CN116730279A - 一种氧化硅的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化硅的刻蚀方法，包括：提供衬底，衬底包括氧化硅层，氧化硅层上设有掩膜层；向工艺腔室通入第一刻蚀气体，并向工艺腔室的上电极和下电极分别加载上电极功率信号和下电极功率信号，以对氧化硅层进行刻蚀，在氧化硅层中形成刻蚀沟槽，上电极功率信号和下电极功率信号采用同步脉冲模式。本发明能够简化刻蚀工序并获得深宽比较高的氧化硅形貌结构。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制造领域，更具体地，涉及一种氧化硅的刻蚀方法。
背景技术
随着微机电系统(英文全称Micro Electro Mechanical System，简称MEMS)技术的发展，硅材料开始作为一种低成本、易加工的结构材料在微电子领域中兴起。但作为一种功能材料，硅材料的性能还有很多方面的不足，在新型MEMS器件——光电传输领域，其传输损耗较大，很多各种各样的材料显示出比硅更好的性能(品质因数Q)。具体而言，在光波导、微波技术、传感器和生物芯片等技术领域，以氧化硅、石英和玻璃作基础材料的器件应运而生。
然而，目前的现有氧化硅刻蚀技术所获得的高深宽氧化硅微结构存在工艺步骤复杂、效率低以及刻蚀形貌侧壁垂直度低等问题，无法满足MEMS领域的需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种氧化硅的刻蚀方法，实现简化刻蚀工序并获得深宽比较高的氧化硅形貌结构。
为实现上述目的，本发明提出了一种氧化硅的刻蚀方法，包括：
提供衬底，所述衬底包括氧化硅层；
向工艺腔室通入第一刻蚀气体，并向所述工艺腔室的上电极和下电极分别加载上电极功率信号和下电极功率信号，以对所述氧化硅层进行刻蚀，在所述氧化硅层中形成刻蚀沟槽，所述上电极功率信号和所述下电极功率信号采用同步脉冲模式，所述同步脉冲模式为所述上电极功率信号和所述下电极功率信号同步。
可选地，所述第一刻蚀气体包括第一碳氟类气体和副产物去除气体；
在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，在所述上电极功率信号和所述下电极功率信号处于开启周期时，所述第一碳氟类气体刻蚀所述氧化硅层，所述副产物去除气体清除刻蚀产生的副产物；在所述上电极功率信号和所述下电极功率信号处于关闭周期时，抽取刻蚀产生的副产物。
可选地，所述第一碳氟类气体中C原子与F原子的比值大于等于1/2；和/或
所述副产物去除气体包括O2。
可选地，所述第一刻蚀气体还包括稀释气体，所述稀释气体包括Ar和He的至少其中之一。
可选地，所述第一碳氟类气体包括C4F6，所述副产物去除气体包括O2，所述稀释气体包括Ar；
所述第一刻蚀气体中Ar、C4F6及O2的气体流量比值范围为(50-70)：(1.5-3)：1。
可选地，在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，采用的工艺温度为60℃-80℃。
可选地，在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，所述下电极功率信号的峰值功率范围为600-900W；和/或
所述上电极功率信号的峰值功率范围为300-750W。
可选地，所述上电极功率信号和所述下电极功率信号的频率范围为1000-2500Hz，脉冲占空比范围为15-30％。
可选地，在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，采用的腔室压力范围为4-7mT。
可选地，在所述第一刻蚀气体中：
O2气体流量范围为4-10sccm；
Ar气体流量范围为250-450sccm；
C4F6气体流量范围为10-20sccm。
可选地，在对所述氧化硅层进行刻蚀之后，还包括：
利用第二刻蚀气体去除所述刻蚀沟槽的顶部及侧壁上的残余副产物，所述第二刻蚀气体包括第二碳氟类气体和第二副产物去除气体。
可选地，所述第二碳氟类气体的碳氟比小于第一碳氟类气体；和/或
所述第二副产物去除气体包括O2。
可选地，所述利用第二刻蚀气体刻蚀所述氧化硅层采用的工艺参数还包括：
工艺腔室压力范围为10-30mT；
工艺温度范围为60-80℃。
本发明的有益效果在于：
本发明的氧化硅刻蚀方法在刻蚀在氧化硅过程中，上电极功率和下电极功率采用同步脉冲模式，且上电极功信号和下电极功率信号的频率及占空比相同，进行上下电极功率同步脉冲刻蚀工艺时，上电极功率会和下电极功率同时开启或关闭，开启时发生刻蚀并产生副产物和聚合物，在关闭时，通过机台的泵可以将功率开启阶段产生的部分副产物和聚合物抽走，且由于上电极功率的关闭，此时不会产生新的副产物和聚合物，因此能够获得深宽比和垂直度较高的刻蚀形貌，通过本方法仅通过一步刻蚀即可完成氧化硅刻蚀，工艺流程简单。
本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了相关技术一的一种氧化硅刻蚀方法各步骤对应的刻蚀形貌图。
图2示出了根据本发明的实施例的一种氧化硅的刻蚀方法的步骤图。
图3示出了根据本发明实施例的一种氧化硅的刻蚀方法中衬底膜层结构示意图。
图4示出了根据本发明实施例的一种氧化硅的刻蚀方法中完成主刻蚀步骤后的刻蚀形貌TEM表征图。
图5示出了根据本发明实施例的一种氧化硅的刻蚀方法中完成清除步骤后刻蚀形貌的结构示意图。
图6示出了根据本发明实施例的一种氧化硅的刻蚀方法中完成清除步骤后的刻蚀形貌TEM表征图。
图7示出了采用现有Bosch时分复用刻蚀方案得到的工艺结果TEM表征图。
具体实施方式
相关技术一提出了一种氧化硅的刻蚀方法，利用Bosch工艺中的时分复用方法，采用侧壁沉积保护和化学刻蚀交替进行的方式来实现氧化硅的刻蚀。其工艺过程如图1所示，其中，沉积步采用八氟环丁烷提供侧壁保护，下电极功率较小(小于200W)或者关闭，也可以选用CHF3等其它碳氟类气体；刻蚀步采用CF4和Ar混合气体作化学刻蚀剂，也可以选用Ne或者Kr来替代Ar，也可以在CF4的基础上添加SF6或者NF3。若采用硅作掩模或者要提高底部对硅的选择比，还可以在刻蚀气体中加入H2。通过Bosch工艺中时分复用的方式，进行边沉积保护，边化学刻蚀，最终实现较高深宽比的氧化硅刻蚀。
该方法在进行Bosch工艺过程中，会涉及多次循环，工艺时间较长。
相关技术二公开了一种氧化硅刻蚀方法，其在具有至少75％体积占比的氦的蚀刻环境下蚀刻到含氧化硅材料中的方法。其蚀刻环境还包括一氧化碳、O2以及一种或一种以上碳氟化合物。可利用形成于所述含氧化硅材料中的开口来制造容器电容器。
该方法获得的刻蚀形貌为倒梯形，垂直度低。
为解决相关技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种氧化硅的刻蚀方法，通过同步脉冲的等离子体刻蚀方式，对氧化硅膜层进行刻蚀，能够获得一种较高深宽比且垂直度较高的氧化硅刻蚀形貌。
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例
如图2所示，本实施例提供一种氧化硅的刻蚀方法，具体包括：
S1：提供衬底，衬底包括氧化硅层104；
具体地，如图3所示，本实施例的衬底膜层结构包括从上至下层叠的光刻胶层101(PR)，介质抗反射层102(Darc)，有机介电层103(ODL)，氧化硅层104，原子层沉积氮化硅层105，以及由单晶硅106和氮化硅层107形成的基底层。其中，光刻胶层101、介质抗反射层102和有机介电层103共同构成掩膜层。
本实施例的刻蚀工艺根据膜层分布，分为介质抗反射层102刻蚀、有机介电层103刻蚀、氧化硅层104刻蚀。其中，介质抗反射层102刻蚀作用为定义关键尺寸(CD)及提升关键尺寸均匀性(CDU)，有机介电层103刻蚀作用为图形传递。
在对氧化硅层104刻蚀之前，首先完成对介质抗反射层102的刻蚀和机介电层103的刻蚀步骤，具体包括：
BT步：刻蚀介质抗反射层102，以CF4和CHF3为刻蚀气体，完成图形从光阻掩膜到介质抗反射层的图像转移。
本步骤的工艺参数包括：
腔室压力10-20mT；上电极功率500-1000W；下电极功率50-200W；CF4气体流量20-100sccm；CHF3气体流量20-200sccm；He气体流量100-300sccm.刻蚀时间20-30s；卡盘温度30℃。
ODL步：刻蚀有机介电层103，以O2、COS、Ar气体为主，作为图形传递的关键。
本步骤的工艺参数包括：
腔室压力5-10mT；上电极功率700-1200W；下电极功率200-400W；O2气体流量20-40sccm；COS气体流量20-100sccm；Ar气体流量200-450sccm；刻蚀时间40-100s；卡盘温度30℃。
S2：向工艺腔室通入第一刻蚀气体，并向工艺腔室的上电极和下电极分别加载上电极功率信号和下电极功率信号，以对氧化硅层104进行刻蚀，在氧化硅层104中形成刻蚀沟槽，上电极功率信号和下电极功率信号采用同步脉冲模式，同步脉冲模式为上电极功率信号和下电极功率信号同步，所谓同步指的是上电极功率信号和下电极功率信号同时开启、同时关闭且频率和占空比相同。本实施例中的刻蚀工艺例如可以在电感耦合(ICP)的半导体工艺设备中进行。
本步骤为主刻蚀步(ME步)，具体包括：
利用第一刻蚀气体刻蚀氧化硅层104，第一刻蚀气体包括第一碳氟类气体和副产物去除气体；刻蚀过程中，在上电极功率信号和下电极功率信号处于开启周期时，也就是脉冲信号处于ON的时间段，第一碳氟类气体刻蚀氧化硅层，副产物去除气体清除刻蚀产生的副产物；在上电极功率信号和下电极功率信号处于关闭周期时，也就是脉冲信号处于OFF的时间段，抽取刻蚀产生的副产物。
其中，第一碳氟类气体中C原子与F原子的比值大于等于1/2。可选地，第一碳氟类气体包括C4F6和C4F8的至少其中之一，本步骤优选为C4F6。
C4F6作为一种高C/F比的气体具有较高的SiO2的蚀刻速率以及较高的SiO2薄膜对光刻胶层或有机介电层的选择比。同样基于高的C/F比气体，在刻蚀过程中极易形成聚合物，容易导致最终刻蚀的终止。因此本步骤中加入了副产物去除气体，可以有效避免氧化硅刻蚀终止。
优选地，副产物去除气体包括O2。在主刻蚀步加入O2，能够有效降低低C4F6在刻蚀过程中所形成的副产物和聚合物堆积。使得在刻蚀时同步进行聚合物的清理，有利于高深宽比，垂直度较高的氧化硅形貌结构形成。
可选地，第一刻蚀气体还包括稀释气体，稀释气体包括Ar和He的至少其中之一，本步骤优选为Ar。
在第一刻蚀气体中加入Ar作为稀释气体，可以调节反应强度，同时Ar更容易被解离以提供电子来维持等离子体的稳定，刻蚀气体中的Ar能够提供较强的物理轰击能力，有利于形成一种高深宽比，垂直度较高的氧化硅形貌结构。
本实施例的第一刻蚀气体包括C4F6、O2和Ar；优选地，第一刻蚀气体中Ar、C4F6及O2的气体流量比值范围为(50-70)：(1.5-3)：1。
在以C4F6、Ar、O2作为刻蚀气体的选择中，三种气体的比例尤为重要，Ar:C4F6:O2控制在(50-70)：(1.5-3)：1，使得刻蚀为物理化学刻蚀，能够形成比较好的形貌结构。
优选地，本步骤采用的工艺温度为60℃-80℃。相对高温的环境有利于刻蚀副产物的挥发清理，同时能加速反应进行。
优选地，本步骤采用的下电极脉冲模式加载的峰值功率范围为600-900W。采用较高的下电极功率可以提供较强的轰击能力，增加刻蚀速率。
优选地，本步骤采用的腔室压力范围为4-7mT。采用4-7mT相对低压的环境，低压的环境一方面分子的平均自由程变长，粒子间的碰撞几率变低，刻蚀气体中Ar作为主要的惰性稀释气体，能够提供较强的物理轰击能力，有利于形成一种高深宽比，垂直度较高的氧化硅形貌结构；另一方面，低压的环境使得刻蚀的均匀性相对较好。
优选地，本步骤采用的工艺参数还包括：
上电极脉冲模式加载的峰值功率范围为300-750W；
在第一刻蚀气体中：
O2气体流量范围为4-10sccm；
Ar气体流量范围为250-450sccm；
C4F6气体流量范围为10-20sccm；
刻蚀工艺时间范围为240-300s；
卡盘温度为60℃-80℃，例如可以为80℃。
本步骤作为主刻蚀步，以上层有机介电层103作为掩膜，采用上下电极功率信号同步脉冲的方式，以C4F6、Ar、O2作为主要刻蚀气体，提升氧化硅对上层有机介电层103的选择比。同时进行高温处理，使得在刻蚀过程中产生的副产物及聚合物更易挥发，容易通过机台的干泵进行抽取。
优选地，本步骤中，上电极及下电极脉冲的频率范围为1000-2500Hz，脉冲占空比范围为15-30％。
本步骤在上下电极功率的选择上采用同步脉冲模式，上下电极功率在频率和占空比上保持同步，开启时发生刻蚀并产生副产物和聚合物，在关闭时，通过机台的泵可以将之前产生的部分副产物和聚合物抽走，且由于上电极功率关闭，无法产生新的副产物和聚合物，有利于副产物和聚合物的清理，避免了副产物和聚合物堆积所造成的刻蚀停止。
具体而言，上电极脉冲功率信号和下电极脉冲功率信号占空比决定了上、下电极功率的开启时间和关闭时间，在上、下电极功率开启时间内C4F6能够与氧化硅反应，对氧化硅进行刻蚀，同时O2能够与刻蚀产生的副产物反应，起到减少副产物的作用；在上、下电极功率关闭时间内可以通过机台的泵将被刻蚀氧化硅表面的副产物抽离腔室，达到去除副产物的作用。以占空比30％为例，即在一个脉冲周期里，上下电极功率信号开启时间的占比为30％，这一部分时间进行氧化硅的刻蚀，刻蚀过程会在氧化硅表面产生副产物；上下电极功率信号关闭时间占比70％，在上下电极功率信号关闭时间内，不会产生新的副产物，且腔室始终处于控压状态，因此在关闭的时候，工艺腔室中会继续进行流气和分子泵抽取，这一部分时间将完成副产物的抽取，防止副产物堆积所造成的刻蚀终止。
此外，在同步脉冲的功率关闭后期阶段，带负电荷粒子由电子变为负离子，腔室中的粒子由原先的电子和离子变成正离子和负离子，且正负离子通量达到基本相同。此时离子鞘崩塌，负离子可以到达基体的底部，平衡其正电荷积累，此过程有利于底部聚合物的清除，避免接下来的刻蚀过程中由残留聚合物不均匀堆积造成的刻蚀停止。高的下电极功率容易获得垂直度较高的形貌结构。
本步骤刻蚀完成后的工艺结果如图4所示，可以看出采用同步脉冲对于上层ODL掩膜有着较高的选择比。
本实施例中，在对氧化硅层104进行刻蚀之后，还包括：
S3：利用第二刻蚀气体去除氧化硅刻蚀沟槽的顶部及侧壁上的残余副产物；
第二刻蚀气体包括第二碳氟类气体和第二副产物去除气体。
优选地，本步骤的第二碳氟类气体包括CF4，第二副产物去除气体包括O2。
优选地，本步骤采用的工艺腔室压力范围为10-30mT；工艺温度范围为60-80℃，优选80℃。较高的工艺温度和较高的腔压可以提高副产物及聚合物的清除效果。
优选地，本步骤采用的工艺参数还包括：
上电极功率范围为800-2000W；
下电极功率范围为0-50W；
CF4气体流量范围为10-30sccm；
O2气体流量范围为200-500sccm；
工艺时间范围为20-50s。
具体地，本步骤为副产物去除步(Strip步)，采用CF4和O2作为刻蚀气体，并在较高的温度和较高的腔压下清理刻蚀形貌顶部和侧壁的副产物及聚合物残余。完成刻蚀的形貌如图5所示。
本实施例中，各刻蚀步采用的优选工艺配方如表1所示。
表一：刻蚀工艺配方表
采用以上工艺配方得到的工艺结果如图6所示，可以看出获得的氧化硅刻蚀性形貌的深宽比可以达5：1，且侧壁垂直度较高。
同时，如图7所示，采用目前的Bosch时分复用方案刻蚀氧化硅得到的工艺结果，Bosch工艺所形成的形貌关键尺寸偏大(μm级)，且随着关键尺寸缩小，Bosch工艺对沉积步和刻蚀步有着更高的要求。而从图6可以看出，本方案关键尺寸为(nm级)，本方案可在更小关键尺寸下通过电感耦合同步脉冲的方式，实现较高深宽比，垂直度较高的氧化硅刻蚀方案，且工艺更加简单。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (13)
1.一种氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底包括氧化硅层；
向工艺腔室通入第一刻蚀气体，并向所述工艺腔室的上电极和下电极分别加载上电极功率信号和下电极功率信号，以对所述氧化硅层进行刻蚀，在所述氧化硅层中形成刻蚀沟槽，所述上电极功率信号和所述下电极功率信号采用同步脉冲模式，所述同步脉冲模式为所述上电极功率信号和所述下电极功率信号同步。
2.根据权利要求1所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体包括第一碳氟类气体和副产物去除气体；
在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，在所述上电极功率信号和所述下电极功率信号处于开启周期时，所述第一碳氟类气体刻蚀所述氧化硅层，所述副产物去除气体清除刻蚀产生的副产物；在所述上电极功率信号和所述下电极功率信号处于关闭周期时，抽取刻蚀产生的副产物。
3.根据权利要求2所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述第一碳氟类气体中C原子与F原子的比值大于等于1/2；和/或
所述副产物去除气体包括O2。
4.根据权利要求2所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体还包括稀释气体，所述稀释气体包括Ar和He的至少其中之一。
5.根据权利要求4所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述第一碳氟类气体包括C4F6，所述副产物去除气体包括O2，所述稀释气体包括Ar；
所述第一刻蚀气体中Ar、C4F6及O2的气体流量比值范围为(50-70)：(1.5-3)：1。
6.根据权利要求5所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，采用的工艺温度为60℃-80℃。
7.根据权利要求6所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，所述下电极功率信号的峰值功率范围为600-900W；和/或
所述上电极功率信号的峰值功率范围为300-750W。
8.根据权利要求7所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述上电极功率信号和所述下电极功率信号的频率范围为1000-2500Hz，脉冲占空比范围为15-30％。
9.根据权利要求8所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，在对所述氧化硅层进行刻蚀的步骤中，采用的腔室压力范围为4-7mT。
10.根据权利要求5所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，在所述第一刻蚀气体中：
O2气体流量范围为4-10sccm；
Ar气体流量范围为250-450sccm；
C4F6气体流量范围为10-20sccm。
11.根据权利要求1所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，在对所述氧化硅层进行刻蚀之后，还包括：
利用第二刻蚀气体去除所述刻蚀沟槽的顶部及侧壁上的残余副产物，所述第二刻蚀气体包括第二碳氟类气体和第二副产物去除气体。
12.根据权利要求11所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述第二碳氟类气体的碳氟比小于第一碳氟类气体；和/或
所述第二副产物去除气体包括O2。
13.根据权利要求12所述的氧化硅的刻蚀方法，其特征在于，所述利用第二刻蚀气体刻蚀所述氧化硅层采用的工艺参数还包括：
工艺腔室压力范围为10-30mT；
工艺温度范围为60-80℃。
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| CN202310583019.2A CN116730279A (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 一种氧化硅的刻蚀方法 |
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