CN102231360A - 等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法 - Google Patents

等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法 Download PDF

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Abstract

一种等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法，包括：将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域对刻蚀目标进行刻蚀；向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，其中所述刻蚀速率调节气体包括不参与刻蚀化学反应的中性气体。本发明提供的等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法提高等离子体刻蚀腔体内的区域刻蚀调节能力，改善等离子体处理后均一性差的现象。

Description

等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法。
背景技术
随着半导体器件的集成度提高，半导体器件的线宽越来越小，关键尺寸的控制也越来越重要，对刻蚀工艺的要求也越来越高。
刻蚀工艺是一种有选择的去除形成在硅片表面的材料或者有选择的去除硅片材料的工艺。刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，干法刻蚀由于选择性高、可控性强成为当今最常用的刻蚀工艺之一。
干法刻蚀即为等离子体刻蚀，通常在等离子体处理装置中通入刻蚀气体，并电离所述刻蚀气体成等离子体，利用所述等离子体对待刻蚀的晶圆进行刻蚀。现有的等离子体刻蚀方法通常在待刻蚀层表面形成光刻胶图形，以所述光刻胶图形为掩膜对所述待刻蚀层进行刻蚀。
具体地，为等离子体刻蚀包括如下步骤：
请参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100表面形成有刻蚀目标层110；所述刻蚀目标层110形成有光刻胶图形120；具体的，所述刻蚀目标层110材料为介质层；
请参考图2，以所述光刻胶图形120为掩膜，刻蚀所述刻蚀目标层110直至在所述刻蚀目标层110内形成待形成的图形。
在公开号为CM101465287A的中国专利文件中披露更多有关等离子体刻蚀方法的内容。
但是，随着半导体器件的集成度进一步提高，同时在半导体衬底上待刻蚀形成的图形越来越多，在同一刻蚀工艺形成均一性高的图案越来越难。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种刻蚀均一性高的刻蚀气体调节方法。
为解决上述问题，本发明提供一种等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法，包括：将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域对刻蚀目标进行刻蚀；向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，其中所述刻蚀速率调节气体包括不参与刻蚀化学反应的中性气体。
可选的，中性气体为惰性气体。
可选的，所述惰性气体为Ar或者He。
可选的，所述刻蚀速率调节气体还包括辅助反应气体，辅助反应气体与所述中性气体混合后通入第一区域，所述辅助反应气体用于加快或减慢反应速度。
可选的，所述辅助反应气体流量与中性气体的流量比小于1∶5。
可选的，所述刻蚀目标是含硅材料层，辅助反应气体为C4F8、CH2F2、CHF3、C4F6、CO2或者O2中的一种或者几种。
可选的，所述刻蚀速率调节气体的气体流量为50～2000sccm，小于刻蚀气体的流量。
可选的，所述刻蚀气体包括Ar、O2、CO、CO2、H2、CxFy或CxFyHz中的一种或者几种。
可选的，所述等离子体刻蚀腔体包括中间区域和与中间区域相邻的边缘区域；或者所述等离子体刻蚀腔体包括中间区域、与中间区域相邻的边缘区域、与边缘区域相邻的极边缘区域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的实施例通过在向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，，扩大等离子体刻蚀腔体内的区域的刻蚀调节范围，使得通入包括有中性气体的刻蚀速率调节气体的区域能够在较大范围进行刻蚀条件，进一步的，本发明的实施例通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，解决将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域存在的气壁问题，避免融入较小流量的调节(Tuning Gas)无法突破刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内形成的压力差(气壁)，提高等离子体刻蚀腔体内的区域刻蚀调节能力，改善等离子体处理后均一性差的现象，进一步的，本发明实施例通过提高等离子体刻蚀腔体内的区域刻蚀调节能力，能够解决等离子体处理后均一性差中的边-边不均匀现象(Side-Side)。
附图说明
图1至图2是现有等离子体刻蚀流程示意图；
图3为现有的刻蚀工艺刻蚀效果示意图；
图4为本发明的第一实施例的刻蚀气体调节方法的流程示意图；
图5为本发明的第二实施例的刻蚀气体调节方法的流程示意图。
具体实施方式
随着半导体器件的集成度进一步提高，承载所述半导体器件的晶圆尺寸越来越大，晶圆尺寸从6英寸、8英寸发展至12英寸，越来越大尺寸的晶圆使得光刻胶图形在晶圆的分布面积越来越广，从而导致采用等离子体工艺转移图形的难度越来越大，较容易出现转移后分布在晶圆边缘区域的图形和分布在晶圆中间区域图形在等离子体处理后均一性差，比如，在晶圆边缘区域和在晶圆中间区域待刻蚀层表面位置形成同样的光刻胶图形，在执行等离子体刻蚀工艺后，在晶圆边缘区域和在晶圆中间区域待刻蚀层内形成的图形不一致。
具体地，等离子体处理后均一性差中的边-边不均匀现象(Side-Side)尤为难以解决，请参考图3，图3示出采用现有的刻蚀工艺刻蚀后形成的边-边不均匀现象示意图，从图3发现刻蚀后的晶圆具有一边高一边低的边-边不均匀现象，并且上述现象较难通过现有的刻蚀工艺调整来克服。
本发明的发明人首先将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体不同的区域；以取得较佳的刻蚀效果，首先，本发明的发明人将刻蚀气体通过气体分流器(Gas Splitter)按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体不同的区域，例如分配至等离子体刻蚀腔体的中间区域、与中间区域相邻的边缘区域、与边缘区域相邻的极边缘区域，所述刻蚀气体包括Ar、O2、CO、CO2、H2、CxFy或CxFyHz中的一种或者几种，发现上述方法能够一定程度改善等离子体处理后均一性差的现象，但是调节空间不大、效果不明显。
为此，本发明的发明人经过研究，提供一种等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法，包括：将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域对刻蚀目标进行刻蚀；向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，其中所述刻蚀速率调节气体包括不参与刻蚀化学反应的中性气体。
本发明的实施例通过在向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，扩大等离子体刻蚀腔体内的区域的刻蚀调节范围，使得通入包括有中性气体的刻蚀速率调节气体的区域能够在较大范围进行刻蚀条件，进一步的，本发明的实施例通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，解决将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域存在的气壁问题，避免融入较小流量的调节(Tuning Gas)无法突破刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内形成的压力差(气壁)，提高等离子体刻蚀腔体内的区域刻蚀调节能力，改善等离子体处理后均一性差的现象，进一步的，本发明实施例通过提高等离子体刻蚀腔体内的区域刻蚀调节能力，能够解决等离子体处理后均一性差中的边-边不均匀现象(Side-Side)。
第一实施例
下面结合第一实施例对本发明的刻蚀气体调节方法做详细说明，请参考图4，图4为第一实施例的刻蚀气体调节方法的流程示意图，包括如下步骤：
步骤S101，将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域对刻蚀目标进行刻蚀；
步骤S102，向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，其中所述刻蚀速率调节气体包括不参与刻蚀化学反应的中性气体。
执行步骤S101，将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域对刻蚀目标进行刻蚀。
具体地，所述刻蚀气体包括Ar、O2、CO、CO2、H2、CxFy或CxFyHz中的一种或者几种，所述刻蚀气体等离子体化后并用于刻蚀待刻蚀薄膜，所述刻蚀气体的流量通常在50sccm至2000sccm。
所述刻蚀气体会通过气体管道(Gas line)并经过气体分流器流量按比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域；在一实施例内，所述等离子体刻蚀腔体分为中间区域和与中间区域相邻的边缘区域；在另一实施例内，所述等离子体刻蚀腔体分为中间区域、与中间区域相邻的边缘区域、与边缘区域相邻的极边缘区域；在另一实施例内，所述等离子体刻蚀腔体还可以分为4个区域、5个区域...8个区域，但是需要说明的是，所述等离子体刻蚀腔体区域划分越多，刻蚀气体分配难度越大。
以所述等离子体刻蚀腔体分为中间区域、与中间区域相邻的边缘区域、与边缘区域相邻的极边缘区域为例，将刻蚀气体按流量比例分配至中间区域、边缘区域和极边缘区域。其中，具体的流量比例视待刻蚀的膜层、刻蚀设备参数、以及刻蚀工艺参数而定，比如可以为：中间区域流量∶边缘区域流量∶极边缘区域流量＝50％∶40％∶10％；或中间区域流量∶边缘区域流量∶极边缘区域流量＝40％∶40％∶20％，或其他刻蚀工艺所需的流量比例。
将所述刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域能够提高刻蚀工艺的局部区域刻蚀可调性，但是，仅仅只将所述刻蚀气体按流量比例分配可调幅度较小，调控手段单一，从而调节效果差。
为此，本发明的发明人相应执行步骤S102，向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，其中所述刻蚀速率调节气体包括不参与刻蚀化学反应的中性气体。
所述刻蚀速率调节气体包括中性气体和辅助反应气体，所述辅助反应气体与所述中性气体混合后通入第一区域，所述辅助反应气体用于加快或者减慢反应速度。
具体地，当需要加快第一区域的反应速度时，通入加快反应速度的所述辅助反应气体；当需要减慢第一区域的反应速度时，通入减慢反应速度的所述辅助反应气体。
需要说明的是，如果仅仅只通入小流量的刻蚀速率调节气体，在刻蚀速率调节气体进入腔室后，与刻蚀气体混合不均匀，导致刻蚀均一性差，特别会造成边-边不均匀现象(Side-Side)，形成偏心的刻蚀图形；而本发明的实施例通过在其中一个等离子体刻蚀腔体内的区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体不但能够解决形成偏心的刻蚀图形的技术问题，还能够扩大均一性的调节能力。
还需要说明的是，所述刻蚀速率调节气体的气体流量要小于刻蚀气体的流量，才能实现在通入刻蚀速率调节气体后，与刻蚀气体混合均匀，具体地，所述刻蚀速率调节气体为50～2000sccm。
具体地，所述刻蚀速率调节气体通入腔体可以在所述刻蚀气体通入腔体之前、之后、或与所述刻蚀气体同时通入腔体。
所述刻蚀速率调节气体通过额外的气体管道通入其中一个等离子体刻蚀腔体内的区域内，所述中性气体为惰性气体，比如为Ar或者He，所述中性气体用于作为所述辅助反应气体的载体(Carrier Gas)，促进所述辅助反应气体与刻蚀气体在进腔体之前混合。
辅助反应气体为C4F8、CH2F2、CHF3、C4F6、CO2或者O2中的一种或者几种，所述辅助反应气体用于调节通入辅助反应气体区域内的刻蚀速率。需要说明的是，所述辅助反应气体流量与中性气体的流量比小于1∶5有助于调节通入刻蚀速率调节气体区域内的刻蚀速率。
在本实施例中，由所述中性气体和所述辅助反应气体组成的所述刻蚀速率调节气体的流量与所述刻蚀气体流量相对应，即混合气体的流量：中性气体流量与所述刻蚀气体流量比例的范围为1％～100％；与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体能够突破刻蚀气体形成的气壁，与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体有助于辅助反应气体在通入的区域分布均匀，使得该区域的刻蚀速率可调性高，进一步的，能够优化整个刻蚀腔体的刻蚀速率均匀性，提高刻蚀特征尺寸(CD)的均一性。
作为一个实施例，所述刻蚀气体的流量为200sccm至2000sccm，所述中性气体的流量为50sccm至200sccm，所述辅助反应气体的流量小于10sccm，以所述等离子体刻蚀腔体分为中间区域和与中间区域相邻的边缘区域，其中中间区域流量∶边缘区域流量＝50％∶50％为例，刻蚀气体的流量在中间区域为100sccm至1000sccm，刻蚀气体的流量在边缘区域为100sccm至1000sccm，而由于刻蚀腔体的边界和刻蚀腔体的均一性不够的客观条件存在，在刻蚀腔体的中间区域和边缘区域存在刻蚀差异性，所述刻蚀差异性表现在刻蚀速率以及刻蚀特征尺寸控制，为此如果仅仅在某一区域(中间区域或边缘区域)通入辅助反应气体，辅助反应气体流量较小，较难突破所述刻蚀气体形成的气壁，且在通入辅助反应气体的区域内，辅助反应气体分布不均匀，刻蚀速率调整度以及征尺寸均一性调节度低，但是如果通入流量为50sccm至200sccm的所述中性气体与流量小于10sccm的所述辅助反应气体的混合气体(即所述刻蚀速率调节气体)，有助于辅助反应气体在通入的区域分布均匀，使得该区域的刻蚀速率可调性高，进一步的，能够优化整个刻蚀腔体的刻蚀速率均匀性，提高刻蚀特征尺寸(CD)的均一性。
第二实施例
下面结合第二实施例对本发明的刻蚀气体调节方法做详细说明，请参考图5，图5为第二实施例的刻蚀气体调节方法的流程示意图，包括如下步骤：
步骤S201，将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域；
步骤S202，在其中一个等离子体刻蚀腔体内的区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的中性气体。
执行步骤S201，将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域。
具体地，请相应参考第一实施例的步骤S101，在这里不再赘述。
执行步骤S202，在其中一个等离子体刻蚀腔体内的区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的中性气体。
所述中性气体通过额外的气体管道通入其中一个等离子体刻蚀腔体内的区域内，所述中性气体为惰性气体，比如为Ar或者He，所述中性气体用于作为调节通入流量调节气体区域的刻蚀气体的分布均匀性和刻蚀速率。
在本实施例中，由所述中性气体与所述刻蚀气体流量相对应，即所述中性气体与所述刻蚀气体流量的比例范围为1％～100％；与所述刻蚀气体流量相对应的所述中性气体能够可以更大范围的调节特定区域中刻蚀气体的浓度，使得该区域的刻蚀速率可调性高，进一步的，能够优化整个刻蚀腔体的刻蚀速率均匀性，提高刻蚀特征尺寸(CD)的均一性。
作为一个实施例，所述刻蚀气体的流量为200sccm至2000sccm，所述中性气体的流量为50sccm至200sccm，以所述等离子体刻蚀腔体分为中间区域和与中间区域相邻的边缘区域，其中中间区域流量∶边缘区域流量＝1∶1为例，刻蚀气体的流量在中间区域为100sccm至1000sccm，刻蚀气体的流量在边缘区域为100sccm至1000sccm，而由于刻蚀腔体的边界和刻蚀腔体的均一性不够的客观条件存在，在刻蚀腔体的中间区域和边缘区域存在刻蚀差异性，所述刻蚀差异性表现在刻蚀速率以及刻蚀特征尺寸控制，导致刻蚀速率调整度以及征尺寸均一性调节度低，但是如果通入流量为50sccm至200sccm的中性气体，有使得该区域的刻蚀速率可调性高，进一步的，能够优化整个刻蚀腔体的刻蚀速率均匀性，提高刻蚀特征尺寸(CD)的均一性。
综上所述，本发明的实施例通过在在其中一个等离子体刻蚀腔体内的区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的所述刻蚀速率调节气体，扩大等离子体刻蚀腔体内的区域的刻蚀调节范围，使得通入所述刻蚀速率调节气体的区域能够在较大范围进行刻蚀条件，进一步的，本发明的实施例通入所述刻蚀速率调节气体包括中性气体和辅助反应气体，以所述中性气体作为辅助反应气体的载气，解决将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域存在的气壁问题，避免融入较小流量的调节气体(Tuning Gas)无法突破刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内形成的压力差(气壁)，提高等离子体刻蚀腔体内的区域刻蚀调节能力，改善等离子体处理后均一性差的现象。
本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种等离子体刻蚀腔体内刻蚀气体调节方法，包括：
将刻蚀气体按流量比例分配至等离子体刻蚀腔体内的至少2个区域对刻蚀目标进行刻蚀；其特征在于，
还包括：向等离子体刻蚀腔体内的第一区域内，通入与所述刻蚀气体流量相对应的刻蚀速率调节气体，使第一区域和第二区域具有不同的刻蚀气体浓度，其中所述刻蚀速率调节气体包括不参与刻蚀化学反应的中性气体。
2.如权利要求1所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，中性气体为惰性气体。
3.如权利要求2所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述惰性气体为Ar或者He。
4.如权利要求1所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述刻蚀速率调节气体还包括辅助反应气体，辅助反应气体与所述中性气体混合后通入第一区域，所述辅助反应气体用于加快或减慢反应速度。
5.如权利要求4所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述辅助反应气体流量与中性气体的流量比小于1∶5。
6.如权利要求4所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述刻蚀目标是含硅材料层，辅助反应气体为C4F8、CH2F2、CHF3、C4F6、CO2或者O2中的一种或者几种。
7.如权利要求1所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述刻蚀速率调节气体的气体流量为50～2000sccm，小于刻蚀气体的流量。
8.如权利要求1所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括Ar、O2、CO、CO2、H2、CxFy或CxFyHz中的一种或者几种。
9.如权利要求1所述的刻蚀气体调节方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀腔体包括中间区域和与中间区域相邻的边缘区域；或者所述等离子体刻蚀腔体包括中间区域、与中间区域相邻的边缘区域、与边缘区域相邻的极边缘区域。
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