CN108766882B - 等离子体硅刻蚀方法以及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种等离子体硅刻蚀方法以及半导体器件。其中等离子体刻蚀方法包括以电感耦合的方式激励工艺气体产生等离子体，在脉冲波射频电源的作用下所述等离子体对所述硅基体进行刻蚀，其中，所述工艺气体包括CHF3。本公开的刻蚀方法通过使用含CHF3的工艺气体结合脉冲等离子体进行硅刻蚀，不仅可以有效的降低硅刻蚀工艺中的深度微负载效应，还能够实现深度微负载效应的消除甚至反转。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及等离子体硅刻蚀方法，还涉及采用该刻蚀方法的半导体器件。
背景技术
深度微负载效应是微负载效应中最为典型的一种，它的特点是大开口尺寸区域的刻蚀深度大于小开口尺寸区域的刻蚀深度。随着半导体制造工艺向14nm及以下节点推进，器件的关键尺寸迅速缩小，深度微负载效应已成为器件的电性能控制需要解决的最重要问题之一。目前针对这种深度微负载效应改善方案主要是通过工艺条件的调整或者机台硬件的改善。图1是现有技术一的刻蚀工艺示意图。其展示了一种硅刻蚀工艺的步骤。①为硬掩膜完全打开后的膜层结构，②为薄层氧化硅的刻蚀后的膜层结构，③为硅刻蚀进行到一半左右的膜层结构，④为硅刻蚀完毕后的膜层结构。其中，对于深度微负载效应的调节，一般是在步骤②和步骤③中通过降低气体总流量、减小工艺气体压力、增大下射频电源功率、降低可生成沉积聚合物的气体流量等手段来改变不同开口尺寸区域的刻蚀速率比。现有技术二是利用微波脉冲等离子体和工艺气体刻蚀氮化硅，通过主刻蚀步和过刻蚀步二者结合的方式来实现图形的有效转移。
在实现本公开的过程中，申请人发现现有技术存在如下缺陷：
现有技术一对深度微负载效应的调节能力非常有限，更加无法实现深度微负载效应的消除或反转，并且具有较多的负面影响，比如该技术方案容易带来刻蚀形貌上的改变，尤其是对特征尺寸、硅槽的侧壁角度，片内均匀性等，很难保证不同开口尺寸区域的所有关键参数同客户的需求执行标准达成很好的一致性。
现有技术二由于微波脉冲等离子体本身的原因，以及微波脉冲频率较低(10Hz)，脉冲占空比较高(75％～100％)，对于氮化硅以及其他材料的硅刻蚀工艺，实际是无法改善深度微负载效应的。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的在于提供一种等离子体刻蚀方法和半导体器件，以至少部分解决以上所述的技术问题。
根据本公开的一方面，提供了一种等离子体硅刻蚀方法，包括以电感耦合的方式激励工艺气体产生等离子体，在脉冲波射频电源的作用下所述等离子体对所述硅基体进行刻蚀，其中，所述工艺气体包括CHF3。
本公开的一些实施例中，下射频脉冲电源为所述脉冲波射频电源，通过所述脉冲波射频电源对所述等离子体施加脉冲式加速电场。
本公开的一些实施例中，通过降低所述脉冲波射频电源产生脉冲的脉宽占空比，使硅基体的深度微负载效应从正向值降低为零或实现反转。
本公开的一些实施例中，所述脉冲波射频电源产生脉冲的脉宽占空比大于等于10％且小于70％。
本公开的一些实施例中，通过保持电感耦合方式的功率不变，同时降低所述脉冲波射频电源功率，使硅基体的深度微负载效应从正向值降低为零或实现反转。
本公开的一些实施例中，所述脉冲波射频电源功率介于30W至600W之间。
本公开的一些实施例中，通过增大工艺气体中的CHF3气体流量，使硅基体的深度微负载效应从正向值降低为零或实现反转。
本公开的一些实施例中，所述CHF3占所述工艺气体总流量的比值介于30％至100％之间。
本公开的一些实施例中，所述刻蚀在一反应腔室内进行，通过增加反应腔室内的气体压力，使硅基体的深度微负载从正向值降低为零或实现反转。
本公开的一些实施例中，所述反应腔室内的气体压力介于5mT至70mT之间。
本公开的一些实施例中，所述刻蚀包含将所述硅基体刻蚀出14nm以下宽度的沟道。
本公开的一些实施例中，所述以电感耦合的方式激励所述工艺气体产生等离子体包括：利用电感耦合等离子体设备的上射频电源激励所述工艺气体；通过保持所述脉冲波射频电源功率和产生脉冲的占空比不变，并且提高上射频电源所加载的功率，使硅基体的深度微负载从正向值降低为零或实现反转。
本公开的一些实施例中，所述上射频电源提供的功率介于300W至2500W之间。
根据本公开的另一方面，提供一种半导体器件，包括沟道结构，所述沟道结构采用以上任意所述的等离子体硅刻蚀方法刻蚀形成。
本公开的等离子体硅刻蚀方法，使用含CHF3的工艺气体结合脉冲等离子体进行硅刻蚀，不仅可以有效的降低硅刻蚀工艺中的深度微负载效应，还能够实现深度微负载效应的消除，可以成为14nm及以下节点工艺中深度微负载效应的有效解决方案。
本公开还能实现深度微负载效应的反转，即小开口尺寸区域的刻蚀深度大于大开口尺寸区域的刻蚀深度，这就进一步增大了硅刻蚀工艺的调节窗口，有效地扩展了对器件的电性能控制力。
本公开不受限于特定的反应腔室结构，所有支持使用CHF3工艺气体且能电感耦合的脉冲等离子体的ICP刻蚀机台均可以推广应用。
附图说明
图1是现有技术的刻蚀工艺示意图。
图2是本公开实施例的等离子体硅刻蚀方法流程图。
图3是本公开实施例结合CHF3作为至少部分工艺气体以及脉冲式等离子体的刻蚀结果示意图。
图4是应用本公开实施例刻蚀后深度微负载效应为零的示意图。
图5是应用本公开实施例刻蚀后深度微负载效应反转的示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、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，对本公开作进一步的详细说明。
本公开中，“脉冲波射频电源”是能够脉冲式输出电路以产生脉冲式电场的电源，所产生的脉冲式电场方向朝向待刻蚀的硅基体，其可以是能直接产生脉冲式电场的脉冲式电源，也可以是配备有脉冲控制器的连续波电源，连续波电源产生的信号经脉冲控制器调制转换为脉冲式电场。该脉冲波射频电源可以是满足上述条件的设置在刻蚀腔体任意位置的射频电源，包括但不限于下射频脉冲电源。本公开中，用语“介于。。。之间”所表示的数值范围为包含端点值的范围，例如“下射频脉冲电源功率介于30W至350W之间”表示下射频脉冲电源的功率处于最大值为350W且最小值为30W的闭区间内。
本公开提出一种等离子体硅刻蚀方法，包括提供工艺气体和电感耦合的脉冲等离子体对硅基体进行刻蚀，其中所述工艺气体中包含CHF3。该方法基于支持硅刻蚀工艺的ICP(电感耦合等离子体)设备，可以针对硅刻蚀工艺中的深度微负载效应的进行有效优化，同时实现深度微负载效应的消除或反转，有效地扩大深度微负载效应的控制窗口，增大器件的电性能控制能力，可适配性强，适用于不同结构的各种ICP设备使用。
本公开一实施例的等离子体硅刻蚀方法，如图2所示，包括：
S10：以电感耦合的方式激励工艺气体产生等离子体；
S20：在脉冲波射频电源的作用下所述等离子体对所述硅基体进行刻蚀，其中，所述工艺气体包括CHF3。
在步骤S10之前，还可以包括准备硅基体的步骤，该硅基体可以是半导体工艺中任意步骤之后以硅为基底的成品或半成品，只要是可以后续对其进行刻蚀即可作为本公开的硅基体。
由于后续工艺中需要采用等离子体进行刻蚀，该步骤中需要对待刻蚀的硅基体施加掩模，该掩模为图案化的掩模，图案上有孔洞形成未遮挡部分，该未遮挡部分后期将通过等离子体，进而向下刻蚀硅基体。
对于步骤S10，本公开实施例主要通过电感耦合的方式产生等离子体，以与脉冲波射频电源产生的变换式电场可以产生配合作用。
对于步骤S20，其通过含CHF3的工艺气体与脉冲等离子配合两者配合，控制深度微负载效应。
其中，CHF3这种工艺气体具有非常特殊的刻蚀工艺特性，在连续波射频电源的作用下，其等离子体并不能改善深度微负载效应，但是如果在脉冲波射频电源的作用下，其等离子体就可以实现多种深度微负载效应的控制。不但能实现深度微负载效应的降低优化，还能实现深度微负载效应的消除和反转。因此，在刻蚀工艺中需要使用脉冲波射频电源，作为本公开实施例的另一重要技术前提。
图3是本公开实施例利用脉冲波射频电源，CHF3作为至少部分工艺气体的刻蚀结果示意图。如图3所示，在电感耦合等离子体设备中，上射频电源激励工艺气体产生等离子体，在脉冲波射频电源的作用下，等离子体对含掩模32的硅基体31进行刻蚀，在较宽的开口处d1形成的刻蚀深度为h1，在较低的开口处d2形成的刻蚀深度为h2，该深度微负载效应h1-h2相比于现有技术有很大改进(例如现有技术的深度微负载效应h1-h2为43nm，图3所示的可以为30nm)。
在本实施例中，通过脉冲波射频电源对等离子体施加脉冲式电场，以对硅基体非连续性刻蚀。该脉冲波射频电源连接在一反应腔室内下电极上，通常下电极包括用于放置硅基体的基板，关于脉冲波射频电源的具体设置方式，可依照现有技术进行相应配置，在此不予赘述。通过脉冲波射频电源提供脉冲式电压，在反应腔室上方产生的等离子体可以非连续性地刻蚀硅基体。
在本实施例中，该脉冲波射频电源的功率可以为30W-600W，该功率范围内，当作为等离子体激励源的上射频电源功率保持不变时，随着脉冲波射频电源功率的下降，深度微负载效应会逐渐从正向值降低为零，并实现反转深度微负载效应。图3所示，为采用本公开的脉冲波射频电源后刻蚀后深度微负载效应有显著降低(例如现有技术的深度微负载效应h1-h2为43nm，图3所示的可以为14nm)。优选的，脉冲波射频电源的功率可以为30-350W，该范围内，深度微负载效应约为零，参见图4所示(此时h1-h2约为零)，或者实现反转，参见图5所示(即h1-h2的结果小于零)。
在本实施例中，所述脉冲波射频电源的频率为13.56MHz，其输出波形为频率为100～1000Hz的脉冲波，脉冲波的占空比大于等于10％且小于70％。该范围内，随着占空比逐渐降低，深度微负载的大小会逐渐从正向值降低为零并实现反转。优选的，脉冲波射频电源产生脉冲的脉宽占空比介于10％和40％之间，该范围内的脉宽占空比使深度微负载效应的大小约为零以及实现反转，相应效果可分别参见图4和图5所示。
本公开另一实施例的等离子体刻蚀方法，在刻蚀时，所述上射频电源提供的功率介于300W至2500W，该范围内，当保持脉冲波射频电源功率和脉宽占空比不变时，随着上射频电源所加载的功率提高，深度微负载效应的大小会逐渐从正向值降低为零并实现反转。优选的，上射频电源提供的功率介于500W至2500W之间，该范围内深度微负载效应的大小降低为约为零，以及实现反转，相应效果可分别参见图4和图5所示。该上射频电源的频率可以为13.56MHz。关于上射频电源的选择以及具体设置方式参照现有的ICP等离子体设备，本公开中不予赘述。
在本实施例中，步骤S20中的工艺气体用于进行硅基体的刻蚀，该工艺气体中含有CHF3，典型的CHF3占工艺气体总流量的30％至100％，也即可以全部为CHF3，上述比例范围内，随着工艺气体中CHF3气体流量比例增大，深度微负载效应的大小会逐渐从正向值降低为零并实现反转。优选的，CHF3占工艺气体总流量的50％至100％，该优选范围内，深度微负载效应降低为约零或者实现反转，相应效果可分别参见图4和图5所示。
在本实施例中，可选的工艺气体还包括Cl2、HBr、NF3和/或SF6，它们可以作为辅助刻蚀气体，其中，CHF3的气体流量可以为50～500sccm，辅助刻蚀气体流量可以为0～200sccm；还可以进一步选择N2,O2,HeO2作为工艺调节气体，气体流量为5-50sccm。
在本实施例中，刻蚀工艺在一反应腔室内进行，工艺时反应腔室内的气体压力介于5mT至70mT之间，该范围内，随着气体压力逐渐增加，深度微负载效应的大小逐渐从正向值降低为零并实现反转。优选的，气体压力介于10mT至70mT之间，该压力范围内，深度微负载效应的大小降低为约零或实现反转。
根据本公开实施例的另外一方面，提供一种半导体器件，包括沟道结构，所述沟道结构采用以上实施例所介绍的等离子体硅刻蚀方法刻蚀形成。本实施例的沟道几乎消除深度微负载效应，尤其适用于沟道开口尺寸在14nm及以下节点。更进一步的，同一工艺步骤中，对于部分的沟道结构，沟道开口尺寸大的刻蚀深度小于沟道开口尺寸小的刻蚀深度，即实现了深度微负载效应的反转，该特点有效地扩展了对半导体器件的电性能控制力。
从上述实施例可以看出，利用工艺气体CHF3以及脉冲波射频电源进行硅刻蚀工艺时，不但可以有效的降低深度微负载效应(参见图3所示)，还可以通过控制工艺条件的变化实现深度微负载效应的近乎消除(参见图4所示)，不但如此，还能够实现不同程度的反转的深度微负载效应(参见图5所示)，即小开口尺寸区域的刻蚀深度大于大开口尺寸的刻蚀深度。这样就可以有更大的深度微负载效应大小调节窗口，也能在器件的电性能调节中获取更大的调整空间。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
Claims (13)
1.一种等离子体硅刻蚀方法，包括：
以电感耦合的方式激励工艺气体产生等离子体；
在脉冲波射频电源的作用下所述等离子体对硅基体的多个尺寸不同的开口进行刻蚀，以降低刻蚀后的深度微负载效应，其中，所述工艺气体包括CHF3；
通过增大工艺气体中的所述CHF3气体流量，使所述硅基体的深度微负载效应从正向值降低为零或实现反转，所述CHF3占所述工艺气体总流量的比值为50%至100%。
2.根据权利要求1所述的等离子体硅刻蚀方法，下射频脉冲电源为所述脉冲波射频电源，通过所述脉冲波射频电源对所述等离子体施加脉冲式加速电场。
3.根据权利要求2所述的等离子体硅刻蚀方法，通过降低所述脉冲波射频电源产生脉冲的脉宽占空比，使硅基体的深度微负载效应从正向值降低为零或实现反转。
4.根据权利要求3所述的等离子体硅刻蚀方法，所述脉冲波射频电源产生脉冲的脉宽占空比大于等于10%且小于70%。
5.根据权利要求2所述的等离子体硅刻蚀方法，通过保持电感耦合方式的功率不变，同时降低所述脉冲波射频电源功率，使硅基体的深度微负载效应从正向值降低为零或实现反转。
6.根据权利要求5所述的等离子体硅刻蚀方法，所述脉冲波射频电源功率介于30W至600W之间。
7.根据权利要求1所述的等离子体硅刻蚀方法，所述CHF3占所述工艺气体总流量的比值介于30%至100%之间。
8.根据权利要求1所述的等离子体硅刻蚀方法，所述刻蚀在一反应腔室内进行，通过增加反应腔室内的气体压力，使硅基体的深度微负载从正向值降低为零或实现反转。
9.根据权利要求8所述的等离子体硅刻蚀方法，所述反应腔室内的气体压力介于5mT至70mT之间。
10.根据权利要求1所述的等离子体硅刻蚀方法，所述刻蚀包含将硅基体刻蚀出14nm以下宽度的沟道。
11.根据权利要求2所述的等离子体硅刻蚀方法，所述以电感耦合的方式激励所述工艺气体产生等离子体包括：利用电感耦合等离子体设备的上射频电源激励所述工艺气体；
通过保持所述脉冲波射频电源功率和产生脉冲的占空比不变，并且提高上射频电源所加载的功率，使硅基体的深度微负载从正向值降低为零或实现反转。
12.根据权利要求11所述的等离子体硅刻蚀方法，所述上射频电源提供的功率介于300W至2500W之间。
13.一种半导体器件，包括沟道结构，所述沟道结构采用权利要求1-12任一所述的等离子体硅刻蚀方法刻蚀形成。
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