CN111696863B - 硅介质材料刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅介质材料刻蚀方法，其包括：向反应腔室内通入混合气体，并使所述气体电离形成等离子体，以选择性地对衬底上的待刻蚀硅介质材料进行刻蚀；其中，气体包括刻蚀气体和调节气体，调节气体能够电离形成单原子正离子，且不与刻蚀气体反应的调节气体，调节气体能够调节待刻蚀硅介质材料与衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。本发明提供的硅介质材料刻蚀方法，其不仅可以提高不同的两种硅介质材料的刻蚀选择比，且对刻蚀后的形貌结果影响较小，从而可以应用于高精度、原子层级的刻蚀工艺中以及刻蚀真空度较高(小于0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种硅介质材料刻蚀方法。
背景技术
硅介质材料(例如氮化硅、氧化硅和氮氧化硅等)是半导体集成电路制造工艺中间隔层和掩膜层的常用材料。硅介质材料的刻蚀工艺可以使用等离子刻蚀设备来完成。在一些集成电路的刻蚀工艺中，需要使用一种硅介质材料作为另一种硅介质材料的刻蚀停止层，这就需要通过调控工艺使得等离子体刻蚀这两种不同材料的刻蚀速率呈现差异化，即较高的刻蚀选择比，以完成图形化刻蚀，从而实现集成电路图形的转移，获得相应的器件结构。
例如，如图1所示，为一种制备过程中的集成电路器件的膜层结构示意图。该膜层结构包括由下而上依次设置的多晶硅层101、氧化硅层102、氮化硅层103和光刻胶104。在进行下一步的刻蚀工艺时，需要将氮化硅层103的未被光刻胶104覆盖的部分完全刻蚀，同时氮化硅层103下面的氧化硅层102作为刻蚀停止层，需要尽可能地减小对氧化硅层102的刻蚀量，刻蚀完成并去除光刻胶后的集成电路器件的膜层结构如图2所示。在这种情况下，需要氮化硅对氧化硅的刻蚀选择比足够高才能实现这道工艺。
针对上述工艺中的硅介质材料的等离子体刻蚀，现有的一种刻蚀方法是使用碳氢氟类(CxHyFz)或者碳氟类(CxFy)气体作为主刻蚀气体，再增加一种或者多种辅助气体(例如NF3、SF6、O2、N2和H2等在刻蚀过程中参与反应的气体)来实现刻蚀选择比的调控。通过选择上述主刻蚀气体的摩尔体积比来实现氮化硅相对氧化硅的高刻蚀选择比等离子体刻蚀，有些现有技术方案中，在通入上述刻蚀气体和辅助气体的同时，也会向工艺腔室内通入惰性气体(例如氩气或者氦气)，在该技术方案中，通入的惰性气体的作用是为了改善工艺腔室内气体的流场和等离子分布，从而提高等离子体刻蚀的均匀性。因此，惰性气体的流量相对于主刻蚀气体的流量越大则起到的改善刻蚀均匀性的效果越好，因此通常通入的惰性气体的流量大于200sccm。但是，该技术方案应用的刻蚀腔室压强通常比较大例如480mTorr，其通常应用于CCP设备，即电容耦合等离子体装置(capacitive coupled plasma,CCP)，CCP设备电极基板间距离较小，在深孔刻蚀时可以缩短刻蚀时间，提高每小时产量，但是应用于刻蚀目标深度小的刻蚀工艺时(例如SAB刻蚀工艺，刻蚀深度大约仅有100A)，难于控制其刻蚀深度和精度。因此，该现有技术的工艺无法应用于真空度较高(<0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中，例如反应耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP)刻蚀设备。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种硅介质材料刻蚀方法，其不仅可以提高不同的两种硅介质材料的刻蚀选择比，且对刻蚀后的形貌结果影响较小，从而可以应用于高精度、原子层级的刻蚀工艺中以及要求真空度较高(小于0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中。
为实现上述目的，本发明提供了一种硅介质材料刻蚀方法，包括：
向反应腔室内通入气体，并使所述气体电离形成等离子体，以选择性地对衬底上的待刻蚀硅介质材料进行刻蚀；
其中，所述气体包括刻蚀气体和调节气体，所述调节气体能够电离形成单原子正离子，且所述单原子正离子在等离子体环境下不发生化学反应，所述调节气体用于调节所述待刻蚀硅介质材料与所述衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。
进一步地，通过调节所述调节气体的流量和/或电离形成的离子能量，来调节所述待刻蚀硅介质材料与所述衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。
进一步地，所述调节气体包括氦气、氩气以及三氯化硼中的至少一种；形成的所述单原子正离子包括He+、Ar+以及B+中的至少一种。
进一步地，通过调节下电极电源输出的下电极功率，来调节所述调节气体电离形成的离子能量。
进一步地，所述下电极功率的取值范围在50W-4000W。
进一步地，所述下电极功率为200W。
进一步地，根据不同的工艺参数调节所述调节气体的流量，使所述刻蚀选择比达到56.3。
进一步地，所述调节气体的流量不大于100sccm。
进一步地，所述调节气体的流量为50sccm。
进一步地，所述刻蚀气体包括用于刻蚀所述待刻蚀硅介质材料的主刻蚀气体和用于调节刻蚀形貌的辅助气体。
进一步地，所述主刻蚀气体包括至少一种碳氢氟类气体和/或至少一种碳氟类气体。
进一步地，所述主刻蚀气体包括CH3F；所述辅助气体包括O2；所述调节气体包括He。
进一步地，所述气体的总流量的取值范围在20sccm-2000sccm。
进一步地，所述混合气体的总流量的取值范围在100sccm-1000sccm。
进一步地，所述反应腔室的压力的取值范围小于100mTorr。
进一步地，所述待刻蚀硅介质材料包括氮化硅；所述其他硅介质材料包括氧化硅。
本发明的有益效果：
本发明所提供的硅介质材料刻蚀方法，其利用调节气体单独对待刻蚀硅介质材料与衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比进行调控，由于该调节气体电离形成的单原子正离子不与刻蚀气体反应，这使得单原子正离子在等离子体环境下是相对稳定的，可以起到物理轰击的作用，从而可以通过调节单原子正离子物理轰击的强度来提高不同的两种硅介质材料的刻蚀选择比。同时，由于可以将单原子正离子的物理轰击作用调节到较小程度，刻蚀速率较低，对刻蚀后的形貌结果影响较小，从而可以应用于高精度、原子层级的刻蚀工艺中以及要求真空度较高(小于0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中。
附图说明
图1为一种制备过程中的集成电路器件的膜层结构示意图；
图2为刻蚀完成并去除光刻胶后的集成电路器件的膜层结构示意图；
图3为本发明提供的硅介质材料刻蚀方法的流程框图；
图4为氦气流量与刻蚀选择比的曲线图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的硅介质材料刻蚀方法进行详细描述。
请参阅图3，本发明提供的硅介质材料刻蚀方法，其包括：
步骤S1，向反应腔室内通入刻蚀气体和调节气体，并开启上电极电源和下电极电源，以选择性地对衬底上的待刻蚀硅介质材料进行刻蚀。
在上述步骤S1中，刻蚀气体主要起到刻蚀作用，以去除待刻蚀硅介质材料。可选的，刻蚀气体包括用于刻蚀待刻蚀硅介质材料的主刻蚀气体和用于调节刻蚀形貌的辅助气体；其中，主刻蚀气体包括至少一种碳氢氟类气体(CxHyFz)和/或至少一种碳氟类气体(CxFy)。其中，碳氢氟类气体例如为CH3F或者CH2F2等等。碳氟类气体例如为CF4等。辅助气体包括NF3、SF6、O2、N2、H2、Ar和NO中的至少一种。
调节气体能够电离形成单原子正离子，且单原子正离子在等离子体环境下处于相对稳定状态，不参与刻蚀过程的化学反应。所谓不与刻蚀气体反应的单原子正离子，需要同时满足以下三个条件，即：条件1、单原子；条件2、正离子；条件3、不参与刻蚀过程的化学反应。诸如He+,Ar+，B+等的离子可以同时满足上述三个条件。CH3F气体电离后可能产生CH3+基团，其不满足条件1；H+虽然是单原子正离子，但是其易与O-形成OH，不满足条件3。
本发明提供的硅介质材料刻蚀方法，其利用上述调节气体单独用于调节待刻蚀硅介质材料与衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。由于该调节气体电离形成的单原子正离子不与刻蚀气体反应，这使得单原子正离子在等离子体环境下是相对稳定的，可以起到增强物理轰击的作用，从而可以提高不同的两种硅介质材料的刻蚀选择比。通过实验发现，利用上述调节气体，可以使氮化硅对氧化硅的刻蚀选择比高达56.3，可以满足工艺需求。
同时，由于单原子正离子增强物理轰击作用的程度较小(相对于非单质离子，例如CH3+基团)，刻蚀速率较低，因此，利用单原子正离子单独调节刻蚀选择比对刻蚀后的形貌结果影响较小，从而可以应用于高精度、原子层级的刻蚀工艺中以及要求真空度较高(小于0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中。
可选的，在上述刻蚀方法中，待刻蚀硅介质材料包括氮化硅；其他硅介质材料包括氧化硅。当然，在实际应用中，本发明提供的硅介质材料刻蚀方法还可以应用于其他不同的硅介质材料的刻蚀。
可选的，调节气体可以选择氦气、氩气以及三氯化硼中的至少一种；相应的，形成的单原子正离子包括He+、Ar+以及B+中的至少一种。优选的，调节气体为氦气，其电离形成的He+相对于Ar+或其他离子，物理轰击作用更小，从而可以保证刻蚀形貌不受影响。
优选的，通过调节上述调节气体的流量和/或电离形成的离子能量，来调节待刻蚀硅介质材料与衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。所谓离子能量，是指单质正离子到达硅介质材料表面时进行物理轰击时所具有的能量。这样，可以根据具体情况实现对刻蚀选择比的调控，从而可以扩大选择比的调控范围，提高工艺灵活性。同时，在不同的工艺参数条件下，还可以通过调节上述调节气体的流量和/或电离形成的离子能量，来使刻蚀选择比达到最大值，以满足工艺需求。
进一步优选的，通过调节下电极电源输出的下电极功率，来调节调节气体电离形成的离子能量。通过实验发现，在其他工艺参数保持不变的前提下，仅改变下电极功率，可以获得不同的离子能量，从而实现对刻蚀选择比的调控。下面以主刻蚀气体为CH3F，辅助气体为O2，调节气体为He，对氮化硅进行刻蚀的工艺为例，采集不同的下电极功率对应的氮化硅和氧化硅的刻蚀速率数据。
表1，为下电极功率、刻蚀速率和刻蚀选择比的对照表。
由表1可知，下电极功率的大小决定了He离子到达硅介质材料表面时进行物理轰击时所具有的能量，因此，通过调节下电极功率的大小，可以实现对刻蚀选择比的调控。此外，当下电极功率为200W时，SiN/SiO2的刻蚀选择比为7.8；当下电极功率为300W时，SiN/SiO2的刻蚀选择比为6.1。由此可知，可以将下电极功率设定在200W及以下，以将SiN/SiO2的刻蚀选择比保持在较大的范围内。
可选的，下电极功率的取值范围在50W-4000W。优选的，下电极功率为200W，以使SiN/SiO2的刻蚀选择比达到最大值。
另外，还可以通过单独调节上述调节气体的流量，或者分别调节上述调节气体的流量和电离形成的离子能量，来调节待刻蚀硅介质材料与衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。同样以主刻蚀气体为CH3F，辅助气体为O2，调节气体为He，对氮化硅进行刻蚀的工艺为例，采集不同的调节气体的流量对应的氮化硅和氧化硅的刻蚀速率数据。
表2，为调节气体的流量、刻蚀速率和刻蚀选择比的对照表。
由上述表2可知，在其他工艺参数保持不变的前提下，仅改变调节气体的流量，可以实现对刻蚀选择比的调控。具体地，当氦气的流量为0时，即，未向反应腔室内通入调节气体，此时刻蚀选择比为44.4。当氦气的流量为50sccm时，刻蚀选择比增大至56.3。但是，当氦气的流量为100sccm时，刻蚀选择比减小至35.9。
图4为氦气流量与刻蚀选择比的曲线图。如图4所示，X轴表示氦气的流量；Y轴表示刻蚀速率；Z轴表示刻蚀选择比。曲线A为氦气的流量与氮化硅的刻蚀速率的曲线；曲线B为氦气的流量与氧化硅的刻蚀速率的曲线；曲线C为氦气的流量与刻蚀选择比的曲线。
由上述三条曲线可知，引入氦气的流量在不大于50sccm的范围内可以起到提高刻蚀选择比的作用，同时，通过适当调节氦气的流量大小，可以增大刻蚀选择比。由此，调节气体的流量的取值范围可以是大于0sccm且小于等于100sccm。
可选的，根据不同的工艺参数来调节调节气体(例如氦气)的流量，以使刻蚀选择比达到最大值，例如达到56.3。上述工艺参数包括诸如设备参数、主刻蚀气体的种类和辅助气体等的种类中的至少一者。其中，设备参数包括腔室容积、腔室真空泵抽速、腔室机械形状等等。在实际应用中，不同的工艺条件下，使刻蚀选择比达到最大值所对应的调节气体的流量也不同，因此，需要根据具体的工艺参数选择适当的流量大小，使得刻蚀选择比达到最优范围。
针对主刻蚀气体为CH3F，辅助气体为O2，调节气体为He的情况下，调节气体的流量的取值范围在1sccm-100sccm。优选的，调节气体的流量为50sccm。由上述图4可知，当氦气的流量为50sccm时，刻蚀选择比可以达到最大值。
可选的，反应腔室的压力的取值范围在1mTorr-100Torr。优选的，反应腔室的压力的取值范围在5mTorr-200mTorr。由于刻蚀工艺所采用的反应腔室的压力较低，这可以避免刻蚀速率过快，从而可以提高刻蚀精度，进而硅介质材料刻蚀方法可以应用于高精度、原子层级的刻蚀工艺中以及刻蚀真空度较高(小于0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中。
可选的，混合气体的总流量的取值范围在20sccm-2000sccm。优选的，混合气体的总流量的取值范围在100sccm-1000sccm。
可选的，将衬底的温度控制在-30-500℃的范围内。优选的，将衬底的温度控制在20-100℃的范围内。
可选的，上电极电源输出的上电极功率的取值范围在50W-8000W。优选的，上电极电源输出的上电极功率的取值范围在200W-2000W。
综上所述，本发明所提供的硅介质材料刻蚀方法，其利用调节气体单独对待刻蚀硅介质材料与衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比进行调控，由于该调节气体电离形成的单原子正离子不与刻蚀气体反应，这使得单原子正离子在等离子体环境下是相对稳定的，可以起到增强物理轰击的作用，从而可以提高不同的两种硅介质材料的刻蚀选择比。同时，由于单原子正离子增强物理轰击作用的程度较小，刻蚀速率较低，对刻蚀后的形貌结果影响较小，从而可以应用于高精度、原子层级的刻蚀工艺中以及刻蚀真空度较高(小于0.1Torr)的高密度等离子体刻蚀设备中。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，包括：
向反应腔室内通入气体，并使所述气体电离形成等离子体，以选择性地对衬底上的待刻蚀硅介质材料进行刻蚀；
其中，所述气体包括刻蚀气体和调节气体，所述调节气体能够电离形成单原子正离子，且所述单原子正离子在等离子体环境下不发生化学反应，所述调节气体用于调节所述待刻蚀硅介质材料与所述衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比；
通过调节下电极电源输出的下电极功率，来调节所述调节气体电离形成的离子能量，以调节所述待刻蚀硅介质材料与所述衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比；
所述待刻蚀硅介质材料包括氮化硅；所述其他硅介质材料包括氧化硅；
所述下电极功率设定在200W及以下，以将所述氮化硅/氧化硅的刻蚀选择比保持在较大的范围内。
2.根据权利要求1所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，通过调节所述调节气体的流量，来调节所述待刻蚀硅介质材料与所述衬底上的其他硅介质材料的刻蚀选择比。
3.根据权利要求1或2所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述调节气体包括氦气、氩气以及三氯化硼中的至少一种；形成的所述单原子正离子包括He+、Ar+以及B+中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述下电极功率的取值范围在50W-4000W。
5.根据权利要求1所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述下电极功率为200W。
6.根据权利要求2所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，根据不同的工艺参数调节所述调节气体的流量，使所述刻蚀选择比达到56.3。
7.根据权利要求1或2所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述调节气体的流量不大于100sccm。
8.根据权利要求7所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述调节气体的流量为50sccm。
9.根据权利要求1所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括用于刻蚀所述待刻蚀硅介质材料的主刻蚀气体和用于调节刻蚀形貌的辅助气体。
10.根据权利要求9所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀气体包括至少一种碳氢氟类气体和/或至少一种碳氟类气体。
11.根据权利要求10所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀气体包括CH3F；所述辅助气体包括O2；所述调节气体包括He。
12.根据权利要求1所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述气体的总流量的取值范围在20sccm-2000sccm。
13.根据权利要求12所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述气体的总流量的取值范围在100sccm-1000sccm。
14.根据权利要求1所述的硅介质材料刻蚀方法，其特征在于，所述反应腔室的压力的取值范围小于100mTorr。
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