CN100369214C

CN100369214C - 一种栅刻蚀的方法

Info

Publication number: CN100369214C
Application number: CNB2005101262661A
Authority: CN
Inventors: 杨柏
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: CN1848386A

Abstract

本发明涉及一种栅刻蚀的方法，包括BT步、主刻步和过刻步，其特征在于，所述的主刻步中所使用的气体含有Cl₂、HBr和O₂。该方法能够在不改变硬件设计的前提下，仅通过改变栅刻蚀工艺中主刻(Mainetch)工艺步骤的气体种类和配比来提高硅片表面工艺气体的气流均匀性，满足先进栅刻蚀工艺的需要。这种方法简单易行，不仅避免了系统硬件设计所增加的变数、保证工艺的稳定性；还可以避免系统升级、节约大笔开支。同时，由于通入的混合气体在适当减少特气流量的同时可以保证刻蚀工艺的顺利进行，也就相应的降低了系统昂贵的特气消耗，从而有效的降低了系统的消耗成本。

Description

一种栅刻蚀的方法

技术领域

本发明涉及一种栅刻蚀方法，具体来说，涉及一种通过改变栅刻蚀工艺中气体种类和配比来满足先进栅刻蚀工艺的方法。

背景技术

众所周知，气态等离子技术广泛应用于集成电路制造领域，特别是在栅极等薄膜的刻蚀、介质材料的沉积、光阻材料的去除等领域得到了成功的应用。但是，尽管等离子技术为半导体制造业所广泛接受，该技术的应用仍然不断的面临相当数量的挑战。值得指出的是，大量的生产/研发数据表明，在制造工艺过程中，要保证工艺气体在半导体硅片表面实现均匀分布是非常困难的，而硅片表面均匀的气流分布则是实现均匀稳定的气态等离子技术的关键要素。

栅刻蚀工艺是集成电路制造过程中实现特征尺寸的重要工序，而气体等离子体技术则是目前实现栅刻蚀工艺的主流技术。当硅片尺寸由200mm增加至300mm，半导体制造的技术代由90nm技术节点向65nm技术节点甚至45nm技术节点逐渐过渡的今天，实现栅刻蚀工艺的难度越来越大，因而对气态等离子技术特别是硅片表面工艺气体气流分布的均匀程度提出了更加严苛的要求。

硅片表面工艺气体气流分布的均匀程度与工艺气体的种类及物理特性、腔室结构设计、喷嘴结构设计、工艺组件(Process Kits)设计等因素密切相关。

在现有技术中，气体喷嘴结构设计提高气流均匀性。在200mm，180～90nm技术节点，主流厂商的刻蚀设备喷嘴设计多采用喇叭口设计。

该类设计中，喷嘴角度θ通常在100～150℃范围之内。当工艺气体由喷嘴流入腔室时，由于喷嘴口存在一定的角度，使得气体从喷嘴口流出时更容易向四周扩散，从而提高硅片表面工艺气体气流分布的的均匀性。

在300mm，65～45nm技术节点，栅刻蚀工艺对硅片表面工艺气体气流分布均匀性提出了更高的要求，为了进一步改善气流分布的均匀性，包括应用材料(Applied Materials)和蓝姆研究(LAM Research)在内的主流刻蚀设备厂商都提出了相应的改进喷嘴设计方案。

双区可调喷嘴设计是目前为主流厂商所普遍采用的喷嘴改进设计方案。该类设计通过双区设计使工艺气体能够同时从喷嘴中央和边缘气孔流入工艺腔室，可以有效改善硅片表面工艺气体气流分布的的均匀性。此外，硬件的设计还可以实现喷嘴中心进气和边缘进气分别控制，有利于进一步提高工艺气体从喷嘴流出后向四周扩散的能力。

在喷嘴进气端后增加喷淋装置(Showerhead)也是提高硅片表面气流均匀性的重要手段之一。美国专利US6793733(专利名称：GasDistribution Showerhead)中，公开了一种通过在喷嘴进气端后增加双层的喷淋系统来改善进入腔室的工艺气体气流分布状况的装置。

从上面的描述可以发现，现有的喷嘴改进技术方案虽然能够在一定程度上满足先进栅刻蚀工艺对气流均匀性的要求，但是，上述气体喷嘴相关设计存在缺陷，需要引入更加复杂的硬件设计，这样复杂的系统在工艺过程中增加了更多的不确定因素，使系统稳定性下降，系统维护更加频繁；同时，气体等离子体启辉的区域和范围也将受到喷嘴及喷淋系统硬件设计影响，造成刻蚀工艺的不稳定性，此外，设备的总体成本也将因此而升高。

由气体动力学可知，气体的流动性与气体本身的物理特性有关：气体分子量越小，气体流量越小，在真空环境下的流动性越好，越容易形成均匀的气体分布。而从上面对刻蚀工艺各主要步骤的叙述可以发现，作为刻蚀工艺重要步骤的主刻步总体气体流量大，同时，混合气体主要由大分子量的Cl₂和HBr组成，因此总体的气体流动性差，特别是在进行300mm硅片刻蚀工艺时，由于硅片尺寸的增加，在硅片表面形成均匀的气流分布就变得更加的困难。

如果能够在降低主刻步骤混合气体的平均分子量的同时保证刻蚀工艺的顺利进行，将会有效的提高混合气体的流动性，满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不改变硬件设计的条件下(仅采用单区喷嘴设计)，能够提高工艺气体的气流均匀性，保证刻蚀工艺的顺利进行的栅刻蚀方法。

本发明所提供的栅刻蚀的方法，包括BT步、主刻步和过刻步，其特征在于，所述的主刻步中所使用的气体含有Cl₂、HBr和O₂。

进一步来说，所述的主刻步中所使用的气体还含有He、N₂、Ne、Ar中的一种或多种。

所述的BT步中所使用的气体为CF₄、C₂F₆、Cl₂中的一种。所述的过刻步中所使用的气体为HBr、He和O₂的混合气体。

在主刻步和过刻步中所使用的各种气体之间用量比例没有特别的要求。

优选地，对于300mm反应室，BT步气体流量为60～100sccm；主刻步气体总流量为300～500sccm，其中，Cl₂为20～80sccm，HBr为200～400sccm，O₂为5～40sccm；过刻步气体的总流量为300～500sccm，其中，HBr为100～250sccm，He为150～300sccm，O₂为5～40sccm。

进一步，对于300mm反应室，主刻步气体总流量为300～500sccm，其中，Cl₂为20～60sccm，HBr为200～320sccm，O₂为5～30sccm，He、N₂、Ne、Ar中的一种或多种的流量为80～200sccm。

通常，适用于300mm刻蚀的反应室容积要比适用于200mm刻蚀的反应室容积大1倍～2倍(由于硅片尺寸的增大)，因此，在300mm刻蚀的反应室中所用的气体总量会多于200mm刻蚀的反应室1～2倍，但大体气体比例基本相近。

本发明所提供的方法，能够在不改变硬件设计的前提下，仅通过改变栅刻蚀工艺中主刻(Mainetch)工艺步骤的气体种类和配比来提高硅片表面工艺气体的气流均匀性，满足先进栅刻蚀工艺的需要。这种方法简单易行，不仅避免了系统硬件设计所增加的变数、保证工艺的稳定性；还可以避免系统升级、节约大笔开支。同时，由于通入的混合气体在适当减少特气流量的同时可以保证刻蚀工艺的顺利进行，也就相应的降低了系统昂贵的特气消耗，从而有效的降低了系统的消耗成本(CoC，Cost of Consumable)。

附图说明

图1：混合气体a的气流分布；

图2：硅片刻蚀结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

在300mm刻蚀腔室内，在主刻步中通入由20sccm Cl₂、250sccmHBr、10sccm O₂、80sccm He、100sccm N₂组成的混合气体a，气体模拟分布状态见图1。

使用硅刻蚀设备为北方微电子300mm原理机，采用单区喷嘴设计，喷嘴角度100～150度。

所采用的硅片结构为：硅片＝》二氧化硅(10～100埃)＝》多晶硅(1700～2500埃)＝)》二氧化硅(100～150埃)＝》氮氧化硅(200～300A)。(刻蚀图形已由光阻转移至硬掩膜即二氧化硅/氮氧化硅双层结构上)

刻蚀工艺中，首先将硅片传入刻蚀反应室，由静电卡盘吸附固定，腔室温度控制为60摄氏度，硅片温度控制系统设定温度为60摄氏度，为提高温度均匀性而加入的He气背吹系统压力设定为8～12T，辅助工艺条件稳定后，进行刻蚀工艺。

首先进行BT步刻蚀，去除多晶硅表面的原生二氧化硅薄层(空气中自然氧化形成，厚度一般在5～20埃)。具体工艺条件如下：腔室压力8～20mT，上RF电源功率300～500W，下RF电源功率40～90W，工艺气体CF₄或C₂F₆流量50～120sccm。工艺时间5～10s。

之后进行主刻步刻蚀，刻蚀去除绝大部分不需要的硅材料，形成硅栅结构主体，是刻蚀工艺的主体部分，因此，该步骤的刻蚀均匀性对刻蚀整体均匀性有重要影响。具体工艺条件如下：腔室压力15～35mT，上RF电源功率300～400W，下RF电源功率40～100W，工艺气体为20sccm Cl₂、250sccm HBr、10sccm O₂、80sccm He、100sccmN₂组成的混合气体a，气体模拟分布状态见图1，工艺时间由终点检测设备监控，50～70s。从模拟结果可以观察到，硅片表面的气流分布仅为0.5～0.7Pa，中心处气体压力虽略高，整体工艺气体分布仍然非常均匀，这将直接提高等离子刻蚀的均匀性，从而保证300mm硅片硅栅刻蚀的均匀性。此外，在实际刻蚀工艺中，由于N₂非常容易启辉，并能维持很高的离化度，有利于提高混合气体整体的离化度，增加参与刻蚀反应的活性粒子/基团，该步刻蚀工艺中上RF电源功率在300～400W之间即可维持刻蚀工艺的顺利进行。同时，He气与N₂化学性质不活泼，不会参与刻蚀反应，因此可以保证刻蚀工艺的顺利进行。

主刻步完成后进行过刻步刻蚀，用于对主刻步刻蚀出的硅栅形状作进一步修整完善。具体工艺条件如下：腔室压力70～95mT，上RF电源功率650～850W，下RF电源功率40～100W，工艺气体为150～200sccm HBr、200～350sccm He、5～35sccm O₂组成的混合气体，工艺时间35～65s。

三步刻蚀工艺完成后，硅片被传出工艺腔室。图2为该工艺条件下硅片刻蚀结果，硅片上被刻蚀去除的多晶硅厚度平均为2066埃，而且，由于主刻步气流分布均匀性非常高，硅片整体的刻蚀均匀性高达2.00～2.25(3西格玛)，即使在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，也完全可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例2：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由50sccm Cl₂、230sccm HBr、15sccm O₂、150sccm He组成的混合气体上RF电源功率为400～500W，工艺时间80～105s。

主刻步气体模拟，硅片表面气流均匀性非常高，为0.5～0.6Pa，但由于He气等离子启辉能力相对不强，等离子体浓度中等，因此在实际工艺中，上RF电源功率为400～500W，工艺时间较长，为80～105s。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性高达1.80～2.10(3西格玛)，即使在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，也完全可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例3：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由50sccm Cl₂、230sccm HBr、15sccm O₂、150sccmN₂组成的混合气体。上RF电源功率为300～350W，工艺时间45～65s。

主刻步气体模拟，硅片表面气流均匀性为0.6～0.8Pa，较好。N2气等离子启辉能力很强，等离子体浓度高，因此在实际工艺中，上RF电源功率仅在300～350W即可维持正常的刻蚀工艺，工艺时间很短，为50～65s。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性为2.65～2.90(3西格玛)，在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，基本可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例4：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由50sccm Cl₂、230sccm HBr、15sccm O₂、150sccm Ne组成的混合气体。上RF电源功率为400～500W，工艺时间80～95s。

作为四种气体中流动性仅次于He气的Ne气，加入150sccm Ne气时主刻步气体模拟结果，硅片表面气流均匀性很高，同样为0.5～0.6Pa，实际工艺中，上RF电源功率为400～500W，工艺时间较长，为80～95s。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性为1.85～2.30(3西格玛)，即使在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，也完全可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例5：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由50sccm Cl₂、230sccm HBr、15sccm O₂、150sccm Ar组成的混合气体。上RF电源功率为350～400W，工艺时间50～70s。

主刻步气体模拟，硅片表面气流均匀性为0.6～0.8Pa，较好。Ar气等离子启辉能力较强，等离子体浓度较高，在实际工艺中，上RF电源功率为350～400W即可维持正常的刻蚀工艺，工艺时间较短。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性为2.65～2.90(3西格玛)，在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，基本可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例6：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由20sccm Cl₂、320sccm HBr、5sccm O₂、50sccm He、50sccm Ar组成的混合气体。上RF电源功率为350～450W，工艺时间50～70s。

主刻步气体模拟，硅片表面气流均匀性为0.5～0.8Pa，较好。在实际工艺中，上RF电源功率为350～450W。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性为2.75～3.05(3西格玛)，在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，基本可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例7：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由20sccm Cl₂、300sccm HBr、5sccm O₂、30sccm He、10sccm Ar、80sccm N₂组成的混合气体。上RF电源功率为350～400W′，工艺时间50～70s。

主刻步气体模拟，硅片表面气流均匀性为0.5～0.8Pa，较好。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性为2.90～3.25(3西格玛)，在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，基本可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

实施例8：

按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由50sccm Cl₂、300sccm HBr、5sccm O₂、10sccm He、20sccm Ar、25sccmNe、33sccmN₂组成的混合气体。上RF电源功率为350～450W，工艺时间70～85s。

由于添加气体种类很多，气体成分混杂，主刻步气体模拟，硅片表面气流均匀性为0.5～0.9Pa，一般。在实际工艺中，上RF电源功率为350～450W。最终刻蚀结果，硅片刻蚀均匀性为3.65～3.90(3西格玛)，在不采用双区喷嘴等改善气流均匀性的硬件配置时，，基本可以满足300mm先进刻蚀工艺的需要。

Claims

1.一种栅刻蚀的方法，包括BT步、主刻步和过刻步，其特征在于，所述的主刻步中所使用的气体中含有Cl₂、HBr和O₂，以及He、N₂、Ne、Ar中的一种或多种，主刻步气体总流量为300～500sccm，其中，Cl₂为20～60sccm，HBr为200～320sccm，O₂为5～30sccm，He、N₂、Ne、Ar中的一种或多种的流量为80～200sccm。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的BT步中所使用的气体为CF₄、C₂F₆、Cl₂中的一种。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的过刻步中所使用的气体为HBr、He和O₂的混合气体。