CN117855028A - 一种SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，硅基体在SiO2干法刻蚀且去胶后依次进行等离子处理和湿法处理；等离子处理在干法刻蚀设备中进行，惰性气体作为物理轰击气体，CF4和/或O2作为与聚合物发生化学反应的气体，其中，惰性气体、CF4和/或O2的体积比为5:1:1，电源功率为300W，湿法处理在湿法槽中进行，清洗药液包括氢氟酸溶液，氢氟酸溶液的浓度为50:1，清洗温度为21℃，清洗时间为3～5min。先采用等离子处理顽固的聚合物，采用湿法除去前一步骤产生的新的聚合物，大大改善了硅基器件的性能，在干法刻蚀制芯片中除去聚合物具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法及其应用。
背景技术
半导体集成电路和功率器件的发展日新月异，各种先进设备和先进制程的开发和改善，大大提升了器件的可制造性和过程的稳定性。对于某些半导体制造过程中固有的衍生现象，也是通过流程和工艺的不断改进，降低衍生影响，提升过程的质量，最终获得高性能的产品。
刻蚀工艺是半导体制造的基础工艺，与光刻工艺相结合，进行器件的图形转移。刻蚀工艺根据刻蚀的模式，可分为干法刻蚀和湿法刻蚀两类。湿法刻蚀主要通过湿法药液的化学反应，去除不想要的材料物质，其主要特点是各项同性、易于控制，但是不适用于较小尺寸的图形加工，一般而言使用在2um以上线宽控制；干法刻蚀主要是通过电离后的气体/自由基，在特定的真空和电场环境下，与材料发生物理、化学两种反应，去除不想要的材料物质，其主要特点是可以各向异性，获得较好的刻蚀形貌，且适用于较小尺寸的图形加工。
干法刻蚀由于工艺特性，在某些介质刻蚀之后，表面会残留高分子聚合物(Polymer)，此Polymer的存在会对产品性能以及后续的工序产生不良的影响，所以在刻蚀后，会增加一个去除Polymer的工步。目前，关于去除Polymer无统一的模式，存在多种方式去除Polymer，去除Polymer的能力也各有差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：目前，关于去除Polymer无统一的模式，存在多种方式去除Polymer，去除Polymer的能力也各有差异。
本发明提供一种SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，硅基体在SiO2干法刻蚀且去胶后依次进行等离子处理和湿法处理；
等离子处理在干法刻蚀设备中进行，惰性气体作为物理轰击气体，CF4和/或O2作为与聚合物发生化学反应的气体，其中，惰性气体、CF4和/或O2的体积比为5:1:1，电源功率为300W，
湿法处理在湿法槽中进行，清洗药液包括氢氟酸溶液，氢氟酸溶液的浓度为50:1HF，清洗温度为21℃，清洗时间为3～5min。
作为一种可能的设计，所述等离子处理中先进行氩气轰击，再发生化学反应。
作为一种可能的设计，所述等离子处理中，与聚合物发生化学反应的气体为O2，O2的纯度为99.9999％
作为一种可能的设计，所述等离子处理中，与聚合物发生化学反应的气体为O2和CF4的混合物，O2和CF4的体积比为1:1～2:1
作为一种可能的设计，所述惰性气体为氩气。
作为一种可能的设计，所述惰性气体、CF4和/或O2的体积比为4:1:1～8:1:2
作为一种可能的设计，所述电源功率为200～400W
作为一种可能的设计，所述氢氟酸溶液的浓度为100:1～20:1HF
作为一种可能的设计，所述清洗温度为19～23℃
本发明的有益效果为：
本发明先采用等离子处理顽固的聚合物，具体地：惰性气体进行物理轰击，将大部分的聚合物击落；随后采用氧化气体和残留的聚合物反应，生产可被管路抽走的挥发物，进一步减少聚合物的残留。采用湿法除去前一步骤产生的新的聚合物，大大改善了硅基器件的性能。本发明公开的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法在干法刻蚀制芯片中除去聚合物具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中包括利用SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法来制作芯片的工序流程图；
图2为本发明实施例中SiO2生长后基体的结构图；
图3为本发明实施例中光刻后基体的结构图；
图4为本发明实施例中SiO2干法刻蚀后基体的结构图；
图5为本发明实施例中去胶后基体的结构图；
图6为本发明实施例中等离子处理后基体的结构图；
图7为本发明实施例中湿法处理后基体的结构图；
图8为本发明对比例1所得一个基体的缺陷图；
图9为本发明实施例1所得一个基体的缺陷图；
图10为本发明对比例1所得另一个基体的缺陷图；
图11为本发明实施例1所得另一个基体的缺陷图；
图12为本发明对比例1所得一个基体的SEM电子扫描显微镜图片；
图13为本发明对比例1所得另一个基体的SEM电子扫描显微镜图片；
图14为本发明实施例1所得一个基体的SEM电子扫描显微镜图片；
图15为本发明实施例1所得另一个基体的SEM电子扫描显微镜图片；
图16为本发明实施例1所得两个基体和对比例1所得一个基体的IGSS栅源漏电(低压)测验图；
图17为本发明实施例1所得两个基体和对比例1所得一个基体的IGSS栅源漏电(高压)测验图；
图18为本发明实施例1所得两个基体和对比例1所得一个基体的BVDSS反向电压测验图；
图19为本发明实施例中多晶刻蚀后基体的结构图；
图20为本发明实施例中刻蚀后清洗后基体的结构图；
图21为本发明实施例中Pwell注入后基体的结构图；
图22为本发明实施例中扩散前清洗后基体的结构图；
图23为本发明实施例中Pwell扩散后基体的结构图；
图24为本发明对比例1所述工艺获得器件的CP良率图；
图25为本发明实施例1所述工艺获得的器件的CP良率图；
图26为本发明对比例1所述工艺获得器件的CP良率Map图；
图27为本发明实施例1所述工艺获得的器件的CP良率Map图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在芯片制造领域中，干法刻蚀是常见的制造方式之一，但是对于某些介质干法刻蚀后表面会残留高分子聚合物(Polymer)，此Polymer的存在会对产品性能以及后续的工序产生不良的影响，所以在刻蚀后会增加一个去除Polymer的工步。当前而言，Polymer的去除方式无统一的模式，存在多种方式，去除Polymer的能力也各有差异。
针对上述问题，本发明提供一种SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，硅基体在SiO2干法刻蚀且去胶后依次进行等离子处理和湿法处理。通过等离子处理和湿法处理相结合的方式，能够较好的去除SiO2干法刻蚀后残留聚合物。等离子处理属于干法刻蚀中的一种，主要是去除SiO2干法刻蚀后残留的聚合物，湿法处理主要是将等离子处理产生的少量聚合物去除，最终获得综合的polymer去除效果。
具体地，
等离子处理在干法刻蚀设备中进行，惰性气体作为物理轰击气体，CF4和/或O2作为与聚合物发生化学反应的气体。
干法刻蚀设备为本领域常见的设备，此处不详细阐述。本步骤中主要采用的是物理反应和化学反应相结合的方式，其中，物理反应是采用惰性气体对聚合物进行轰击，使得部分聚合物脱落，然后采用化学反应方式，和残留的聚合物发生反应，生成的物质从基体脱落来实现聚合物的清除。
化学反应主要是氧化还原反应且不容易产生新的聚合物，该过程可采用的气体为氧气，生成的物质具有挥发性。氧气的纯度不小于99.9％。化学反应过程中生成的物质可以被管路抽走，从而减小聚合物的残留。
由于惰性气体轰击关系着基体的完整性(即表面不能损伤)，因此该过程中使用的电源功率不宜过大，一般为200～400W。惰性气体一般选用氩气。
干法刻蚀过程中惰性气体、CF4和/或O2的体积比为4:1:1～8:1:2，在该比例下，基体上原有的聚合物能够尽可能除去，并且产生新的聚合物的量很少，减少后续工序的清除难度。
湿法处理主要是发生化学反应，该过程可在本领域常见的湿法槽中进行。本步骤中最主要的是清洗药液的种类、浓度、使用量以及清洗温度。清洗药液的种类包括但不限于氢氟酸溶液。氢氟酸溶液的浓度一般为100:1～20:1。清洗温度一般为19～23℃。清洗时间主要跟清洗药液的种类、浓度和清洗温度有关，一般情况下，清洗时间为3～5min。
本发明通过干法刻蚀和湿法刻蚀的结合，并且对干法刻蚀中气体种类、气体比例以及电源功率的探究，和对湿法刻蚀中清洗药液种类、清洗药液的浓度、清洗药液的用量以及清洗温度的探究，最终能够将基体上顽固的聚合物除去；有效的去除了SiO2干法刻蚀产生的顽固polymer残留，大大改善了表面异常。
本发明中，所述等离子处理中先进行氩气轰击，再发生化学反应。可以减少化学反应中新加入物质的量，减少新的聚合物生成的量，有利于聚合物的彻底除去。
本发明公开包括利用SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法来制作芯片。如图1所示，制作芯片包括以下工序：
将处理好的基体依次进行SiO2生长、光刻、SiO2干法刻蚀、去胶、干法刻蚀(即等离子处理)、湿法处理、多晶刻蚀、刻蚀后清洗、Pwell注入、扩散前清洗、Pwell扩散以及后续工序。
其中，除了干法刻蚀(即等离子处理)和湿法处理采用本发明中公开的方法以外，其余工序均为本领域现有且常见的，包括各工序中涉及的各参数、物质种类以及设备，因此本实施例中不详细阐述。
实施例1
本实施例公开利用SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法来对基体进行处理。基体在进行SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除之前需先进行以下操作：
基体依次经过前段工序、SiO2生长、光刻、SiO2干法刻蚀以及去胶。
其中，SiO2生长包括以下：
1)使用炉管进行热氧化生长SiO2。
2)采用湿氧氧化的方法，生长约5000A～8000A SiO2。
3)主工艺温度950℃～1150℃之间，主工艺气体为氢气和氧气，比例1:0.6。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图2所示。
光刻包括以下：
1)涂胶：spin coating，正性光刻胶，胶厚大于20000A；
2)曝光：step光刻机，对准曝光；
3)显影：spin develop；
4)ADI：显影后检查，确认CD和overlayer；
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图3所示。
SiO2干法刻蚀包括以下：
1)干法刻蚀，RIE刻蚀模式，主要气体为Ar、CF4、CHF315:5:1
2)使用EPD进行刻蚀探测，保障刻蚀质量。
3)刻蚀完成后，侧壁和表面会有polymer残留，部分Polymer不易去除。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图4所示。
去胶包括以下：
1)干法去胶：asher工艺，去除表面的光刻胶。
2)湿法去胶：使用硫酸和双氧水的混合液4:1，进一步去除光刻胶，并兼顾清洗作用。
3)去胶过程中，可消除大部分的polymer，仍会有部分顽固polymer残留。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图5所示。
干法刻蚀(即等离子处理)包括以下：
1)plasma处理，可基于常规的干法刻蚀设备进行。
2)主要气体为Ar、CF4以及O2，三者的体积比为5:1:1。
3)使用相对较低的电源power，使用Ar时，电源功率为250W。
4)处理后，可基本消除之前的顽固polymer残留。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图6所示。
湿法处理包括以下：
1)湿法表面处理，可基于常规的湿法槽进行。
2)主要药液为稀释的氢氟酸，稀释的体积为50:1(水：氢氟酸)。
3)温度为21℃，时间一般为4min。
4)可兼顾表面清洗作用。
该工序后，基体的结构如图7所示。
本实施例中采用两块基体进行处理。
对比例1
本对比例和实施例1不同之处为：
未经干法刻蚀(即等离子处理)和湿法处理，平行做了两组。
对实施例1和对比例1处理后的基体表面进行镜下查看，结果如8-11所示；其中，图8和图9为一组，图8为对比例1中基体表面镜下图，图9为采用实施例1方法获得基体表面镜下图；图10和图11为一组，图10为对比例1中基体表面镜下图，图11为采用实施例1方法获得基体表面镜下图。需要说明的是：图中的白色点为缺陷。
由图8和图9比较，图10和图11比较可知，经过干法刻蚀(即等离子处理)和湿法处理后，基体表面缺陷的数量大大降低。说明增加干法刻蚀(即等离子处理)和湿法处理后工序能有效的去除顽固聚合物，降低表面缺陷。
对实施例1和对比例1处理后的基体表面进行SEM电子扫描，显微镜图片如图12-15所示；其中，图12和图14为一组，图12为对比例1中一个基体表面镜下图，图13为对比例1中另一个基体表面镜；图13和图15为一组，图14为采用实施例1方法获得一个基体表面镜下图，图15为采用实施例1方法获得另一个基体表面镜下图。
由图12和图14比较，图12和图15比较可知，经过干法刻蚀(即等离子处理)和湿法处理后，基体表面的聚合物明显减少，且边缘线条更平整光滑。
如图1所示，将实施例1和对比例1获得基体均依次进行以下工序：多晶刻蚀、刻蚀后清洗、Pwell注入、扩散前清洗、Pwell扩散以及后续工序。
其中，多晶刻蚀包括以下：
1)常规多晶干法刻蚀，使用RIE方式。
2)主要气体为Cl2、CF4、HBr；15:5:1
3)刻蚀后会有轻微的polymer残留。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图16所示。
刻蚀后清洗包括以下：
1)常规的表面清洗，
2)主要药液为硫酸、双氧水4:1；氨水、双氧水以及水的组合清洗1:2:5；
3)清洗可有效去除表面的污染、颗粒，以及轻微的polymer。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图17所示。
Pwell注入包括以下：
1)离子注入工步，形成未激活表面P型层。
2)注入剂量和能量，由产品设计和结构决定。
3)注入杂质为B元素。
该工序涉及的设备为本领域常见且常用的设备，此处不详细阐述。
该工序后，基体的结构如图18所示。
扩散前清洗包括以下：
1)常规的表面清洗；
2)主要药液为氨水、双氧水以及水的混合溶液1:2:5。
3)工艺温度在35℃～60℃之间，取决于表面状态。
4)清洗可有效去除表面的污染、颗粒。
基体的结构如图19所示。
Pwell扩散包括以下：
1)使用炉管进行杂质扩散。
2)主工艺温度在1050℃～1200℃之间。
3)主工艺气体为N2 12SLM，O2 0.2SLM。
4)扩散后，形成一定深度和宽度的P区，作为器件的重要结构。
基体的结构如图20所示。
将结构如图20所得器件进行IGSS栅源漏电和BVDSS反向电压，结果如图21-23所示。图21-23中包括1个对比例1获得的器件和实施例1获得两个器件的测试结果。图21是在低压下IGSS栅源漏电情况，图22是在高压下IGSS栅源漏电情况，图23是BVDSS反向电压检测情况。结果如表1-3所示。
表1
表2
表3
由表1-3可知，增加聚合物除去工艺后，IGSS漏电获得较大的改善，尤其在低压条件下表现明显。BVDSS无显著差异，基本相当。
将结构如图20所得器件进行CP良率检测，结果如图24-25。进行CP良率Map对比，结果如图26-27。需要说明的是：图中点越少，说明器件性能越好。
由图24-27可知，增加聚合物除去工艺后，典型产品的CP良率也获得较大提升，IGSS失效明显降低。CP良率增加约5％～10％左右。
综上所述，通过本发明公开的增加聚合物除去工艺(干法刻蚀(即等离子处理)和湿法处理)，获得产品性能更好且产品合格率也得到了提高，因此值得推广使用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，硅基体在SiO2干法刻蚀且去胶后依次进行等离子处理和湿法处理；
等离子处理在干法刻蚀设备中进行，惰性气体作为物理轰击气体，CF4和/或O2作为与聚合物发生化学反应的气体，其中，惰性气体、CF4和/或O2的体积比为5:1:1，电源功率为300W，
湿法处理在湿法槽中进行，清洗药液包括氢氟酸溶液，氢氟酸溶液的浓度为50:1HF，清洗温度为21℃，清洗时间为3～5min。
2.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述等离子处理中先进行氩气轰击，再发生化学反应。
3.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述等离子处理中，与聚合物发生化学反应的气体为O2，O2的纯度为99.9999％。
4.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述等离子处理中，与聚合物发生化学反应的气体为O2和CF4的混合物，O2和CF4的体积比为1:1～2:1。
5.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述惰性气体、CF4和/或O2的体积比为4:1:1～8:1:2。
7.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述电源功率为200～400W。
8.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的浓度为100:1～20:1HF 。
9.根据权利要求1所述的SiO2干法刻蚀后残留聚合物的消除方法，其特征在于，所述清洗温度为19～23℃。
10.一种权利要求1-9任一项所述消除方法在干法刻蚀制芯片中的应用。
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