一种半导体等离子刻蚀工艺的制作方法

专利名称：一种半导体等离子刻蚀工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造工艺技术领域，特别是涉及一种改进的半导体等 离子刻蚀工艺。
背景技术：
等离子体刻蚀(也称干法刻蚀)是集成电路制造中的关键工艺之一，其 目的是完整地将掩膜图形复制到硅片(晶片)表面。
等离子刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤(l)在低压下，反应气体 在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体(等离子体是由带电的电子 和离子组成)，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还 能吸收能量并形成大量的活性基团(Radicals); ( 2 )活性反应基团和被刻蚀 物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物；(3 )反应生成物脱离祐: 刻蚀物质表面，并被真空系统抽出腔体。
在现阶段常用的ICP(电感耦合，Inductive Coupled Plasma,即通过电感 耦合达到增强等离子密度的效果)等离子刻蚀机中，通常采用纯CF4作为刻 蚀气体。例如， 一个典型的刻蚀工艺过程(recipe)可以包括介质层层贯穿 刻蚀步(BT)和硅主刻蚀步(ME)，其中BT刻蚀步通常选用纯CF4气体进 行刻蚀，ME刻蚀步通常采用Cl2和02的混合气体进行刻蚀。
参照图1,示出了利用扫描电镜对ICP等离子刻蚀后的硅片切片扫描得 到的剖面电镜结果，图1中的数字156um和158.4um表示线条侧壁的高度。 其中的剖面是去除光阻之后，包括介质层(氧化硅层)和硅层的刻蚀剖面， 图1的左右两个半边分别表示整个线条的两个端的侧壁剖面。具体的，参照 图2，示出了某个线条的刻蚀结果示意图，由于整个线条无法在扫描电镜中 同时出现，因此，分别选取了两个虚线框的部分进行拍摄，两个虚线框就对 应图1中的左右两个半图，分别清楚的示出了左右两个侧壁的剖面情况。从 图1的电镜照片可以看出，现有技术刻蚀后的线条侧壁角度不够笔直，并且， 线条侧壁的上边沿还存在圆角。需要说明的是，在光阻覆盖面广(即open area较小)且光阻层与硅层 间的硬质掩盖层薄的图形刻蚀中，上述刻蚀缺陷则会更加明显。因为光阻覆 盖面广则刻蚀过程中含碳的附产物较多，不利于刻蚀出角度使直的剖面，而 硬质掩盖层薄不利于保护硅线条的顶端，从而使得线条边沿容易出现圆角， 从而给刻蚀获得理想结果带来困难。
进一步，当前述的刻蚀结果图形作为用于层间刻蚀校准的零层标示(zero mark)时，如果其剖面不够陵直并存在边沿圆角，则不仅影响本次刻蚀结果， 而且会进一步影响光刻校准效果，即影响层与层之间的图形(pattern)的相 对位置关系。例如，在现有的很多情况下，晶片上需要集成多达十层以上的 高密度晶体管，层与层之间需要通过零层标示区域进行光刻校准。参照图3, 示出了一种典型的零层标示区域的图形结构，其由四组互相垂直的线条构 成，该区域通常对称的分布在晶片边沿(例如，距离边沿5mm左右)。
总之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是如何能 够在半导体等离子刻蚀中，提高图形刻蚀的侧壁陡直度以及避免线条上下边 沿出现圆角。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的半导体等离子刻蚀工艺， 以获得陡直、线条边沿无圆角的图形刻蚀结果。
为了解决上述问题，本发明公开了一种等离子刻蚀工艺，包括
介质层贯穿刻蚀步，所述介质层贯穿刻蚀步的工艺气体包括氟基刻蚀气 体、第一光阻保护气体以及稀释气体；
硅主刻蚀步，所述硅主刻蚀步的工艺气体包括主刻蚀气体、碳基副产物 去除气体以及第二光阻保护气体。
优选的，所述介质层贯穿刻蚀步的氟基刻蚀气体为CF4或者SF6，所述 第一光阻保护气体为CH2F2或者CHF3或者HBr,所述稀释气体为He、 Ar
或者N2。
优选的，所述硅主刻蚀步的主刻蚀气体为Cl2,所述碳基副产物去除气 体为02，所述第二光阻保护气体为HBr。优选的，所述稀释气体的流量大于氟基刻蚀气体的流量，所述氟基刻蚀
气体的流量大于第一光阻保护气体的流量；所述第二光阻保护气体的流量大 于主刻蚀气体的流量，所述主刻蚀气体的流量大于碳基副产物去除气体的流 量。
优选的，所述介质层为氧化硅，则贯穿刻蚀步的工艺参数为腔室压力 为7~15mT,上射频功率为300~400W，下射频功率为50 150W,处理时间 为10~20s,氟基刻蚀气体CF4流量为50 100sccm，第一光阻保护气体CH2F2 流量为10 20 sccm，稀释气体He流量为100-200 sccm。
优选的，所述硅主刻蚀步的工艺参数为腔室压力为20 30mT,上射频 功率为300 500W,下射频功率为30-100W,处理时间为30 40s，主刻蚀气 体C12流量为50 100sccm,第二光阻保护气体HBr流量为100-200 sccm， 碳基副产物去除气体02流量为3~10 sccm。
优选的，所述介质层为氧化硅，则贯穿刻蚀步的工艺参数为腔室压力 为8mT，上射频功率为350W，下射频功率为120W，处理时间为15s，氟基 刻蚀气体CF4流量为60sccm，第一光阻保护气体CH2F2流量为20 sccm, 稀释气体He流量为100 sccm。
优选的，所述硅主刻蚀步的工艺参数为腔室压力为20mT,上射频功 率为400W,下射频功率为45W,处理时间为40s,主刻蚀气体C12流量为 50sccm,第二光阻保护气体HBr流量为200sccm,碳基副产物去除气体02 流量为5sccm。
优选的，所述等离子刻蚀工艺应用在光阻覆盖面超过整个晶片90%,且 光阻层与硅层间的硬质介质层厚度小于等于0.05um的图形刻蚀中。 优选的，所述等离子刻蚀工艺应用在晶片零层标示区域的刻蚀中。 与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明的等离子刻蚀工艺中对现有的两步刻蚀进行了改进，在BT步的 刻蚀气体中增加了光阻保护气体和稀释气体，并在ME步中也增加了光阻保 护气体；首先，由于这两步都通过增加光阻保护气体，而增加了对光阻的选 择比，降低了光阻的横向刻蚀，从而可以有利于获得陡直的刻蚀剖面，并保
6护线条的顶端，避免过刻蚀，使线条边沿不易出现圆角。
另外，由于在BT步中增加的稀释气体可以带走在BT步刻蚀中产生的 碳基副产物，进而可以防止碳基副产物在侧壁沉积，进一步保证获得卩走直的 刻蚀剖面；其次，在ME步中的氧气也可以和碳基副产物进行反应生成其他 气体而减弱碳基副产物的沉积，有利于获得陡直的刻蚀剖面。
由于本发明的上述改进，可以保证获得线条陡直、并且边沿无圆角的图 形结果，因此，当本发明用于对零层表示区域的刻蚀时，可以大大提高各层 图形的光刻4交准禾呈度，减少光刻4交准偏差。


图1是对现有技术ICP等离子刻蚀后的硅片切片扫描得到的剖面扫描电 镜结果照片；
图2是某个线条的刻蚀结果示意图3是一种典型的零层标示区域的图形结构示意图4是本发明一种等离子刻蚀工艺的具体例子流程图5是一种典型的零层标示区域膜层结构示意图6是执行本发明的刻蚀过程所得到的刻蚀剖面电镜照片；
图7是采用现有技术和本发明的刻蚀工艺后的光刻校准结果对比情况图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
参照图4，示出了本发明一种等离子刻蚀工艺的具体例子，其可以包括 以下两步刻蚀过程
介质层贯穿刻蚀步401，所述介质层贯穿刻蚀步的工艺气体包括氟基刻 蚀气体、第一光阻保护气体以及稀释气体；
硅主刻蚀步402，所述硅主刻蚀步的工艺气体包括主刻蚀气体、碳基副 产物去除气体以及第二光阻保护气体。由于通常晶片在基材硅层的上面还覆盖一层硬质介质层，例如，通常的
硬质介质层可以为Si02或者SiN;因此，在进行等离子刻蚀时，需要先进行 介质层贯穿刻蚀步401，然后针对基材硅层进行硅主刻蚀步402,得到所需 的图形。
通常将介质层贯穿刻蚀步401也称之为BT步，其工艺气体中的氟基刻 蚀气体可以采用CF4(或者SF6等)，本发明中的第一光阻保护气体可以采用 CH2F2，也可以釆用CHF3 (或者HBr等)，稀释气体可以为He、 Ar或者N2 中的一种或者多种组合。
步骤401中的第一光阻保护气体，其主要目的是为了保护光阻，以减少 光阻的纵向和横向刻蚀；本发明所选择的CH2F2或者CHF3，均为沉积性气 体，可以较好的减少光阻的^f黄向刻蚀，对于本发明而言，有利于获得较佳的 陡直剖面以及消除线条边沿的圓角。需要说明的是，第一光阻保护气体的选 择与氟基刻蚀气体相关，氟基刻蚀气体不同，所选用的第一光阻保护气体也 可能不同。在本发明的优选实施例中，第一光阻保护气体的流量小于氟基刻 蚀气体的流量。
步骤401中的稀释气体，其主要目的是为了稀释和带走腔室中在刻蚀反 应下产生的碳基副产物，因为如果碳基副产物较多的沉积在侧壁上，则不利 于获得较佳的陡直剖面。稀释气体的引入可以增加反应腔室的总气体流量， 即在同样的腔室压力下增大了腔室内气体的流速，可以快速带走所生成的碳 基副产物，防止副产物在Si基的线条侧壁沉积，从而有利于获得陡直的剖 面。通常情况下，稀释气体不能在腔室内发生化学反应，以惰性气体为佳， 例如，He、 Ar或者N2等等。优选的，为了提高稀释效果，更好的将碳基副 产物带走，步骤401中的稀释气体的流量可以大于氟基刻蚀气体的流量。
通常将硅主刻蚀步402也称之为ME步，其工艺气体中的主刻蚀气体可 以采用Cl2,本发明中的第二光阻保护气体可以采用HBr,碳基副产物去除 气体选用o2。
步骤402中的第二光阻保护气体，其主要目的是为了保护光阻，以减少 光阻的纵向和横向刻蚀；本发明所选择的HBr相对于刻蚀气体Cl2,作为沉积性气体，可以较好的减少光阻的横向刻蚀，对于本发明而言，有利于获得 较佳的陡直剖面以及消除线条边沿的圆角。在本发明的优选实施例中，第二 光阻保护气体的流量大于主刻蚀气体的流量。
步骤402中的碳基副产物去除气体02，其主要目的是用于和碳基副产物 反应生成气体，并从腔室流出，这样可以减少腔室中的碳基副产物，减弱碳 基副产物在侧壁上的沉积，有利于获得陡直的剖面。需要说明的是，碳基副 产物去除气体02的流量相对于主刻蚀气体Cl2的流量要少，因为当工艺气体 中的02的流量较大时，会增大工艺气体对光阻的刻蚀速率，不利于获得理 想的刻蚀剖面。优选的，碳基副产物去除气体02的流量小于第二光阻保护 气体的流量，并小于主刻蚀气体。
下面给出本发明具体实施例进行刻蚀时所采用的工艺参数范围
介质层贯穿刻蚀步401的工艺参数为腔室压力为7 15mT,上射频功 率为300 400W,下射频功率为50~150W，处理时间为10~20s,氟基刻蚀气 体CF4流量为50 100sccm，第一光阻保护气体CH2F2流量为10 30 sccm, 稀释气体He流量为100 200 sccm。
硅主刻蚀步402的工艺参数为腔室压力为20 30mT,上射频功率为 300~500W,下射频功率为30-100W,处理时间为30 40s,主刻蚀气体C12 流量为50 100sccm，第二光阻保护气体HBr流量为100-250 sccm，碳基副 产物去除气体02流量为3~10 sccm。
其中的第一光阻保护气体以CH2F2为例进行说明，第二光阻保护气体以 HBr为例进行说明。需要说明的是，在前面的描述中，已经大致给出了各个 工艺步骤中不同工艺气体组分间的流量比较，但是对于具体的组分比例，由 于需要依据不同腔室硬件设计上的差异，通过理论计算或者实际试验以选取 最佳的工艺气体組分比例，在此无法给出精确的控制比例。
还需要说明的是，由于本发明在BT步中增加了第一光阻保护气体和稀 释气体，在ME步中增加了第二光阻保护气体，因此，本发明刻蚀中的工艺 气体总流量可能会大于现有技术的工艺气体流量。工业化的等离子刻蚀腔室压力可以通过腔室与分子泵间的摆阀(摆阀会在全开和全闭确定一个开度位 置)来调节，因为分子泵的转速一般固定，所以当通往腔室内气体流量不同 时，可以通过摆阀的开度来控制出气口流量从而控制到所设定的压力，即虽 然本发明的工艺气体流量增大了 ，但是本发明方案的腔室压力在给出的气体 流量范围内仍然是可以稳定控制的。
实际上，在通常的晶片图形等离子刻蚀过程中，现有技术也基本上可以 保证陡直的线条和无圆角，本发明虽然效果会好于现有技术，但是差别不是 很大。但是在一些特殊情况的刻蚀中，现有技术就无法保证陡直的线条，并
且线条边沿会出现圆角，例如，在光阻覆盖面较广(超过整个晶片90%), 且光阻层与硅层间的硬质掩盖层厚度较薄(小于等于0.05um)的图形刻蚀中， 本发明的改善程度就会非常明显了 。上述刻蚀情形的一个典型应用就是零层 标示区域刻蚀，具体的通常零层标示区域的图形曝光显影之后的膜层结构 为光阻厚度10000A-20000 A,氧化硅介质层100 A~400 A (小于等于 0.05um),并且整个晶片上大部分面积均被光阻覆盖(超过整个晶片90%)
下面给出本发明的一个具体例子，其应用在零层标示区域的刻蚀中，基 材硅层上的硬质介质层为氧化硅层(参照图5,示出了一种典型的零层标示 区域膜层结构示意图，包括光阻层、氧化硅层和硅层)，则刻蚀工艺中
氧化硅贯穿刻蚀步BT的工艺参数为腔室压力为8mT,上射频功率为 350W,下射频功率为120W,处理时间为15s，氟基刻蚀气体CF4流量为 60sccm，第一光阻保护气体CH2F2流量为20 sccm, 稀释气体He流量为100 sccm。
硅主刻蚀步ME的工艺参数为腔室压力为20mT，上射频功率为400W, 下射频功率为45W,处理时间为40s，主刻蚀气体C12流量为50sccm，第二 光阻保护气体HBr流量为200 sccm，碳基副产物去除气体02流量为5sccm。
参照图6,示出了采用上述工艺参数执行本发明的刻蚀过程所得到的刻 蚀剖面电镜照片，从图6和图l的比较易于看出，应用本发明刻蚀后得到的 剖面，线条角度陡直(侧壁角度大于85度)，并且线条上下边沿均无圆角；因此，采用本发明刻蚀得到的零层标示，可以提高多层间的光刻校准率。
其次，由于含氟气体在等离子腔室中电离后会产生含氟的活性基团，从 而对腔室内的部件尤其是石英部件进行腐蚀，从而缩短了这些部件的使用寿 命。从上面的具体实施例中可以看出，虽然在本发明的工艺气体中也采用了
含氟气体，但是对于BT步中的工艺气体中增加了大流量的稀释气体，故可 以降4氐含氟气体对腔室内部件的损伤能力，并且BT步的时间举交短，可以进 一步减少含氟气体对腔室内部件的损害。
再者，从上面的例子可以看出，本例的硅主刻蚀步ME的处理时间为40 秒，本发明较佳的处理时间范围为30 40s，远小于通常刻蚀工艺条件下的 ME的处理时间50~70s。显而易见，处理时间的缩短可以大大^是高生产效 率。正是由于本发明通过光阻保护气体以及适应比例的添加，使得刻蚀剖面 的形貌以及刻蚀深度可以得到较佳的控制，因此，在保证刻蚀剖面质量的情 况下，通过调节功率而倾向于采用较短的刻蚀时间，以提高生产效率。
对比情况，其中，现有技术和本发明均取了 6个重复样本。在图7中，纵坐 标为偏差值，单位为um，其中0um为最优值。在图7中，左边的多边形表 示现有技术下各个重复样本的偏差分布范围，右边表示应用本发明刻蚀后的 各个重复样本的偏差分布范围，可以看出，现有技术下偏差分布大致为 +0.0111111到一0.0211111,而应用本发明刻蚀后的偏差分布基本上在0um附近。 从图7的比较中，易于看出，本发明对于提高层间的光刻校准效果，减小偏 差具有显著的效果，偏差值一般在士0.03um。
以上对本发明所提供的一种半导体等离子刻蚀工艺，进行了详细介绍，
的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改 变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1、一种等离子刻蚀工艺，其特征在于，包括介质层贯穿刻蚀步，所述介质层贯穿刻蚀步的工艺气体包括氟基刻蚀气体、第一光阻保护气体以及稀释气体；硅主刻蚀步，所述硅主刻蚀步的工艺气体包括主刻蚀气体、碳基副产物去除气体以及第二光阻保护气体。
2、 如权利要求1所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述氟基刻蚀气体为CF4或者SF6,所述第一光阻保护气体为CH2F2或 者CHF3或者HBr，所述稀释气体为He、 Ar或者N2。
3、 如权利要求1所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述主刻蚀气体为Cl2,所述碳基副产物去除气体为02，所述第二光阻 保护气体为HBr。
4、 如权利要求1所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述稀释气体的流量大于氟基刻蚀气体的流量，所述氟基刻蚀气体的流 量大于第 一光阻保护气体的流量；所述第二光阻保护气体的流量大于主刻蚀气体的流量，所述主刻蚀气体的流量大于碳基副产物去除气体的流量。
5、 如权利要求2所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述介质层为氧化硅，则贯穿刻蚀步的工艺参数为腔室压力为 7~15mT,上射频功率为300 400W，下射频功率为50 150W,处理时间为 10~20s,氟基刻蚀气体CF4流量为50 100sccm,第一光阻保护气体CH2F2 流量为10 20 sccm,稀释气体He流量为100 200 sccm。
6、 如权利要求3所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述硅主刻蚀步的工艺参数为腔室压力为20~30mT,上射频功率为 300~500W,下射频功率为30~100W，处理时间为30~40s,主刻蚀气体C12 流量为50 100sccm，第二光阻保护气体HBr流量为100~200 sccm，碳基副 产物去除气体02流量为3~10 sccm。
7、 如权利要求2所述的刻蚀工艺，其特征在于， 所述介质层为氧化硅，则贯穿刻蚀步的工艺参数为腔室压力为8mT,上射频功率为350W，下射频功率为120W,处理时间为15s,氟基刻蚀气体 CF4流量为60sccm,第一光阻保护气体CH2F2流量为20 sccm,稀释气体 He流量为100 sccm。
8、 如权利要求3所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述硅主刻蚀步的工艺参数为腔室压力为20mT，上射频功率为400W， 下射频功率为45W，处理时间为40s,主刻蚀气体C12流量为50sccm,第二 光阻保护气体HBr流量为200 sccm，碳基副产物去除气体02流量为5sccm。
9、 如权利要求1所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述等离子刻蚀工艺应用在光阻覆盖面超过整个晶片90%，且光阻层与 硅层间的硬质介质层厚度小于等于0.05um的图形刻蚀中。
10、 如权利要求1所述的刻蚀工艺，其特征在于，所述等离子刻蚀工艺应用在晶片零层标示区域的刻蚀中。
全文摘要
本发明提供了一种等离子刻蚀工艺，包括介质层贯穿刻蚀步，所述介质层贯穿刻蚀步的工艺气体包括氟基刻蚀气体、第一光阻保护气体以及稀释气体；硅主刻蚀步，所述硅主刻蚀步的工艺气体包括主刻蚀气体、碳基副产物去除气体以及第二光阻保护气体。优选实施例中，所述氟基刻蚀气体为CF₄或者SF₆，所述第一光阻保护气体为CH₂F₂或者CHF₃或者HBr，所述稀释气体为He、Ar或者N₂；所述主刻蚀气体为Cl₂，所述碳基副产物去除气体为O₂，所述第二光阻保护气体为HBr。本发明能够在半导体等离子刻蚀中，提高图形刻蚀的侧壁陡直度以及避免线条上下边沿出现圆角。
文档编号H01L21/311GK101615579SQ20091009017
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者李俊杰, 盟 杨 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司