CN1851882A - 避免微沟道现象的栅刻蚀工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种避免微沟道现象的栅刻蚀工艺，包括BT步、主刻步、过刻步，其中主刻步中采用CxFy (X＞3，Y＞5)/CO2混合气体取代含Cl气体。采用本发明所述的栅刻蚀工艺可以在保证刻蚀剖面陡直的前提下，有效避免微沟道现象出现。
Description
技术领域
本发明涉及栅刻蚀工艺，具体地涉及一种避免微沟道(Microtrench)现象的栅刻蚀工艺。
背景技术
栅刻蚀工艺是实现半导体制造特征尺寸的重要步骤。随着半导体工艺的发展，栅刻蚀的线条越来越窄，栅氧层厚度越来越薄，栅刻蚀工艺的难度也随之不断升高。
栅刻蚀工艺可分为BT(Breakthrough)步，主刻(Mainetch)步，过刻(Overetch)步三个主要步骤(有时将主刻步分为两步进行，工艺气体种类略有改变)。其中主刻步为主体刻蚀步骤，其具体工艺如下：
| 步骤 | 上RF功率(W) | 下RF功率(W) | 腔室压力(mT) | 工艺气体 |
| BT | 200～400 | 30～100 | 5～15 | CF4，或C2F6，或Cl2，流量30～100sccm |
| 主刻 | 250～450 | 30～100 | 5～30 | 含Cl气体10～50sccm，含Br气体50～200sccm，O2气或He/O2混合气5～30sccm |
| 过刻 | 250～450 | 30～100 | 50～90 | 含Br气体50～250sccm，He 100～250sccm，O2气或He/O2混合气5～30sccm |
栅刻蚀工艺的主刻步中采用含Cl气体的原因为：Cl自由基的刻蚀能力强，反应速度快，有利于刻蚀过程中形成陡直的刻蚀剖面。
但是，由于含Cl气体刻蚀速度快，在等离子环境下，很容易在刻蚀线条底部拐角处形成大量的电荷积累，随着栅氧层的逐渐减薄(在65～45nm半导体制造工艺技术节点，栅氧层厚度只有8～15A)，积聚的电荷很容易将栅氧层击穿，形成Microtrench现象，导致器件的失效。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种有效避免Microtrench现象的栅刻蚀工艺，以避免在65～45nm半导体制造工艺技术节点出现Microtrench现象。
(二)技术方案
本发明所述的栅刻蚀工艺，包括BT步、主刻步、过刻步，其中主刻步中采用CxFy(X＞3，Y＞5，X和Y之间的比例没有特殊要求)/CO2混合气体取代含Cl气体。其中，CxFy的所有同分异构体均能实现本发明，且CxFy(X＞3)与CO2的比例没有特殊要求
主刻步中的气体还包括含Br气体，O2或He/O2混合气，BT步中的气体包括CF4或C2F6或Cl2，过刻步中的气体包括含Br气体，He，O2或He/O2混合气。
优选地，主刻步中采用C4F8/CO2混合气体取代含Cl气体。
优选工艺如下：
| 步骤 | 上RF功率(W) | 下RF功率(W) | 腔室压力(mT) | 工艺气体 |
| BT | 200～400 | 30～100 | 5～15 | CF4 30～100sccm |
| 主刻 | 250～450 | 30～100 | 5～30 | C4F8 30～100sccm，CO2 30～60sccm，HBr 50～150sccm，O2 5～30sccm |
| 过刻 | 250～450 | 30～100 | 50～90 | HBr 50～250sccm，He 100～250sccm，O2 5～30sccm |
本发明原理：在栅刻蚀工艺主刻步骤中，采用C4F8气体取代含Cl气体，可以减慢刻蚀速率，从而减少栅极结构底部拐角处的电荷积累，有效避免Microtrench现象的出现。一般而言，如果刻蚀速率减慢，不容易获得陡直的刻蚀剖面，因为在刻蚀过程中，反应气体在等离子体环境下也有一定的概率与侧壁的硅材料发生反应，导致线条侧壁因刻蚀向内凹陷，但是，C4F8在刻蚀的过程中会产生较多的聚合物，这些聚合物覆盖在刻蚀线条的侧壁上，可以有效的避免反应气体在等离子体环境下与侧壁硅材料发生反应，从而保证刻蚀剖面的陡直。采用C4F8取代含Cl气体的另一个挑战是在等离子体条件下，C自由基可能与栅氧层(SiO2)发生化学反应生成CO2。因此，在工艺气体中，必须加入一定流量的CO2以抑止该反应的进行。
(三)有益效果
在栅刻蚀工艺主刻步骤中，采用CxFy(X＞3，Y＞5)/CO2混合气体取代含Cl气体，可以在保证刻蚀剖面陡直的前提下，有效的避免Microtrench现象出现。
附图说明
图1主刻步中采用含Cl气体形成了Microtrench现象；
图2主刻步中采用C4F8/CO2混合气体取代含Cl气体避免了Microtrench现象。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
栅刻蚀工艺中使用的硅刻蚀设备为北方微电子200mm商业机，所采用的硅片结构为：硅片＝》二氧化硅(10～100埃)＝》多晶硅(1300～2000埃)＝》二氧化硅(100～150埃)＝》氮氧化硅(200～300埃)。刻蚀图形已由光阻转移至硬掩膜即二氧化硅/氮氧化硅双层结构上。
刻蚀工艺中，首先将硅片传入刻蚀反应室，由静电卡盘吸附固定，腔室温度控制为60℃，硅片温度控制系统设定温度为60℃，为提高温度均匀性而加入的He气背吹系统压力设定为5T，辅助工艺条件稳定后，进行刻蚀工艺。
首先进行BT步刻蚀，去除多晶硅表面的原生二氧化硅薄层。具体工艺条件为：腔室压力5mT，上RF电源功率400W，下RF电源功率30W，工艺气体CF4流量30sccm，工艺时间5s。
之后进行主刻步刻蚀，刻蚀去除绝大部分不需要的硅材料，形成硅栅结构主体，是刻蚀工艺的主体部分。具体工艺条件为：腔室压力5mT，上RF电源功率450W，下RF电源功率50W，工艺气体为C4F8 30sccm，CO2 30sccm，HBr 150sccm，O2 5sccm的混合气体，工艺时间控制由终点检测系统检测控制。
主刻步完成后进行过刻步刻蚀，用于对主刻步刻蚀出的硅栅形状作进一步修整完善。具体工艺条件为：腔室压力90mT，上RF电源功率450W，下RF电源功率30W，工艺气体为HBr 250sccm、He 100sccm、O2 30sccm组成的混合气体，工艺时间35s。
三步刻蚀工艺完成后，硅片被传出工艺腔室。附图2为该工艺条件下硅片刻蚀结果，无Microtrench现象。主刻步刻蚀速率为1,291埃/分钟，硅片上被刻蚀去除的多晶硅厚度平均为1554埃，刻蚀剖面为88～89°，片内CD Bias＜4nm。
实施例2：
按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中采用C4F10/CO2混合气体取代含Cl气体。
主刻步工艺气体为C4F10 100sccm，CO2 60sccm，HBr 50sccm，O2 30sccm的混合气体。主刻步刻蚀速率略有升高，达1,347埃/分钟，刻蚀剖面同样达到88～89°，片内CD Bias＜4.5nm，基本无Microtrench现象。
实施例3：
按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中采用C7F14/CO2混合气体取代含Cl气体。
主刻步工艺气体为C7F16 30sccm，CO2 30sccm，HBr 100sccm，O2 30sccm的混合气体。该混合气体条件下聚合物产生很多，主刻步刻蚀速率明显下降，为873埃/分钟，刻蚀机单位时间产能下降，但由于聚合物的保护，刻蚀剖面可达到89～90°，片内CD Bias＜3.5nm，无Microtrench现象。
由上述实施例可见，采用CxFy(X＞3，Y＞5)/CO2混合气体取代含Cl气体，可以在保证刻蚀剖面陡直的前提下，有效避免Microtrench现象出现。其中，采用C4F8/CO2混合气体气体时，综合性能指标较为出色。
Claims (5)
1、一种避免微沟道(Microtrench)现象的栅刻蚀工艺步中采用CxFy(X＞3，Y＞5)/CO2混合气体取代含Cl气体。
2、如权利要求1所述的栅刻蚀工艺，其特征在于主刻步中采用C4F8/CO2混合气体取代含Cl气体。
3、如权利要求1或2所述的栅刻蚀工艺，其特征在于主刻步中的气体还包括含Br气体，O2或He/O2混合气，BT步中的气体包括CF4或C2F6或Cl2，过刻步中的气体包括含Br气体，He，O2或He/O2混合气。
4、如权利要求3所述的栅刻蚀工艺，其特征在于主刻步中的气体和流量为：C4F8 30～100sccm，CO2 30～60sccm，HBr 50～150sccm，O2 5～30sccm。
5、如权利要求4所述的栅刻蚀工艺，其特征在于BT步中的气体和流量为：CF4 30～100sccm，过刻步中的气体和流量为：HBr 50～250sccm，He 100～250sccm，O2 5～30sccm。
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| CN112133631A (zh) * | 2020-09-25 | 2020-12-25 | 上海华力微电子有限公司 | 改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备 |
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2005
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| CN112133631B (zh) * | 2020-09-25 | 2022-11-18 | 上海华力微电子有限公司 | 改善栅极刻蚀形貌稳定性的方法和刻蚀设备 |
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