CN103903964B - 一种用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，包括：在待刻蚀材料叠层上旋涂光刻胶并光刻，得到侧壁垂直的胶台柱作为刻蚀掩膜，完成待刻蚀样品的准备；对待刻蚀样品进行常温刻蚀；对常温刻蚀后的待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品表面的聚合物。本发明利用常温刻蚀各向异性好且刻蚀参数便于控制，以及高温刻蚀能方便去除聚合物等残余物质的优点，得到无聚合物残留的垂直侧壁，且不增加额外的工艺过程并与传统的硅基半导体工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，利用CHF3等刻蚀光刻胶时产生的聚合物能保护刻蚀表面的优点，同时控制腔体压强和流量装置使聚合物分布到暴露在刻蚀气体中的所有表面，并且在同一方向的表面上分布一致，从而使各方向内的刻蚀速率一致，得到平坦的上表面和垂直的薄膜侧壁。
背景技术
反应离子刻蚀是现在使用最为广泛的干法刻蚀技术，其同时包含物理刻蚀主要是离子溅射刻蚀，以及等离子化学刻蚀的优点，通过在反应腔体中加以射频电压发生辉光放电，通入腔体的工艺气体被击穿而电离，产生包含自由电子和正负离子及游离活性基等的等离子体；等离子扩散到被刻蚀样品表面，被其吸附并发生化学反应生成挥发性产物，使被刻蚀样品减薄。在电场作用下离子射向并轰击待刻蚀样品表面，样品减薄同时前述化学反应的产物也被去除。真空系统则抽走刻蚀过程中的产物和部分工艺气体，并通过自动控制系统维持刻蚀腔体压力稳定。
刻蚀时常见的工艺气体主要是氟基气体和氯基气体。相对于氯基气体，氟基气体以其腐蚀性稍低对反应腔体和操作人员的损伤小，且刻蚀时的反应产物较易挥发而留下较清洁的刻蚀表面和刻蚀腔体。采用的氟基气体主要是CHF3，同时混合以CF4或C4F8或CH2F2或C2F6或NF3等氟基气体，适当加以HBr或Br2等溴族气体，或者He或Ar或N2等惰性气体。按照氟碳比模型，氟活性原子有助于生成挥发性物质得到较高的刻蚀速率，但是各向异性较差特别是SF6会有明显的UnderCut，而碳参与的反应产生CO和CO2等挥发性的物质以及聚合物能改善各向异性，溴族气体也有很好的各向异性和选择比，适当加以He或Ar或N2等惰性气体可以保护刻蚀表面和降低刻蚀速率，增强各向异性。
但是刻蚀过程中生成的聚合物等难以在后续的工艺中去除，如丙酮浸泡或者氧等离子刻蚀均无难以去除，如采用UV烧蚀则会造成污染且难以彻底去除；虽然HF和HCL的混合溶液可以彻底去除，但是会对叠层结构的材料有腐蚀。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，以彻底去除生成的聚合物，并避免对叠层结构材料的腐蚀。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，包括：
步骤1：在待刻蚀材料叠层上旋涂光刻胶并光刻，得到侧壁垂直的胶台柱作为刻蚀掩膜，完成待刻蚀样品的准备；
步骤2：对待刻蚀样品进行常温刻蚀；
步骤3：对常温刻蚀后的待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品表面的聚合物；
其中，所述步骤2包括：
步骤21：采用含有CHF3的混合工艺气体刻蚀反应腔中的胶掩膜及其下方的待刻蚀材料叠层；
步骤22：暴露在刻蚀气体中的待刻蚀材料叠层中的各薄膜表面减薄的同时覆盖上聚合物；
步骤23：如待刻蚀薄膜较厚，则每刻蚀300秒后停止刻蚀30秒，再重复步骤21至步骤23，直至待刻蚀薄膜厚度达到要求。
上述方案中，所述步骤1包括：在待刻蚀材料叠层上以转速为2000转到4000转旋涂光刻胶，得到厚度为2微米到8微米的光刻胶层，然后前烘，曝光，显影，坚膜及去底膜，得到表面光滑且侧壁角度大于85度的光刻胶台柱作为刻蚀掩膜，完成待刻蚀样品的准备并将其送入刻蚀腔体。
上述方案中，所述待刻蚀材料叠层是氧化硅、氮化硅或金属，所述光刻胶是AZ系列正胶或PMMA，光刻后侧壁垂直，侧壁角度大于85度且表面光滑，刻蚀后图形即转移到下方薄膜。所述光刻胶是厚度为薄膜待刻蚀厚度的1倍到10倍。
上述方案中，步骤21中所述CHF3的纯度为99.99％，流量为5sccm到50sccm；所述混合工艺气体中还含有氟基气体CF4、C4F8、CH2F2、C2F6或NF3，或者还含有溴族气体HBr或Br2，或者还含有惰性气体He、Ar或N2，或者还含有上述氟基气体、溴族气体或惰性气体中至少两者的混合气体，上述氟基气体、溴族气体、惰性气体或混合气体的纯度为99.99％，流量分别调节为5sccm到50sccm，与CHF3混合后，总流量为10sccm到150sccm，即可送入刻蚀腔体。
上述方案中，步骤21中所述反应腔，在未通入混合工艺气体前真空度为5×10-6Pa到5×10-5Pa之间，刻蚀过程中通入混合工艺气体后腔体压强为0.05Pa到10Pa。
上述方案中，所述步骤3包括：待薄膜刻蚀厚度达到要求后，加热刻蚀腔体中的下电极温度到80℃到120℃；对待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品上的聚合物，得到垂直的且无聚合物沉积的薄膜侧壁。
上述方案中，所述加热刻蚀腔体中的下电极温度到80℃到120℃，优选地是100℃，考虑到光刻胶的温度特性，防止高温下光刻胶变性。
上述方案中，所述对待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，原位过刻蚀待刻蚀样品厚度的10％到30％，视待刻蚀样品的厚度确定。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，利用常温刻蚀各向异性好且刻蚀参数便于控制，以及高温刻蚀能方便去除聚合物等残余物质的优点，得到无聚合物残留的垂直侧壁，且不增加额外的工艺过程并与传统的硅基半导体工艺兼容。
2、本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，反应离子刻蚀中所用的气体主要是氢或氟或氯或溴元素与碳或硼元素的化合物，其中氟基气体能与待刻蚀材料生成聚合物是其区别于其它气体的特点，而且在待刻蚀材料的表面和侧壁都会生成聚合物且厚度不同。
3、本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，在刻蚀过程中聚合物会和待刻蚀材料一起不断地被刻蚀气体刻蚀并随后生成新的聚合物，只要刻蚀过程不中断聚合物就会重复这个生成-刻蚀-生成过程。在刻蚀过工艺完成后，聚合物因为没有后续刻蚀就会沉积下来。
4、本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，侧壁上重复生成的聚合物能对侧壁形成保护，从而表现为刻蚀的各向异性良好。但是在刻蚀工艺完成后，侧壁和表面生成的聚合物都需要去除，以免影响器件的结构和性能，而这是常规的常温刻蚀工艺无法完成的。
5、本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，利用聚合物在高于常温的一段温度范围内的反应特性，通过破坏它们的聚合或缩合反应达到阻止聚合物生成的目的。但是高温刻蚀会破坏器件的结构等，因此不适用于器件的常规刻蚀，仅能作为辅助手段适当使用。
6、本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，综合利用常温刻蚀作为常规刻蚀工艺，用氟基气体刻蚀能得到较好的各向异性，在刻蚀过程即将终止时采用短时间的高温刻蚀，沿用同样的氟基气体参数刻蚀，去除常温刻蚀过程产生的聚合物，并且几乎不影响器件的结构等，而且不增加工艺的复杂度，仍能与传统的硅基工艺兼容。
附图说明
图1为本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法流程图；
图2为图1中光刻后胶掩蔽的待刻蚀薄膜样品的示意图；
图3为图1中常温反应离子钝化刻蚀上面样品的示意图；
图4为图1中高温反应离子刻蚀去除样品上的聚合物的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明利用高温刻蚀的优点，主要体现在反应离子刻蚀气体中的碳元素参与反应生成聚合物，在温度约100℃时稍加刻蚀较易挥发的特点；以及下电极刻蚀时虽有冷却但长时间刻蚀过程中仍会升温，即使光刻胶掩膜较厚也能充分地烘透胶中溶剂，得到较硬的抗高温刻蚀的胶掩膜。
另外在刻蚀腔体压强和气体流量不变时，温度升高会使设备控制系统加大真空系统的抽真空速率，能更快地抽走挥发物质及工艺气体。但如果全部刻蚀过程都在高温环境中进行，待刻蚀材料各层导热系数不同会引起刻蚀过程中的各表面形貌难以控制。
因此加热刻蚀腔体及下电极后原位过刻蚀，在保持原有较好的刻蚀形貌的同时，能有效地去除刻蚀过程中的聚合物及其它产物。
本发明的核心在于系在15℃到25℃的常温范围内钝化刻蚀待刻蚀材料，紧接着在约100℃时原位过刻蚀以去除前述过程中未及时、高效挥发的聚合物。
图1为本发明提供的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在待刻蚀材料叠层上旋涂光刻胶并光刻，得到侧壁垂直的胶台柱作为刻蚀掩膜，完成待刻蚀样品的准备；
在待刻蚀材料叠层上以转速为2000转到4000转旋涂光刻胶，得到厚度为2微米到8微米的光刻胶层，然后前烘，曝光，显影，坚膜及去底膜，得到表面光滑且侧壁角度大于85度的光刻胶台柱作为刻蚀掩膜，如图2所示，完成待刻蚀样品的准备并将其送入刻蚀腔体。所述待刻蚀材料叠层是氧化硅、氮化硅或金属，所述光刻胶是AZ系列正胶或PMMA，光刻后侧壁垂直，侧壁角度大于85度且表面光滑，刻蚀后图形即转移到下方薄膜。所述光刻胶是厚度为薄膜待刻蚀厚度的1倍到10倍。
步骤2：对待刻蚀样品进行常温刻蚀；具体包括：
步骤21：采用含有CHF3的混合工艺气体刻蚀反应腔中的胶掩膜及其下方的待刻蚀材料叠层；步骤21中所述CHF3的纯度为99.99％，流量为5sccm到50sccm；所述混合工艺气体中还含有氟基气体CF4、C4F8、CH2F2、C2F6或NF3，或者还含有溴族气体HBr或Br2，或者还含有惰性气体He、Ar或N2，或者还含有上述氟基气体、溴族气体或惰性气体中至少两者的混合气体，上述氟基气体、溴族气体、惰性气体或混合气体的纯度为99.99％，流量分别调节为5sccm到50sccm，与CHF3混合后，总流量为10sccm到150sccm，即可送入刻蚀腔体；所述反应腔，在未通入混合工艺气体前真空度为5×10-6Pa到5×10-5Pa之间，刻蚀过程中通入混合工艺气体后腔体压强为0.05Pa到10Pa。如图3所示，下电极采用循环水冷却或He冷却维持在15℃到25℃；射频功率为15W到300W，腔体压强为0.05Pa到10Pa，混合后的工艺气体流量为10sccm到150sccm，其中CHF3体积比为30％到50％，刻蚀时间为60秒到300秒。
步骤22：暴露在刻蚀气体中的待刻蚀材料叠层中的各薄膜表面减薄的同时覆盖上聚合物；
步骤23：如待刻蚀薄膜较厚，则每刻蚀300秒后停止刻蚀30秒，再重复步骤21至步骤23，直至待刻蚀薄膜厚度达到要求。
步骤3：对常温刻蚀后的待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品表面的聚合物；
如图4所示，将待刻蚀样品置于刻蚀反应腔体中进行高温原位过刻蚀，加热反应腔体和下电极到约100℃；射频功率为15W到300W，腔体压强为0.05Pa到10Pa，混合后的工艺气体流量为10sccm到150sccm，其中CHF3体积比为30％到50％，刻蚀时间为步骤2中刻蚀时间的10％到30％，待刻蚀样品越厚则过刻蚀时间酌情加长。
待薄膜刻蚀厚度达到要求后，加热刻蚀腔体中的下电极温度到80℃到120℃；对待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品上的聚合物，得到垂直的且无聚合物沉积的薄膜侧壁。所述加热刻蚀腔体中的下电极温度到80℃到120℃，优选地是100℃，考虑到光刻胶的温度特性，防止高温下光刻胶变性。所述对待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，原位过刻蚀待刻蚀样品厚度的10％到30％，视待刻蚀样品的厚度确定。
以下以光刻胶AZ9920为掩膜的二氧化硅刻蚀过程的一种较佳实施例，以更清楚地阐明本发明的技术优势和特点。
步骤10：光刻，完成待刻蚀样品的准备；
在硅基片上用PECVD方式沉积500nm厚的氧化硅；用4000转的转速旋涂60秒光刻胶AZ9920，得到厚度约为2μm胶层；在100℃的热板上前烘90秒；在Suss MA6光刻机光强为5mw/cm2时曝光18秒，显影60秒，在115℃的热板上坚膜120秒，氧等离子去底膜60秒，得到表面光滑且侧壁角度大于85度的光刻胶台柱作掩膜。待刻蚀样品即准备完成并送入Sentech SI591型反应离子刻蚀机的反应腔。
步骤20：对待刻蚀样品进行常温刻蚀；
下电极采用循环水冷却维持在20℃；射频功率为100W，腔体压强为5Pa，CHF3流量为25sccm，Ar流量为35sccm，刻蚀300秒后停止刻蚀30秒，再刻蚀300秒。
步骤30：对常温刻蚀后的待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品上的聚合物；
将常温刻蚀后的待刻蚀样品置于刻蚀反应腔体中，加热反应腔体和下电极到约100℃；射频功率为100W，腔体压强为5Pa，CHF3流量为25sccm，Ar流量为35sccm，刻蚀90秒。
以上所述以AZ9920为掩膜刻蚀氧化硅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何个人或团体在不脱离本发明技术方案范围内，可直接利用上述技术内容或修改为等效实施例；但凡是未脱离本发明技术方案的范围，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改，仍属于本发明技术方案范围内。
Claims (9)
1.一种用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，包括：
步骤1：在待刻蚀材料叠层上旋涂光刻胶并光刻，得到侧壁垂直的胶台柱作为刻蚀掩膜，完成待刻蚀样品的准备；
步骤2：对待刻蚀样品进行常温刻蚀；
步骤3：对常温刻蚀后的待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品表面的聚合物；
其中，所述步骤2包括：
步骤21：采用含有CHF3的混合工艺气体刻蚀反应腔中的胶掩膜及其下方的待刻蚀材料叠层；
步骤22：暴露在刻蚀气体中的待刻蚀材料叠层中的各薄膜表面减薄的同时覆盖上聚合物；
步骤23：如待刻蚀薄膜较厚，则每刻蚀300秒后停止刻蚀30秒，再重复步骤21至步骤23，直至待刻蚀薄膜厚度达到要求。
2.根据权利要求1所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述步骤1包括：
在待刻蚀材料叠层上以转速为2000转到4000转旋涂光刻胶，得到厚度为2微米到8微米的光刻胶层，然后前烘，曝光，显影，坚膜及去底膜，得到表面光滑且侧壁角度大于85度的光刻胶台柱作为刻蚀掩膜，完成待刻蚀样品的准备并将其送入刻蚀腔体。
3.根据权利要求2所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述待刻蚀材料叠层是氧化硅、氮化硅或金属，所述光刻胶是AZ系列正胶或PMMA，光刻后侧壁垂直，侧壁角度大于85度且表面光滑，刻蚀后图形即转移到下方薄膜。
4.根据权利要求3所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述光刻胶是厚度为薄膜待刻蚀厚度的1倍到10倍。
5.根据权利要求1所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，步骤21中所述CHF3的纯度为99.99％，流量为5sccm到50sccm；所述混合工艺气体中还含有氟基气体CF4、C4F8、CH2F2、C2F6或NF3，或者还含有溴族气体HBr或Br2，或者还含有惰性气体He、Ar或N2，或者还含有上述氟基气体、溴族气体或惰性气体中至少两者的混合气体，上述氟基气体、溴族气体、惰性气体或混合气体的纯度为99.99％，流量分别调节为5sccm到50sccm，与CHF3混合后，总流量为10sccm到150sccm，即可送入刻蚀腔体。
6.根据权利要求1所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，步骤21中所述反应腔，在未通入混合工艺气体前真空度为5×10-6Pa到5×10-5Pa之间，刻蚀过程中通入混合工艺气体后腔体压强为0.05Pa到10Pa。
7.根据权利要求1所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
待薄膜刻蚀厚度达到要求后，加热刻蚀腔体中的下电极温度到80℃到120℃；
对待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，去除待刻蚀样品上的聚合物，得到垂直的且无聚合物沉积的薄膜侧壁。
8.根据权利要求7所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述加热刻蚀腔体中的下电极温度到80℃到120℃，考虑到光刻胶的温度特性，防止高温下光刻胶变性。
9.根据权利要求7所述的用氟基气体钝化刻蚀胶掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述对待刻蚀样品进行高温原位过刻蚀，原位过刻蚀待刻蚀样品厚度的10％到30％，视待刻蚀样品的厚度确定。
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