刻蚀速率不一的现象。所以，在本发明提供的TaN薄膜的刻蚀方法中，在整个刻蚀过程中，能够保证TaN薄膜不同区域的刻蚀速率均匀，因此，在整个TaN薄膜刻蚀结束后，不会出现局部区域出现过刻蚀的现象，不会出现过刻蚀损害TaN薄膜下层薄膜的现象。因此，相较于现有技术的刻蚀方法，本发明提供的刻蚀方法能够提高刻蚀工艺的兼容性和产品的良率。

附图说明

[0022] 为了清楚地理解本发明的技术方案，下面将描述本发明的具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其它附图。

[0023] 图1是带有柱状结晶结构的氮化钽TaN薄膜的结构示意图；

[0024] 图2是本发明实施例提供的氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法的流程示意图；

[0025] 图3是本发明实施例提供的TaN与步骤a的刻蚀气体反应的原理示意图；

[0026] 图4是本发明实施例提供的去除刻蚀产物的原理示意图。

具体实施方式

[0027] 为使本发明的目的和技术效果更加清楚、完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

[0028] 图1是结晶结构含有柱状晶体的TaN薄膜的结构示意图。从该图1中可以看出，TaN薄膜10的内部微观结构并不均一。其不均一的微观结构导致TaN薄膜不同区域的刻蚀速率不同。并且在晶界处或结晶缺陷处的刻蚀速率过快。这就导致，当其它区域达到刻蚀完全的时候，晶界处或结晶缺陷处的刻蚀已经出现了过刻蚀。过刻蚀的出现以及在缺陷处离子轰击效果的增强会将TaN薄膜的缺陷传递到其下方的薄膜结构20中，形成缺陷从而影响半导体器件的性能，降低产品良率

[0029] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法。

[0030] 图2是本发明实施例提供的氮化钽TaN的刻蚀方法流程示意图。如图2所示，该方法包括以下步骤：

[0031] S201、在第一时间段内，向反应腔室内通入第一刻蚀气体，以使TaN薄膜的最外一层TaN与第一刻蚀气体发生界面反应生成第一刻蚀产物，所述第一刻蚀产物附着在未反应的TaN薄膜表面：

[0032] 需要说明的是，在通入第一刻蚀气体之前，需要将待处理的晶圆放置在反应腔室内的静电吸盘ESC上。

[0033] 该步骤对应的反应原理示意图如图3所示。当待处理的晶圆放置在反应腔室内后，在第一时间段内，向反应腔室内通入第一刻蚀气体，该第一刻蚀气体与TaN薄膜最外一层的TaN发生界面反应，生成第一刻蚀产物，所述第一刻蚀产物附着在未反应的TaN薄膜表面，形成沉积层30。

[0034] 作为本发明的一个具体实施例，该第一刻蚀气体在射频能量的作用下电离产生包含CxFy+基团的等离子体。CxFy+随气流扩散到TaN薄膜层10表面与TaN发生反应，生成类金刚石结构的碳氟聚合物沉积于未反应的TaN薄膜表面，然后，碳氟聚合物中的氟与TaN发生化学反应形成钽的氟化物并包裹于碳氟聚合物中，如此，形成一层覆盖于TaN薄膜上的沉积层30，如图3所示。该沉积层30附着在未反应的TaN薄膜层10表面上。该沉积层30的组分为第一刻蚀产物，其中，第一刻蚀产物至少包括一种组分，作为本发明的一个具体实施例，第一刻蚀产物包括结构为类金刚石结构的碳氟聚合物，以及包裹于所述碳氟聚合物中的钽氟化物。其中，钽氟化物与碳氟聚合物之间可以通过弱化学键连接，如通过范德华力连接，另外，钽氟化物与碳氟聚合物之间也可以仅为物理内嵌关系，其之间没有任何化学键连接。

[0035] 第一时间段的时长根据第一刻蚀气体与TaN的反应速率决定。当其反应速率较小时，第一时间段相对较长，当其反应速率较大时，第一时间段相对较短。第一时间段的时长应当满足在该时间段内，第一刻蚀气体能够与其接触的TaN薄膜充分完全反应，形成类金刚石结构的碳氟聚合物沉积，其内部包裹钽的氟化物。

[0036] 具体地说，第一刻蚀气体中可以包括C4F8和氩气Ar。此时，第一刻蚀气体与TaN的反应机理如下：

[0037] C4F8在射频能量的作用下发生电离，生成多种电离基团，可表示为CXFy+，例如：C2F4+、C2F3+、C3F5+等此外，C4F8在射频能量的作用下发生电离时，同时产生大量氟自由基F·。

[0038] 氟自由基具有更高的化学活性，与TaN薄膜反应会直接生成难挥发的氟化钽TaFx化合物。

[0039] 具体地说，步骤S201的反应是分为两个步骤进行的，首先，CxFy+(代表C2F4+、C2F3+、C3F5+等)在TaN表面沉积形成具有类金刚石结构的碳氟聚合物沉积于TaN薄膜表面。继而，在氩离子Ar+的轰击下，碳氟聚合物中的F原子与TaN反应形成氟化钽TaFx化合物，由于这一反应是在沉积的碳氟聚合物中进行的，生成的氟化钽TaFx化合物也就被类金刚石结构的碳氟聚合物包裹。这一层沉积的聚合物会阻止第一刻蚀气体与下层TaN反应，同时也保证了晶界和非晶区域也仅有最外一层TaN与第一刻蚀气体发生反应，阻止了TaN薄膜刻蚀速率不均匀和各向异性现象的发生。因此，在每个循环过程中，均不会出现由于TaN薄膜的多晶结构以及晶体缺陷导致的不同区域刻蚀速率不一的现象。另外，由于氟自由基与TaN反应生成氟化钽的反应速率大于有机氟等离子体与TaN反应的速率，而且，氟自由基F·直接与TaN反应生成的氟化钽TaFx化合物是难挥发的产物，在刻蚀工艺过程中，晶圆表面的温度一般在20～75摄氏度之间，远低于氟化钽的沸点(229.5摄氏度)，因此，生成的氟化钽无法从晶圆表面移除。聚集的氟化钽附着于TaN薄膜表面，起到类似于硬掩模的作用，离子轰击作用将在其周围形成缺陷，随着刻蚀工艺的进行这一缺陷将被不断放大并最终转移到下层薄膜中。为了避免这种情况发生，应尽量避免氟自由基与TaN的直接反应，因而在第一刻蚀气体还可以包括能够去除氟自由基的气体，如一氧化碳CO和/或氢气H2。

[0040] S202、在第二时间段内，向反应腔室内通入第二刻蚀气体，所述第二刻蚀气体与至少一部分所述第一刻蚀产物反应生成第二刻蚀产物，同时利用所述第二刻蚀气体的气流将所述第二刻蚀产物和未反应的第一刻蚀产物从TaN薄膜表面移除：

[0041] 需要说明的是，第二刻蚀气体能够与至少一部分第一刻蚀产物发生反应生成第二刻蚀产物，其中，第二刻蚀产物为挥发性产物。

[0042] 此外，第二时间段内，反应腔室内的气压保持在低压，并且第二刻蚀气体的气体流速较大，因此，在第二刻蚀气体与至少一部分第一刻蚀产物反应的同时，在第二刻蚀气体的气流能够将第二刻蚀产物和未反应的第一刻蚀产物从TaN薄膜表面移除。需要说明的是，从TaN薄膜表面移除的第二刻蚀产物和未反应的第一刻蚀产物随着第二刻蚀气体的气流进入抽气系统，由抽气系统将其从反应腔室内抽走。

[0043] 作为本发明的一个具体实施例，在第一刻蚀产物中，氟碳聚合物能够与第二刻蚀气体发生反应，生成挥发性产物，该挥发性产物会随着第二刻蚀气体的流动离开TaN薄膜表面，使其进入抽气系统，同时，在挥发性产物离开TaN薄膜表面的的同时，包裹在氟碳聚合物中的氟化钽也随之离开晶圆表面进入抽气系统。

[0044] 此外，在第二时间段内，反应腔室内应保持较低的气压，较大的气体流量，以保证在反应去除沉积的碳氟化合物的同时，离开晶圆表面的气流具有较大流速，将包裹于碳氟聚合物中的氟化钽TaFx化合物从晶圆表面移除。

[0045] 因此，通过向反应腔室内通入第二刻蚀气体能够将步骤S201产生的第一刻蚀产物从TaN薄膜表面上去除，使其进入抽气系统继而离开反应腔室。当覆盖TaN表面的氟碳聚合物被移除后，原本在其下方受到保护的TaN薄膜将成为新的最外层，并在下一刻蚀循环中被刻蚀。

[0046] 具体地说，在本发明实施例中，第二刻蚀气体可以为氧气O2。进一步地，所述第二刻蚀气体中还可以包含CF4，CF4能够与光阻掩膜层材料反应，在实际应用需要刻蚀TaN薄膜的结构周围通常有光阻层存在，当刻蚀过程中部分被离子轰击溅射到光阻层上的非挥发产物会影响下一循环中TaN薄膜的刻蚀，因而在第二刻蚀气体中还可以加入少量CF4，该CF4可以去除这一部分溅落于光阻层上的非挥发产物提高TaN薄膜刻蚀的稳定性。当第二刻蚀气体为氧气O2和CF4的混合气体时，O2和CF4的混合气比例在100:1至1000:1之间。

[0047] 为了能够将挥发性产物以及氟化钽从晶圆表面移除，使其进入抽气系统，在第二时间段内，反应腔室内应保持较低压力，其压力例如可以为10～100mtorr。而且第二刻蚀气体应保持较高的流量，这样在低压腔室中流过晶圆表面的气体具有较高流速，以保证能够将挥发性产物以及氟化钽带离晶圆表面。其中，第二刻蚀气体的气体流量例如可以在500～2000sccm之间。

[0048] 该步骤对应的原理示意图如图4所示。

[0049] 如此，经过步骤S201和步骤S202将位于表面上的TaN薄膜刻蚀掉，并将刻蚀产物从反应腔室内移除。为了能够将TaN薄膜刻蚀干净，需要反复执行上述步骤S201至步骤S202。

[0050] 作为示例，本发明实施例示例出执行两个循环过程的情况，即在步骤S202之后，继续执行步骤S203至步骤S204。

[0051] S203、在第一时间段内，向反应腔室内通入第一刻蚀气体，以使TaN薄膜的最外一层TaN与第一刻蚀气体发生界面反应生成第一刻蚀产物，所述第一刻蚀产物附着在未反应的TaN薄膜表面：

[0052] 该步骤与步骤S201相同，为了简要起见，在此不再详细描述，详细信息请参见步骤S201的描述。

[0053] S204、在第二时间段内，向反应腔室内通入第二刻蚀气体，所述第二刻蚀气体与至少一部分所述第一刻蚀产物反应生成第二刻蚀产物，同时利用所述第二刻蚀气体的气流将所述第二刻蚀产物和未反应的第一刻蚀产物从TaN薄膜表面移除：

[0054] 该步骤与步骤S202相同，为了简要起见，在此不再详细描述，详细信息请参见步骤S202的描述。

[0055] 需要说明的是，以上仅是本发明实施例提供的氮化钽TaN薄膜刻蚀方法的示例。因此，本发明提供的氮化钽刻蚀方法不限于仅包括上述两个循环，本发明提供的氮化钽薄膜刻蚀方法还可以包括更多个循环过程。需要说明的是，循环次数的多少与TaN薄膜的厚度相适应。TaN薄膜的厚度越厚，循环次数越多。

[0056] 实际上，在刻蚀TaN的过程中，一般需要循环执行步骤S201至步骤S202多次，直到TaN薄膜完全去除。

[0057] 以上为本发明实施例提供的氮化钽TaN薄膜的刻蚀方法。通过该刻蚀方法将TaN与第一刻蚀气体发生界面反应逐层将TaN薄膜刻蚀掉。采用这种逐层刻蚀TaN薄膜的方法，避免了现有技术中TaN薄膜的局部区域过刻蚀的风险。这是因为：每一个循环过程中只能刻蚀掉与第一刻蚀气体接触的最外一层TaN薄膜，通过多次循环过程逐层将待刻蚀TaN薄膜完全刻蚀。由于每个循环过程中步骤S201只与最外一层TaN薄膜反应形成类金刚石结构的碳氟聚合物，这层碳氟聚合物沉积在薄膜表面，主要起到两个作用：1、碳氟聚合物中的氟能与TaN中的Ta反应形成钽氟化物，这一钽氟化物被碳氟聚合物包裹，以便在步骤S202中随大流量的第二刻蚀气体的气流移除TaN表面，进入抽气系统。2、表面沉积的碳氟聚合物相当于在TaN薄膜表面形成一层保护层，阻止第一刻蚀气体与下层TaN反应，同时也保证了晶界和非晶区域也仅有最外一层与第一刻蚀气体发生反应，阻止了刻蚀速率不均匀和各向异性现象的发生。因此，在每个循环过程中，均不会出现由于TaN薄膜的多晶结构以及晶体缺陷导致的不同区域刻蚀速率不一的现象。所以，在本发明提供的TaN薄膜的刻蚀方法中，在整个刻蚀过程中，能够保证TaN薄膜不同区域的刻蚀速率均匀，因此，在整个TaN薄膜刻蚀结束后，不会出现局部区域出现过刻蚀的现象，不会出现过刻蚀损害TaN薄膜下层薄膜的现象。因此，相较于现有技术的刻蚀方法，本发明提供的刻蚀方法能够提高刻蚀工艺的兼容性和产品的良率。

[0058] 另外，本发明提供的氮化钽薄膜刻蚀方法，在生成第一刻蚀产物后，会通入第二刻蚀气体，以将生成的刻蚀产物从TaN表面移除，并将其带离反应腔室。因此，该方法解决了现有技术中难挥发钽氟化合物难以在工艺温度下挥发残留薄膜表面的问题。

[0059] 以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。