CN100383931C - 一种减少颗粒产生的多晶硅栅极刻蚀工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够减少刻蚀工艺中颗粒产生的多晶硅栅极刻蚀工艺，包括以下步骤：BT步骤(硬掩膜刻蚀步骤)前稳定步骤1、BT步骤(硬掩膜刻蚀步骤)、主刻步骤前稳定步骤2、主刻步骤1、主刻步骤2、过刻步骤1和过刻步骤2。本发明的工艺兼顾了刻蚀效果和颗粒控制两个方面，根据不同的情况切断或者维持等离子体，在BT步(硬掩膜刻蚀步骤)至主刻步骤的过渡可以切断等离子体，而在主刻步骤至过刻步骤的过渡以及过刻步骤的结束需要维持等离子体的稳定起辉。本发明的工艺可以有效地控制反应产生的颗粒对硅片的污染，从而提高芯片成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶硅栅极刻蚀工艺，具体来说，涉及一种能够减少刻蚀工艺中颗粒产生的多晶硅栅极刻蚀工艺。
背景技术
随着半导体元器件特征尺寸的进一步减小，深亚微米干法刻蚀工艺面临着越来越多的挑战。在形成半导体器件的过程中，硅片上的清洁是至关重要的，因为微米级的小颗粒污染就会导致电路的阻塞甚至功能失效，报废掉整个芯片。所以，在前端工艺制程中，颗粒的控制是至关重要的一环。
在现有的多晶硅栅极刻蚀工艺过程中，往往是通过几个不同的工艺步骤先后对硅片进行刻蚀，在光刻显影、硬掩膜开启、去胶后一般需要依次经过自然二氧化硅层开启(BT)、多晶硅主刻蚀(ME)、过刻蚀(OE)等几个工艺步骤。由于几个工艺步骤所用的刻蚀剂不同，环境条件也不同，因此在切换工艺步骤时往往要加入稳定步骤(stable step)，如下所示，为一个典型的加入稳定步骤的工艺流程：
稳定步骤1：压力7mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体CF4 50sccm、时间为5s。
BT步(硬掩膜刻蚀步骤)：压力7mt、上射频源功率350w、下射频功率40w、刻蚀气体CF4 50sccm、时间为5s。
稳定步骤2：压力10mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为Cl230sccm、HBr 170sccm、10sccm HeO2的混合气体、时间为5s。
主刻步骤：压力10mt，上射频源功率为300w，下射频功率为40w，刻蚀气体为Cl2、HBr、He、O2的混合气体，其中Cl2流量为30sccm，HBr流量为170sccm，HeO2(二者体积比为国为7∶3，下同)流量为10sccm，利用终点检测仪器控制本步骤的结束。
稳定步骤3：压力60mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为HBr 200sccm、He 140sccm、15sccm HeO2的混合气体、时间为5s
过刻步骤：压力60mt、上射频源功率350w、下射频功率40w、刻蚀气体为HBr 200sccm、He 140sccm、15sccm HeO2的混合气体，时间为60s。
可以看到，在两个工艺步骤的过渡阶段，采用了停掉上射频源功率(source power)和下射频源功率(bias power)的方法。这样做的好处就是可以排除每一步工艺对下一步工艺的影响，因为刻蚀剂的对不同介质层的刻蚀速率不同，上一步骤的残余气体在等离子体存在的情况下，会对下一步造成不良的影响，所以需要停止上射频源功率和下射频源功率，加入起到吹扫上一步残余气体和稳定压力作用的稳定步骤，才能达到良好的工艺结果。
但是，由于深亚微米干法刻蚀技术实质上是等离子体刻蚀技术，而等离子体是由高频射频功率电压在低气压环境下作用于一种或多种气体上形成的整体电中性气团，气团中包含大量的正离子、负离子、中性粒子以及因激发或生成的微小悬浮颗粒。(如图1所示)
在刻蚀过程中，不可避免地会产生很多副产物，一些副产物可以随着气体的不断流动被分子泵抽走，但是一些不易挥发的物质，如主刻蚀和过刻蚀阶段大量生成的Si-Br-O化合物容易形成固体颗粒，悬浮于等离子气团中。如果等离子体突然熄灭，那么这些悬浮的颗粒就会沉积下来，落到硅片上造成污染。
采用在每步之间加入稳定步骤的工艺方法，虽然有效克服了每个工艺步骤之间的影响，但过程中熄灭了等离子体，意味着产生了更多的造成芯片成品率下降的颗粒，所以需要对传统的工艺方式进行优化调整。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的旨在提供一种新的多晶硅栅极刻蚀工艺，使其能够减少在刻蚀工艺中颗粒的产生以提高芯片的成品率。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明对现有多晶硅栅极刻蚀工艺进行了改进，本发明的工艺步骤包括：BT(硬掩膜刻蚀步骤)步骤前稳定步骤1、BT步骤、主刻步前稳定步骤2、主刻步骤1、主刻步骤2、过刻步骤1和过刻步骤2。
其中所述主刻步骤1的工艺条件为：压力8-15mt，上射频源功率为300-400w，下射频功率为40-60w，气体为Cl2 0-30sccm、HBr 150-200sccm、He 3.5-10.5sccm、O2 1.5-4.5sccm的混合气体，利用终点检测仪器控制本步骤的结束。优选工艺条件为：压力10mt，上射频源功率为300w，下射频功率为40w，气体为Cl2 30sccm、HBr 170sccm、He 7sccm、O2 3sccm的混合气体。
其中所述主刻步骤2的工艺条件为：压力40-80mt，上射频源功率为300-400w，下射频功率为40-80w，刻蚀气体为HBr 150-200sccm、He 107-214sccm、O2 3-6sccm的混合气体，时间为3-8s。优选工艺条件为：压力40mt，上射频源功率为300w，下射频功率为0w，刻蚀气体为HBr 200sccm、He 150.5sccm、O2 4.5sccm的混合气体，时间为5s。
其中所述过刻步骤1的工艺条件为：压力40-80mt、上射频源功率300-400w、下射频功率40-80w、刻蚀气体为HBr 150-200sccm、He 107-214sccm、O2 3-6sccm的混合气体，时间为40-80s。优选工艺条件为：压力60mt、上射频源功率300w、下射频功率40w、刻蚀气体为HBr200sccm、He 150.5sccm、O2 4.5sccm的混合气体，时间为60s。
其中所述过刻步骤2的工艺条件为：压力0-60mt，上射频源功率为300-400w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar200-300sccm，时间为3-8s。优选工艺条件为：压力60mt，上射频源功率为300w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar 200sccm，时间为5s。
本发明工艺涉及的其他步骤条件同现有技术，即：
其中所述稳定步骤1的工艺条件为：压力7mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为CF450sccm、时间为5s。
其中所述BT(硬掩膜刻蚀步骤)步骤的工艺条件为：压力7mt、上射频源功率350w、下射频功率40w、刻蚀气体为CF450sccm、时间为5s。
其中所述稳定步骤2的工艺条件为：压力10mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为Cl2 30sccm、HBr 170sccm、HeO2 10sccm的混合气体、时间为5s。
可以看到，在主刻蚀步骤前的工艺步骤切换时，仍采用停掉等离子体的稳定步骤来确保没有上一步工艺残气的影响，同时维持颗粒产生在较低水平。另一方面，将主刻蚀分解为两个阶段，以主刻蚀的第二个阶段作为取代以前稳定步骤的“软着陆”过程，在这个阶段，因为上射频源功率始终处于开启状态，等离子体仍然维持稳定，而下射频源功率的关闭也减少了上一步残余气体对下一步工艺的影响。过刻蚀步骤前的稳定步骤省去，同时也将其分解为两个阶段，第一个阶段的主要目的是刻蚀，第二个阶段是利用惰性气体抽走残余气体和残余付产物，而Ar在等离子体状态下是不会和硅片产生颗粒付产物的，这样既保证了刻蚀效果又使颗粒得到了有效控制。
本发明提供的工艺基于以下原理：根据对工艺中每个步骤的分析，在自然二氧化硅层开启步骤过程中，主要产物是Si-F化合物，这类化合物易挥发，不易沉积为固体粒子；而在主刻蚀和过刻蚀阶段，主要产物是Si-Br-O化合物，这类化合物沉积能力较强，不易被分子泵抽走，是主要的污染源。因此，在保证工艺稳定性的同时，需要尽量优化传统的工艺流程。
因为自然二氧化硅层开启步骤所使用的刻蚀剂为含F气体，对多晶硅刻蚀速率远远快于主刻蚀阶段使用的含Cl和HBr的刻蚀剂，所以两步骤之间的稳定步骤是需要的。而生成的付产物Si-F化合物不会造成大量的颗粒沉积。如图3和4所示，仅用BT步骤的工艺在多晶硅长膜片上刻蚀并停掉等离子体后的颗粒产生情况，可以发现污染较少。
而主刻蚀和过刻蚀之间采用停掉等离子体的稳定步骤，则产生了大量的颗粒，如图5和6所示。因此，在主刻蚀向过刻蚀过渡的过程中，等离子体不能停止，但是由于刻蚀剂切换过程中主刻蚀步骤残余气体会对过刻蚀造成影响，需要适当改变过渡步骤的工艺，从而实现工艺切换的“软着陆”。刻蚀效果见图7和8。
本发明的多晶硅栅极刻蚀工艺兼顾了在多晶硅栅极刻蚀工艺中刻蚀效果和颗粒控制两个方面，根据不同的情况切断或者维持等离子体。在BT步骤至主刻步骤的过渡可以切断等离子体，而在主刻步骤至过刻步骤的过渡以及过刻步骤的结束需要维持等离子体的稳定起辉。
(三)有益效果
本发明的多晶硅栅极刻蚀工艺可以有效地控制反应产生的颗粒对硅片的污染，从而提高芯片成品率，并且工艺简单，无需对设备的硬件系统进行优化设计，对各种形状、类型器件都有良好的适应性。
附图说明
图1为等离子体发生示意图
图2为现有刻蚀工艺所得线条显微图
图3为自然二氧化硅层的颗粒情况
图4为自然二氧化硅层BT刻蚀后的颗粒产生情况
图5为现有刻蚀工艺刻蚀前的颗粒情况
图6为现有刻蚀工艺刻蚀后的颗粒产生情况
图7为本发明刻蚀工艺所得刻蚀剖面显微图
图8为本发明刻蚀工艺所得线条显微图
图9为本发明实例2刻蚀工艺刻蚀前颗粒情况
图10为本发明实例2刻蚀工艺刻蚀后颗粒产生情况
图11为本发明实例3刻蚀工艺刻蚀前颗粒情况
图12为本发明实例3刻蚀工艺刻蚀后颗粒产生情况
图13为本发明实例4刻蚀工艺刻蚀前颗粒情况
图14为本发明实例4刻蚀工艺刻蚀后颗粒产生情况
其中观察图3-6、9-14所用设备为KLA Suf6420颗粒检测仪，观察图7所用设备为HitachiS-4700场发射扫描电子显微镜，放大倍数为15万倍，观察图2和8所用设备为HitachiS-8820特征尺寸扫描电子显微镜，放大倍数11万倍。
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
工艺(刻蚀)设备为感应偶合等离子体刻蚀机
工艺步骤：
稳定步骤1：压力7mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为CF450sccm、时间为5s。
BT(硬掩膜刻蚀步骤)步骤：压力7mt、上射频源功率350w、下射频功率40w、刻蚀气体为CF4 50sccm、时间为5s。
稳定步骤2：压力10mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为Cl230sccm、HBr 170sccm、HeO2(二者的体积比为7∶3，下同)10sccm的混合气体、时间为5s
主刻步骤：压力10mt，上射频源功率为300w，下射频功率为40w，刻蚀气体为Cl2 30sccm、HBr 170sccm、HeO2 10sccm的混合气体，利用终点检测仪器控制本步骤的结束。
稳定步骤3：压力60mt、上下射频源功率均为0w、刻蚀气体为HBr 200sccm、He 140sccm、15sccm HeO2的混合气体、5s
过刻步骤：压力60mt、上射频源功率350w、下射频功率40w、刻蚀气体为HBr 200sccm、He 140sccm、HeO2 15scc的混合气体，刻蚀时间为60s。
观察刻蚀后所得硅片，可见刻蚀过程中产生了大量的颗粒。(见图2、5和6)
实施例2
同实施例1的方法，其区别在于：主刻蚀分为两个阶段，过刻蚀也分为两个阶段，略去了稳定步骤3，其中，
主刻步骤1：压力15mt，上射频源功率为400w，下射频功率为40w，刻蚀气体为HBr 200sccm、He 10.5sccm、O2 4.5sccm的混合气体，利用终点检测仪器控制本步骤的结束。
主刻步骤2：压力40mt，上射频源功率为400w，下射频功率为0w，刻蚀气体为HBr 150sccm、He 207sccm、O23sccm的混合气体、时间为5s。
过刻步骤1：压力40mt、上射频源功率为400w，下射频功率为80w，刻蚀气体为HBr 150sccm、He 107sccm、O2 3sccm的混合气体，时间为60s。
过刻步骤2：压力0mt，上射频源功率为400w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar 300sccm、时间为5s。
观察刻蚀后所得硅片，可见颗粒的产生较少。(见图9和10)
实施例3
同实施例2的方法，其区别在于：
主刻步骤1：压力8mt，上射频源功率为300w，下射频功率为60w，刻蚀气体为Cl2 15sccm、HBr 150sccm、He 3.5sccm、O2 1.5sccm，利用终点检测仪器控制本步骤的结束。
主刻步骤2：压力80mt，上射频源功率为350w，下射频功率为0w，刻蚀气体为HBr 175sccm、He 200sccm、20sccm HeO2的混合气体、时间为5s。
过刻步骤1：压力80mt，上射频源功率为350w，下射频功率为80w，刻蚀气体为HBr 175sccm、He 200sccm、20sccm He 14sccm、O2 6sccm的混合气体，刻蚀时间为40s。
过刻步骤2：压力0mt，上射频源功率为350w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar 275sccm、8s。
观察刻蚀后所得硅片，可见颗粒的产生较少。(见图11和12)
实施例4
同实施例2的方法，其区别在于：
主刻步骤1：压力10mt，上射频源功率为380w，下射频功率为50w，刻蚀气体为Cl2、HBr、He、O2的混合气体，其中Cl2流量为20sccm，HBr流量为200sccm，HeO2流量为15sccm，利用终点检测仪器控制本步骤的结束。
主刻步骤2：压力50mt，上射频源功率为300w，下射频功率为0w，刻蚀气体为HBr 200sccm、He 100sccm、10sccm HeO2的混合气体、时间为5s。
过刻步骤1：压力40mt，上射频源功率为300w，下射频功率为60w，刻蚀气体为HBr 200sccm、He 100sccm、He 7sccm、O2 3sccm的混合气体，时间为80s。
过刻步骤2：压力50mt，上射频源功率为300w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar 300sccm、3s。
观察刻蚀后所得硅片，可见颗粒的产生较少。(见图13和14)
Claims (4)
1.一种能够减少颗粒产生的多晶硅栅极刻蚀工艺，包括以下步骤：硬掩膜刻蚀步骤前稳定步骤1、硬掩膜刻蚀步骤、主刻步骤前稳定步骤2、主刻步骤和过刻步骤，其特征在于所述主刻步骤由主刻步骤1和主刻步骤2组成，所述主刻步骤1的工艺条件为：压力8-15mt，上射频源功率为300-400w，下射频功率为40-60w，气体为Cl20-30sccm、HBr150-200sccm、He3.5-10.5sccm、O21.5-4.5sccm的混合气体，利用终点检测仪器控制本步骤的结束；所述主刻步骤2的工艺条件为：压力40-80mt，上射频源功率为300-400w，下射频功率为0w，刻蚀气体为HBr150-200sccm、He107-214sccm、O23-6sccm的混合气体，时间为3-8s；所述过刻步骤由过刻步骤1和过刻步骤2组成。
2.如权利要求1所述的多晶硅栅极刻蚀工艺，其特征在于，所述过刻步1的工艺条件为：压力40-80mt、上射频源功率300-400w、下射频功率40-80w、刻蚀气体为HBr150-200sccm、He107-214sccm、O23-6sccm的混合气体，时间为40-80s；所述过刻步2的工艺条件为：压力0-60mt，上射频源功率为300-400w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar200-300sccm，时间为3-8s。
3.如权利要求1所述的多晶硅栅极刻蚀工艺，其特征在于，所述主刻步骤1的工艺条件为：压力10mt，上射频源功率为300w，下射频功率为40w，气体为Cl230sccm、HBr170sccm、He7sccm、O23sccm的混合气体；所述主刻步骤2的工艺条件为：压力40mt，上射频源功率为300w，下射频功率为0w，刻蚀气体为HBr200sccm、He150.5sccm、O24.5sccm的混合气体，时间为5s。
4.如权利要求2所述的多晶硅栅极刻蚀工艺，其特征在于，所述过刻步骤1的工艺条件为：压力60mt、上射频源功率300w、下射频功率40w、刻蚀气体为HBr200sccm、He150.5sccm、O24.5sccm的混合气体，时间为60s；所述过刻步骤2的工艺条件为：压力60mt，上射频源功率为300w，下射频功率为0w，刻蚀气体为Ar200sccm，时间为5s。
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