CN105084299B - 半导体结构的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：在半导体衬底上形成牺牲层后，在牺牲层上形成以非硅氧化合物为材料的硬掩模层，刻蚀所述硬掩模层形成硬掩模，并沿着所述硬掩模刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层内形成开孔。以非硅氧化合物为硬掩模层材料，可有效避免刻蚀硬掩模层时，采用含氟基的刻蚀气体与牺牲层以及硬掩模层反应形成含有氟(F)、碳(C)、氧(O)和硅(Si)的副产物，进而避免上述副产物残留在牺牲层的开孔内，继而影响后续在牺牲层的开孔内形成的金属插塞的电学性能。

Description

半导体结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种半导体结构的形成方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems，简称MEMS)是利用微细加工技术在芯片上集成传感器、执行器、处理控制电路的微型系统。
如在压力传感器等MEMS形成工艺中，在半导体衬底的第一表面形成安装压力传感器的膜片，之后在半导体衬底第二表面形成露出所述膜片的上端开口的腔体，并后在腔体上方形成诸如梳齿状等结构的传感器结构。由传感器结构的空隙对膜片施加要测量的压力。
参考图1～图4所示，压力传感器的制备过程包括：
以半导体衬底10上形成膜片14，之后再所述半导体衬底10的上覆盖牺牲层11，在牺牲层11形成以氧化硅为材料的硬掩模12后，以所述硬掩模12为掩模刻蚀所述牺牲层11在牺牲层11内形成开孔15，所述开孔15露出半导体衬底10内互连线结构13；之后向所述开孔15内，以及硬掩模12上形成第一金属材料层16，所述第一金属材料层16填充满所述开孔15，形成金属插塞161；经化学机械研磨(CMP)等工艺去除多余的金属材料层16和硬掩模12后，露出牺牲层11；在牺牲层11上覆盖第二金属材料层15，刻蚀所述第二金属材料层15，露出部分的牺牲层11表面，形成传感器结构；之后去除部分牺牲层11后，在相邻的金属插塞161以及传感器结构之间形成空腔17。
在现有工艺中，常采用无定型碳(Amorphous carbon)作为牺牲层材料，无定形碳和氧气反应后以形成二氧化碳等气体，继续参考图4所示，在形成所述传感器结构后，可向传感器结构的空隙18中通入氧气等气体，用以去除多余的牺牲层，便于形成所述空腔17。
但现有工艺形成的MEMS器件的性能不稳定，为此如何提高MEMS性能的稳定性是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体结构的形成方法，以提高半导体器件的稳定性。
为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成硬掩模，所述硬掩模的材料为非硅氧化合物；
以所述硬掩模为掩模刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层内形成第一开孔。
可选地，在所述牺牲层上形成硬掩模的工艺包括：
在所述牺牲层上形成硬掩模材料层；
以干法刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模材料层形成所述硬掩模，所述干法刻蚀工艺包括：采用非氟基气体作为刻蚀剂刻蚀所述硬掩模层。
可选地，所述非氟基气体为溴化氢、氧气和氯气的混合气体。
可选地，刻蚀所述硬掩模材料层的干法刻蚀工艺的参数包括：
气压为5～15mtorr，射频功率为400～600W，偏置功率为200～400W，氧气的流量为0.01～10sccm，溴化氢的流量为100～150sccm，氯气的流量为100～150sccm。
可选地，刻蚀所述牺牲层的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺采用非氟基气体作为刻蚀剂。
可选地，所述非氟基气体为氩气和氧气的混合气体。
可选地，刻蚀所述牺牲层的干法刻蚀工艺的参数包括：
气压为90～110mtorr，射频功率为800～1200W，偏置功率为200～400W，氩气的流量为30～80sccm，氧气的流量为200～3000sccm。
可选地，在所述牺牲层内形成第一开孔后，所述形成方法还包括：干法清洗，以清洗牺牲层内的第一开孔；
所述干法清洗的步骤包括：以氩气和氧气的混合气体作为清洗剂。
可选地，所述干法清洗步骤的工艺参数为：
气压为90～100mtorr，射频功率为250～350W，偏置功率为250～350W，氧气的流量为0.01～30sccm，氩气的流量为200～400sccm。
可选地，所述清洗剂还含有四氟化碳气体，且所述四氟化碳气体的体积百分比含量小于或等于1/100。
可选地，在所述干法清洗后，所述形成方法还包括：湿法清洗。
可选地，所述湿法清洗的步骤中以氟化氨和氢氟酸的混合溶液为清洗剂。
可选地，在所述牺牲层内形成第一开孔后，所述形成方法还包括在所述牺牲层上形成金属材料层，所述金属材料层填充满所述牺牲层内的第一开孔，在所述第一开孔内形成金属插塞。
可选地，所述硬掩模的材料与所述金属材料层的材料相同。
可选地，在形成所述金属材料层后，所述形成方法还包括去除所述牺牲层上方的金属材料层和硬掩模，露出所述牺牲层。
可选地，在露出所述牺牲层后，在所述牺牲层上形成传感器结构，所述传感器结构内包括露出所述牺牲层的第二开孔，向所述第二开孔内通入刻蚀气体，去除部分牺牲层，在所述牺牲层内形成空腔。
可选地，所述硬掩模的材料为锗硅材料。
可选地，所述牺牲层材料为无定形碳。
可选地，所述牺牲层的厚度大于或等于。
可选地，所述半导体衬底包括基底，以及设置在所述基底内且裸露在所述基底表面的互连结构；
以所述硬掩模为掩模刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层内形成第一开孔的工艺包括：
刻蚀所述牺牲层形成露出所述互连结构的所述第一开孔。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
在半导体衬底上形成牺牲层后，在牺牲层上形成以非硅氧化合物为材料的硬掩模层，刻蚀所述硬掩模层形成硬掩模，并沿着所述硬掩模刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层内形成开孔。以非硅氧化合物为硬掩模层材料，可有效避免刻蚀硬掩模层时，采用含氟基的刻蚀气体与牺牲层以及硬掩模层反应形成含有氟(F)、碳(C)、氧(O)和硅(Si)的副产物，进而避免上述副产物残留在牺牲层的开孔内，继而影响后续在牺牲层的开孔内形成的金属插塞的电学性能，从而提高最终形成的半导体器件的稳定性。
进一步，以无定形碳为牺牲层的材料，便于后续去除部分牺牲层，从而形成MEME器件的空腔；以非氟基气体作为刻蚀剂刻蚀硬掩模层，可有效避免刻蚀所述硬掩模层，露出牺牲层后，残留的F离子与牺牲层反应，形成含有F、Si、O和C的副产物；以非氟基气体作为刻蚀剂刻蚀牺牲层在牺牲层内形成开孔，可有效避免刻蚀所述牺牲层过程中，F离子与牺牲层反应，形成含有F和C的副产物，进而影响后续形成与牺牲层开孔内的金属插塞的电性能。
进一步地，在牺牲层内形成开孔后，还包括采用干法清洗工艺，清洗所述开孔，从而有效清除在刻蚀牺牲层过程中，刻蚀气体与牺牲层反应所形成含有C的副产物，进一步地，干法清洗工艺采用的清洗剂包括含量百分含量小于1/100的四氟化碳气体，从而提高含有C的副产物清除速率同时，抑制形成氟离子与无定形碳反应形成含有C和F的副产物。进而避免降低形成于牺牲层内的金属插塞的电学性能。
附图说明
图1至图4是现有技术MEMS器件的空腔的形成过程示意图；
图5为刻蚀牺牲层后硬掩模表面的电镜图；
图6至图13为本发明半导体结构的形成方法的一实施例的结构示意图；
图14为图6至图13所示的形成方法形成的半导体结构的电镜图。
具体实施方式
如背景技术所述，现有工艺形成的MEMS器件的稳定性较差，分析其原因，参考图2和图5所示，图5为形成空腔15后的硬掩模12表面的电镜图，在现有的MEMS器件形成工艺中，在刻蚀牺牲层形成空腔15时，会在空腔15内壁以及硬掩模12上形成诸多副产物19，这些副产物19难以去除，在后续向所述空腔15内填充金属材料时，副产物19会混在形成的金属插塞161内，从而影响金属插塞161电学性能，进而降低最终形成的MEMS器件的稳定性。
这些副产物19形成的原因主要是因为，在现有的MEMS器件形成工艺中，在刻蚀牺牲层时，多采用氧化硅作为硬掩模的材料，在所述在硬掩模形成工艺中，向牺牲层上形成硬掩模材料后，会采用氟(F)基气体(如CF3和CF4)刻蚀硬掩模材料以形成硬掩模。
然而，在刻蚀硬掩模材料层以形成露出部分牺牲层的硬掩模过程中，氟(F)会与牺牲层中的碳(C)，以及硬掩模层中的氧(O)和硅(Si)反应，从而形成含F、O、Si或C的副产物(如，SiFxOy和SiFxOyCz)，即上述副产物19。这些副产物19会附着在硬掩模12上，并在之后刻蚀牺牲层时，进一步与刻蚀气体和牺牲层反应，副产物量逐渐增大。尤其是随着MEMS技术发展，MEMS器件的空腔深度不断增加，牺牲层的厚度也不断增加，干法刻蚀持续时间也随之增加，干法刻蚀工程中形成的副产物量也不断增大，而副产物对于半导体器件性能影响也不断增强。
为此，本发明提出一种半导体结构的形成方法，以非硅氧化合物作为位于牺牲层上的硬掩模层的材料，从而避免采用F基气体刻蚀硬掩模层时F基气体中的F离子与硬掩模层反应，形成含F、O、Si或C的副产物。需要说明的是，本发明中，所述非硅氧化合物指不同时含有硅(Si)和氧(O)的物质。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对以压力传感器的形成工艺为实施例，对本发明的做详细的说明。
图6至图13为本发明半导体结构的形成方法的一实施例的结构示意图。
本实施例半导体结构的形成方法，包括：
先参考图6所示，提供半导体衬底20，在所述半导体衬底20上形成牺牲层21，并所述牺牲层21上形成硬掩模材料层22。
本实施例中，所述半导体衬底20用于形成压力传感器。所述半导体衬底20包括基底、设置在所述基底内的互连结构23和位于所述基底表面的膜片24。其中，所述互连结构23的表面裸露在所述基底表面。
本实施例中，所述基底为硅基底，所述膜片24的材料为铝，所述互连结构23的材料为钨。但所述基底、膜片24以及互连结构23的材料以及结构并不限定本发明的保护范围。
本实施例中，所述牺牲层21的材料为无定型碳，厚度大于或等于，形成工艺可选为化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)
所述硬掩模材料层22的材料为非硅氧化合物。本实施例中，所述硬掩模材料层22为锗硅材料(SiGe)，形成工艺为低压化学气象沉积(Low Pressure Chemical VaporDeposition，LPCVD)。
在传感器制备过程中，后续会在所述半导体衬底内形成金属插塞，如锗硅材料插塞。本实施例中，所述硬掩模材料层22的采用与后续所要形成的金属插塞相同的材料，从而提高工艺的便捷性。但除锗硅材料外的其他非硅氧化合物同样适用于本发明，如氮化硅等。
参考图7所示，在所述硬掩模材料层22上形成光刻胶掩模23，所述光刻胶掩模23包括露出部分所述硬掩模材料层22的开口240。
所述光刻胶掩模23的形成工艺包括先在所述硬掩模材料层22上涂覆光刻胶层，之后经曝光、显影等工艺图案化所述光刻胶层形成所述光刻胶掩模23。上述光刻胶掩模23的形成工艺为本领域的成熟工艺，在此不再赘述。
结合参考图8所示，以所述光刻胶掩模23为掩模，沿着所述开口240刻蚀所述硬掩模材料层22形成硬掩模221，所述硬掩模包括露出所述牺牲层21表面的通孔241。
本实施例中，刻蚀所述硬掩模材料层22的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺采用非氟基气体为刻蚀剂，所述干法刻蚀工艺具体包括：
所述非氟基气体为溴化氢(HBr)、氧气(O2)和氯气(Cl2)的混合气体；其中，所述氧气的流量为0.01～10sccm，溴化氢的流量为100～150sccm、氯气的流量为100～150sccm。所述干法刻蚀工艺中，控制气压为5～15mtorr、射频功率为400～600W、偏置功率为200～400W。
相比于现有的以氧化硅为材料的硬掩模材料层的刻蚀工艺，对氧化硅进行刻蚀的气体多为氟基气体(如CF3和CF4)，在刻蚀氧化硅过程中，所述氟基气体与所述氧化硅会形成含有F、O和Si的聚合物(SiFxOy)；此外，所述通孔241露出部分牺牲层21，在刻蚀过程中，露出所述牺牲层21后，刻蚀气体中的F离子(或是残留在通孔241中的F离子)会与牺牲层21发生反应，形成含有F、O、Si或C的聚合物(SiFxOyCz)，上述聚合物(SiFxOy和SiFxOyCz))难以除去，进而会影响后续形成与牺牲层21内的金属插塞性能。本实施例中，以锗硅材料为硬掩模材料层22的材料，且以非氟基气体作为刻蚀气体，从而可有效避免形成上述聚合物，从而确保后续形成与牺牲层21内的金属插塞的电学性能。
结合参考图9所示，之后沿着所述硬掩模221的通孔241，继续刻蚀所述通孔241露出的所述牺牲层21，在所述牺牲层21内形成第一开孔25。
本实施例中，所述第一开孔25贯穿所述牺牲层21，露出所述半导体衬底20内的互连结构23，所述第一开孔25后续用于形成金属插塞。
本实施例中，刻蚀所述牺牲层21的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺采用非氟基气体作为刻蚀剂。所述干法刻蚀工艺具体包括：
所述非氟基气体为氩气(Ar)和氧气(O2)的混合气体。其中，所述氩气的流量为30～80sccm，氧气的流量为200～3000sccm。刻蚀过程中，控制气压为90～110mtorr、偏置功率为800～1200W，偏置功率为200～400W。
本实施例中，采用非氟基气体作为刻蚀剂，可有效避免在刻蚀过程中，氟基气体中的F离子与无定形碳(牺牲层)反应，形成含有C和F的聚合物，并由此避免含有C和F的聚合物残留在所述第一开孔25内而成为副产物，进而降低后续形成与所述第一开孔25内的金属插塞的性能。
相比与现有技术，本发明在刻蚀所述硬掩模材料层22以及牺牲层21后，降低了副产物形成的量。但在实际操作过程中，在上述刻蚀牺牲层21过程中，在所述牺牲层21内仍然可能会形成一些含C的聚合物(如图14中位于开孔15周边的聚合物29)。本实施例中，在所述牺牲层21内形成所述第一开孔25后，还进行干法清洗步骤，去除位于所述通孔241和第一开孔25内的聚合物，从而避免这些聚合物影响后续形成于所述第一开孔25内的金属插塞的电学性能。
本实施例中，所述干法清洗步骤采用氩气和氧气的混合气体作为清洗剂，所述清洗步骤的具体工艺包括：
控制气压为90～100mtorr，射频功率为250～350W，偏置功率为250～350W，所述氧气的流量为0.01～30sccm，氩气的流量为200～400sccm。
相比与上述牺牲层21的刻蚀工艺，上述干法清洗步骤的清洗剂中，减小了氧气的流量，加大了氩气的流量。其中氩气可轰击附着于第一开孔25侧壁和底部的聚合物，而氧气则可和聚合物中的C进一步反应形成二氧化碳等气体，提高含有C聚合物的去除效率。
但若氧气的量多大，则可能会与无定形碳(牺牲层)反应，造成牺牲层21受损，第一开孔25出现较大形变，进而影响后续形成的金属插塞的结构。
可选地，在所述干法清洗剂还可含有微量的四氟化碳气体，以提高含C的聚合物的去除速率。
但若所述四氟化碳气体含量过高，四氟化碳气体中的F离子会与无定形碳反应，以及残留的O离子反应，形成含有F、O和C的聚合物，形成新的污染源。
本实施例中，所述干法清洗剂中的四氟化碳气体的体积百分比含量小于或等于1/100。具体地，所述四氟化碳气体的流量小于3sccm。
可选地，本实施例中，在所述干法清洗步骤后，还可进行湿法清洗步骤。以进一步清洗残留在第一开孔25内的副产物。
本实施例中，所述湿法清洗步骤采用的清洗剂为氟化氨和氢氟酸的混合溶液。
接着参考图9和图10所示，在干法刻蚀步骤后，位于所述硬掩模221表面的光刻胶在干法刻蚀所述牺牲层21的过程中被消耗完全，若还残留部分光刻胶，则在清洗完所述第一开孔25后，采用湿法清洗工艺去除所述硬掩模221上的光刻胶；之后，在所述硬掩模221上形成金属材料层26，所述金属材料层26填充满所述第一开孔25，在所述第一开孔25内形成金属插塞261。
本实施例中，采用湿法清洗工艺去除所述硬掩模221上的光刻胶，以避免传统灰化工艺去除光刻胶的同时，造成牺牲层21损伤。去除所述光刻胶层的湿法清洗工艺为本领域成熟工艺，在此不再赘述。
本实施例中，所述金属材料层26的材料为锗化硅材料，形成工艺为低压化学气象沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)。
参考图11所示，去除所述牺牲层21上的硬掩模221和金属材料层26，露出所述牺牲层21。
本实施例中，去除所述硬掩模221和金属材料层26的工艺为化学机械研磨(CMP)。
本实施例中，所述硬掩模221和金属材料层26的材料相同，均为锗硅材料，因而采用一步CMP工艺便可除尽硬掩模221和多余的金属材料层26，从而简化硬掩模221和金属材料层26的去除工艺，降低工艺成本。
参考图12所示，在露出所述牺牲层21后，在所述牺牲层21上形成传感器结构27。所述传感器结构27内含有露出所述牺牲层21表面的第二开孔271。
所述传感器结构27的形成工艺包括：
在所述牺牲层21的表面形成器件材料层(图中未显示)，之后刻蚀所述器件材料层，形成上述结构的传感器结构27。
本实施例中，所述传感器结构27的材料为锗硅(GeSi)材料，但除本实施例外的其他实施例中，所述传感器结构27还可为其他材料，如多晶硅材料或是金属材料，所述器件材料层的材料根据具体的器件要求决定，但其并不限定本发明的保护范围。
参考图13所示，由传感器结构27的第二开孔271内传感器结构27下方的牺牲层21内通入刻蚀气体，去除位于所述半导体衬底20和传感器结构27之间以及相邻的金属插塞261之间的牺牲层，以形成空腔28，同时在空腔28的上方保留传感器结构27。
刻蚀牺牲层的工艺为本领域的成熟工艺，在此不再赘述。
结合参考图9和图14所示，图14为形成所述第一开孔25后，所述硬掩模211表面的电镜图。对比图5和图14可知，相比于图5所示的现有技术中，刻蚀牺牲层后，在硬掩模表面形成大量的副产物，本实施例中，如图14所示，在刻蚀所述牺牲层21形成所述第一开孔25后，所述硬掩模211表面较为整洁，只残留了极少数的聚合物29(所述聚合物为含C的聚合物，可在后续的干法清洗和湿法清洗过程中基本被清除干净)，大大减少了副产物的量。为此，参考图10所示，在向所述第一开孔25内填充金属材料层26以形成金属插塞261时，减少混入所述金属插塞261内的杂质，进而提高最终形成的半导体器件的性能。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (17)

1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成硬掩模，所述硬掩模的材料为非硅氧化合物；
以所述硬掩模为掩模刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层内形成第一开孔；
刻蚀所述牺牲层的工艺为干法刻蚀工艺，所述干法刻蚀工艺采用非氟基气体作为刻蚀剂；
所述非氟基气体为氩气和氧气的混合气体；
在所述牺牲层上形成硬掩模的工艺包括：
在所述牺牲层上形成硬掩模材料层；
以干法刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模材料层形成所述硬掩模，所述干法刻蚀工艺包括：采用非氟基气体作为刻蚀剂刻蚀所述硬掩模层。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述非氟基气体为溴化氢、氧气和氯气的混合气体。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，
刻蚀所述硬掩模材料层的干法刻蚀工艺的参数包括：
气压为5～15mtorr，射频功率为400～600W，偏置功率为200～400W，氧气的流量为0.01～10sccm，溴化氢的流量为100～150sccm，氯气的流量为100～150sccm。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，
刻蚀所述牺牲层的干法刻蚀工艺的参数包括：
气压为90～110mtorr，射频功率为800～1200W，偏置功率为200～400W，氩气的流量为30～80sccm，氧气的流量为200～3000sccm。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述牺牲层内形成第一开孔后，所述形成方法还包括：干法清洗，以清洗牺牲层内的第一开孔；
所述干法清洗的步骤包括：以氩气和氧气的混合气体作为清洗剂。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述干法清洗步骤的工艺参数为：
气压为90～100mtorr，射频功率为250～350W，偏置功率为250～350W，氧气的流量为0.01～30sccm，氩气的流量为200～400sccm。
7.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述清洗剂还含有四氟化碳气体，且所述四氟化碳气体的体积百分比含量小于或等于1/100。
8.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，在所述干法清洗后，所述形成方法还包括：湿法清洗。
9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述湿法清洗的步骤中以氟化氨和氢氟酸的混合溶液为清洗剂。
10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述牺牲层内形成第一开孔后，所述形成方法还包括在所述牺牲层上形成金属材料层，所述金属材料层填充满所述牺牲层内的第一开孔，在所述第一开孔内形成金属插塞。
11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述硬掩模的材料与所述金属材料层的材料相同。
12.如权利要求11所述的形成方法，其特征在于，在形成所述金属材料层后，所述形成方法还包括去除所述牺牲层上方的金属材料层和硬掩模，露出所述牺牲层。
13.如权利要求12所述的形成方法，其特征在于，在露出所述牺牲层后，在所述牺牲层上形成传感器结构，所述传感器结构内包括露出所述牺牲层的第二开孔，向所述第二开孔内通入刻蚀气体，去除部分牺牲层，在所述牺牲层内形成空腔。
14.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述硬掩模的材料为锗硅材料。
15.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层材料为无定形碳。
16.如权利要求15所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度大于或等于
17.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述半导体衬底包括基底，以及设置在所述基底内且裸露在所述基底表面的互连结构；
以所述硬掩模为掩模刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层内形成第一开孔的工艺包括：
刻蚀所述牺牲层形成露出所述互连结构的所述第一开孔。
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