CN102176415B - 衬底表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种衬底表面处理方法，所述衬底上形成有图形化膜层，所述图形化膜层上具有难熔金属残留物，所述衬底表面处理方法包括：执行刻蚀工艺，以去除所述图形化膜层上的难熔金属残留物；其中，所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素。本发明可减少对衬底表面的损伤，改善衬底表面的平整度；并且，没有增加复杂的工艺流程，对产能和生产成本不会造成明显影响。

Description

衬底表面处理方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种衬底表面处理方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相关器件的特征尺寸不断缩小，至今已达到22nm量级。由此，也对制造工艺提出了更高的技术要求，其中表面缺陷是影响器件合格率的重要因素之一。在特征尺寸不断减小的趋势下，减小表面缺陷成为工艺发展的必然要求。表面缺陷通常包含工艺过程中的颗粒以及相关工艺过程的残留物，工艺过程中的颗粒可通过提高洁净度等方式克服，而相关工艺过程的残留物往往需通过后续特定的工艺步骤去除。而在微机电系统(MEMS)领域，由于许多技术都源于标准CMOS工艺，因此，同样存在表面缺陷对器件合格率的影响因素。
目前，业界对半导体相关工艺过程的残留物的去除方法已有不少研究。其中大多集中在湿法清洗的领域，例如对清洗溶液的组分、清洗的步续等有诸多讨论，但均需要增加额外的材料和时间成本。另外，对一些含特定杂质如难熔金属的残留物去除效果也不够理想。此外，也可通过等离子体处理的方式进行表面处理，以去除相关工艺过程的残留物。专利号为US7759249的美国专利提出了一种利用氮氧化合物(NxOy)等离子体进行刻蚀后处理的方法，但其仅限于一般残留物的去除，并不特别涉及难熔金属残留物的去除，且该专利主要讨论的是实现相关工艺的设备结构配置，对工艺过程的介绍不大深入。
因此，对于含难熔金属的残留物(也称为难熔金属残留物)的去除，需要开发一种工艺过程简单、易于实现、成本可控、适于实际生产的表面处理方法。
发明内容
本发明提供一种衬底表面处理方法，能够有效改善衬底表面平整度，有利于后续工艺步骤的开展，并可提高器件性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种衬底表面处理方法，所述衬底上形成有图形化膜层，所述图形化膜层表面具有难熔金属残留物，所述衬底表面处理方法包括：执行刻蚀工艺，以去除所述图形化膜层表面的难熔金属残留物；其中，所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素。
可选的，在所述的衬底表面处理方法中，所述反应性气体为四氟化碳、八氟环丁烷、六氟化硫、三氟化氮、三氯化硼、氯气中的一种或其组合；所述稀释性气体为氧气、氮气、氩气、氦气中的一种或其组合。
可选的，在所述的衬底表面处理方法中，所述稀释性气体与反应性气体的流量比在10∶1至20∶1之间。
可选的，在所述的衬底表面处理方法中，所述刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺。所述反应性气体为四氟化碳和六氟化硫，所述稀释性气体为氧气，所述四氟化碳流量为10～40sccm，所述六氟化硫流量为3～15sccm，所述氧气的流量为120～450sccm。所述刻蚀工艺的射频功率为20～350W，所述刻蚀工艺的工艺压强为20～300mTorr，所述刻蚀工艺的工艺时间为20～60sec。
可选的，在所述的衬底表面处理方法中，所述图形化膜层包括图形化电极层以及覆盖所述图形化电极层的图形化硬掩膜层。所述图形化膜层利用以下步骤形成：提供一衬底；在所述衬底上依次形成电极层和硬掩膜层；图形化所述硬掩膜层和电极层，以形成图形化硬掩膜层和图形化电极层，所述图形化硬掩膜层表面具有难熔金属残留物。所述电极层的材料为氮化钽、氮化钛、钽、钛、钨中的一种或其组合。
可选的，在所述的衬底表面处理方法中，所述图形化膜层为图形化钝化层。所述图形化膜层利用以下步骤形成：在所述衬底上依次形成压点和覆盖所述压点和衬底的钝化层；图形化所述钝化层，以形成图形化钝化层，所述图形化钝化层暴露所述压点的部分表面，所述图形化钝化层表面具有难熔金属残留物。所述压点膜层的材料为铝。
由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过在形成图形化膜层之后，执行一步刻蚀工艺，来去除所述图形化膜层上的难熔金属残留物，所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素，由于难熔金属残留物在图形化膜层表面多呈凸起状态，通过尖端放电效应，卤族元素离子较易将难熔金属残留物通过轰击去除；并且，本发明通过控制射频功率以减少对衬底表面的损伤，改善衬底表面的平整度；此外，该衬底表面处理方法仅需在图形化膜层形成后增加一步特定的工艺步骤，没有增加复杂的工艺流程，对产能和生产成本不会造成明显影响。
附图说明
图1A～1C为本发明第一实施例的衬底表面处理方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图；
图2A～2C为本发明第二实施例的衬底表面处理方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
在背景技术中已经提及，在对膜层进行图形化之后，其中的刻蚀过程会导致图形化膜层表面或周围含有难熔金属残留物，此类难熔金属残留物会对后续工艺步骤和器件性能造成不良影响。
因此，本发明的核心思想在于，提供一种衬底表面处理方法，所述衬底上形成有图形化膜层，所述图形化膜层表面或周围具有难熔金属残留物，所述衬底表面处理方法通过执行刻蚀工艺来去除所述图形化膜层上的难熔金属残留物，所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素，由于难熔金属残留物在图形化膜层表面多呈凸起状态，通过尖端放电效应，卤族元素离子较易将难熔金属残留物通过轰击去除，并且可减少对衬底表面的损伤，改善衬底表面的平整度；此外，本发明提供的衬底表面处理方法仅需在形成了图形化膜层后增加一步特定的工艺步骤，没有增加复杂的工艺流程，对产能和生产成本不会造成明显影响。
下面将结合剖面结构示意图对本发明的衬底表面处理方法进行更详细的描述，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
第一实施例
以形成红外探测器的电极工艺为例，所述图形化膜层即包括图形化电极层以及覆盖所述图形化电极层的图形化硬掩膜层，所述图形化电极层即可作为红外探测器的电极。图1A～1C为本发明第一实施例的衬底表面处理方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。
如图1A所示，首先，提供一衬底100，并在衬底100上依次形成电极层110和硬掩膜层120；至此，膜层淀积完成，即可形成如图1A所示三层结构。
其中，所述衬底100的材料可以为无定形硅或二氧化硅(SiO2)，所述衬底100的厚度例如为优选为所述电极层110的材料可以为氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)中的一种或其组合，所述电极层110的厚度例如为优选为所述图形化硬掩膜层120的材料例如是氮氧化硅(SiON)，厚度为优选为
如图1B所示，接着，图形化硬掩膜层120和电极层110，以形成图形化硬掩膜层121和图形化电极层111(其可作为红外探测器的电极)。其中，所述“图形化”也被称为“图案化”，其是指利用曝光、显影、刻蚀等工艺，将掩模版(mask)上的图形转移到待图形化的膜层上。
在本实施例中，首先，利用光刻工艺将掩模版上的图形转移到光刻胶层上，以形成图形化光刻胶；然后，利用刻蚀工艺将图形化光刻胶上的图形转移到硬掩膜层120和电极层110上，即可形成图形化硬掩膜层121和图形化电极层111。所述图形化过程是本领域内的公知常识，在此不再详细描述。
然而，经本申请人发明人长期研究发现，由于衬底100的材料通常为无定形硅或二氧化硅，为保持对无定形硅或二氧化硅刻蚀的选择性，通常采用含氟的等离子体进行刻蚀，以将图形化光刻胶上的图形转移到硬掩膜层120和电极层110上，即形成图形化硬掩膜层121和图形化电极层111。以所述电极层110的材料为氮化钽为例，由于在氮化钽刻蚀过程中，物理轰击起了较大作用，部分含钽的难挥发物质容易残留在光刻胶中，导致去除光刻胶后，不可避免的在图形化硬掩膜层121的边缘形成难熔金属残留物130。此类难熔金属残留物130会对后续工艺步骤和器件性能造成不良影响。因此，对难熔金属残留物130的去除成为一个必要的工艺步骤。
本发明的关键步骤是，执行刻蚀工艺，以去除图形化硬掩膜层121上的难熔金属残留物130；其中，刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素。由于难熔金属残留物130在图形化硬掩膜层121表面多呈凸起状态，通过尖端放电效应，卤族元素离子较易将难熔金属残留物130通过轰击去除，并且可减少对衬底表面的损伤，改善衬底表面的平整度；此外，本发明实施例提供的衬底表面处理方法仅需在形成了图形化膜层后增加一步特定的工艺步骤，没有增加复杂的工艺流程，对产能和生产成本不会造成明显影响。在本步骤完成后，难熔金属残留物130被完全去除，同时改善了衬底表面的平整度，形成了如图1C所示的红外探测器的电极结构。
其中，所述反应性气体可以为四氟化碳(CF4)、八氟环丁烷(C4F8)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)、三氯化硼(BCl3)、氯气(Cl2)中的一种或其组合，所述反应性气体用以提供刻蚀剂F离子或Cl离子的来源。所述稀释性气体可以为氧气(O2)、氮气(N2)、氩气(Ar)、氦气(He)中的一种或其组合，用以维持等离子体并保持其均匀性，较佳的，该稀释性气体在总气体流量中占较大比例，所述稀释性气体与反应性气体的流量比优选在10∶1至20∶1之间，
进一步的，所述刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺，所述反应性气体为四氟化碳(CF4)和六氟化硫(SF6)，所述稀释性气体为氧气(O2)，所述四氟化碳(CF4)的流量为10～40sccm，所述六氟化硫(SF6)的流量为3～15sccm，所述氧气(O2)的流量为120～450sccm。较佳的，可通过控制射频功率，以减少对衬底表面的损伤，改善衬底表面的平整度；例如，所述刻蚀工艺的射频功率为20～350W，所述刻蚀工艺的工艺压强为20～300mTorr，所述刻蚀工艺的工艺时间为20～60sec。
更进一步的，在本实施例中，选用氧气(O2)作为稀释性气体，流量设置为300sccm；选用四氟化碳(CF4)作为反应性气体，流量为20sccm；另外选用六氟化硫(SF6)作为辅助的反应性气体，以增加氟离子的供给，流量范围为5sccm。关于工艺压强，为平衡等离子体浓度与离子轰击能量两项参数，优选为200mTorr。为增强轰击效应，在工艺过程中选用的射频(RF)频率应较低，一般小于20MHz。根据设备配置，本实施例选用通用频率13.56MHz。对于RF功率，考虑减少对衬底表面的影响，功率优选为150W，该功率可确保不会破坏衬底上原有的图形。刻蚀工艺的工艺时间则需根据残留物状态确定，在本实施例中，工艺时间优选为30sec。利用上述工艺条件，可最大程度的去除难熔金属残留物，改善衬底表面的平整度；并且，不会损伤到原有的膜层图形。
当然，上述数值并不用于限定本发明，本领域技术人员可根据实际要去除的难熔金属残留物的种类以及大小，并根据刻蚀机台的具体配置，来相应的调整工艺参数，以达到最佳的去除效果。
第二实施例
在本实施例中，该方法适用于压点(pad)刻蚀后的表面处理，所述图形化膜层即包括压点以及覆盖所述压点的图形化硬掩膜层。图2A～2C为本发明第二实施例的衬底表面处理方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。
如图2A所示，首先，提供一衬底200，并在衬底200上依次形成压点210和覆盖所述压点210和衬底200的钝化层220。所述压点210的材料为金属铝。
如图2B所示，接着，图形化钝化层220，以形成图形化钝化层221，所述图形化钝化层221暴露出所述压点210的部分表面。在刻蚀所述钝化层220的过程中，压点210受到轰击，因此，不可避免的，所述图形化钝化层220上含有难熔金属残留物230，所述难熔金属残留物230中含有铝、硅成分，此类难熔金属残留物230会对后续工艺步骤和器件性能造成不良影响。
如图2C所示，接下来，即执行刻蚀工艺，以去除所述图形化钝化层220表面的难熔金属残留物230；其中，所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素。在本实施例中，选用氮气(N2)为稀释性气体，流量为150～400sccm，优选为300sccm；选用氯气(Cl2)作为反应性气体，流量为10～30sccm，优选为15sccm；工艺压强为40～100mTorr，优选为60mTorr；RF频率优选为13.56MHz；RF功率范围150～400W，优选为250W；刻蚀工艺的工艺时间优选为15sec。
综上所述，通过在膜层图形化后增加一步特定的衬底表面处理工艺，可以有效去除图形化过程中产生的难熔金属残留物，改善衬底表面的平整度。在实施过程中，仅需在图形化工艺后增加一步工艺步骤，没有增加复杂的工艺流程，对产能和生产成本不会造成明显影响。
需要说明的是，上述实施例以形成红外探测器的电极工艺和形成压点工艺为例；但是本发明并不限制于此，除上述两个实施例外，本发明还可用于含钨、钛等残留物的去除，例如，本发明还可用于电容等其他结构的形成工艺。其中反应性气体可选含氟或氯等卤族元素的气体。本领域技术人员可根据对衬底表面的刻蚀程度，相应的调整气体流量比、工艺压强、RF功率等工艺参数，并相应的控制刻蚀工艺时间来实现。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并非用于限定本发明的范围。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，对本发明的技术方案作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (9)

1.一种衬底表面处理方法，所述衬底上形成有图形化膜层，所述图形化膜层表面具有难熔金属残留物，所述衬底表面处理方法包括：
执行刻蚀工艺，以去除所述图形化膜层表面的难熔金属残留物；
其中，所述刻蚀工艺使用的刻蚀气体由反应性气体和稀释性气体组成，所述反应性气体包含有卤族元素；所述图形化膜层包括图形化电极层以及覆盖所述图形化电极层的图形化硬掩膜层；所述图形化膜层利用以下步骤形成：
在所述衬底上依次形成电极层和硬掩膜层；
图形化所述硬掩膜层和电极层，以形成图形化硬掩膜层和图形化电极层，所述图形化硬掩膜层表面具有难熔金属残留物。
2.如权利要求1所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述反应性气体为四氟化碳、八氟环丁烷、六氟化硫、三氟化氮、三氯化硼、氯气中的一种或其组合；所述稀释性气体为氧气、氮气、氩气、氦气中的一种或其组合。
3.如权利要求1所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述稀释性气体与反应性气体的流量比在10:1至20:1之间。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述刻蚀工艺为反应离子刻蚀工艺。
5.如权利要求4所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述反应性气体为四氟化碳和六氟化硫，所述稀释性气体为氧气，所述四氟化碳流量为10～40sccm，所述六氟化硫流量为3～15sccm，所述氧气的流量为120～450sccm，所述刻蚀工艺的射频功率为20～350W，所述刻蚀工艺的工艺压强为20～300mTorr，所述刻蚀工艺的工艺时间为20～60sec。
6.如权利要求1所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述电极层的材料为氮化钽、氮化钛、钽、钛、钨中的一种或其组合。
7.如权利要求1所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述图形化膜层为图形化钝化层。
8.如权利要求7所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述图形化膜层利用以下步骤形成：
在所述衬底上依次形成压点和覆盖所述压点和衬底的钝化层；
图形化所述钝化层，以形成图形化钝化层，所述图形化钝化层暴露所述压点的部分表面，所述图形化钝化层表面具有难熔金属残留物。
9.如权利要求8所述的衬底表面处理方法，其特征在于，所述压点的材料为铝。
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