CN101599434A - 半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件的制造方法,提供一硅片,在所述硅片上形成刻蚀阻挡层,所述刻蚀阻挡层内具有开口图形;对所述刻蚀阻挡层内的开口图形的侧壁进行第一刻蚀,包括:向刻蚀腔中通入包含氧原子的第一气体,第一气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例小于1;之后向刻蚀腔中通入包括惰性气体的第二气体,第二气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例大于1,使硅片边缘区域刻蚀速率大于硅片中央区域的刻蚀速率;对具有上述刻蚀阻挡层的硅片进行第二刻蚀。本发明提高了硅片边缘区域和硅片中央区域的刻蚀图形特征尺寸的一致性,并且操作简便,容易控制。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域,特别涉及一种半导体器件的制造方法。
背景技术
半导体制造过程中,光刻是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀的硅片上。这些结构首先以图案形式制作在掩模版上。紫外光透过掩模版把图案转移到硅片表面的光刻胶层上。以正性光刻胶为例,通常的光刻是这样进行的:光刻胶层透过掩模版曝光,光刻胶层透过掩模板上的图案被曝光的部分发生化学变化,之后进行显影,发生化学变化的光刻胶层被去掉形成开口图形,没被曝光的光刻胶层不能被洗掉,从而在硅片上形成刻蚀阻挡层,刻蚀阻挡层中具有和掩模版上一致的包括开口图形的图案。然后用刻蚀工艺把掩模版上的开口图形成像在下面的硅片上。刻蚀是用化学或者物理方法有选择的从硅片表面去除不需要的材料的过程,刻蚀的基本目标就是在硅片上正确的复制掩模版上的图案。这层刻蚀阻挡层用来在刻蚀中保护硅片上的部分区域,从而选择性的刻蚀掉未被刻蚀阻挡层保护的区域,也就是,硅片对应于刻蚀阻挡层中的开口图形的区域。经过刻蚀之后,就在硅片中形成了刻蚀图形。
但是由于光刻过程受到光刻胶厚度,烘烤/冷却的温度与时间、显影方式与时间、曝光计量、焦距补偿以及数值孔径等参数影响,刻蚀过程受气体比例、气流速率、偏压功率、温度以及刻蚀模式等参数影响,同时硅片边缘由于处于边缘位置,因此刻蚀条件的误差较大。因此在传统的制造工艺流程中,在掩模版中的图案包括一些相同的图形时,刻蚀后检查(After Etch Inspection,AEI)发现硅片中央区域的刻蚀图形的特征尺寸(Critical Dimension,CD)和大于边缘区域的刻蚀图形的CD,中央区域的刻蚀图形CD合格,边缘区域刻蚀图形CD偏小,这会导致某些无可挽回的缺失,像是在电性验收测试所得到的接触窗断路现象,这些缺陷将严重的影响合格率。这样使得硅片边缘区域生产的器件不符合要求,从而使硅片边缘区域浪费。
在2005年3月30日公告的公告号为:CN1195316C的中国专利中,提供了一种改进临界尺寸一致性的方法,在一晶片上形成涂布层,以及根据制造进程条件分别对该涂布层的第一区域与环绕该第一区域的第二区域进行图案转移制作步骤,将图案转移至涂布层。上述方法是分为两步分别对第一区域和第二区域,也就是中央区域和边缘区域进行光刻。所以该方法存在的问题是需要两次光刻,也就是两次涂光刻胶、曝光和显影等步骤,因此增加了光刻的复杂度,降低了光刻的精确度,成本增加。
发明内容
本发明提供了一种半导体器件的制造方法,提高了硅片边缘区域和硅片中央区域的刻蚀图形CD的一致性。
本发明提供的一种半导体器件的制造方法,包括提供一硅片,在所述硅片上形成刻蚀阻挡层,所述刻蚀阻挡层内具有开口图形;
对所述刻蚀阻挡层内的开口图形的侧壁进行第一刻蚀,包括:向刻蚀腔中通入包含氧原子的第一气体,第一气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例小于1;之后向刻蚀腔中通入包括惰性气体的第二气体,第二气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例大于1,使硅片边缘区域刻蚀速率大于硅片中央区域的刻蚀速率;
对具有上述刻蚀阻挡层的硅片进行第二刻蚀。
可选的,所述第一气体包括氧气O2、臭氧O3一氧化氮NO、一氧化二氮N2O中至少其中之一。
可选的,所述第二气体包括氩气Ar、氦气He、氮气N2、和氖气Ne中至少其中之一。
可选的,所述的刻蚀阻挡层为以ArF为曝光光源的光刻胶。
可选的,所述刻蚀腔包括中央气孔,所述第一刻蚀中,占第一气体总量100%的第一气体从所述边缘气孔进入。
可选的,所述刻蚀腔包括中央气孔和边缘气孔,所述第一刻蚀中,占第二气体总量90%±5%的第二气体从所述中央气孔进入,占第二气体总量10%±5%的第二气体从所述边缘气孔进入。
可选的,所述第一刻蚀为沿平行硅片方向的刻蚀。
可选的,所述第一刻蚀过程中刻蚀腔内压力为300mT±50mT。
可选的,所述第一刻蚀腔内射频电源输出功率为200W±50W。
可选的,所述第一刻蚀时间10s±3s。
与现有技术相比,上述技术方案具有以下优点:
上述方案提供的半导体器件的制造方法,是在传统的光刻和刻蚀步骤之间增加了一个对刻蚀阻挡层的进行第一刻蚀步骤,使刻蚀阻挡层的开口图形增大,因为位于硅片边缘的开口图形CD的增加值大于位于硅片中央区域的开口图形CD增加值,因此第一刻蚀对边缘区域的刻蚀图形CD进行了补偿。从而在第二刻蚀步骤之后,硅片边缘区域的刻蚀图形CD的增加值,大于硅片中央区域的刻蚀图形CD的增加值,因此提高了硅片边缘区域和硅片中央区域的刻蚀图形CD的一致性,并且操作简便,容易控制。
附图说明
图1为对传统方法制造的器件的AEI的数据图;
图2为本发明的半导体器件的制造方法一实施例的流程图;
图3为本发明的半导体器件的制造方法一实施例的硅片及硅片上的刻蚀阻挡层的结构示意图;
图4为本发明的半导体器件的制造方法一实施例的第一刻蚀示意图;
图5为硅片上的点的第一刻蚀速率随距离硅片中轴线的距离变化的曲线图;
图6为采用本发明的半导体器件的制造方法一实施例制造的器件的AEI数据图。
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,使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图,重点在于示出本发明的主旨。在附图中,为清楚明了,放大了层和区域的厚度。
为了清楚,在下面的描述中,不详细描述公知的功能和结构,因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中,必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标,例如按照有关系统或有关商业的限制,由一个实施例改变为另一个实施例。另外,应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的,但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
通常的光刻是这样进行的:光刻胶层透过掩模版曝光,然后用刻蚀工艺把掩模版上的图案成像在下面的硅片上。刻蚀是用化学或者物理方法有选择的从硅片表面去除不需要的材料的过程,刻蚀的基本目标就是在硅片上正确的复制掩模版上的图案。
半导体制造过程中,通过光刻把掩模版上的图案复制到光刻胶层上,利用光刻胶层形成刻蚀阻挡层,以正性光刻胶为例,光刻胶层透过掩模板上的图案被曝光的部分发生化学变化。之后进行显影,发生化学变化的光刻胶层被去掉形成开口图形,所述开口图形可以是沟槽或者通孔,没被曝光的光刻胶层不能被洗掉,从而在硅片上形成刻蚀阻挡层,刻蚀阻挡层中具有和掩模版上一致的图案,所述图案包括开口图形。在后续的刻蚀步骤中,这层刻蚀阻挡层用来在刻蚀中保护硅片上的部分区域,从而选择性的刻蚀掉未被刻蚀阻挡层保护的区域,也就是,硅片对应于刻蚀阻挡层中的开口图形的区域。经过刻蚀之后,就在硅片中形成了刻蚀图形。
发明人研究后认为,采用传统方法,在掩模版中的图案包括相同的开口图形时,在经过光刻和刻蚀之后在硅片上形成的刻蚀图形如图1所示,图1为AEI的数据图,图1中的数据是相邻刻蚀图形之间的间隔厚度,图1中数据的单位是μm。因为本实施例中所述刻蚀图形的中心距离都相同,刻蚀图形的中心距离减去间隔厚度就是刻蚀图形的CD,因此相邻刻蚀图形之间的间隔厚度越大则开口图形CD越小。因此AEI后发现硅片中从边缘区域向中央区域刻蚀图形的CD逐渐增大,例如第一间隔厚度102为0.0862μm,第二间隔厚度104为0.087μm,第三间隔厚度106为0.09μm。例如图1所示为直径为300mm的硅片,在距硅片边缘10mm±5mm的范围内,也就是图1中硅片边缘的黑色区域110,和中央的白色区域120刻蚀图形的CD相差较大,黑色区域110内的刻蚀图形CD偏小,例如黑色区域110内两个刻蚀图形之间的间隔厚度为0.0944μm,白色区域120内两个刻蚀图形之间的间隔厚度为0.0789μm,刻蚀图形的中心距离减去间隔厚度就是刻蚀图形的CD,也就是黑色区域110内的刻蚀图形的CD和白色区域120内的刻蚀图形的CD差为0.0155μm,因为硅片中间区域也就是白色区域120内的刻蚀图形的CD为合格范围内的CD,因此在距硅片边缘10mm±5mm的范围内的硅片生产的器件就不合格。所述问题是由于光刻过程会受到光刻条件的影响,刻蚀过程会受刻蚀条件的影响。例如干法刻蚀,硅片边缘位于刻蚀腔的边缘,因此刻蚀条件的误差较大。其中,图1中所示的边缘区域,也就是黑色区域110不是严格对称分布在硅片边缘,是因为生产过程存在误差所致。
本发明提供了一种半导体器件的制造方法,提供一硅片,在所述硅片上形成刻蚀阻挡层,所述刻蚀阻挡层内具有开口图形,包括:
对所述刻蚀阻挡层内的开口图形的侧壁进行第一刻蚀,包括:向刻蚀腔中通入包含氧原子的第一气体,第一气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例小于1;之后向刻蚀腔中通入包括惰性气体的第二气体,第二气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例大于1,使硅片边缘区域刻蚀速率大于硅片中央区域的刻蚀速率;
对具有上述刻蚀阻挡层的硅片进行第二刻蚀。
其中,
所述第一气体可以包括氧气O2、臭氧O3一氧化氮NO、一氧化二氮N2O中至少其中之一。
所述第二气体可以包括氩气Ar、氦气He、氮气N2、和氖气Ne中至少其中之一。
所述的刻蚀阻挡层可以为以ArF为曝光光源的光刻胶。
所述刻蚀腔可以包括中央气孔,所述第一刻蚀中,占第一气体总量可以为100%的第一气体从所述边缘气孔进入。
所述刻蚀腔可以包括中央气孔和边缘气孔,所述第一刻蚀中,占第二气体总量可以为90%±5%的第二气体从所述中央气孔进入,占第二气体总量可以为10%±5%的第二气体从所述边缘气孔进入。
所述第一刻蚀可以为沿平行硅片方向的刻蚀。
所述第一刻蚀过程中刻蚀腔内压力可以为300mT±50mT。
所述第一刻蚀腔内射频电源输出功率可以为200W±50W。
所述第一刻蚀时间可以为10s±3s。
下面以刻蚀图形为接触孔的形成过程为例,结合图2至图6对本发明的半导体器件的制造方法的实施例进行详细的说明。
在本实施例中,直径为300mm的硅片为例,其中从硅片边缘向中央的10mm±5mm范围内为硅片边缘区域,从硅片中央向边缘的50mm±5mm范围内为硅片中央区域。
步骤A101:如图3所示提供一的硅片200,硅片200包括衬底201和形成于衬底201上的介质层202。在硅片200上形成光刻胶层,光刻胶层经过掩模版进行曝光、显影等步骤,形成刻蚀阻挡层204。刻蚀阻挡层204在硅片200对应有开口图形205,例如要在硅片上形成接触孔,则所述开口图形205就为通孔,该通孔将硅片中的部分区域暴露,从而刻蚀之后就在该区域形成接触孔。
其中,光刻胶层的材料为以ArF为曝光光源的光刻胶,从而刻蚀阻挡层的材料为ArF为曝光光源的光刻胶,除此之外光刻胶层的材料也可以为其它曝光光源的光刻胶,例如KrF为曝光光源的光刻胶。
步骤A102:对位于硅片200边缘区域,在本实施例中为从硅片边缘向中央的10mm±5mm范围内,的所述开口图形205的侧壁进行第一刻蚀;使从硅片边缘向中央的10mm±5mm范围内的所述开口图形205的CD增大。
在本实施例中具体如图4所示,将该硅片200放到刻蚀腔301中,该刻蚀腔301在硅片200要进行刻蚀的表面上方具有中央气孔302和边缘气孔303,其中中央气孔位于硅片中央区域上方,边缘气孔303为连通的气孔,分布在刻蚀腔的硅片边缘区域对应的侧壁上。向刻蚀腔301中加入包含氧原子的第一气体,第一气体可以包括氧气O2、臭氧O3、一氧化氮NO、一氧化二氮N2O等含有氧原子的气体中的至少一种,第一气体进气时在刻蚀腔的中央气孔和边缘气孔的流量分布比例小于1。而且第一气体进气时在刻蚀腔的中央气孔和边缘气孔流量分布比例越小,第一刻蚀对硅片中央区域的刻蚀速率越小,对硅片边缘区域的刻蚀速率越大,因此越能较好的改善硅片边缘区域的开口图形CD小于中央区域的开口图形CD的问题。在本实施例中,第一气体在刻蚀腔边缘气孔的进气流量为气体总量的100%,在刻蚀腔中央气孔的进气量为气体总量的0%。也就是加入O2时100%的O2从刻蚀腔的边缘气孔303进入,而中央气孔302没有O2进入,从而使O2更多的分布在硅片200边缘区域,在本实施例中为硅片边缘向中央的10mm±5mm范围内。在通完第一气体之后,向刻蚀腔中通入包括惰性气体的第二气体,第二气体包括氦气He、氩气Ar、氮气N2和氖气Ne中的至少一种。第二气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例大于1,而且在1-9的范围内,因为第二气体的作用是把第一气体推向刻蚀腔的边缘区域,也就是使更大比例的第一气体作用在硅片的边缘区域,因此这一比值越大,第二气体把第一气体推向刻蚀腔边缘区域的效果越好。从而第一刻蚀对硅片中央区域的刻蚀速率越小,对硅片边缘区域的刻蚀速率越大,因此越能较好的改善硅片边缘区域的开口图形CD小于硅片中央区域开口图形CD的问题。
在本实施例中,从刻蚀腔的中央气孔302加入占第二气体总量的90%±5%的Ar气,从刻蚀腔的边缘气孔303加入占第二气体总量的10%±5%的Ar气。
在本实施例中,虽然O2流100%的从边缘的进气口303进气,但是由于O2会在刻蚀腔内扩散,因此不能完全分布在刻蚀腔的边缘区域。这样,后通入的Ar气将O2向刻蚀腔的边缘区域推,使O2充分作用在硅片200边缘区域。因为氧原子与刻蚀阻挡层204的光刻胶可以发生反应,因此O2可对刻蚀阻挡层204中开口图形205的侧壁刻蚀。在上述方案中使刻蚀腔中O2进气流量,中央区域小于边缘区域,因此使边缘区域的刻蚀速率比中央区域快。第二气体对刻蚀阻挡层204的刻蚀作用很小,起的作用是利用刻蚀腔中央和边缘的流量差,将O2从刻蚀腔的中央推向边缘,因此增快了硅片200边缘区域刻蚀速率,减小了硅片200中央区域的刻蚀速率。所述第一刻蚀为沿平行硅片方向的刻蚀。因为第一刻蚀目的是使开口图形CD增大。而不是增加开口图形深度,因此第一刻蚀是作用在开口图形的侧壁上。具体加偏压使电场方向平行与硅片方向,这样第一刻蚀时,第一气体和第二气体的等离子体沿平行电场方向轰击开口图形的侧壁,对侧壁刻蚀。
在刻蚀期间,刻蚀的方向性可以通过控制电源偏压来实现。通过控制电源功率可以控制刻蚀速率。在本实施例中,蚀腔内压力为300mT±50mT,内射频电源输出功率为200W±50W。
图5为发明人根据研究得到的本实施例中,硅片上的点的第一刻蚀速率随距离硅片中轴线的距离变化的曲线图,如图5所示,第一刻蚀速率在硅片边缘区域最大,在本实施例中为从硅片边缘向中央的10mm±5mm范围内,为从边缘区域向中央区域递减;中央区域,在本实施例中为从硅片中央向边缘的50mm±5mm范围内的刻蚀速率最低,为
因此,相同时间内位于硅片边缘区域的开口图形205的CD增加值,远远大于位于硅片中央区域的开口图形205的CD增加值,因此硅片中央区域的开口图形205CD增加值可以忽略。
第一刻蚀的刻蚀时间为10s±3s。在该刻蚀条件下刻蚀掉硅片边缘区域的开口图形每一侧的侧壁的厚度为硅片边缘区域的第一开口图形205CD增加了使得硅片边缘区域的刻蚀图形CD增加而硅片中间区域的第一开口图形205经过10s的第一刻蚀,CD增加了因此相对于可以忽略。
步骤A103:对硅片第二刻蚀,硅片中与刻蚀阻挡层的开口图形区域对应的区域被刻蚀,形成刻蚀图形。
在本实施例中具体为:对具有刻蚀阻挡层204的硅片200的介质层202进行刻蚀,在硅片中形成刻蚀图形,也就是接触孔。第二刻蚀是利用传统方法,因此在这不进行详细讲解。因为在第一刻蚀中硅片边缘区域,也就是从硅片边缘向中央的10mm±5mm范围内的开口图形CD增加值远大于位于硅片中央的开口图形CD增加值这样对现有技术中的硅片中央区域和硅片边缘区域的刻蚀图形的CD差值起到了补偿作用,使得硅片中刻蚀图形CD的一致性提高。
在第二刻蚀中,例如,传统方法中第二刻蚀之后AEI通常的硅片边缘区域刻蚀图形的误差为也就是比硅片中央区域的刻蚀图形CD小然而硅片边缘区域的开口图形CD增加了而硅片中央区域的开口图形CD的增加可忽略,因此在第二刻蚀之后,形成的位于硅片边缘区域的刻蚀图形和位于硅片中央区域的刻蚀图形的CD相同,这里所述的相同允许包括在合格范围内的误差。因为硅片边缘区域到中央区域的过渡区域的刻蚀图形,光刻和刻蚀造成的CD误差介于硅片边缘区域和中央区域之间,而第一刻蚀的速率也介于硅片边缘区域和中央区域之间,因此第二刻蚀之后的CD和硅片边缘区域和中央区域的刻蚀图形的CD相同,这里所述的相同允许包括在合格范围内的误差。
本发明的技术方案也可以用在除300mm之外的其它尺寸的硅片的刻蚀中,用来提高了硅片边缘区域和硅片中央区域的刻蚀图形CD的一致性,所述的边缘区域包括距离硅片边缘距离小于1/4直径长度的区域,硅片中央区域包括距离硅片中心距离小于1/4直径长度的区域。
图4中的虚线为刻蚀之后的刻蚀图形,因此从图4可以看出,采用本发明的技术方案,提高了刻蚀图形CD的一致性。除上述实施例之外,本发明的半导体制造方法也可以用在其它刻蚀图形的刻蚀中,用来提高硅片边缘区域和硅片中央区域的刻蚀图形CD的一致性,例如可以用在沟槽、浅沟槽隔离区(STI)、栅极、金属连线等结构的形成过程中。
图6为采用本发明一实施例的制造方法制造的器件进行AEI的数据图。图6中的数据为是相邻刻蚀图形之间的间隔厚度,图6中数据的单位是μm。从图6可以看出采用本方法之后,硅片中央区域的相邻刻蚀图形之间的介质的厚度和硅片边缘区域的相邻刻蚀图形之间的介质的厚度基本相同,例如图6中圈出来的位置。在本实施例中刻蚀图形在硅片上均匀分布,并且所述刻蚀图形的中心距离都相同,因此从相邻刻蚀图形之间的介质的厚度基本相同可以得出硅片边缘区域和中央区域的刻蚀图形的CD基本相同。因此充分说明了,上述技术方案的方法,使刻蚀之后的硅片中央区域和硅片边缘区域的刻蚀图形的CD一致性得到有效的改善。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已,本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1、一种半导体器件的制造方法,提供一硅片,在所述硅片上形成刻蚀阻挡层,所述刻蚀阻挡层内具有开口图形,其特征在于,还包括:
对所述刻蚀阻挡层内的开口图形的侧壁进行第一刻蚀,包括:向刻蚀腔中通入包含氧原子的第一气体,第一气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例小于1;之后向刻蚀腔中通入包括惰性气体的第二气体,第二气体进气时在刻蚀腔的中央区域和边缘区域流量分布比例大于1,使硅片边缘区域刻蚀速率大于硅片中央区域的刻蚀速率;
对具有上述刻蚀阻挡层的硅片进行第二刻蚀。
2、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述第一气体包括氧气O2、臭氧O3一氧化氮NO、一氧化二氮N2O中至少其中之一。
3、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述第二气体包括氩气Ar、氦气He、氮气N2、和氖气Ne中至少其中之一。
4、如权利要求2、3任一项所述的制造方法,其特征在于,所述的刻蚀阻挡层为以ArF为曝光光源的光刻胶。
5、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述刻蚀腔包括中央气孔,所述第一刻蚀中,占第一气体总量100%的第一气体从所述边缘气孔进入。
6、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述刻蚀腔包括中央气孔和边缘气孔,所述第一刻蚀中,占第二气体总量90%±5%的第二气体从所述中央气孔进入,占第二气体总量10%±5%的第二气体从所述边缘气孔进入。
7、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述第一刻蚀为沿平行硅片方向的刻蚀。
8、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述第一刻蚀过程中刻蚀腔内压力为300mT±50mT。
9、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述第一刻蚀腔内射频电源输出功率为200W±50W。
10、如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述第一刻蚀时间为10s±3s。
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