使用等离子体增强氧化钝化的硅蚀刻的制作方法
【专利说明】使用等离子体増强氧化钝化的硅蚀刻
本申请是申请号为200980140632.5，申请日为2009年10月9日，申请人为朗姆研究公司，发明创造名称为“使用等离子体增强氧化钝化的硅蚀刻”的发明专利申请的分案申请。
【背景技术】
[0001]本发明涉及半导体仪器的形成。更具体地说，本发明涉及蚀刻特征到硅材料中。
[0002]使用通过在特征的侧壁上形成钝化层保护特征的侧壁免于蚀刻反应影响的各向异性蚀刻，在硅衬底中形成通孔和沟槽等特征。蚀刻气体通常包含用于化学蚀刻的齒素气体(如SF6)和用于钝化的氧气(O2)。钝化层通常为特征的侧壁氧化形成的含氧化硅(S1x型膜)的氧化膜。钝化层的成分可被蚀刻化学和掩模材料影响。过多侧壁钝化可导致夹断，过少侧壁钝化可导致弓起、底切以及临界尺寸退化。
[0003]还可通过使用“快速交替”等离子体蚀刻处理(气体调制处理)，采用等离子蚀刻周期和沉积(钝化)周期的快速重复交替，在硅衬底中形成深层特征。通常，SF6和C4F8气体分别为蚀刻和沉积周期的主要处理气体。C4F8钝化周期中沉积侧壁保护聚合物层从而达到定向蚀刻。SF6蚀刻周期中，通过离子增强蚀刻从水平面(如通孔底部)去除钝化聚合物，然后通过游离氟从暴露表面各向同性蚀刻硅。
[0004]在气体调制处理中，提供给等离子体处理反应器的处理气体快速开启和关闭，导致处理从去除晶片上硅的蚀刻条件快速变化到沉积材料到晶片上而不去除硅的沉积条件，然后再次回到蚀刻条件。交替周期的持续时间通常相对较短，在硅衬底中达到预期深度通常需要多个周期。
【发明内容】
[0005]为了实现上述并按照本发明的目的，在一个实施方式中，提供了通过在硅层上形成的图案化掩模蚀刻硅层的方法。硅层放置于蚀刻室中。提供包括含氟气体和含氧、氢气体的蚀刻气体进入蚀刻室。由蚀刻气体产生等离子体，使用等离子体蚀刻特征到硅层中。然后停止蚀刻气体。等离子体可含有OH自由基。
[0006]在本发明的另一体现中，提供了通过使用下游等离子体在硅层上形成的图案化掩模蚀刻硅层的方法。硅层放置于蚀刻室中。提供包括含氟气体的蚀刻气体进入上游等离子体室。由蚀刻气体产生等离子体。从等离子体导入反应介质到蚀刻室，并提供含氧、氢的钝化气体进入蚀刻室使得反应介质包含OH自由基。使用反应介质蚀刻特征到硅层中。然后停止反应介质和钝化气体。钝化气体包含至少水蒸气或醇之一。
[0007]在本发明的另一体现中，提供了通过图案化掩模蚀刻特征到硅层中的装置。装置包括等离子体处理室、蚀刻气体源以及控制器。等离子体处理室包括形成等离子体处理室外壳的室壁，在等离子体处理室外壳内支撑衬底的衬底支撑件，调节等离子体处理室外壳中压强的压强调节器，为等离子体处理室外壳提供维持等离子体的电源的至少一个电极，电连接到至少一个电极的至少一个射频电源，提供气体进入等离子体处理室外壳的进气口，以及从等离子体处理室外壳排放气体的出气口。与进气口流体连接的蚀刻气体源包括含氟气体源以及含氧、氢气体源。控制器可控连接到气体源、射频偏压源以及至少一个射频电源。控制器包括至少一个处理器以及包括蚀刻硅层的计算机可读代码的计算机可读介质。蚀刻硅层的计算机可读代码包括(a)使含氟气体从含氟气体源流入等离子体室的计算机可读代码，(b)使含氧、氢气体从含氧、氢气体源流入等离子体室的计算机可读代码，(c)由所述含氟气体和所述含氧、氢气体形成等离子体的计算机可读代码，(d)提供偏压的计算机可读代码，(e)蚀刻特征到所述硅层中的计算机可读代码，以及(f)停止所述含氟气体和所述含氧、氢气体的计算机可读代码。
[0008]在以下本发明的详细描述中将结合以下附图更具体地描述本发明这些和其他特征。
【附图说明】
[0009]本发明以附图中实施例的方式阐述，但并非以限定的方式，其中相似标识指代相似元素，其中:
[0010]图1为按照本发明的实施方式蚀刻硅层处理的高级流程图。
[0011]图2图示出按照本发明的实施方式蚀刻特征的硅层横截面的实施例。
[0012]图3为可用于进行本发明的实施方式的等离子体处理系统的实施例示意图。
[0013]图4图示出适用于实施用于本发明的实施方式的控制器的计算机系统。
[0014]图5为按照本发明的另一实施方式蚀刻硅层处理的高级流程图。
[0015]图6为可用于进行本发明的实施方式的下游等离子体处理系统的实施例示意图。
详细描述
[0016]本发明将参照附图所示一些优选实施方式进行详细描述。在以下描述中，记载了众多具体细节以透彻地理解本发明。但是，对于本领域技术人员显而易见的是无需部分或全部具体细节本发明也可实施。在其他例子中，众所周知的处理步骤和/或结构未进行详细描述以免不必要地使得本发明不清楚。
[0017]如上所述，在硅蚀刻中使用侧壁钝化以保护特征的侧壁免于侧面蚀刻影响从而达到特征的各向异性蚀刻。例如，在硅蚀刻处理过程中，通过形成合适的侧壁可获得大致垂直的廓形。在常规稳态硅蚀刻中，通过硅特征侧壁的氧化形成侧壁钝化层。生成的钝化层通常为氧化硅膜。另一方面，在气体调制处理中，在沉积步骤中使用由含碳气体(如C4F8)形成的等离子体沉积侧壁钝化层，而在随后蚀刻步骤中使用由含氟气体(如SF6)形成的等离子体蚀刻硅层，其中沉积步骤和蚀刻步骤快速交替。生的钝化层通常为聚合物。
[0018]申请人使用含氧气体，如02、S02、C02、C0作为钝化气体形成氧化型钝化层以在使用如SF6的含氟气体的蚀刻处理过程中保护特征侧壁。侧壁钝化层包含Si02(如果使用了O2);S1x(如果使用/添加了SO2);和/或SiC或S1C(如果使用/添加了C02和/CO)。还可以使用或增加N2O或NO2，使得钝化层进一步包含SiN或S1N。还可以添加其他的气体，如B2H6，BCl3，其中钝化层还可包含S1BN或SiBN。为了构建足够薄符合设计要求同时耐用足以保护特征侧壁的钝化层，申请人已研究出新型钝化气体和生成的新型钝化层。
[0019]按照本发明的实施方式，使用OH自由基修改侧壁钝化层的成分使得钝化层包含S1H，或通常S1xHy,其中l，y2 I。为了在等离子体中提供OH自由基，钝化气体包含氧和氢。例如，钝化气体包括水蒸气和/或醇。如果钝化气体包含醇，钝化层可进一步包含SiCOH和/或S1C，或通常SiCnOxHy，其中η 2 0，x 2 I，y 2 O，并且η和y不同时为O。据信，使用水蒸气或醇蒸汽(0H自由基)氧化硅(形成钝化层)快于使用氧(O型自由基)。钝化层还可包含S1x。
[0020]为了便于理解，图1为本发明的实施方式所用工艺的高级流程图，通过在硅层上形成的图案化掩模蚀刻硅层。提供包括含氟(F)气体和含氧(0)、氢(H)气体的蚀刻气体进入放置有硅层的蚀刻室(步骤102)。例如，含氟气体包含SF6。含氟气体可进一步包含SiF4。此外，含氟气体可为NF3或CF4，或SF6、NF3、SiF4和/或CF4的组合物。还可添加其他含卤气体到蚀刻气体。按照本发明的一个实施方式，作为钝化气体的含氧、氢气体为水蒸气。含氧、氢气体还可为醇(CnHn-OH)。在另一实施方式中，含氧、氢气体可包含水蒸气和醇。蚀刻气体可进一步包含O2，和/或至少⑶2或⑶之一。此外，酮(如丙酮，CH3CO-CH3)也可用为钝化气体，还有C0、C02、水蒸气和/或醇。另外，还有其他化学品，如醛(包含末端羰基-CH0)、酯(具有总体结构R-COO-R ’，其中R ’为烃基，R为羧基)以及醚(具有总体结构R-O-R)。应当注意的是，可添加载运气体和/或稀释气体到化学作用以提供一定反应效果。
[0021 ]按照本发明的一个实施方式，通过蒸发液态前体(水或液态醇)可制得钝化气体。还可通过使用下游等离子体反应器由高温O2气体和出气体制得OH自由基(或水蒸气)。在被导入到蚀刻室之前，钝化气体(水蒸气或醇)可与含氟气体混合。备选地，含氟气体和钝化气体可通过不同的气体入口导入到产生等离子体的蚀刻室。
[0022]参照图1，由包含含氟气体和含氧、氢钝化气体(例如，水蒸气和/或醇)的蚀刻气体产生等离子体(步骤104)。在等离子体中，水蒸气提供羟基自由基(0H)，醇提供羟基(OH) ο应该注意的是“羟基”通常用来描述有机化合物中取代基官能团-0H。在本说明书和权利要求书中，“羟基”或“羟基自由基”均指羟基自由基(来自无机物或水)和羟基(来自有机化合物或醇)。
[0023]提供偏压(步骤106)，和使用等离子体蚀刻特征到硅层中(步骤104)。为了便于理解，图2图示出蚀刻特征的硅层200横截面的实施例。硅层20