刻蚀后的灰化方法及刻蚀结构的形成方法.pdf

本发明公开了一种刻蚀后的灰化方法，包括步骤：提供刻蚀后的衬底；将所述衬底放入处理室内；通入等离子体气体；利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理；利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理；取出所述衬底。本发明还公开了对应的利用该灰化方法形成刻蚀结构的方法。采用本发明的刻蚀后灰化方法及刻蚀结构的形成方法，可以在不加大下一层材料厚度，不缩小刻蚀工艺窗口的情况下，确保在灰化处理后下一层材料仍能保持足够的厚度，提高了刻蚀结构的形成质量。

1、  一种刻蚀后的灰化方法，其特征在于，包括步骤：
提供刻蚀后的衬底；
将所述衬底放入处理室内；
通入等离子体气体；
利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理；
利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理；
取出所述衬底。

2、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述刻蚀后的衬底具有刻蚀停止层。

3、  如权利要求2所述的灰化方法，其特征在于：所述刻蚀停止层为含氮的碳化硅层。

4、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述高频的频率范围在60M至165MHz之间。

5、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述低频的频率范围在2M至13.56MHz之间。

6、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述第一灰化处理时，高频的射频电源的功率在500至2000W之间。

7、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，高频的射频电源的功率在100至500W之间。

8、  如权利要求7所述的灰化方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，低频的射频电源的功率在100至300W之间。

9、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述等离子体气体包括氧气。

10、  如权利要求9所述的灰化方法，其特征在于：所述第一灰化处理时，氧气的流量在1000至2500sccm之间，所述第二灰化处理时，氧气的流量在300至1000sccm之间。

11、  如权利要求9所述的灰化方法，其特征在于：所述第一灰化处理时，还通入了一氧化碳气体。

12、  如权利要求9所述的灰化方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，还通入了氮气和/或氢气。

13、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于：所述第一灰化处理时所述处理室的压力在20至50Torr，所述第二灰化处理时所述处理室的压力在20至100Torr。

14、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于，在进行第一灰化处理与第二灰化处理之间，还包括步骤：
检测F信号，当F信号突然下降时，停止第一灰化处理。

15、  如权利要求1所述的灰化方法，其特征在于，在进行第二灰化处理与取出所述衬底之间，还包括步骤：
检测CO信号，当所述CO信号突然下降时，停止第二灰化处理。

16、  一种刻蚀结构的形成方法，其特征在于，包括步骤：
提供衬底，且所述衬底上具有待刻蚀材料层；
在所述衬底上形成刻蚀结构的掩膜图形；
刻蚀所述衬底的待刻蚀材料层；
将刻蚀后的所述衬底放入处理室内；
通入等离子体气体；
利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理；
利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理；
取出所述衬底。

17、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述待刻蚀材料层下具有刻蚀停止层。

18、  如权利要求17所述的形成方法，其特征在于：所述刻蚀停止层为含氮的碳化硅层。

19、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述高频的频率范围在60M至165MHz之间。

20、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述低频的频率范围在2M至13.56MHz之间。

21、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述第一灰化处理时，高频的射频电源的功率在500至2000W之间。

22、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，高频的射频电源的功率在100至500W之间。

23、  如权利要求22所述的形成方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，低频的射频电源的功率在100至300W之间。

24、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述等离子体气体包括氧气。

25、  如权利要求24所述的形成方法，其特征在于：所述第一灰化处理时，氧气的流量在1000至2500sccm之间。

26、  如权利要求24所述的形成方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，氧气的流量在300至1000sccm之间。

27、  如权利要求24所述的形成方法，其特征在于：所述第一灰化处理时，还通入了一氧化碳气体。

28、  如权利要求24所述的形成方法，其特征在于：所述第二灰化处理时，还通入了氮气和/或氢气。

29、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述第一灰化处理时所述处理室的压力在20至50Torr。

30、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于：所述第二灰化处理时所述处理室的压力在20至100Torr。

31、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于，在进行第一灰化处理与第二灰化处理之间，还包括步骤：
检测F信号，当F信号突然下降时，停止第一灰化处理。

32、  如权利要求16所述的形成方法，其特征在于，在进行第二灰化处理与取出所述衬底之间，还包括步骤：
检测CO信号，当所述CO信号突然下降时，停止第二灰化处理。

刻蚀后的灰化方法及刻蚀结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种刻蚀后的灰化方法及刻蚀结构的形成方法。
背景技术
半导体制作工艺是一种平面制作工艺，其在同一衬底上形成大量各种类型的复杂器件，并互相连接以具有完整的电子功能。在这一制造过程中，常需要利用刻蚀方法在衬底上形成各种图形(结构)。目前在这一刻蚀结构的形成过程中存在着一个备受关注的问题：刻蚀后残留的光刻胶及聚合物(polymer)的去除。
随着超大规模集成电路器件特征尺寸不断地等比例缩小，集成度不断地提高，对可以完整地将掩膜图形复制到衬底表面的刻蚀技术的要求也越来越高。不但要求刻蚀的均匀性好；还要求刻蚀后形成的刻蚀结构具有较好的侧壁形状。为此，现有的刻蚀过程中常需要产生一些附着于侧壁上的聚合物，其可以在刻蚀过程中防止发生横向刻蚀，形成具有较好的侧壁形状的刻蚀结构。
图1至3是说明现有的刻蚀方法的器件剖面示意图。图1为现有的刻蚀前的器件剖面示意图，如图1所示，在硅衬底101上生长刻蚀停止层102，再在该刻蚀停止层上生长待刻蚀的材料层103，该材料层103可以是氧化硅层，然后在材料层103的表面涂布光刻胶104，并光刻形成刻蚀结构的掩膜图形。
图2为现有的刻蚀后的器件剖面示意图，如图2所示，利用刻蚀工艺将未被光刻胶保护的材料层103刻蚀去除。在刻蚀过程中，通常所用的刻蚀反应气体会包含CF₄、CF₈、C₅F₈、C₄F₆、CHF₃中气体中的一种，它们与光刻胶、刻蚀生成物等会产生一定的结合，形成聚合物110，该聚合物110能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对刻蚀结构的孔径尺寸的良好控制。
但是，这些聚合物在刻蚀完成后必须与光刻胶一起被去除，否则将成为增加产品表面缺陷密度的颗粒和污染物源，毁坏器件功能，影响器件的成品率和可靠性。因此，这些聚合物的去除已成为了刻蚀工艺完成后必须经过的一个关键步骤，其去除效果的好坏也备受关注。
现有的去除刻蚀后残留的光刻胶及聚合物的方法主要有两种，一种是湿法清洗的方法，另一种则是利用氧气等离子体处理以实现清洗的方法，但这两种方法都有不足的地方：
对于湿法清洗的方法，是在刻蚀后利用特殊的化学溶剂对衬底进行清洁以去除残留的聚合物的方法，如通常可以用去光阻液(EKC)或标准清洗液1(SC1)进行该种湿法清洁；但是，该种湿法清洗方法不仅实现起来较为麻烦、成本较高，而且往往不能将残留的聚合物完全去除干净，仍会残留下部分难溶的聚合物微粒。这些残留聚合物微粒一般都很小，甚至可以逃过正常的镜检进入后面的工艺流程，但随着工艺的进行，这些残留的聚合物微粒往往会发生移动，在衬底表面形成微粒缺陷，并最终对器件性能造成不可弥补的影响。
对于等离子体处理方法，通常是在刻蚀完成后，采用含氧的气体对衬底进行等离子处理，以消除刻蚀结构内的聚合物的方法。但是，采用该等离子体方法处理后常会出现位于材料层103下的刻蚀停止层102受损的现象。
在65nm以下器件中，该刻蚀停止层102通常会采用低K值的含氮碳化硅(NDC)来形成，其下的导电结构通常会采用铜金属来形成。由于刻蚀后的聚合物中残留了大量的F^-离子，当利用O₂进行等离子体处理时，该F^-离子会与该刻蚀停止层102发生进一步的反应，结果导致该刻蚀停止层102进一步变薄，严重时甚至会露出下层的铜金属，该铜金属因此而扩散出来，造成晶片及腔室内的污染。
图3为采用现有的等离子体处理方法去除残留聚合物后的器件剖面图，如图3所示，利用氧气等离子体处理后，在材料层103下的刻蚀停止层102更薄了，甚至露出了其下层的导电结构(图中未示出)。图中120代表了扩散出来的下层的铜金属。
为了防止上述问题的出现，一种可行的方法是加大刻蚀停止层的厚度，但是对于小尺寸器件，其对器件在三维方向上的尺寸要求都相当严格，该刻蚀停止层102的厚度也不例外，希望该层能在满足刻蚀停止需要的同时尽量的薄。
另一种方法则是尽量减少在刻蚀工艺中对下层的刻蚀停止层102的损耗，但是这会导致刻蚀的工艺窗口进一步缩小，增加刻蚀工艺的控制难度。
申请号为03816222.9的中国专利公开了一种选择性清除刻蚀残留物的组合物，该组合物包含有去离子水、有机二羧酸、有机或无机碱、含氟离子化合物及防腐蚀剂等，可以去除刻蚀后残留的聚合物。该方法对下层的刻蚀停止层的损伤较小，但该方法中的组合物种类多达八种以上，成本较高；且组合物配比也较为复杂，尤其要求对该组合物最终的ph值进行严格的控制，这在操作上有一定的难度，不易实现。
发明内容
本发明提供一种刻蚀后的灰化方法及刻蚀结构的形成方法，以改善现有刻蚀后灰化处理时易损伤下层的刻蚀停止层的现象，提高刻蚀结构的形成质量。
本发明提供的一种刻蚀后的灰化方法，包括步骤：
提供刻蚀后的衬底；
将所述衬底放入处理室内；
通入等离子体气体；
利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理；
利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理；
取出所述衬底。
可选地，所述刻蚀后的衬底具有刻蚀停止层，且所述刻蚀停止层为含氮的碳化硅层。
优选地，所述高频的频率范围在60M至165MHz之间，所述低频的频率范围在2M至13.56MHz之间。
优选地，所述第一灰化处理时，高频的射频电源的功率在500至2000W之间。
优选地，所述第二灰化处理时，高频的射频电源的功率在100至500W之间，所述第二灰化处理时，低频的射频电源的功率在100至300W之间。
可选地，所述等离子体气体包括氧气。
优选地，所述第一灰化处理时，氧气的流量在1000至2500sccm之间，所述第二灰化处理时，氧气的流量在300至1000sccm之间。
可选地，所述第一灰化处理时，还通入了一氧化碳气体。
可选地，所述第二灰化处理时，还通入了氮气和/或氢气。
优选地，所述第一灰化处理时所述处理室的压力在20至50Torr，所述第二灰化处理时所述处理室的压力在20至100Torr。
可选地，在进行第一灰化处理与第二灰化处理之间，还包括步骤：
检测F信号，当F信号突然下降时，停止第一灰化处理。
可选地，在进行第二灰化处理与取出所述衬底之间，还包括步骤：
检测CO信号，当所述CO信号突然下降时，停止第二灰化处理。
本发明具有相同或相应技术特征的一种刻蚀结构的形成方法，包括步骤：
提供衬底，且所述衬底上具有待刻蚀材料层；
在所述衬底上形成刻蚀结构的掩膜图形；
刻蚀所述衬底的待刻蚀材料层；
将刻蚀后的所述衬底放入处理室内；
通入等离子体气体；
利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理；
利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理；
取出所述衬底。
可选地，所述待刻蚀材料层下具有刻蚀停止层，且所述刻蚀停止层为含氮的碳化硅层。
可选地，所述高频的频率范围在60M至165MHz之间，所述低频的频率范围在2M至13.56MHz之间。
优选地，所述第一灰化处理时，高频的射频电源的功率在500至2000W之间。
优选地，所述第二灰化处理时，高频的射频电源的功率在100至500W之间。
优选地，所述第二灰化处理时，低频的射频电源的功率在100至300W之间。
可选地，所述等离子体气体包括氧气。
优选地，所述第一灰化处理时，氧气的流量在1000至2500sccm之间，所述第二灰化处理时，氧气的流量在300至1000sccm之间。
可选地，所述第一灰化处理时，还通入了一氧化碳气体。
可选地，所述第二灰化处理时，还通入了氮气和/或氢气。
优选地，所述第一灰化处理时所述处理室的压力在20至50Torr。
优选地，所述第二灰化处理时所述处理室的压力在20至100Torr。
可选地，在进行第一灰化处理与第二灰化处理之间，还包括步骤：
检测F信号，当F信号突然下降时，停止第一灰化处理。
可选地，在进行第二灰化处理与取出所述衬底之间，还包括步骤：
检测CO信号，当所述CO信号突然下降时，停止第二灰化处理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的刻蚀后的灰化方法，将传统的灰化处理过程分为第一灰化处理及第二灰化处理两步，其中，第一灰化处理过程中仅利用高频的射频电源(RF)对刻蚀后的衬底进行处理，此时，等离子体未集中于向下的方向，虽然衬底上具有因刻蚀而残留的含F^-离子的聚合物，也不会对下层材料(如，刻蚀停止层)造成大的损伤。在第一灰化处理后衬底上含F^-离子的聚合物可以基本被去除干净，因此，接着进行的第二灰化处理过程，虽然同时利用了高频及低频的射频电源(后者可称为偏置电源bias RF)，增大了向下的等离子体能量，但因衬底上含F^-离子的聚合物已被去除，不会有F^-离子在等离子体的作用下与露出的下层材料发生反应，也就避免了下层材料在整个灰化处理过程中受到较大损耗的问题。
其中，当下层材料为刻蚀停止层时，采用本发明的灰化方法可以在不加大刻蚀停止层厚度，不缩小刻蚀工艺窗口的情况下，确保在灰化处理后仍能保持足够厚度的刻蚀停止层。
本发明的刻蚀结构的形成方法，通过对刻蚀后灰化处理过程的分步优化，实现了刻蚀停止层的厚度在灰化处理前后变化不大的目的，进而实现在不加大刻蚀停止层厚度，不缩小刻蚀工艺窗口的情况下，保持刻蚀结构的完整性，提高刻蚀结构的形成质量。
附图说明
图1为现有的刻蚀前的器件剖面示意图；
图2为现有的刻蚀后的器件剖面示意图；
图3为采用现有的等离子体处理方法去除残留聚合物后的器件剖面图；
图4为本发明第一实施例的刻蚀后灰化方法的流程图；
图5为本发明第一实施例中的刻蚀后衬底的剖面示意图；
图6为本发明第一实施例中进行第一灰化处理后的器件剖面图；
图7为本发明第一实施例中进行第二灰化处理后的器件剖面图；
图8为采用本发明第一实施例中的灰化方法处理前后的通孔的Rc特性结果对比图；
图9为采用本发明第一实施例中的灰化方法处理前后的双镶嵌结构的Rc特性结果对比图；
图10为本发明第二实施例的刻蚀结构形成方法的流程图；
图11为本发明第二实施例中的衬底的剖面示意图；
图12为本发明第二实施例中的形成掩膜图形后的器件剖面示意图；
图13为本发明第二实施例中的进行刻蚀后的器件剖面示意图；
图14为本发明第二实施例中进行第一灰化处理后的器件剖面图；
图15为本发明第二实施例中进行第二灰化处理后的器件剖面图。
具体实施方式
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。
本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为改善现有刻蚀后灰化处理时易损伤下层材料层(如，刻蚀停止层)的现象，实现在不加大下层材料层厚度，不缩小刻蚀工艺窗口的情况下，提高刻蚀结构的形成质量的目的，本发明对刻蚀后的灰化处理过程进行了分步优化。
第一实施例：
本发明的第一实施例介绍了一种刻蚀后的灰化方法，图4为本发明第一实施例的刻蚀后灰化方法的流程图，图5至图7为说明本发明第一实施例的刻蚀后灰化方法的器件剖面图，下面结合图4至图7对本发明的第一实施例进行详细介绍。
步骤401：提供刻蚀后的衬底。
本实施例中所提供的刻蚀后衬底可以是刚刻蚀形成各种刻蚀结构(如接触孔、通孔、双镶嵌结构等)的衬底，其表面仍附着有残留的光刻胶及聚合物。
图5为本发明第一实施例中的刻蚀后衬底的剖面示意图，如图5所示，该衬底包括硅衬底501和待刻蚀的材料层503，且在这两层间还可以具有其它材料层，本实施例中，该中间的材料层为刻蚀停止层502，其可以确保对待刻蚀的材料层503的刻蚀更为均匀一致地停止于刻蚀停止层502内。
本实施例中，该刻蚀停止层502为含氮的碳化硅层(NDC)，待刻蚀的材料层503为氧化硅层(如，可以为黑钻石BD层)。利用光刻胶504为形成刻蚀结构的掩膜图形，并采用干法刻蚀的方法以该掩膜图形为掩膜在待刻蚀的材料层503内形成了刻蚀结构。为了确保刻蚀结构具有较好的侧壁形状，在刻蚀过程中需要产生一定的附着于刻蚀结构侧壁上的聚合物510。本实施例中，该刻蚀过程中所用的刻蚀气体至少包含了CF₃、CF₄、CH₂F₂、CHF₃和C₄F₈等碳氟气体中的一种。
在刻蚀后，必须要将残留的光刻胶504及聚合物510去除，否则其将成为颗粒污染源，影响器件的成品率和可靠性。为去除该残留的光刻胶及聚合物，需对衬底进行灰化处理。
步骤402：将所述衬底放入处理室内。
本步中的处理室可以是刻蚀设备的工作室，也可以是沉积设备的工作室，还可以是灰化设备的工作室，只要其可以提供灰化处理时所需的电源、等离子体气体、腔室压力等即可。
步骤403：通入等离子体气体。
本实施例中，为了去除残留的光刻胶504及聚合物510，通入了氧气作为等离子体气体，其可以与残留的聚合物510发生反应，将聚合物510去除。
为了防止在去除残留的光刻胶504及聚合物510的过程中，下层的刻蚀停止层502因在氧气等离子体气氛中，与聚合物510中的F^-离子发生反应而被损耗，导致出现前面图3中所示的问题，本实施例中将去除残留的光刻胶504及聚合物510的过程分为了两步。
步骤404：利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理。
图6为本发明第一实施例中进行第一灰化处理后的器件剖面图，如图6所示，由于在第一灰化处理过程中，仅利用高频RF电源对衬底进行处理，本步第一灰化处理对残留的光刻胶504及聚合物510的去除效率较低。主要是利用氧气等离子体与聚合物间的化学反应将刻蚀后衬底上残留的含F^-离子的聚合物510去除干净，而对于刻蚀后残留量较多的光刻胶504，在本步第一灰化处理后仍会残留有较多的量。
由于本步中仅利用了高频的射频电源(RF)对刻蚀后的衬底进行处理，氧气等离子体会向各个方向发散，向下方向的能量并不大。这样，虽然在本步的处理过程中，衬底表面存在刻蚀后残留的含F^-离子的聚合物，也不会对暴露出来的下层的刻蚀停止层502造成大的损伤，该层在本步处理后的厚度基本仍可以维持在进行第一灰化处理前的水平。
另外，为得到较好的效果，本实施例中还对本步中的各工艺条件分别进行了优化，包括：将本步中所用的高频RF的频率范围设置在60M至165MHz之间，如为100MHz、150MHz等；将该高频RF电源的功率设置在500至2000W之间，如为1000W；将氧气的流量设置在1000至2500sccm之间，如为1500sccm、2000sccm等；将进行灰化处理的处理室压力设置在20至50Torr之间，如为30Torr。
本实施例中，本步第一灰化处理是利用时间进行终点控制(如，可以将本步处理的时间设定在5秒至30秒之间)，在本发明的其它实施例中，还可以利用设备具有的终点检测装置(EPD，End Point Detection)来进行终点控制，如，可以对处理室内的F信号(775.5nm)进行检测，一旦F信号出现突然下降，则停止本步第一灰化处理，进入后续的第二灰化处理过程。
本实施例中，向处理室内通入的是氧气，在本发明的其它实施例中，为了加大等离子体的密度，还可以在本步第一灰化处理过程中同时通入氧气和一氧化碳气体。
步骤405：利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理。
图7为本发明第一实施例中进行第二灰化处理后的器件剖面图，如图7所示，在本步第二灰化处理过程中同时利用了高频及低频RF电源对衬底进行处理(其中，低频RF电源又称为偏置电源，其可以加大向下的等离子体所具有的能量)，这加大了对残留的光刻胶504的去除效率，可以以较高的效率将第一灰化处理后残留的较多量的光刻胶504完全去除。
由于在第一灰化处理过程中已将含F^-离子的聚合物510去除干净，虽然在本步处理过程中加大了向下的等离子体的能量，也不会对已曝露在外的下层的刻蚀停止层502造成大的损伤，在本步处理后该刻蚀停止层502的厚度仍可以基本维持不变。
本实施例中对本步第二灰化处理各工艺条件也进行了分别优化，主要包括：将本步中所用的高频RF电源的频率范围设置在60M至165MHz之间，如为100MHz、150MHz等；功率设置在100至500W之间，如为300W；将低频RF的频率范围设置在2M至13.56MHz之间，如为6MHz、10MHz等；功率设置在100至300W之间，如为200W；将氧气的流量设置在300至1000sccm之间，如为600sccm、800sccm等；将进行灰化处理的处理室压力设置在20至100Torr之间，如为30Torr、60Torr或80Torr。
本实施例中，本步第二灰化处理是利用时间进行终点控制(如，可以将本步处理的时间设定在10秒至60秒之间)，在本发明的其它实施例中，还可以利用设备具有的终点检测装置(EPD，End Point Detection)来进行终点控制，如，可以对处理室内的CO信号(226nm)进行检测，一旦该CO信号出现突然下降，则停止本步第二灰化处理。
本实施例中，本步第二灰化处理过程中，向处理室内通入的是氧气，在本发明的其它实施例中，为了提高对残留的光刻胶504的去除效率，还可以在通入氧气的同时通入氮气和/或氢气。
步骤406：取出所述衬底。
至此，完成对该衬底的灰化处理。
本实施例中，待刻蚀材料层的下层为刻蚀停止层，采用本发明的灰化方法可以在不加大刻蚀停止层的设计或生长厚度，不缩小刻蚀工艺窗口的情况下，令该刻蚀停止层的厚度在灰化处理后仍保持足够厚，不会因其过薄而出现前面图3中所示的情况。
采用本实施例的灰化处理方法之前，对于采用NDC刻蚀停止层的器件，若待刻蚀的材料层的厚度在4000左右，则该层的生长厚度通常至少需要在600左右，才能确保在灰化处理后NDC刻蚀停止层的厚度仍足以维持整个刻蚀结构的正常。而在采用本实施例的灰化处理方法之后，由于在该NDC刻蚀停止层在灰化处理过程中基本不会受损耗，其的生长厚度仅需设定在450左右，即可确保其在灰化处理后仍足够厚，不会因其过薄而出现前面图3中所示的情况。
另外，由于本实施例中的灰化方法还对各步的工艺条件进行了优化，可以更为干净、彻底地去除刻蚀后的聚合物。表现之一为器件的工作速度更快、器件间的一致性(uniformity)更好。
图8为采用本发明第一实施例中的灰化方法处理前后的通孔的Rc特性结果对比图，如图8所示，图中801表示的是四个采用传统方法进行灰化处理的衬底上各通孔的Rc特性情况，802表示的是两个采用本发明第一实施例中的方法进行灰化处理的衬底上各通孔的Rc特性情况。从图中可以看出，采用本实施例的灰化方法后，各衬底上通孔的Rc特性更为集中，证明其各通孔间的一致性有所提高。
图9为采用本发明第一实施例中的灰化方法处理前后的双镶嵌结构的Rc特性结果对比图，如图9所示，图中901表示的是四个在刻蚀后采用传统方法进行灰化处理的衬底上各镶嵌结构的Rc特性情况，902表示的是两个采用本发明第一实施例中的方法进行灰化处理的衬底上各镶嵌结构的Rc特性情况。从图中可以看出，采用本实施例的灰化方法后，各衬底上双镶嵌结构的Rc特性更为集中，证明各双镶嵌结构间的一致性也有所提高。
第二实施例：
本发明的第二实施例介绍了一种刻蚀结构的形成方法，图10为本发明第二实施例的刻蚀结构形成方法的流程图，图11至图15为说明本发明第二实施例的刻蚀结构形成方法的器件剖面图，下面结合图10至图15对本发明的第二实施例进行详细介绍。
步骤1001：提供衬底，且所述衬底上具有待刻蚀的材料层。
图11为本发明第二实施例中的衬底的剖面示意图，如图11所示，在硅衬底1101上待刻蚀的材料层1104，该材料层1104可以是氧化硅层，如含磷的氧化硅层，黑钻石层等。本实施例中，还在硅衬底1101与待刻蚀的材料层1104之间生长了刻蚀停止层1103(其可以是含氮的碳化硅层)，以确保在后面对待刻蚀的材料层1104进行刻蚀时得到更为均匀、一致的刻蚀结果，并起到保护下层结构(本实施例中为位于刻蚀停止层1103下的导电结构1102，其可以由铜金属形成)的作用。
步骤1002：在所述衬底上形成刻蚀结构的掩膜图形。
图12为本发明第二实施例中的形成掩膜图形后的器件剖面示意图，如图12所示，在衬底上涂布光刻胶，并利用光刻技术在待刻蚀的材料层上形成刻蚀结构的光刻胶掩膜图形1105。
步骤1003：刻蚀所述衬底的待刻蚀材料层。
图13为本发明第二实施例中的进行刻蚀后的器件剖面示意图，如图13所示，采用干法刻蚀的方法以光刻胶掩膜图形1105为掩膜在待刻蚀的材料层1104内形成了刻蚀结构。为了确保刻蚀结构具有较好的侧壁形状，在刻蚀过程中需要产生一定的附着于刻蚀结构侧壁上的聚合物1110。本实施例中，该刻蚀过程中所用的刻蚀气体至少包含了CF₃、CF₄、CH₂F₂、CHF₃和C₄F₈等碳氟气体中的一种。
在刻蚀后，必须要将残留的光刻胶1105及聚合物1110去除，否则其将成为颗粒污染源，影响器件的成品率和可靠性。为去除该残留的光刻胶1105及聚合物1110，随后对该衬底进行了灰化处理。
步骤1004：将所述衬底放入处理室内。
本步中的处理室可以是刻蚀设备的工作室，也可以是沉积设备的工作室，还可以是灰化设备的工作室，只要其可以提供灰化处理时所需的电源、等离子体气体、腔室压力等即可。
步骤1005：通入等离子体气体。
本实施例中，为了去除残留的光刻胶1105及聚合物1110，通入了氧气作为等离子体气体，其可以与残留的聚合物1110发生反应，将聚合物1110去除。
为了防止在去除残留的光刻胶1105及聚合物1110的过程中，下层的刻蚀停止层1103因在氧气等离子体气氛中，与聚合物1110中的F^-离子发生反应而被损耗，导致出现前面图3中所示的问题，本实施例中将去除残留的光刻胶1105及聚合物1110的过程分为了两步。
步骤1006：利用高频的射频电源对所述衬底进行第一灰化处理。
图14为本发明第二实施例中进行第一灰化处理后的器件剖面图，如图14所示，由于在第一灰化处理过程中，仅利用高频RF电源对衬底进行处理，本步第一灰化处理对残留的光刻胶1105及聚合物1110的去除效率较低。主要是利用氧气等离子体与聚合物间的化学反应将刻蚀后衬底上残留的含F^-离子的聚合物1110去除干净，而对于刻蚀后残留量较多的光刻胶1105，在本步第一灰化处理后仍会残留有较多的量。
由于本步中仅利用了高频的射频电源(RF)对刻蚀后的衬底进行处理，氧气等离子体会向各个方向发散，其中的向下的等离子体的能量并不大。这样，虽然在本步的处理过程中，衬底表面存在刻蚀后残留的含F^-离子的聚合物，也不会对暴露出来的下层的刻蚀停止层1103造成大的损伤，其在本步处理后的厚度基本仍可以维持在进行第一灰化处理前的水平。
另外，为得到较好的效果，本实施例中对本步各工艺条件进行了分别优化，主要包括：将本步中所用的高频RF的频率范围设置在60M至165MHz之间，如为100MHz、150MHz等；将该高频RF电源的功率设置在500至2000W之间，如为1000W；将氧气的流量设置在1000至2500sccm之间，如为1500sccm、2000sccm等；将进行灰化处理的处理室压力设置在20至50Torr之间，如为30Torr。
本实施例中，本步第一灰化处理是利用时间进行终点控制(如，可以将本步处理的时间设定在5秒至30秒之间)，在本发明的其它实施例中，还可以利用设备具有的终点检测装置(EPD，End Point Detection)来进行终点控制，如，可以对处理室内的F信号(775.5nm)进行检测，一旦F信号出现突然下降，则停止本步第一灰化处理，进入后续的第二灰化处理过程。
本实施例中，向处理室内通入的是氧气，在本发明的其它实施例中，为了加大等离子体的密度，还可以在本步第一灰化处理过程中同时通入氧气和一氧化碳气体。
步骤1007：利用高频及低频的射频电源对所述衬底进行第二灰化处理。
图15为本发明第二实施例中进行第二灰化处理后的器件剖面图，如图15所示，在本步第二灰化处理过程中同时利用了高频及低频RF电源对衬底进行处理(其中，低频RF电源又称为偏置电源，其可以加大向下的等离子体所具有的能量)，这加大了对残留的光刻胶1105的去除效率，可以以较高的效率将第一灰化处理后残留的较多量的光刻胶1105完全去除。
由于在第一灰化处理过程中已将含F^-离子的聚合物1110去除干净，虽然在本步处理过程中加大了向下的等离子体的能量，也不会对已曝露在外的下层的刻蚀停止层1103造成大的损伤，在本步处理后该刻蚀停止层1103的厚度仍可以基本维持不变。
本实施例中对本步第二灰化处理各工艺条件也进行了分别优化，主要包括：将本步中所用的高频RF电源的频率范围设置在60M至165MHz之间，如为100MHz、150MHz等；功率设置在100至500W之间，如为300W；将低频RF的频率范围设置在2M至13.56MHz之间，如为6MHz、10MHz等；功率设置在100至300W之间，如为200W；将氧气的流量设置在300至1000sccm之间，如为600sccm、800sccm等；将进行灰化处理的处理室压力设置在20至100Torr之间，如为30Torr、60Torr或80Torr。
本实施例中，本步第二灰化处理是利用时间进行终点控制(如，可以将本步处理的时间设定在10秒至60秒之间)，在本发明的其它实施例中，还可以利用设备具有的终点检测装置(EPD，End Point Detection)来进行终点控制，如，可以对处理室内的CO信号(226nm)进行检测，一旦该CO信号出现突然下降，则停止本步第二灰化处理。
本实施例中，本步第二灰化处理过程中，向处理室内通入的是氧气，在本发明的其它实施例中，为了提高对残留的光刻胶1105的去除效率，还可以在通入氧气的同时通入氮气和/或氢气。
步骤1008：取出所述衬底。
至此，完成对该衬底的灰化处理。
本实施例中，待刻蚀的材料层的下层为刻蚀停止层，采用本发明的灰化方法可以在不加大刻蚀停止层的设计或生长厚度，不缩小刻蚀工艺窗口的情况下，令该刻蚀停止层的厚度在灰化处理后仍足够厚，不会因其过薄而出现前面图3中所示的下层导电结构1102的铜金属向外扩散的情况。
采用本实施例的刻蚀结构形成方法之前，对于采用NDC刻蚀停止层的器件，若待刻蚀的材料层的厚度在4000左右，则该层的生长厚度通常至少需要在600左右，才能确保在灰化处理后NDC刻蚀停止层的厚度仍足够厚，并维持整个刻蚀结构的正常。而在采用本实施例的刻蚀结构形成方法之后，由于在该NDC刻蚀停止层在灰化处理过程中基本不会受损耗，其的生长厚度仅需设定在450左右，即可确保其在灰化处理后仍足够厚，不会因其过薄而出现前面图3中所示的下层导电结构1102的铜金属向外扩散的情况。
另外，本实施例中的刻蚀结构形成方法还对各步的工艺条件进行了优化，可以更为干净、彻底地去除刻蚀后的聚合物。表现之一为器件的工作速度更快、器件间的一致性(uniformity)更好。
本实施例中的刻蚀结构是单一的待刻蚀材料层，在本发明的其它实施例中，形成的刻蚀结构也可以由多层待刻蚀的材料层组成。其中，待刻蚀的材料层可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅等。
本实施例中的刻蚀结构为通孔结构，在本发明的其它实施例中，为得到具有较好质量的刻蚀结构，还可以对其他更简单、或更复杂的刻蚀结构进行类似的处理，如双镶嵌结构等。在本发明上述两个实施例的启示下，这一应用上的延伸对于本领域的普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。