CN106887381A - 一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法 - Google Patents

一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法，包括：在刻蚀腔体内壁上更换涂层部件；对更换的涂层部件的涂层进行微粗糙化处理；对刻蚀腔体内壁的涂层部件进行无晶圆自动干法蚀刻清洗工艺，在此过程中，涂层部件的涂层表面吸附硅氧化合物且达到饱和状态。本发明改善了更换新部件带来的刻蚀腔体环境的漂移，提高刻蚀腔体环境的稳定性，从而改善刻蚀工艺关键尺寸的稳定性，提高晶圆的电学性能和产品的良率，减少报废率。

Description

一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法。
背景技术
随着集成电路技术进入超大规模集成电路时代，集成电路的工艺尺寸向着65nm以及更小尺寸的结构发展，同时对晶圆制造工艺提出了更高更细致的技术要求。其中，晶圆的多晶硅栅极的关键尺寸日益成为多晶硅刻蚀的关键参数，所述的多晶硅栅极关键尺寸决定器件门电路的工作性能，对晶圆的良率的影响也越来越敏感。
目前在大规模晶圆制造过程中，随着晶圆加工数量的不断增加，刻蚀腔体的内部环境会随之发生变化，即前一片/批晶圆对后一片/批有着某种程度的影响，具有记忆效应。这种记忆效应其中主要体现在聚合物的堆积，即在刻蚀腔壁上，聚合物的类型会根据等离子体反应物和反应产物的不同而有所不同，主要分为无机聚合物和有机聚合物等。目前对于刻蚀工艺过程中聚合物在刻蚀腔壁的堆积引起的记忆效应的研究在工业上已给出了多种措施且已经具有很好的改善效果，其中使用最广泛的如无晶圆自动干法蚀刻清洁方法(Wafer-less Auto-Cleaning，简称WAC)通常使用含氟NF3气体去除无机类聚合物，使用O2去除有机类聚合物并在清洁之后的刻蚀腔体内壁上沉淀一层类似二氧化硅的聚合物，这些WAC步骤能有效抑制腔体的记忆效应。但是为了维持晶圆作业的持续可靠性，刻蚀作业腔体在进行刻蚀作业一定射频(RF)时数后需要对刻蚀腔体进行维护保养，针对于刻蚀腔体在维护保养时更换新的内部器件后，这些WAC工艺在维护保养后的RF较短的初期并不能很好的维持刻蚀腔体内壁环境的一致性。刻蚀的速率是随着涂层部件使用时数增加而减小，在达到一定时数后刻蚀速率才保持稳定，如图1所示是某一多晶硅栅极刻蚀工艺中涂层部件使用时数与对应刻蚀速率的关系，可以清楚地看到在涂层部件使用时数较短时，为达到目标的尺寸大小需要不断更改刻蚀时间，在涂层部件达到3000H以上后刻蚀时间保持稳定。
此外，金属和离子污染会引起有关器件操作方面的问题，例如铁和铜在硅中扩散极快，如果它们由晶片表面进入硅基材，会导致少数载流子寿命降低和PN结附近漏电流增大。而新更换的涂层部件又是金属离子的引入源头之一，如图2所示是Ti、Cr和Zn的离子量随RF时数变化趋势，最底层的一条虚线表示Zn离子模拟量，中间一条虚线表示Cr离子模拟量，最顶层的一条虚线表示Ti离子模拟量，从中都可以看到刚更换的涂层部件最容易引入金属离子。
目前，在65nm及更小尺寸工艺制造过程中，刻蚀腔体维护保养之后，为了测试刻蚀腔体的稳定性，在大规模生产前需要优先作业一片或几片晶圆测试刻蚀腔体的稳定性，根据测试的结果决定是否需要调整硬掩膜层横向修饰(HM trim)的刻蚀时间，但是刻蚀腔体维护保养所更换的刻蚀腔体内壁部件(表面有Y2O3涂层)并非是全新部件，而是在上次维护保养后卸下的经过清洗处理过的内壁部件，这些不同使用RF时数的内壁部件由于其表面的粗糙度随RF时数不同而表现出不同的差异，这种差异在WAC作业之后，内壁器件表面吸附的聚合物的能力也不同，正是这些不同作业RF时数的内壁部件对WAC作用中沉淀的聚合物吸附能力的不同使得对于优先作业的一片或几片测试晶圆的影响也是不同的，而直接根据目前在多晶硅栅极刻蚀过程中使用的先进制程控制(Advanced process control，简称APC)系统调控多晶硅刻蚀工艺参数会使得优先作业的一片或几片晶圆具有较高的作业风险，主要表现在多晶硅栅极关键尺寸的漂移，最终导致晶圆的电性参数达不到产品规格要求，产品良率下降等问题。
有人提出根据在WAC工艺过程在所沉积的硅氧聚合物厚度定量的来控制多晶硅栅极刻蚀后的关键尺寸，该方法克服了现有技术中自由粒子对多晶硅刻蚀腔体氛围的影响不可控，无法定量地控制多晶硅栅极关键尺寸的难题，但针对每次刻蚀腔体维护保养后如何控制多晶硅栅极关键尺寸稳定性问题无法很好地解决。
上述方法未解决现有技术中刻蚀腔体维护保养时更换内壁部件后关键尺寸的偏移问题和金属离子污染的引入问题，无法定量地针对刻蚀腔体维护保养后关键尺寸进行调整和金属离子源的控制，同时在关键尺寸出现问题时难以快捷准确的找到问题的切入点，从而影响晶圆的电学性能和产品良率。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种针对刻蚀腔体养护后的刻蚀腔体环境稳定性的优化方法，从而改善刻蚀工艺关键尺寸的稳定性。
为了达到上述问题，本发明提供一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法，其包括：
步骤01：在刻蚀腔体内壁上更换涂层部件；
步骤02：对更换的涂层部件的涂层进行微粗糙化处理；
步骤03：对刻蚀腔体内壁的涂层部件进行无晶圆自动干法蚀刻清洗工艺，在此过程中，涂层部件的涂层表面吸附硅氧化合物且达到饱和状态。
优选地，所述步骤02中的微粗糙化处理中，采用刻蚀气体在不施加偏压的条件下对涂层部件进行刻蚀，使涂层部件的涂层表面微粗糙化。
优选地，所述微粗糙化处理具体包括：
步骤021：在不施加偏压的条件下，采用第一真空压强和含F等离子体集中对位于刻蚀腔体上部的涂层部件进行刻蚀，使得刻蚀腔体上部的涂层部件的涂层表面微粗糙化；
步骤022：在不施加偏压的条件下，采用第二真空压强和含F等离子体集中对位于刻蚀腔体下部的涂层部件进行刻蚀，使得刻蚀腔体下部的涂层部件的涂层表面微粗糙化；其中，第一真空压强高于第二真空压强；
步骤023：多次重复循环步骤021～022。
优选地，所述第一真空压强与第二真空压强的比例大于5。
优选地，所述第一真空压强与第二真空压强的比例大于20。
优选地，所述第一真空压强大于60mtorr，所述第二真空压强小于10mtorr。
优选地，所述含F等离子体为NF3或SF6。
优选地，进行微粗糙化处理时，向刻蚀腔体的进气方式包括：从刻蚀腔体上方中心进气且不从刻蚀腔体边缘进气，并设置刻蚀腔体上方中心进气后向刻蚀腔体内最大分流。
优选地，进行微粗糙化处理时，向刻蚀腔体的进气方式包括：从刻蚀腔体边缘辅助进气且不从刻蚀腔体上方中心进气。
优选地，所述涂层部件的涂层采用Y2O3涂层。
本发明通过对刻蚀腔体对涂层部件进行微粗糙化处理，使得涂层表面吸附硅氧聚合物能力饱和，从而使得刻蚀速率达到稳定。此外，还可以消除新部件带来的金属离子污染问题，达到刻蚀腔体维持刻蚀的稳定性和避免金属离子污染的进入的目的，同时在关键尺寸出现问题时，也可以快捷准确的找到问题的切入点，从而提高了晶圆的良率，且方法工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为现有的多晶硅栅极刻蚀工艺条件下涂层部件与刻蚀速率关系示意图
图2为现有的金属离子随RF刻蚀时数变化的趋势图
图3为本发明的一个较佳实施例的刻蚀腔体环境稳定的优化方法的流程示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的对刻蚀腔体上部的涂层部件的微粗糙化示意图
图5为本发明的一个较佳实施例的对刻蚀腔体下部的涂层部件的微粗糙化示意图
图6为采用现有方法和采用本发明的优化方法后对多晶硅栅横向刻蚀速率的对比示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图3～6和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图3，本实施例的一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法包括：
步骤01：在刻蚀腔体内壁上更换涂层部件；
具体的，涂层部件的涂层可以采用Y2O3涂层。更换涂层部件可以是在对刻蚀腔体维护保养时进行的。更换的涂层部件所使用RF时数与涂层部件吸附硅氧化物的强度具有相关性。
步骤02：对更换的涂层部件的涂层进行微粗糙化处理；
具体的，对进行微粗糙化处理时，向刻蚀腔体的进气方式包括：从刻蚀腔体上方中心进气且不从刻蚀腔体边缘进气，这种针对在刻蚀腔体上方中心设置了进气口，而没有设置边缘辅助进气方式的情况，并且设置刻蚀腔体上方中心进气后向刻蚀腔体内最大分流，以促进气体进入刻蚀腔体后沿刻蚀腔体内壁充分流动。
进行微粗糙化处理时，向刻蚀腔体的进气方式也可以采用：从刻蚀腔体边缘辅助进气且不从刻蚀腔体上方中心进气。这种针对在刻蚀腔体上方中心设置了进气口且同时设置边缘辅助进气口的刻蚀腔体，此时，把刻蚀腔体上方中心的进气口关闭，仅打开边缘辅助进气口。
此外，本实施例中，微粗糙化处理中采用刻蚀气体在不施加偏压的条件下对涂层部件进行刻蚀，使涂层部件的涂层表面微粗糙化。该微粗糙化处理具体可以包括：
步骤021：在不施加偏压的条件下，采用第一真空压强和含F等离子体集中对位于刻蚀腔体上部的涂层部件进行刻蚀，使得刻蚀腔体上部的涂层部件的涂层表面微粗糙化；
步骤022：在不施加偏压的条件下，采用第二真空压强和含F等离子体集中对位于刻蚀腔体下部的涂层部件进行刻蚀，使得刻蚀腔体下部的涂层部件的涂层表面微粗糙化；其中，第一真空压强高于第二真空压强；
具体的，含F等离子体可以为NF3或SF6等。第一真空压强与第二真空压强的比例大于5，较佳的，第一真空压强与第二真空压强的比例大于20。本实施例中，请参阅图4和图5，本实施例的刻蚀腔体00上部采用倾斜侧壁，刻蚀腔体00下部采用竖直侧壁，涂层部件的涂层采用粗黑实线01表示，黑粗箭头表示集中等离子体刻蚀区域，细箭头表示少量等离子体刻蚀区域；因此，希望第一真空压强为较高的真空压强，这样可以配合倾斜侧壁，使得进入刻蚀腔体的气体可以充分沿倾斜侧壁扩散，从而对刻蚀腔体的上部的涂层部件进行充分的微粗糙化，需要说明的是，在对刻蚀腔体上部的涂层部件进行微粗糙化时，有一些等离子体也会刻蚀到刻蚀腔体下部的涂层部件上，但是，由于此时采用高真空压强集中等离子体于刻蚀腔体上部的涂层部件上，因此，对刻蚀腔体下部的涂层部件的刻蚀较少；而第二真空压强为较低的真空压强，这样可以配合竖直侧壁，使得进入刻蚀腔体的下部的气体可以充分沿竖直侧壁扩散，从而对刻蚀腔体的下部的涂层部件进行充分的微粗糙化，需要说明的是，在对刻蚀腔体下部的涂层部件进行微粗糙化时，有一些等离子体也会刻蚀到刻蚀腔体上部的涂层部件上，但是，由于此时采用低真空压强集中等离子体于刻蚀腔体下部的涂层部件上，因此，对刻蚀腔体上部的涂层部件的刻蚀较少。较佳的，可以设置第一真空压强大于60mtorr，第二真空压强小于10mtorr。
步骤023：多次重复循环步骤021～022。
具体的，本实施例中，重复循环步骤021～022的次数至少为10次，该循环过程能够使等离子体充分接触涂层部件的涂层使其微粗糙化，从而有利于后续吸附硅氧化物达到饱和状态。
步骤03：对刻蚀腔体内壁的涂层部件进行无晶圆自动干法蚀刻清洗工艺，在此过程中，涂层部件的涂层表面吸附硅氧化合物且达到饱和状态。
之后就可以进行晶圆的刻蚀工艺了。需要说明的是，每次对晶圆进行刻蚀工艺前，预先在刻蚀腔体内壁表面沉积硅氧化物，刻蚀腔体维护保养时更换不同RF时数的涂层部件，当经过上述步骤01～03之后，在进行刻蚀工艺时不再会出现随RF时数不同而刻蚀速率产生变化的问题，图6中，A1为现有方法，A2为本实施例的方法，可以看到，进行为粗糙处理后刻蚀速率变得稳定。图6中的数据仅为在某一特定的多晶硅栅极刻蚀程式的情况下，对刻蚀腔体的涂层部件表面微粗糙化后的一种情况。在其他的刻蚀工艺程式下，显示的图形与图1是相同，均会达到一个稳定值。采用本发明可以在刻蚀工艺进行前对刻蚀腔体的内壁上的涂层部件进行微粗糙化处理，使其表面吸附硅氧聚合物的能力达到饱和状态，从而改善由于设备定期维护保养(PM)过程更换新部件带来的刻蚀腔体环境的漂移，提高刻蚀腔体环境的稳定性，从而改善刻蚀工艺关键尺寸的稳定性，提高晶圆的电学性能和产品的良率，减少报废率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种刻蚀腔体环境稳定性的优化方法，其特征在于，包括：
步骤01：在刻蚀腔体内壁上更换涂层部件；
步骤02：对更换的涂层部件的涂层进行微粗糙化处理；
步骤03：对刻蚀腔体内壁的涂层部件进行无晶圆自动干法蚀刻清洗工艺，在此过程中，涂层部件的涂层表面吸附硅氧化合物且达到饱和状态。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述步骤02中的微粗糙化处理中，采用刻蚀气体在不施加偏压的条件下对涂层部件进行刻蚀，使涂层部件的涂层表面微粗糙化。
3.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于，所述微粗糙化处理具体包括：
步骤021：在不施加偏压的条件下，采用第一真空压强和含F等离子体集中对位于刻蚀腔体上部的涂层部件进行刻蚀，使得刻蚀腔体上部的涂层部件的涂层表面微粗糙化；
步骤022：在不施加偏压的条件下，采用第二真空压强和含F等离子体集中对位于刻蚀腔体下部的涂层部件进行刻蚀，使得刻蚀腔体下部的涂层部件的涂层表面微粗糙化；其中，第一真空压强高于第二真空压强；
步骤023：多次重复循环步骤021～022。
4.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述第一真空压强与第二真空压强的比例大于5。
5.根据权利要求4所述的优化方法，其特征在于，所述第一真空压强与第二真空压强的比例大于20。
6.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述第一真空压强大于60mtorr，所述第二真空压强小于10mtorr。
7.根据权利要求3所述的优化方法，其特征在于，所述含F等离子体为NF3或SF6。
8.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，进行微粗糙化处理时，向刻蚀腔体的进气方式包括：从刻蚀腔体上方中心进气且不从刻蚀腔体边缘进气，并设置刻蚀腔体上方中心进气后向刻蚀腔体内最大分流。
9.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，进行微粗糙化处理时，向刻蚀腔体的进气方式包括：从刻蚀腔体边缘辅助进气且不从刻蚀腔体上方中心进气。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的优化方法，其特征在于，所述涂层部件的涂层采用Y2O3涂层。
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