CN113035706A - 一种等离子体刻蚀方法和刻蚀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体刻蚀方法和刻蚀装置，包括：提供待刻蚀器件，所述待刻蚀器件包括衬底、依次位于所述衬底上的待刻蚀层和掩膜层，所述掩膜层暴露出所述待刻蚀层的待刻蚀区域；采用刻蚀气体产生的等离子体对所述待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，所述刻蚀气体包含第一气体，所述第一气体包括C4HxFy气体，其中，x≥1、y≥1。由于C4HxFy气体对掩膜层具有极低的刻蚀速率，因此，在采用C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层底部的待刻蚀层进行刻蚀时，可以形成具有较高深宽比的通孔结构，从而可以满足某些应用场景对通孔结构高深宽比的要求。

Description

一种等离子体刻蚀方法和刻蚀装置
技术领域
本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，更具体地说，涉及一种等离子体刻蚀方法和刻蚀装置。
背景技术
在半导体制造工艺中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法刻蚀。其中，干法刻蚀是把器件的表面暴露于刻蚀气体产生的等离子体中，通过等离子体与器件表面的材料发生物理或化学反应，来去掉暴露的表面材料。因此，干法刻蚀也可称为等离子体刻蚀。在等离子体刻蚀过程中，通常会采用CH2F2、CH3F等作为刻蚀气体，但是，其刻蚀出的通孔结构并不能满足某些应用场景对通孔高深宽比的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种等离子体刻蚀方法和刻蚀装置，以满足某些应用场景对刻蚀通孔高深宽比的要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种等离子体刻蚀方法，包括：
提供待刻蚀器件，所述待刻蚀器件包括衬底、依次位于所述衬底上的待刻蚀层和掩膜层，所述掩膜层暴露出所述待刻蚀层的待刻蚀区域；
采用刻蚀气体产生的等离子体对所述待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，所述刻蚀气体包含第一气体，所述第一气体包括C4HxFy气体，其中，x≥1、y≥1。
可选地，所述第一气体包括C4H2F4气体、C4H2F6气体、C4HF7气体、C4H2F8气体或C4H3F7气体中的至少一种。
可选地，所述待刻蚀层包括氧化硅层和氮化硅层中的一层或多层；
所述掩膜层包括PR掩膜层、ACL掩膜层或APF掩膜层中的至少一种。
可选地，所述待刻蚀层和所述掩膜层的刻蚀选择比大于8:1。
可选地，所述刻蚀气体还包含第二气体，所述第二气体包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体中的一种或多种。
一种等离子体刻蚀装置，包括刻蚀腔体以及与所述刻蚀腔体连通的第一气体通路；
所述第一气体通路用于向所述刻蚀腔体通入第一气体，所述第一气体包括C4HxFy气体，以采用包含所述第一气体的刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀器件上的待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，所述待刻蚀器件包括衬底、依次位于所述衬底上的待刻蚀层和掩膜层，所述掩膜层暴露出所述待刻蚀层的待刻蚀区域；其中，x≥1、y≥1。
可选地，所述第一气体包括C4H2F4气体、C4H2F6气体、C4HF7气体、C4H2F8气体或C4H3F7气体中的至少一种。
可选地，所述待刻蚀层包括氧化硅层和氮化硅层中的一层或多层；
所述掩膜层包括PR掩膜层、ACL掩膜层或APF掩膜层中的至少一种。
可选地，所述待刻蚀层和所述掩膜层的刻蚀选择比大于8:1。
可选地，还包括与所述刻蚀腔体连通的第二气体通路；
所述第二气体通路用于向所述刻蚀腔体通入第二气体，所述第二气体包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体中的一种或多种气体，以采用包含所述第一气体和所述第二气体的刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀器件进行刻蚀。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的等离子体刻蚀方法和刻蚀装置，采用包含第一气体即C4HxFy气体的刻蚀气体产生的等离子体，对待刻蚀器件上的待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，由于C4HxFy气体对掩膜层具有极低的刻蚀速率，因此，在采用C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层底部的待刻蚀层进行刻蚀时，可以形成具有较高深宽比的通孔结构，从而可以满足某些应用场景对通孔结构高深宽比的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种等离子刻蚀方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种待刻蚀器件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的C4H2F4气体的多种同分异构体的示意图；
图4为本发明实施例提供的C4H2F6气体的多种同分异构体的示意图；
图5为本发明实施例提供的C4HF7气体的多种同分异构体的示意图；
图6为本发明实施例提供的C4H2F8气体的多种同分异构体的示意图；
图7为本发明实施例提供的C4H3F7气体的多种同分异构体的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种等离子刻蚀装置的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术，采用CH2F2、CH3F等产生的等离子体刻蚀出的结构的深宽比较小，并不能满足某些应用场景对高深宽比的要求。发明人研究发现，造成这种问题的原因主要是，CH2F2、CH3F等产生的等离子体对掩膜层的刻蚀速率较大，在采用CH2F2、CH3F等产生的等离子体对掩膜层底部的待刻蚀层进行刻蚀时，不仅会在深度方向上进行刻蚀，而且会在宽度方向上进行刻蚀，导致刻蚀出的通孔结构的深宽比较小。
基于此，本发明提供了一种等离子体刻蚀方法和刻蚀装置，以克服现有技术存在的上述问题，其中，该刻蚀方法包括：
提供待刻蚀器件，待刻蚀器件包括衬底、依次位于衬底上的待刻蚀层和掩膜层，掩膜层暴露出待刻蚀层的待刻蚀区域；
采用刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，刻蚀气体包含第一气体，第一气体包括C4HxFy气体，其中，x≥1、y≥1。
由于C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层具有极低的刻蚀速率，因此，本发明中，在采用C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层底部的待刻蚀层进行刻蚀时，可以形成具有较高深宽比的通孔结构，从而可以满足某些应用场景对通孔结构高深宽比的要求。
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种等离子体刻蚀方法，如图1所示，包括：
S101：提供待刻蚀器件；
如图2所示，该待刻蚀器件包括衬底10、依次位于衬底10上的待刻蚀层11和掩膜层12，掩膜层12暴露出待刻蚀层11的待刻蚀区域。其中，待刻蚀层11和掩膜层12可以直接位于衬底10表面，也可以位于衬底10上的其他膜层如缓冲层表面。采用如曝光显影的方式将掩膜层12形成在待刻蚀层11表面后，掩膜层12会暴露出待刻蚀层11的待刻蚀区域，掩盖待刻蚀层11的其他不需要刻蚀的区域。
可选地，衬底10为硅、锗等衬底。可选地，待刻蚀层11为介质材料，包括氧化硅层和氮化硅层等，可选地，待刻蚀层11包括中氧化硅层和氮化硅层的一层或多层。可选地，掩膜层12为等离子体刻蚀中常用的硬掩膜，通常为碳基材料，进一步可选地，掩膜层12包括PR(Photo Resistance，光阻)掩膜层、ACL(非晶碳层)掩膜层或APF(AdvancedPatterningFilm，先进图膜)掩膜层中的至少一种。
当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，待刻蚀层11也可以为其他材料层，掩膜层12也可以为其他材料层，只要需要形成高深宽比的通孔结构，都可以采用本发明实施例提供的等离子体刻蚀方法。
S102：采用刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，刻蚀气体包含第一气体，第一气体包括C4HxFy气体，其中，x≥1、y≥1。
将待刻蚀器件放入反应腔体后，向反应腔体内通入刻蚀气体，该刻蚀气体包含第一气体，该第一气体包括C4HxFy气体，之后，电离刻蚀气体后，产生相应的等离子体，采用该等离子体对待刻蚀器件暴露出的待刻蚀层11的待刻蚀区域进行刻蚀后，即可形成所需的高深宽比的通孔结构。
由于C4HxFy(x≥1、y≥1)气体具有更高的碳氟比，使得其更容易形成长链的高分子副产物，该高分子副产物会附着于掩膜层12的表面，使得C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层12具有极低的刻蚀速率，相对而言，C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层12底部的待刻蚀层11具有较高的刻蚀速率。可选地，当待刻蚀层11的材料为氮化硅和/或氧化硅时，待刻蚀层11和掩膜层12的刻蚀选择比大于8:1。
基于此，在采用C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层12底部的待刻蚀层11进行刻蚀时，在深度方向Y上的刻蚀长度L1远大于在宽度方向X上的刻蚀长度L2，从而可以形成具有较高深宽比即L1/L2较大的通孔结构，从而可以满足某些应用场景对通孔结构高深宽比的要求。
其中，C4HxFy气体的分子式为C4HxFy(x≥1、y≥1)，是具有四碳、含氢、含氟的烷、烃、炔气体。如C4H2F4，x＝2，y＝4，中文名为四氟丁二烯或四氟丁炔，如图3所示，具有多种同分异构体，不同的同分异构体的结构式不同，以CF2＝CH-CH＝CF2为例，第一个C和第二个C通过“＝”结合，第二个C与第三个C通过“-”结合，第三个C和第四个C通过“＝”结合，CF2中两个F与C通过“-”结合，CH中H与C通过“-”结合。如C4H2F6，x＝2，y＝6，中文名为六氟丁烯，或六氟环丁烷，如图4所示，具有多种同分异构体。如C4HF7，x＝1，y＝7，中文名为七氟丁烯，或七氟环丁烷，如图5所示，具有多种同分异构体。如C4H2F8，x＝2，y＝8，中文名为八氟丁烷，如图6所示，具有多种同分异构体。又如C4H3F7，x＝3，y＝7，中文名为七氟丁烷，如图7所示，具有多种同分异构体。基于此，可选地，本发明实施例中的第一气体可以包括C4H2F4气体、C4H2F6气体、C4HF7气体、C4H2F8气体或C4H3F7气体中的至少一种。
需要说明的是，本发明实施例中，也可以采用第一气体和第二气体的混合气体作为刻蚀气体，该第二气体包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体中的一种或多种。其中，碳氟化合物气体包括CH2F2、CH3F等。
本发明实施例还提供了一种等离子体刻蚀装置，如图8所示，包括刻蚀腔体20以及与刻蚀腔体20连通的第一气体通路21，其中，第一气体通路21用于向刻蚀腔体20内通入第一气体。
需要说明的是，本发明实施例中的等离子体刻蚀装置可以是电容耦合性等离子体刻蚀装置，也可以是电感耦合性等离子体刻蚀装置。当等离子体刻蚀装置为电容耦合性等离子体刻蚀装置时，该刻蚀装置还包括射频电流源、第一电极和第二电极等器件，并且，第一气体通路21从第一电极处通入刻蚀腔体20，当等离子体刻蚀装置为电感耦合性等离子体刻蚀装置时，该刻蚀装置还包括射频电流源和电感线圈等，在此不再一一赘述。
其中，第一气体包括C4HxFy气体，x≥1、y≥1，从而可以采用包含第一气体的刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀器件上的待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，如图2所示，该待刻蚀器件包括衬底10、依次位于衬底10上的待刻蚀层11和掩膜层12，掩膜层12暴露出待刻蚀层11的待刻蚀区域。
可选地，衬底10为硅、锗等衬底。可选地，待刻蚀层11为介质材料，包括氧化硅层和氮化硅层等，可选地，待刻蚀层11包括中氧化硅层和氮化硅层的一层或多层。可选地，掩膜层12为等离子体刻蚀中常用的硬掩膜，通常为碳基材料，包括PR掩膜层、ACL掩膜层或APF掩膜层中的至少一种。
由于C4HxFy(x≥1、y≥1)气体具有更高的碳氟比，使得其更容易形成长链的高分子副产物，该高分子副产物会附着于掩膜层12的表面，使得C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层12具有极低的刻蚀速率，相对而言，C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层12底部的待刻蚀层11具有较高的刻蚀速率。可选地，当待刻蚀层11的材料为氮化硅和/或氧化硅时，待刻蚀层11和掩膜层12的刻蚀选择比大于8:1。
基于此，在采用C4HxFy气体产生的等离子体对掩膜层12底部的待刻蚀层11进行刻蚀时，在深度方向Y上的刻蚀长度L1远大于在宽度方向X上的刻蚀长度L2，从而可以形成具有较高深宽比即L1/L2较大的通孔结构，从而可以满足某些应用场景对通孔结构高深宽比的要求。
其中，C4HxFy气体的分子式为C4HxFy(x≥1、y≥1)，是具有四碳、含氢、含氟的烷、烃、炔气体。可选地，本发明实施例中的第一气体可以包括C4H2F4气体、C4H2F6气体、C4HF7气体、C4H2F8气体或C4H3F7气体中的至少一种。需要说明的是，本发明实施例中装置可以包括多个第一气体通路21，以通过不同的第一气体通路21通入不同分子式的C4HxFy气体。
需要说明的是，本发明实施例中，也可以采用第一气体和第二气体的混合气体作为刻蚀气体，该第二气体可以包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体等中的一种或多种。其中，碳氟化合物气体包括CH2F2、CH3F等。
基于此，本发明实施例提供的等离子体刻蚀装置还包括与刻蚀腔体20连通的第二气体通路。第二气体通路用于向刻蚀腔体通入第二气体，第二气体包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体中的一种或多种气体，以采用包含第一气体和第二气体的刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀器件进行刻蚀。同样，本发明实施例中装置也可以包括多个第二气体通路，以通过不同的第二气体通路通入不同第二气体。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种等离子体刻蚀方法，其特征在于，包括：
提供待刻蚀器件，所述待刻蚀器件包括衬底、依次位于所述衬底上的待刻蚀层和掩膜层，所述掩膜层暴露出所述待刻蚀层的待刻蚀区域；
采用刻蚀气体产生的等离子体对所述待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，所述刻蚀气体包含第一气体，所述第一气体包括C4HxFy气体，其中，x≥1、y≥1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一气体包括C4H2F4气体、C4H2F6气体、C4HF7气体、C4H2F8气体或C4H3F7气体中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待刻蚀层包括氧化硅层和氮化硅层中的一层或多层；
所述掩膜层包括PR掩膜层、ACL掩膜层或APF掩膜层中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述待刻蚀层和所述掩膜层的刻蚀选择比大于8:1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀气体还包含第二气体，所述第二气体包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体中的一种或多种。
6.一种等离子体刻蚀装置，其特征在于，包括刻蚀腔体以及与所述刻蚀腔体连通的第一气体通路；
所述第一气体通路用于向所述刻蚀腔体通入第一气体，所述第一气体包括C4HxFy气体，以采用包含所述第一气体的刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀器件上的待刻蚀层的待刻蚀区域进行刻蚀，所述待刻蚀器件包括衬底、依次位于所述衬底上的待刻蚀层和掩膜层，所述掩膜层暴露出所述待刻蚀层的待刻蚀区域；其中，x≥1、y≥1。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一气体包括C4H2F4气体、C4H2F6气体、C4HF7气体、C4H2F8气体或C4H3F7气体中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述待刻蚀层包括氧化硅层和氮化硅层中的一层或多层；
所述掩膜层包括PR掩膜层、ACL掩膜层或APF掩膜层中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述待刻蚀层和所述掩膜层的刻蚀选择比大于8:1。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括与所述刻蚀腔体连通的第二气体通路；
所述第二气体通路用于向所述刻蚀腔体通入第二气体，所述第二气体包括氩气、氧气、氮气、碳氟化合物气体中的一种或多种气体，以采用包含所述第一气体和所述第二气体的刻蚀气体产生的等离子体对待刻蚀器件进行刻蚀。
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