CN103730315B - 一种改善等离子体刻蚀工艺的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，所述上电极上连接一控温装置，控制所述上电极温度变化，在某一临界温度时，所述上电极的聚合物沉积速率和刻蚀速率相等，本发明所述的方法在刻蚀工艺的开始阶段，将所述上电极温度调节到第一温度，所述第一温度小于所述临界温度，此时中性自由基会在所述上电极表面沉积一层大分子聚合物，然后调节所述上电极温度到第二温度，所述第二温度大于所述临界温度，此时刻蚀反应速率大于所述沉积反应速率，上电极在第一温度条件下形成的大分子聚合物可以保护所述上电极不被等离子体刻蚀掉，从而在保证腔体条件正常的前提下延长所述上电极的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及一种改善等离子体刻蚀工艺的技术领域。
背景技术
等离子体处理装置利用真空反应室的工作原理进行半导体基片和等离子平板的基片加工。真空反应室的工作原理是在真空反应室中通入含有适当刻蚀反应气体，然后再对该真空反应室进行射频能量输入，以激活反应气体，来点燃和维持等离子体，以便对基片表面的材料层进行刻蚀。在电容性等离子体反应器已经被广泛地用来加工半导体基片和显示器平板等，在电容性等离子体反应室内通常设置上下对应的上电极和下电极，通过在上下电极上进行射频能量输入，实现对等离子体的点燃和维持。
等离子体放电时通入的碳氟刻蚀反应气体会解离形成中性自由基及正离子等。而中性自由基如CF2*等会聚合生成大分子的聚合物。这些聚合物会沉积在真空反应室腔体侧壁及上电极、待处理基片表面等。沉积在基片表面的碳氟聚合物会在正离子轰击下刻蚀氧化硅等电介质材料。而沉积在上电极及侧壁的聚合物会造成上电极变黑，当聚合物累积到一定程度时，可能会形成颗粒降落到基片表面，造成基片污染。因此传统的刻蚀反应腔体中上电极会通过外部热源加热，利用高温减少上电极表面的聚合物沉积，使更多的聚合物沉积在基片表面，增加基片刻蚀效率，减少污染颗粒来源。
另一方面，在刻蚀反应腔体中由于使用碳氟气体作为刻蚀气体，等离子体中具有高浓度高活性的的F离子,在较高的上电极温度下，上电极表面没有聚合物保护，而且上电极材料一般为含硅的材料，F离子会直接腐蚀上电极，严重损伤上电极及其他腔体部件的使用寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，所述方法在一等离子体处理腔内进行，所述等离子体处理腔内包括一下电极，用于支撑待处理基片；所述下电极上方设置一上电极，所述上电极设有若干个气体通道，所述上电极连接一控温装置，用于动态调节所述上电极温度，所述方法包括下列步骤：
a)将反应气体注入等离子体处理腔内，所述反应气体包括碳氟气体，所述碳氟气体在所述上电极和所述下电极的作用下解离成自由基CFx和自由基F；
b)先调节上电极温度至第一温度，所述第一温度小于100℃，在此温度下等离子体处理腔内对基片的底部抗反射层进行刻蚀，同时，自由基CFx在所述上电极表面发生聚合物沉积反应；
c)再调节上电极温度至第二温度，所述第二温度大于80℃，在此温度下等离子体处理腔内对基片的电介质层进行刻蚀，同时，自由基F对所述上电极表面和上电极表面沉积的聚合物进行化学腐蚀反应。
在同一工艺条件下，所述第二温度高于所述第一温度。所述的第二温度与第一温度温差大于20℃。
进一步的，所述待处理基片依次为光刻胶层、底部抗反射层、电介质层和基底。
进一步的，所述待处理基片的电介质层厚度大于底部抗反射层。
所述上电极表面会同时发生自由基CFx聚合物的沉积和自由基F对电极表面的化学腐蚀及对碳氟聚合物的腐蚀两种化学过程，在不同的上电极温度下，两种化学过程的速率不同,所述沉积反应速率随着上电极温度的升高而降低，所述腐蚀反应速率随着上电极温度的升高而升高。
所述上电极连接的控温装置包括一加热部件，所述加热部件材质为金属材质，内部设置有加热丝。
所述的控温装置包括一热交换器，所述热交换器内填充热交换液，用于冷却或者加热所述上电极。
所述的反应气体还包括氧气。
所述等离子体反应腔内压力在100毫托-200毫托之间。
本发明提供一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，在所述上电极上连接一控温装置，控制所述上电极温度变化，由于等离子体反应腔内的反应气体在所述上电极和所述下电极的作用下形成中性自由基CFx和自由基F，所述中性自由基CFx在所述上电极表面发生沉积反应，形成大分子聚合物，随着聚合物的不断沉积，部分聚合物发生脱落至基片表面，造成基片污染。同时，自由基F在所述上电极表面发生腐蚀反应，对所述上电极进行腐蚀，降低所述上电极的使用寿命，已知随着温度的升高，所述上电极表面的碳氟聚合沉积反应速率不断降低，所述上电极腐蚀反应速率不断升高，在某一临界温度时，所述上电极的聚合物沉积速率和刻蚀速率相等，本发明所述的方法在刻蚀工艺的开始阶段，将所述上电极温度调节到第一温度，所述第一温度小于所述临界温度，此时中性自由基会在所述上电极表面沉积一层大分子聚合物，然后调节所述上电极温度到第二温度，所述第二温度大于所述临界温度，此时刻蚀反应速率大于所述沉积反应速率，上电极在第一温度条件下形成的大分子聚合物可以保护所述上电极不被等离子体刻蚀掉，从而延长所述上电极的使用寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出本发明所述等离子体处理室结构示意图；
图2示出本发明所述的上电极及其控温装置的结构示意图；
图3示出本发明所述的上电极聚合物沉积和腐蚀的速率与温度的关系示意图；
图4示出一种实施例的目标刻蚀层结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明提供一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，所述方法在一等离子体刻蚀室内进行，如图1所示，所述等离子体刻蚀室包括一等离子体反应腔10，反应腔10内设置下电极30，用以支撑待处理基片40，下电极30上方对应设置上电极20，上电极20上设置若干个气体通孔，作为反应气体进入反应腔的气体通道。上电极20连接一控温装置50，用于调节上电极20的温度变化。
图2示出本发明所述的上电极及其控温装置的结构示意图，控温装置50可以为一金属加热部件，也可以为一热交换器，所述热交换器内填充热交换液；或者同时设置金属加热部件和热交换器。本实施例的控温装置包括一铝制的加热部件52和一填充热交换液的热交换器54，本实施例的加热部件52内设置有加热丝，热交换器54采用的热交换液为水，也可以为其他冷却液。通过调节加热部件52和热交换器54的开启和关闭来实现对上电极20温度的动态控制。
反应气体进入反应腔10后，在上电极20和下电极30上施加射频能量输入，来激活反应气体，点燃和维持等离子体，以便对基片表面的材料层进行刻蚀。所述反应气体包括碳氟气体，当等离子体放电时，刻蚀反应气体中的碳氟气体会形成中性自由基CFx和自由基F，中性自由基CFx会在反应腔体侧壁、上电极、基片表面等处聚合沉积生成大分子聚合物。沉积在基片表面的大分子聚合物会在正离子轰击下对基片的氧化硅层等电介质层进行刻蚀，沉积在上电极20及侧壁的大分子聚合物会使得上电极变黑，并产生污染颗粒，落在基片表面，影响刻蚀效果及刻蚀产品的电性。
如图3所示，刻蚀反应过程中，上电极20上同时存在中性自由基CFx的沉积反应和自由基F对上电极20的腐蚀反应，当上电极温度较低时，中性自由基CFx的沉积反应较快，上电极表面会逐渐沉积一层大分子聚合物，当上电极的温度升高后，中性自由基CFx的沉积反应速率变慢，腐蚀速率大于沉积速率。
本实施例提供一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，在等离子体刻蚀初期，通过调节加热部件52和热交换器54的开启和关闭，控制上电极20的温度在较低的水平，一段时间后，上电极20的表面会沉积一层大分子聚合物，然后调节上电极20的温度在较高的水平，聚合物沉积停止，腐蚀速率加快，此时沉积在上电极20上的大分子聚合物层会保护上电极20，并逐渐被自由基F腐蚀掉。通过控制上电极温度的动态变化，可以实现刻蚀过程中上电极零损耗或者损耗极小。
通过实验证明，在一个确定的工艺条件中上电极20存在一个临界温度，该温度下所述中性自由基CFx的沉积反应速率和自由基F对上电极20的腐蚀反应速率相等，当上电极温度小于该临界温度时，所述中性自由基CFx的沉积反应速率大于所述自由基F对上电极20的腐蚀反应速率；当上电极温度大于该临界温度时，所述中性自由基CFx的沉积反应速率小于所述自由基F对上电极20的腐蚀反应速率。不同工艺条件下所述临界温度大小不同，通过实验测得，在等离子体处理腔内，所述临界温度的范围在60℃-120℃内，更为常见的，所述临界温度的范围在80℃-100℃内。
图4示出本发明一种实施例的目标刻蚀层结构示意图，本实施例中，待处理基片的目标层为电介质层106，电介质层106位于基底108上方，电介质层106上方涂覆一层底部抗反射层104，底部抗反射层104上方涂布光刻胶层102，对光刻胶层102进行曝光得到要刻蚀的图案。曝光结束后，首先对底部抗反射层104进行刻蚀，然后对电介质层106进行刻蚀，本实施例设定在下列工艺条件下进行刻蚀：反应腔10内压力为100毫托,射频电源和偏置电源的功率分别为800瓦和100瓦，反应气体CF4、CHF3、O2分别为200SCCM、100SCCM、10SCCM；刻蚀的底部抗反射层104厚度为80纳米，本实施例中，在刻蚀底部抗反射层104时，将上电极20温度调节至100℃，在该工艺条件下，上电极20的聚合物沉积速率为10-20纳米/分。当底部抗反射层104刻蚀完成后，调节上电极20温度至120℃，对电介质层106进行刻蚀，此时，上电极20不再沉积大分子聚合物，较高的温度作用使得绝大部分的大分子聚合物在下电极30上方的基片表面进行沉积，并在等离子体作用下快速对电介质层106进行刻蚀，同时，在温度为100℃时上电极20表面沉积的大分子聚合物可以作为掩膜层保护上电极，减少等离子体对上电极20的刻蚀，从而延长上电极的使用寿命。
在另外的实施例中，可以设定在下列工艺条件下进行刻蚀：反应腔10内压力为200毫托,射频电源和偏置电源的功率分别为800瓦和100瓦，反应气体CF4、CHF3、O2分别为300SCCM、150SCCM、10SCCM；刻蚀的底部抗反射层104厚度为80纳米，本实施例中，在刻蚀底部抗反射层104时，将上电极20温度调节至60℃，在该工艺条件下，上电极20的聚合物沉积速率为30-40纳米/分。当底部抗反射层104刻蚀完成后，调节上电极20温度至80℃，对电介质层106进行刻蚀，此时，上电极20沉积大分子聚合物速率减慢，较高的温度作用使得绝大部分的大分子聚合物在下电极30上方的基片表面进行沉积，并在等离子体作用下快速对电介质层106进行刻蚀，同时，在温度为60℃时上电极20表面沉积的大分子聚合物可以作为掩膜层保护上电极，减少等离子体对上电极20的刻蚀，从而延长上电极的使用寿命。
不同工艺条件下上电极的温度与其表面聚合物的沉积速率的关系不同，本发明通过多次试验测得，当上电极20的较低温度低于100℃时，上电极20的聚合物沉积速率较高，超过100℃时，上电极20的沉积速率降低直至不再发生沉积反应，特别的，当上电极20的较高温度和较低温度温差大于20摄氏度时，上电极20的沉积效果较好，沉积的大分子聚合物能够较好的保护所述上电极。
由于电介质层106的厚度大于部抗反射层104的厚度，通常上电极20在温度较高的条件下持续的时间比在温度较低的条件下时间长。
通过控制上电极20的温度，还可以调节刻蚀基片的刻蚀孔径，上电极温度越低，大量中性自由基在上电极表面发生沉积反应，而在沉积在基片表面的大分子聚合物减少，因此基片的孔径越大，上电极温度越高，大分子聚合物在基片表面进行沉积的越多，因此基片的孔径越小。
本发明虽然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，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种改善等离子体刻蚀工艺的方法，所述方法在一等离子体处理腔内进行，所述等离子体处理腔内包括一下电极，用于支撑待处理基片；所述下电极上方设置一上电极，所述上电极设有若干个气体通道，所述上电极连接一控温装置，用于动态调节所述上电极温度，其特征在于：所述方法包括下列步骤：
a)将反应气体注入等离子体处理腔内，所述反应气体包括碳氟气体，所述碳氟气体在所述上电极和所述下电极的作用下解离成中性自由基CFx和自由基F；
b)先调节上电极温度至第一温度，所述第一温度小于临界温度，在此温度下等离子体处理腔内对基片的底部抗反射层进行刻蚀，同时，中性自由基CFx在所述上电极表面发生聚合物沉积反应，沉积一层大分子聚合物；
c)再调节上电极温度至第二温度，所述第二温度大于临界温度，在此温度下等离子体处理腔内对基片的电介质层进行刻蚀，此时上电极上的刻蚀反应速率大于所述沉积反应速率，自由基F对所述上电极表面和上电极表面沉积的聚合物进行化学腐蚀反应；
所述临界温度为所述中性自由基CFx的沉积反应速率和自由基F对上电极的腐蚀反应速率相等时的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的第二温度与第一温度温差大于20℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述待处理基片依次为光刻胶层、底部抗反射层、电介质层和基底。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述待处理基片的电介质层厚度大于底部抗反射层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述上电极表面会同时发生中性自由基CFx聚合物的沉积和自由基F对电极表面的化学腐蚀及对碳氟聚合物的腐蚀两种化学过程，在不同的上电极温度下，两种化学过程的速率不同,所述沉积反应速率随着上电极温度的升高而降低，所述腐蚀反应速率随着上电极温度的升高而升高。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述上电极连接的控温装置包括一加热部件，所述加热部件材质为金属材质，内部设置有加热丝。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的控温装置包括一热交换器，所述热交换器内填充热交换液，用于冷却或者加热所述上电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的反应气体还包括氧气。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等离子体反应腔内压力在100毫托-200毫托之间。
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