专利名称：使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法
技术领域：
本发明涉及一种使硅片顶角圆化的方法，特别涉及一种使用含碳氟化合物的聚合 物使硅片顶角圆化的方法。
背景技术：
目前在制造半导体器件的过程中，一般包含通过各种刻蚀方法，在衬底硅片的表 面形成沟道结构的步骤。然而沟道的顶角是应力的集中点，当顶角锐化达到一定程度，会成 为顶端放电区而产生很大的漏电流，因此需要对顶角进行圆化以避免上述锐角效应发生。现在对顶角的圆化往往通过物理溅射刻蚀或等离子体刻蚀实现。其中，物理溅射 刻蚀是利用高频电场施加到反应腔中以电离气体分子。其中电容耦合型CCP是将高频电场 施加到上下电极之间，电感耦合型ICP是通过线圈将高频电场传递到反应腔内以电离气体 分子，将如氩气(Ar)等惰性气体解离成带正电的离子，再利用施加在基片下面的具有较低 频率的射频电源来调节鞘层上的偏压，随着偏压的改变带电离子加速能量也被改变。偏压 将离子加速，轰击在被蚀刻的表面，而将被蚀刻物质原子击出。物理溅射刻蚀是各向异性刻 蚀，具有较好的方向性；但是，其刻蚀速度慢且不能进行选择性刻蚀，容易造成光刻胶等不 需要刻蚀的材料被同时去除。等离子体刻蚀(又称化学性刻蚀)，针对硅片或不同材料的介电层(5102或5“队)使 用5&或顺3等含氟原子的蚀刻气体，将蚀刻气体解离形成含带电离子、分子、电子及原子团 等的等离子体，主要通过其中化学活性较强的原子团与被刻蚀材料发生化学反应，实现刻 蚀目的。用等离子体化的反应气体刻蚀具有较好的选择性，反应气体与被刻蚀材料的反应 速度要远大于反应气体与上层掩膜材料的反应速度，但其是各向同性刻蚀，刻蚀方向不容 易控制。还可以在反应过程中，通入O2与蚀刻气体中的硫原子S或氮原子N结合，使等离子 体中S-F或N-F中的自由氟原子F的比例提高，加快刻蚀速率，同时获得高选择性；当通入 的O2超过某一特定值时，其还与自由氟原子F结合，减慢刻蚀速度；可见，通过辅助气体O2 的通入量的改变，可对刻蚀速度进行控制。如图1中虚线部分所示，是在硅片表面的沟道顶角位置，使用SF6或SF6/02混合气 体的等离子体进行刻蚀。可以看到，刻蚀是各向同性的；而且，由于含SF6的混合气体不会 形成聚合物来覆盖沟道的顶角位置，使刻蚀顶角后的表面凹凸，因此使用SF6或SF6/02混合 气体的等离子体刻蚀对顶角圆化的效果不明显。现有还有一种结合物理溅射刻蚀与等离子体刻蚀的物理化学性刻蚀，如反应离子 刻蚀(RIE)等，其利用与被刻蚀材料有化学反应的刻蚀气体产生具有化学活性的原子团和 离子；同时由经过电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料，产生损伤的表面，这进一步加速了 活性刻蚀反应基团与被刻蚀材料的反应速率，因此，能够同时获得各向异性和选择性好的 优点，但是仍不能解决硅片刻蚀顶角过于尖锐的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，在 沟道顶角上覆盖一层聚合物薄膜，通过物理化学性刻蚀方法，同时获得良好的各向异性和 选择性的刻蚀效果，以使尖锐的沟道顶角圆化，以避免因锐角效应而出现漏电流，也使沉积 后续薄膜时的阶梯覆盖性更好。为了达到上述目的，本发明的目的是提供一种使用含碳氟化合物的聚合物使硅片 顶角圆化的方法，是在放置于处理腔室底部基座上的衬底硅片的表面形成沟道结构之后进 行的反应离子刻蚀，所述方法包含以下步骤
步骤1.向真空的处理腔室内通入含碳氟化合物和惰性气体的混合气体；
步骤2.在处理腔室内施加高频射频源，来生成所述混合气体中碳氟化合物的等离子
体；
步骤3.在所述硅片表面的沟道顶角位置形成所述含碳氟化合物的聚合物薄膜； 步骤4.由所述含碳氟化合物的聚合物对硅片表面进行化学刻蚀使顶角圆化。在所述步骤1中，所述混合气体中的碳氟化合物，是四氟化碳CF4、全氟丁二烯C4F6 或八氟环丁烷C4F8的气体。所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，还包含一低频射频电 源，其施加到处理腔室底部基座，加速被高频射频源电离产生的带电离子，控制入射粒子的
能量°所述碳氟化合物还包含三氟甲烷CHF3，加速所述混合气体在硅片(10)表面沉积， 形成其聚合物的薄膜(20)，并覆盖在所述沟道(11)的侧壁和顶角(12)位置。所述混合气体还包含氧气02，且氧气O2的流量小于碳氟化合物的流量。一种实施例中，所述混合气体包含流量4(Tl00SCCm的八氟环丁烷C4F8来产生 刻蚀用的等离子体、流量20(T500SCCm的氩气Ar来提供物理溅射刻蚀的离子，以及流量 20^80sccm的氧气O2来控制刻蚀反应速率。另一种实施例中，所述混合气体包含流量20(T500sccm的四氟化碳CF4和流量 15(T400sCCm的三氟甲烷CHF3,来产生刻蚀用的等离子体和生成混合气体聚合物的薄膜；所 述混合气体还包含流量20(T500SCCm的氩气Ar来提供物理溅射刻蚀的离子。所述步骤2中，所述高频射频源的频率为60MHz、功率为1000W。所述处理腔室内还施加有低频射频偏压，使在硅片上方形成等离子体鞘层，并在 该鞘层中形成直流自偏压，通过所述直流自偏压对入射到硅片表面的等离子体中的离子能 量分布和角度分布进行调节，实现对顶角圆化的坡度控制。所述射频偏压的频率为2MHz、功率为100(T5000W。所述聚合物对所述顶角刻蚀的时间长于30秒。优选地，所述聚合物对所述顶角刻蚀的时间长于60秒。一种硅片刻蚀的方法，包含
A，刻蚀步骤将硅片放置于处理腔室底部基座上，向处理器腔室通入刻蚀反应气体并 施加高频射频电源形成等离子体，对硅片进行等离子体刻蚀形成开口 ；
B，顶角圆化步骤向处理腔室内通入含碳氟化合物和惰性气体的混合气体，在开口界 面处形成碳氟化合物的聚合物；其中顶角圆化步骤持续时间长于30秒，且在顶角圆化步骤中施加一低频射频电源控 制入射到硅片表面的离子能量，使开口底部的聚合物被入射离子轰击去除； C，完成顶角圆化后通入含氧气体清除残余聚合物。优选地，顶角圆化步骤持续时间长于60秒。与现有技术相比，本发明所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方 法，其优点在于本发明通过在沟道顶角上覆盖一层混合气体的聚合物薄膜，通过反应离子 刻蚀(RIE)等物理化学性刻蚀方法，将其中碳氟化合物CxFy解离形成等离子体与硅片表面 进行化学刻蚀，同时为了清除沟道底部的聚合物以进行后续工艺，将氩气解离并加速形成 高能粒子来进行物理溅射，因此，可同时获得良好的各向异性和选择性。还可以在混合气体中增加三氟甲烷CHF3参与刻蚀的同时，加速混合气体在硅片表 面沉积，形成其聚合物的薄膜，作为侧壁保护。在必要的位置，由上述高能氩离子轰击打开， 使碳氟化合物CxFy的等离子体中的氟原子团能与硅片表面接触，以提高刻蚀的各向异性程 度。还可以通过引入氧气02，与碳氟化合物CxFy中的碳原子结合，释放出自由氟原子， 提高其在等离子体C-F中的比例，有效加快刻蚀速度。另外通过调节射频源的功率，控制生成的等离子体的密度及其撞击硅片表面的能 量；还通过调节射频偏压，使等离子体鞘层中直流自偏压对入射离子进行能量分布和角度 分布的控制，因而能实现对顶角圆化的坡度控制。通过本发明的上述方法，使尖锐的沟道顶角圆化，以避免因锐角效应而出现漏电 流，也使后续沉积如金属层等其他薄膜时的阶梯覆盖性能更好。
图1是通过现有技术进行顶角圆化效果的原子显微图2是本发明使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法的流程图； 图3是本发明使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法的示意图； 图4是本发明使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法后的效果示意图； 图5、图6是不同时间作用下的顶角圆化效果的原子显微图。
具体实施例方式以下结合
本发明的具体实施方式
。配合参加图2的流程图及图3、图4的示意图所示，本发明所述使用含碳氟化合物 的聚合物使硅片顶角圆化的方法，是在放置于处理腔室底部基座上的衬底硅片10的表面 形成沟道11结构之后进行的反应离子刻蚀(RIE)，具体包含以下步骤
步骤1.向真空的处理腔室内通入含碳氟化合物CxFy的混合气体。碳氟化合物CxFy通 常作为刻蚀SiO2等为主的绝缘材料的刻蚀气体，也作为聚合物形成气体，通过形成聚合物 层来保护侧壁。但一般不用来作为晶体硅的刻蚀气体，因为其对硅的刻蚀速率相对于3&或 NF3等气体来说太慢了，而且其形成的聚合物会阻碍对硅片的进一步快速刻蚀。
本发明中所述碳氟化合物CxFy可以是四氟化碳CF4、全氟丁二烯C4F6或八氟环丁烷 C4F8等气体，主要通过该些气体的等离子体中的氟原子团对衬底硅片10表面的硅Si进行化学反应，实现对沟道11顶角12的刻蚀(如图3中小的实线箭头所示)。所述衬底硅片10 表面的还可以覆盖有掩膜层30，掩膜层30的材料可以是Si02、SiN或者有机物材料层。还同时通入惰性气体，如氩气Ar，其在后续步骤中被高频电场电离后，再经过基片 表面鞘层电场加速，最终形成高能粒子(Ar+)来轰击硅片10表面，特别是轰击沟道11底部 新形成的碳氟化合物聚合物，实现物理溅射蚀刻(如图3中大的虚线箭头所示)，使得刻蚀得 以向下继续进行。由于离子入射方向与沟道11侧壁交角很小，所以只有少量离子会轰击侧 壁形成的所述聚合物，所以大量沉积在沟道11侧壁和开口顶部的聚合物得到保留，进一步 加快了蚀刻的反应速率，也获得很好的各向异性。所述混合气体中还可以包含三氟甲烷CHF3,其不但能产生CFx (χ=Γ3)的离子，参 与对硅片10表面的刻蚀；而且，CHF化合物更容易形成聚合物粘附在硅沟道11的侧壁，因 此，还可以帮助加速混合气体在硅片10表面沉积，形成其聚合物的薄膜20，作为侧壁保护。另外，在混合气体中还可以通过引入氧气02，与碳氟化合物CxFy中的碳原子结合， 释放出自由氟原子，提高在等离子体C-F中氟的比例，氟与硅能自发反应有效加快对硅的 刻蚀速度。步骤2.在作为下电极的处理腔室底部基座和上电极之间施加射频源，来生成所 述引入的混合气体中碳氟化合物CxFy的等离子体。通过调节射频源的功率，控制生成的等 离子体的密度。步骤3.在硅片10表面的沟道11顶角12位置形成所述混合气体的聚合物薄膜 20。同时在下电极也就是处理腔基座施加低频的射频电源，使硅片10上方形成等离子体鞘 层，在鞘层中形成直流自偏压，加速离子入射速度。步骤4.由聚合物中分解出来的氟对硅片10进行化学刻蚀，同时由加速的高能氩 离子轰击进行物理溅射蚀刻，使得底部的聚合物被轰击清除，沟道11的侧壁和开口顶部的 聚合物也被部分轰击。通过对低频射频电源功率的调节可以对入射到硅片10表面的等离子体中的离子 能量分布和角度分布进行调节，不同的离子入射能量轰击会获得不同的侧壁聚合物层形 态，不同的侧壁聚合物形态又会导致不同数量的自由氟原子对聚合物层下的硅进行微量刻 蚀，从而实现对顶角12圆化的坡度控制。其中直流偏压也就是入射离子能量不能太大，太 大的偏压会造成侧壁的大量侧壁聚合物被轰击，无法完成本发明利用聚合物中分解出来的 氟原子对侧壁的硅进行微量刻蚀。直流偏压太小则大量的聚合物沉积无法去除，会在整个 刻蚀沟道的底部堆积，致使整个刻蚀形成的沟道11被填满。之后，化学反应的挥发性生成物被处理腔室的真空抽气设备排出，其余如覆盖的 聚合物薄膜20等固体残留物，通过后续的清洗步骤去除。以下介绍适用于上述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法的具体
工艺参数。在一种实施例中，引入的混合气体中，作为蚀刻气体的八氟环丁烷C4F8流量为 4(Tl00sccm (标准毫升每分钟)，氩气Ar为20(T500sccm，氧气仏为2(T80sccm。在处理腔 室的下电极上施加频率60MHz、功率1000W的射频源，用于混合气体的等离子体生成；还施 加频率2MHz、功率100(Γ5000的射频偏压，用于产生控制顶角12圆化的坡度。在另一种实施例中，引入的混合气体中，作为蚀刻气体的是CF4/CHF3，其中，四氟化碳 CF4 流量为 20(T500sccm，三氟甲烷 CHF3 为 15(T400sccm ；以及 20(T500sccm 的氩气 Ar。 与上述实施例相同，施加频率60MHz、功率1000W的射频源，和频率2MHz、功率100(T5000W
的射频偏压。对比图5、图6所示，该两例均是使用CF4/CHF3/Ar的混合气体来进行顶角12圆化， 其气体压力的比为100(V2500/200mT。该两例中其他工艺参数均相同，仅在作用时间不同， 图5是刻蚀60s后，图6是刻蚀120s之后的效果图，如图中虚线部分所示，可以看到两者在 硅片表面的顶角位置都有圆化效果，其中图6被刻蚀的坡度相比图5更大。可见，对顶角圆 化的坡度改变，不但能通过上述射频偏压的调节，还能够通过控制刻蚀时间来实现。本发明圆化方法可以用在传统刻蚀气体如SF6/02对硅基片刻蚀到一定深度后，切 换到本发明气体和功率设置对刻蚀形成的侧壁顶部尖锐处进行微量刻蚀，也可以是在整个 深孔刻蚀完成后在对侧壁顶部尖锐处进行微量刻蚀。现有技术利用BOSCH方法交替进行刻 蚀和钝化步骤对硅基片进行刻蚀时，也可以在钝化中采用本发明方法。传统BOSCH刻蚀法 中的钝化步骤只需要在侧壁沉积一层保护层所以很短的时间就能实现通常可以是5秒左 右，厚度也只有几纳米或几十纳米，少数时间较长的也可以是10-20秒。而本发明的目的是 要利用从聚合物中分解出来的氟对硅进行刻蚀，而聚合物分解的速度很慢所以本发明方法 的聚合物沉积过程很长。本发明的顶角圆化过程一般长于30秒如60秒后(图5)才能体现 出明显的效果来，最佳的要到120秒才能体现出最佳的顶角圆化效果。由于本发明聚合物沉积步骤远长于传统侧壁保护步骤的数秒钟，所以如果没有加 速等离子垂直向下的轰击，在整个顶角圆化的较长过程中整个刻蚀形成的沟道都会被聚合 物填满。这样贴近聚合物和硅的界面的聚合物得不到更新，在初期分解出少量活性高的氟 原子后就很少有进一步的分解。这会造成聚合物对硅的刻蚀速率过慢严重影响处理效率。 本发明在长时间供应沉积气体的同时通过控制粒子轰击聚合物和同时供应少量化对聚合 物进行分解，使得贴附在沟道侧壁和顶部的聚合物分子具有很高的活性，聚合物不断的被 破坏又重新沉积实现快速更新，最终聚合物达到动态平衡分解速度加快，整个顶角圆化过 程耗时也大大缩短。如果在本发明顶角圆化过程完成之后可以用含大量氧原子的气体如02、CO2将沉 积的聚合物氧化分解掉，再进入下一步处理步骤。综上所述，本发明提供了一种使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方 法，在沟道顶角上覆盖一层含氟的聚合物薄膜，通过反应离子刻蚀(RIE)等物理化学性刻蚀 方法，同时为了控制聚合物的形态和数量和进行后续工艺，将氩气解离并加速形成高能粒 子来进行物理溅射，因此可同时获得良好的各向异性和选择性，使尖锐的沟道顶角圆化，有 效避免因锐角效应而出现漏电流，也使后续沉积如金属层等其他薄膜时的阶梯覆盖性能更 好。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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权利要求
1.一种使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，是在放置于处理腔室底部 基座上的衬底硅片(10)的表面形成沟道(11)结构之后进行的反应离子刻蚀，其特征在于， 所述方法包含以下步骤步骤1.向真空的处理腔室内通入含碳氟化合物和惰性气体的混合气体；步骤2.在处理腔室内施加高频射频源，来生成所述混合气体中碳氟化合物的等离子体；步骤3.在所述硅片(10)表面的沟道(11)顶角(12)位置形成所述含碳氟化合物的聚 合物薄膜(20);步骤4.由所述含碳氟化合物的聚合物对硅片(10)表面进行化学刻蚀使顶角(12)圆化。
2.如权利要求1所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，在所述步骤1中，所述混合气体中的碳氟化合物，是四氟化碳CF4、全氟丁二烯C4F6或八 氟环丁烷C4F8的气体。
3.如权利要求2所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，还包含一低频射频电源，其施加到处理腔室底部基座上，加速被高频射频源电离产生的 带电离子，控制入射粒子的能量。
4.如权利要求3所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述碳氟化合物还包含三氟甲烷CHF3,加速所述混合气体在硅片(10)表面沉积，形成其 聚合物的薄膜(20)，并覆盖在所述沟道(11)的侧壁和顶角(12)位置。
5.如权利要求3或4所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征 在于，所述混合气体还包含氧气02，且氧气O2的流量小于碳氟化合物的流量。
6.如权利要求5所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述混合气体包含流量4(Tl00SCCm的八氟环丁烷C4F8来产生刻蚀用的等离子体、流量 200^500sccm的氩气Ar来提供物理溅射刻蚀的离子，以及流量2(T80sCCm的氧气O2来控制 刻蚀反应速率。
7.如权利要求5所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述混合气体包含流量20(T500SCCm的四氟化碳CF4和流量15(T400sCCm的三氟甲烷 CHF3,来产生刻蚀用的等离子体和生成混合气体聚合物的薄膜(20)；所述混合气体还包含 流量20(T500SCCm的氩气Ar来提供物理溅射刻蚀的离子。
8.如权利要求1所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述步骤2中，所述高频射频源的频率为60MHz、功率为1000W。
9.如权利要求1所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述处理腔室内还施加有低频射频偏压，使在硅片(10)上方形成等离子体鞘层，并在该 鞘层中形成直流自偏压，通过所述直流自偏压对入射到硅片(10)表面的等离子体中的离子 能量分布和角度分布进行调节，实现对顶角(12)圆化的坡度控制。
10.如权利要求9所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述射频偏压的频率为2MHz、功率为100(T5000W。
11.如权利要求1所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述聚合物对所述顶角(12)刻蚀的时间长于30秒。
12.如权利要求1所述使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，其特征在 于，所述聚合物对所述顶角(12)刻蚀的时间长于60秒。
13.—种硅片刻蚀的方法，其特征在于，包含A，刻蚀步骤将硅片放置于处理腔室底部基座上，向处理器腔室通入刻蚀反应气体并 施加高频射频电源形成等离子体，对硅片进行等离子体刻蚀形成开口 ；B，顶角圆化步骤向处理腔室内通入含碳氟化合物和惰性气体的混合气体，在开口界 面处形成碳氟化合物的聚合物；其中顶角圆化步骤持续时间长于30秒，且在顶角圆化步骤中施加一低频射频电源控 制入射到硅片表面的离子能量，使开口底部的聚合物被入射离子轰击去除； C，完成顶角圆化后通入含氧气体清除残余聚合物。
14.如权利要求13所述的一种硅片刻蚀的方法，其特征在于，顶角圆化步骤持续时间 长于60秒。
全文摘要
一种使用含碳氟化合物的聚合物使硅片顶角圆化的方法，通过在沟道顶角上覆盖一层混合气体的聚合物薄膜，通过反应离子刻蚀，将其中CxFy解离形成等离子体与硅片表面进行化学刻蚀，增加CHF3来加速聚合物的薄膜形成，还引入O2，提高自由氟原子在等离子体中的比例，加快刻蚀速度；同时使解离的氩气离子加速进行物理溅射，来同时获得良好的各向异性和选择性。本发明还通过调节射频源功率，控制等离子体的密度及其撞击硅片表面的能量；设置射频偏压，使直流自偏压对鞘层中入射的离子进行能量和角度控制，改变顶角圆化的坡度。本发明使硅片表面的沟道顶角圆化，以避免因锐角效应而出现漏电流，也使后续沉积如金属层等其他薄膜时的阶梯覆盖性能更好。
文档编号C23F1/12GK102117738SQ20101061619
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者凯文·皮尔斯 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司