專利名稱：提高溝槽寬度均勻性的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造工藝，特別涉及一種提高溝槽寬度均勻性的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，在半導(dǎo)體器件的后段工藝中，可根據(jù)不同需要設(shè)置多層金屬互連層，每層金 屬互連層包括金屬互連線和絕緣層，這就需要對(duì)上述絕緣層制造溝槽和連接孔，然后在上 述溝槽和連接孔內(nèi)沉積金屬，沉積的金屬即為金屬互連線，一般選用銅作為金屬互連線材 料。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中，部分銅互連層的剖面示意圖在包括刻蝕終止層101和氧化硅層 102的絕緣層上刻蝕溝槽103和連接孔104，然后在溝槽103和連接孔104內(nèi)沉積金屬銅， 形成溝槽103內(nèi)的銅互連線103’及連接孔104內(nèi)的銅互連線104’，所述銅互連線104’與 下層的銅互連線105連接。為簡(jiǎn)便起見，圖1僅示出了部分金屬互連層。顯然，形成于半導(dǎo) 體襯底上，還具有若干金屬互連層，其中半導(dǎo)體襯底上可以形成各種器件結(jié)構(gòu)，例如定義在 襯底上的有源區(qū)、隔離區(qū)，以及有源區(qū)中的晶體管的源/漏和柵極。在現(xiàn)有的刻蝕工藝中，一般采用等離子體刻蝕形成溝槽103和連接孔104。在刻 蝕溝槽103時(shí)，主刻蝕一般采用的刻蝕氣體包括氬氣(Ar)、和含氟(F)類氣體如四氟化碳 (CF4)等，通過物理刻蝕和化學(xué)刻蝕相結(jié)合的方法，對(duì)電介質(zhì)層如氧化硅層102進(jìn)行刻蝕。其 中，Ar主要用于物理刻蝕，Ar等離子體會(huì)在晶片表面產(chǎn)生離子轟擊，能夠物理地從晶片表 面移除材料并能夠破壞晶圓片表面原子之間的化學(xué)鍵，從而顯著地提高刻蝕反應(yīng)速率。含 氟類氣體如CF4主要用于化學(xué)刻蝕，產(chǎn)生化學(xué)上易反應(yīng)的等離子基團(tuán)，這些基團(tuán)會(huì)明顯增加 刻蝕速率?？涛g工藝在反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行，現(xiàn)有技術(shù)中，將Ar和CF4的混合氣體通過管路，然后再 分為兩個(gè)支路，每條支路上都設(shè)置有氣孔，Ar和CF4的混合氣體通過各自支路上的氣孔，分 別通入反應(yīng)腔中，Ar和CF4的混合氣體在反應(yīng)腔的中間區(qū)域和邊緣區(qū)域的雙氣流量(Dual Gas Flow, DGF)比可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同，設(shè)定兩個(gè)支路上的氣孔數(shù)量比，進(jìn)而調(diào)整反應(yīng) 腔中間區(qū)域和邊緣區(qū)域的大小。例如，可以將邊緣區(qū)域和中間區(qū)域的氣孔數(shù)量比調(diào)整為 1 2。由于射頻功率電源提供射頻電壓，在反應(yīng)腔內(nèi)產(chǎn)生射頻電場(chǎng)，將刻蝕氣體激發(fā)成 等離子體。但是由于射頻電場(chǎng)的不均勻，所以使產(chǎn)生的等離子體在反應(yīng)腔的中間區(qū)域和邊 緣區(qū)域的均勻度不一致，因此，邊緣區(qū)域的刻蝕速率小于中間區(qū)域的刻蝕速率。進(jìn)一步地，在晶片中存在若干個(gè)芯片單元(Die)，每個(gè)芯片單元中存在若干個(gè)單線(Iso)和密線(Dense)。從單線處到密線處，柵極與柵極之間的間距是逐漸減小的。這樣， 就會(huì)使晶片邊緣的Iso和Dense處的刻蝕蝕速率小于其它位置的刻蝕速率。因?yàn)榭涛g包括 橫向刻蝕和垂直刻蝕，晶片邊緣刻蝕速率小，則晶片邊緣的橫向刻蝕速率自然會(huì)比晶片中 間區(qū)域的小，晶片邊緣的溝槽寬度就會(huì)比晶片中間區(qū)域的溝槽寬度小，因此，晶片內(nèi)各個(gè)位 置上的溝槽寬度W不均勻，導(dǎo)致晶圓片內(nèi)銅互連線103’的方塊電阻均勻性較差，即晶圓片上有的位置上方塊電阻(Rs)較大，有的位置上方塊電阻較小。為顯示晶片Iso和Dense的溝槽寬度均勻性，利用掃描電子顯微鏡(SEM)捕獲Iso 和Dense的溝槽寬度值。Dense處溝槽寬度的range為9. 5納米；I so處溝槽寬度的range 為29. 9納米。Iso或者Dense的溝槽寬度均勻性指標(biāo)range越低，則說明方塊電阻均勻性 越高。range是指溝槽寬度最大值-溝槽寬度最小值。伴隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā) 展，晶片朝向更高的元件密度、高集成度方向發(fā)展，半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)已進(jìn)入65nm乃 至45nm工藝節(jié)點(diǎn)，控制Iso或者Dense的溝槽寬度均勻性指標(biāo)range在10納米的范圍內(nèi)， 越來越成為一個(gè)技術(shù)上的挑戰(zhàn)，這從上述就可以看出，雖然Dense處的range為9. 5納米， 小于10納米，但是Iso處的range為29. 9納米，是遠(yuǎn)大于10納米的，這會(huì)嚴(yán)重影響器件的 性能，所以提高溝槽寬度均勻性越來越成為提高器件性能的關(guān)鍵問題。 為了消除反應(yīng)腔的中間區(qū)域和邊緣區(qū)域刻蝕速率的差異，即要提高在整個(gè)晶片范 圍內(nèi)的刻蝕均勻性，將邊緣區(qū)域和中間區(qū)域的氣孔數(shù)量比進(jìn)行調(diào)整可以將邊緣區(qū)域的氣孔 數(shù)量調(diào)得更少一些，例如邊緣區(qū)域和中間區(qū)域的氣孔數(shù)量比為1 4，這樣設(shè)定的邊緣區(qū) 域更靠晶片邊緣，而且面積更小一些，那么在相同流量的情況下，通過所設(shè)定的最邊緣區(qū)域 的刻蝕氣體就相對(duì)更多一些，提高了最邊緣區(qū)域的刻蝕速率。改變DGF比之后，最終雖然 Dense處的均勻性有所提高，Dense處的range從9. 5納米減少到8. 7納米，但是Iso處的 均勻性仍然很差，Iso處的range為19. 8納米，遠(yuǎn)大于10納米。仍然會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件的性 能造成很大影響。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種提高溝槽寬度均勻性的方法和裝置， 該方法和裝置能夠有效提高溝槽寬度均勻性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明公開了一種提高溝槽寬度均勻性的方法，應(yīng)用于晶片在反應(yīng)腔內(nèi)的溝槽刻 蝕工序中，所述反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)有邊環(huán)，所述邊環(huán)環(huán)繞晶片設(shè)置，關(guān)鍵在于，通過改變邊環(huán)的溫 度對(duì)晶片邊緣的刻蝕速率進(jìn)行控制。降低所述邊環(huán)的溫度在20攝氏度至35攝氏度。所述邊環(huán)的溫度的降低通過控制邊環(huán)腔內(nèi)冷卻物質(zhì)的流量。所述冷卻物質(zhì)為冷卻水、氦氣或者氮?dú)?。本發(fā)明還公開了一種提高溝槽寬度均勻性的裝置，包括用于晶片溝槽刻蝕工序的 反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)有邊環(huán)，所述邊環(huán)環(huán)繞晶片設(shè)置，關(guān)鍵在于，該裝置還包括冷卻控 制系統(tǒng)，所述冷卻控制系統(tǒng)設(shè)于反應(yīng)腔外，和邊環(huán)相連接，用于改變邊環(huán)的溫度，對(duì)晶片邊 緣的刻蝕速率進(jìn)行控制。所述冷卻控制系統(tǒng)降低邊環(huán)的溫度在20攝氏度至35攝氏度之間。所述邊環(huán)為一環(huán)形空腔，用于通入冷卻物質(zhì)。所述冷卻控制系統(tǒng)包括可控閥門、主控制器、溫度傳感器；溫度傳感器依據(jù)采樣頻率對(duì)不同時(shí)刻的邊環(huán)溫度進(jìn)行檢測(cè)；主控制器根據(jù)溫度傳感器的溫度控制流經(jīng)可控閥門的冷卻物質(zhì)的流量；
可控閥門與邊環(huán)連接，冷卻物質(zhì)流經(jīng)可控閥門進(jìn)入邊環(huán)。
所述邊環(huán)為導(dǎo)電環(huán)。所述邊環(huán)為石英環(huán)、硅環(huán)、碳化硅環(huán)、氮化硅環(huán)、氮化鋁環(huán)、氧化鋁環(huán)中的一種。由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明通過降低邊環(huán)的溫度，降低在晶片邊緣邊環(huán)對(duì)含氟氣體的消耗量，就可將含氟的刻蝕氣體更有效地用于溝槽的刻蝕，由此增加了對(duì)晶片邊 緣溝槽的刻蝕速率，從而提高溝槽寬度的均勻性，也即提高了溝槽內(nèi)填充的金屬銅的方塊 電阻的均勻性，最終提高了半導(dǎo)體器件的性能。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中部分銅互連層的剖面示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中等離子處理裝置的反應(yīng)腔內(nèi)的部分剖面示意圖。圖3為本發(fā)明提高晶片溝槽寬度均勻性的流程示意圖。圖4為本發(fā)明提高晶片溝槽寬度均勻性的較佳實(shí)施例的裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例， 對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明通過降低邊環(huán)的溫度，降低在晶片邊緣邊環(huán)對(duì)含氟氣體的消耗量，就可將 含氟的刻蝕氣體更有效地用于溝槽的刻蝕，由此增加了對(duì)晶片邊緣溝槽的刻蝕速率，從而 提高溝槽寬度的均勻性，也即提高了溝槽內(nèi)填充的金屬銅的方塊電阻的均勻性，最終提高 了器件的性能。本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為了便于說明，表示 結(jié)構(gòu)的示意圖會(huì)不依一般比例作局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定，此外，在實(shí)際的 制作中，應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中等離子處理裝置的反應(yīng)腔內(nèi)的部分剖面示意圖。下電極組合件 包括一個(gè)基板201和位于其上的晶片夾盤202，晶片203裝在晶片夾盤202上，以致覆蓋晶 片夾盤202和邊環(huán)204的部分上表面，也就是說各部分是緊密匹配的。其中，基板201上還 可以設(shè)有耦合環(huán)、絕緣體填充環(huán)等(圖中未示出)。邊環(huán)204是在等離子產(chǎn)生的過程中變 熱的導(dǎo)電材料，一般為實(shí)體結(jié)構(gòu)，還可以保護(hù)晶片夾盤202在刻蝕處理期間免受離子轟擊。 邊環(huán)可采用任意形狀，為了對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體提供更均勻的溫度，優(yōu)選為圍繞晶片203 設(shè)置的環(huán)狀。其截面可以為矩形或者如圖2所示的沿邊環(huán)的內(nèi)側(cè)壁還具有凸起，凸起的上 表面與晶片夾盤202的上表面齊平，晶片203覆蓋晶片夾盤202和邊環(huán)204的凸起。在具 體實(shí)施例中，邊環(huán)204也可以不與晶片203有重疊。一般作為邊環(huán)的材料包括但不限于硅、氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鋁和石英。因 為邊環(huán)直接暴露于等離子體中，為了使等離子體的污染最小化，可以選為單晶硅、多晶硅和 化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposion, CVD)碳化硅等的高純材料。本實(shí)施例中，邊環(huán) 204的材料為石英，在刻蝕過程中會(huì)被損耗，所以需要定期更換，根據(jù)等離子體刻蝕的程度 不同更換頻率會(huì)有所不同，一般每200射頻(RF)小時(shí)更換一次，這里RF小時(shí)指等離子體進(jìn) 行處理的時(shí)間。這是因?yàn)槭⒃诳涛g過程中會(huì)與含氟的刻蝕氣體例如CF4、CH2F2等反應(yīng)，形 成揮發(fā)性化合物。
由于晶片203邊緣上的含氟化合物的濃度會(huì)被邊環(huán)204消去，因此會(huì)使含氟化合 物不能有效地對(duì)晶片邊緣進(jìn)行刻蝕，本發(fā)明中將邊環(huán)溫度降低，通過降低邊環(huán)的溫度，降低 在晶片邊緣邊環(huán)204對(duì)含氟氣體的消耗量，就可將含氟的刻蝕氣體更有效地用于晶片203 邊緣的溝槽的刻蝕。本發(fā)明提高晶片溝槽寬度均勻性的流程示意圖，如圖3所示步驟301、降低邊環(huán)的溫度，范圍在20攝氏度至35攝氏度之間；步驟302、在所述邊環(huán)溫度下，進(jìn)行刻蝕工序形成溝槽。為了能夠降低邊環(huán)的溫度，本發(fā)明實(shí)施例中，將邊環(huán)204設(shè)置為一環(huán)形空腔，用于 在邊環(huán)腔內(nèi)通入冷卻物質(zhì)，以達(dá)到降低邊環(huán)溫度的目的。而且，沿腔的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有凸起，凸 起的上表面與晶片夾盤202的上表面齊平，晶片203覆蓋晶片夾盤202和邊環(huán)204的凸起， 這樣邊環(huán)204可以更直接地對(duì)晶片203的邊緣產(chǎn)生作用。一般邊環(huán)204的溫度在40至50攝氏度，在等離子體刻蝕過程中受熱，與晶片的溫 度大致相同，而且邊環(huán)的溫度是無法根據(jù)需要調(diào)節(jié)的。本發(fā)明將邊環(huán)溫度降至20攝氏度 至35攝氏度。邊環(huán)溫度的控制可以通過在邊環(huán)腔內(nèi)加入冷卻水，或者氦氣和氮?dú)獾壤鋮s氣 體，來達(dá)到降低邊環(huán)溫度的目的，只要能達(dá)到降低邊環(huán)溫度的效果，任何冷卻物質(zhì)都可以用 來加入邊環(huán)腔中。較佳地，在反應(yīng)腔外，與邊環(huán)204連接一冷卻控制裝置400，所述冷卻控制 裝置，包括溫度傳感器401、主控制器402和可控閥門403，用于靈活控制進(jìn)入邊環(huán)腔的冷卻 物質(zhì)的流量，以達(dá)到理想的邊環(huán)溫度。溫度傳感器401與邊環(huán)204連接，依據(jù)采樣頻率對(duì)不 同時(shí)刻的邊環(huán)溫度進(jìn)行檢測(cè)；主控制器402根據(jù)溫度傳感器的溫度控制流經(jīng)可控閥門403 的冷卻物質(zhì)的流量；可控閥門403與邊環(huán)204連接，冷卻物質(zhì)流經(jīng)可控閥門403進(jìn)入邊環(huán) 204。在溫度傳感器401檢測(cè)到邊環(huán)溫度達(dá)到20攝氏度至35攝氏度之間的任一所需要的 溫度時(shí)，控制結(jié)束。綜上所述，本發(fā)明提高晶片溝槽寬度均勻性的裝置包括用于晶片溝槽刻 蝕工序的反應(yīng)腔和對(duì)反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)有的邊環(huán)204進(jìn)行冷卻控制的冷卻控制裝置400，本發(fā)明 提高晶片溝槽寬度均勻性的較佳實(shí)施例的裝置示意圖如圖4所示，圖中反應(yīng)腔中只示出邊 環(huán) 204。將邊環(huán)設(shè)為一能夠通入冷卻物質(zhì)的空腔，用來降低邊環(huán)的溫度，只是本發(fā)明的一 個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明并不限于此，只要能夠降低邊環(huán)的溫度的任何可行性操作裝置，都可 以用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。正是由于邊環(huán)溫度的降低，提高了晶片203邊緣的刻蝕速率，那么晶片邊緣Iso和 Dense處的刻蝕速率都有提高，由于晶片邊緣Iso處對(duì)溫度的降低比較敏感，所以晶片邊緣 Iso處刻蝕速率的提高，較之Dense處比較明顯，所以在降低邊環(huán)溫度之后，在晶片的Iso 處，溝槽寬度均勻性指標(biāo)range值顯著降低，由原來的29. 9納米降至8. 8納米，這說明本發(fā) 明可以大大提高晶片Iso處的溝槽寬度均勻性，即Rs的均勻性。本發(fā)明雖然使晶片Dense 處的range有微小的升高，從原有的9. 5納米升至9. 7納米，但是仍然在10納米的范圍內(nèi)， 所以最終達(dá)到了將晶片Iso和Dense處的溝槽寬度均勻性指標(biāo)range控制在10納米的范圍 內(nèi)，有效地提高了溝槽寬度均勻性，從而提高了溝槽內(nèi)填充的金屬銅的方塊電阻的均勻性， 提高了器件的性能。
如果邊環(huán)的材料為與襯底材料相近的硅，包括單晶硅或者多晶硅，那么由于材料 的不同，對(duì)含氟刻蝕氣體的消耗也不同，例如單晶硅對(duì)含氟刻蝕氣體的消耗就比石英要小 很多，所以在調(diào)整降低邊環(huán)204的溫度的時(shí)候，就要將邊環(huán)204的溫度降至更低，才能達(dá)到使含氟刻蝕氣體更有效地用于晶片203邊緣的溝槽的刻蝕，所以邊環(huán)溫度的降低根據(jù)具體 應(yīng)用而不同。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明中所列舉的晶片Iso和Dense處的溝槽寬度 值，只是其中的具體實(shí)施例，并不限于上述實(shí)施例中所示的具體數(shù)值，每次實(shí)施時(shí)由于環(huán)境 或者其他因素的影響，其數(shù)值都會(huì)有微小的變化，但是總體的趨勢(shì)是不變的。采用比較低的 邊環(huán)溫度提高溝槽寬度均勻性，也不限于上述實(shí)施例中的具體情形，可以根據(jù)不同的工藝 條件進(jìn)行調(diào)整，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?和變化。
權(quán)利要求
一種提高溝槽寬度均勻性的方法，應(yīng)用于晶片在反應(yīng)腔內(nèi)的溝槽刻蝕工序中，所述反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)有邊環(huán)，所述邊環(huán)環(huán)繞晶片設(shè)置，其特征在于，通過改變邊環(huán)的溫度對(duì)晶片邊緣的刻蝕速率進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，降低所述邊環(huán)的溫度在20攝氏度至35攝氏度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述邊環(huán)的溫度的降低通過控制邊環(huán)腔內(nèi) 冷卻物質(zhì)的流量。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述冷卻物質(zhì)為冷卻水、氦氣或者氮?dú)狻?br> 5.一種提高溝槽寬度均勻性的裝置，包括用于晶片溝槽刻蝕工序的反應(yīng)腔，所述反應(yīng) 腔內(nèi)設(shè)有邊環(huán)，所述邊環(huán)環(huán)繞晶片設(shè)置，其特征在于，該裝置還包括冷卻控制系統(tǒng)，所述冷 卻控制系統(tǒng)設(shè)于反應(yīng)腔外，和邊環(huán)相連接，用于改變邊環(huán)的溫度，對(duì)晶片邊緣的刻蝕速率進(jìn) 行控制。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述冷卻控制系統(tǒng)降低邊環(huán)的溫度在20攝 氏度至35攝氏度之間。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述邊環(huán)為一環(huán)形空腔，用于通入冷卻物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述冷卻控制系統(tǒng)包括可控閥門、主控制 器、溫度傳感器；溫度傳感器依據(jù)采樣頻率對(duì)不同時(shí)刻的邊環(huán)溫度進(jìn)行檢測(cè)； 主控制器根據(jù)溫度傳感器的溫度控制流經(jīng)可控閥門的冷卻物質(zhì)的流量； 可控閥門與邊環(huán)連接，冷卻物質(zhì)流經(jīng)可控閥門進(jìn)入邊環(huán)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述邊環(huán)為導(dǎo)電環(huán)。
10.如權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，所述邊環(huán)為石英環(huán)、硅環(huán)、碳化硅環(huán)、氮 化硅環(huán)、氮化鋁環(huán)、氧化鋁環(huán)中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高溝槽寬度均勻性的方法，應(yīng)用于晶片在反應(yīng)腔內(nèi)的溝槽刻蝕工序中，所述反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)有邊環(huán)，所述邊環(huán)環(huán)繞晶片設(shè)置，通過改變邊環(huán)的溫度對(duì)晶片邊緣的刻蝕速率進(jìn)行控制。本發(fā)明還公開了一種提高溝槽寬度均勻性的裝置。采用該方法和裝置能夠增加對(duì)晶片邊緣溝槽的刻蝕速率，有效提高溝槽寬度均勻性。
文檔編號(hào)H01L21/768GK101866847SQ20091008235
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者孫武, 尹曉明, 張世謀, 張海洋 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(北京)有限公司