氮化硅高深宽比孔的刻蚀方法
【专利摘要】本发明氮化硅薄膜高深宽比孔的刻蚀方法，首先将已经形成半导体所需图形的氮化硅薄膜的半导体器件放入刻蚀腔体内，然后采用干法等离子体工艺，通入高碳链分子碳氟基气体、氧化性气体、稀释性气体、含氢碳氟基气体，加上射频功率，激发出等离子体；经过等离子体稳定步骤后，进行氮化硅薄膜的刻蚀，直至高深宽比孔的刻蚀形貌及孔径大小及深度达到要求。发明采用独特的碳氟基气体刻蚀氮化硅薄膜，通过调节气体组分、功率大小，既可控制深孔侧壁上的碳氟聚合物的沉积量避免孔的关键尺寸变大、又可去除已沉积在深孔底部的聚合物以保证刻蚀可以继续进行，进而能够调节孔的刻蚀形貌。
【专利说明】氮化硅高深宽比孔的刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路制造领域，更具体地说，涉及一种氮化硅薄膜高深宽比孔的刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]接触孔刻蚀是超大规模集成电路的关键技术，随着CMOS进入32nm后的工艺时代，高深宽比孔刻蚀及其填充对器件的良率有相当大的影响。对于先进的存储器而言，深宽比已经达到了 40: I以上的比例，这使得挑战更加巨大。
[0003]传统的CMOS器件的接触孔刻蚀的介质是二氧化硅薄膜，作为另一应用广泛的电介质材料氮化硅，由于其K值及应力较大几乎没有使用其作为ILD层。它主要用于硬掩摸、刻蚀或者CMP的停止层。
[0004]与氧化娃薄膜的刻蚀相类似,对于氮化娃薄膜,一般米用碳氟基气体如CF4、CHF3>CH2F2XH3F等来刻蚀。当前，在主流CMOS集成电路制造中，接触孔刻蚀的介质以二氧化硅为主，没有用到氮化硅。但是，随着半导体集成电路的深入发展，氮化硅作为孔刻蚀的一种电介质材料，在三、五族光电晶体器件中有了用武之地。
[0005]对于氮化娃,从材料上来讲，氮化娃的生长、制备一般米用PECVD及LPCVD的方式，其与氧化硅相比，氮化硅的键能较低，易于打开，所以刻蚀二氧化硅的气体都可以用来刻蚀氮化硅，并且可获得较高的刻蚀速度。不同之处在于，氮化硅在采用含氢碳氟基气体刻蚀时，易于产生聚合物，如果在深孔中则难于去除，极易影响深孔的陡直度及CD的大小。因此，当需要制备深宽比为5: I (CD在IOOnm左右)以上的深孔时，聚合物在侧壁沉积的量的多少至关重要，它决定刻蚀的形貌及反应的进程。如果聚合物太少，则难以获得理想的刻蚀形貌，并且选择比低，难以控制孔的关键尺寸CD的大小；然而，如果深孔中沉积太多的碳氟聚合物薄膜，则将对侧壁及底部起到化学抑制剂的作用，会导致刻蚀中止。
[0006]因此，需要一种能够控制深孔中碳氟聚合物沉积量的氮化硅薄膜的孔刻蚀方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种氮化硅薄膜高深宽比孔的刻蚀方法，既可控制深孔侧壁上的碳氟聚合物的沉积量、又可去除已沉积在深孔底部的聚合物以保证刻蚀可以继续进行，进而能够调节孔的刻蚀形貌。
[0008]实现本发明目的的技术方案是:
[0009]一种氮化硅高深宽比孔的刻蚀方法，首先将已经形成半导体所需图形的氮化硅薄膜的半导体器件放入刻蚀腔体内，接着还包括如下步骤:采用干法等离子体工艺，向所述刻蚀腔体内通入高碳链分子碳氟基气体、氧化性气体、含氢碳氟基气体，加上射频功率，激发出等离子体；经过等离子体稳定步骤后，进行氮化硅薄膜的刻蚀，直至所述孔的刻蚀形貌、孔径大小及深度达到要求。
[0010]其中，所述高碳链分子碳氟基气体在刻蚀氮化硅的同时，还产生含碳氟的聚合物薄膜沉积在孔洞侧壁及底部，从而对氮化硅形成各向异性的刻蚀；所述含氢碳氟基气体在对氮化硅薄膜的化学性刻蚀并提升刻蚀速度的同时，还产生含有碳氟的聚合物分子也沉积在孔洞侧壁及底部；所述氧化性气体将所述孔的底部的碳氟聚合物轰击并反应掉使得刻蚀不至于停止，同时所述氧化性气体将所述孔侧壁上沉积的碳氟聚合物去除一部分，另一部分碳氟聚合物保留在所述孔侧壁上。
[0011]当增加所述高碳链分子碳氟基气体从而增加聚合物的量时，所述孔的形貌为略倾斜；当增加所述氧化性气体时，所述孔的形貌为陡直；通过将参数调节到介于上述二者之间时，即可根据需求而获得不同的孔的刻蚀形貌。
[0012]优选地，在向所述刻蚀腔体内通入高碳链分子碳氟基气体、氧化性气体、含氢碳氟基气体的同时，还通入用于形成稳定的等离子体的稀释性气体。
[0013]其中所述高碳链分子碳氟基气体选自C4F6X4F8中至少其一；所述碳氟基气体选自CHF3、CH2F2及CH3F中至少其一；所述氧化性气体为O2 ;所述稀释性气体为He或Ar。
[0014]在一个实施例中，刻蚀陡直形貌的高深宽比孔时，采用中微半导体Pr imo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz，低频为2MHz，两者之间去耦合，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力保持在 40mt，通入气体包括:30sccm C4F8,70sccm CH2F2,80sccm O2,300sccm Ar。
[0015]在另一个实施例中，刻蚀略倾斜形貌的高深宽比孔时，采用中微半导体Primo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz，低频为2MHz，两者之间去耦合，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力保持在40mt，通入气体包括:40sccm C4F8,70sccm CH2F2,80sccm 02,300sccm Ar。
[0016]在又一个实施例中，其特征在于，还可以通过以下方式刻蚀略倾斜形貌的高深宽比孔:采用中微半导体Primo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz，低频为2MHz，两者之间去耦合，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力40mt，通入气体包括:30sccm C4F8，70sccm CH2F2,70sccm 02,300sccm Ar。
[0017]本发明所述半导体器件为单层结构，刻蚀停止在硅衬底上；或者所述半导体器件为多层结构，刻蚀停止在介电层之上或之下。其中介电层的材质是氧化硅、硅或其他衬底。
[0018]本发明氮化硅薄膜高深宽比孔的刻蚀方法，采用独特的碳氟基气体刻蚀氮化硅薄膜，通过调节气体组分、功率大小，实现了对氮化硅深孔的各向异性及快速刻蚀，既可控制深孔侧壁上的碳氟聚合物的沉积量避免孔的关键尺寸变大、又可去除已沉积在深孔底部的聚合物以保证刻蚀可以继续进行，进而能够调节孔的刻蚀形貌，获得满意的高深宽比孔的结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的带有光刻显影出所需图形的氮化硅薄膜结构的晶片；
[0020]图2为本发明一个实施例中，单层氮化硅薄膜的高深宽比孔的陡直刻蚀形貌截面图；
[0021]图3为本发明另一个实施例中，单层氮化硅薄膜的高深宽比孔的略倾斜刻蚀形貌截面图；
[0022]图4为本发明又一个实施例中，多层结构氮化硅薄膜的高深宽比孔的刻蚀形貌截面图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图并以【具体实施方式】为例，对本发明进行详细说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的【具体实施方式】，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
[0024]本发明氮化硅高深宽比孔的刻蚀方法包括如下步骤:
[0025]首先将带有光刻显影出所需图形的氮化硅薄膜结构的晶片放入刻蚀腔体；然后采用干法等离子体工艺，通入高碳链分子碳氟基气体、氧化性气体、稀释性气体、含氢碳氟基气体，加上射频功率，激发出等离子体；经过等离子体稳定步骤后，进行氮化硅薄膜的刻蚀，直至高深宽比孔的刻蚀形貌及孔径大小及深度达到要求。
[0026]本发明的高碳链分子碳氟基气体可从C4F6X4F8中选择至少其一；含氢碳氟基气体可从CHF3、CH2F2及CH3F中选择至少其一；氧化性气体为O2 ;稀释性气体为He或者Ar。
[0027]其中，高碳链分子碳氟基气体C4F6或C4F8除了用于刻蚀氮化硅外，更重要的在于能够产生较多的含碳氟的聚合物薄膜，沉积在孔洞侧壁及底部，从而对氮化硅形成各向异性的刻蚀。同样地，含氢碳氟基气体CHF3XH2F2或CH3F主要用于对氮化娃薄膜的化学性刻蚀，提升刻蚀速度，在反应过程中也会产生含有碳氟的聚合物分子也沉积在孔洞侧壁及底部；氧化性气体O2用于辅助性的去除已产生的并且在刻蚀过程中产生的聚合物，将孔的底部的碳氟聚合物轰击并反应掉使得刻蚀不至于停止，同时氧化性气体对侧壁上沉积的碳氟聚合物的去除作用稍弱，侧壁上沉积的碳氟聚合物会保留一部分。稀释性气体He或者Ar用于激发等离子体，形成稳定的等离子体及调控刻蚀速度。
[0028]本发明的氮化硅薄膜高深宽比孔的刻蚀方法，可以根据需要刻蚀出深孔的不同形貌，而不改变所刻蚀的孔在其他方面的形貌特征。当增加高碳链分子碳氟基气体从而增加聚合物的量时，可产生略倾斜的深孔；当增加氧化性气体时，可形成较为陡直的深孔。因此，通过调节每种气体的含量，尤其是高碳链分子碳氟基气体、以及氧化性气体的含量，就可以调节聚合物的量，既可在深孔侧壁沉积足量的聚合物以获得理想的刻蚀形貌，又能保证深孔底部沉积的碳氟聚合物薄膜不过多而导致刻蚀中止。
[0029]以下结合附图和具体实施例对上述方法作进一步详细说明。
[0030]本发明具体实施例的刻蚀设备采用中微半导体Primo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz主要用来产生等离子体，用于调节等离子体密度；低频为2MHz用于增强离子能量及轰击强度，提升刻蚀方向性。两者之间是去耦合的，以免相互影响。这使得可以根据刻蚀深孔的具体特点进行不同的优化，而不改变所刻蚀孔在其他方面的形貌特征。
[0031]如图1，在形成基本半导体结构的衬底上采用PECVD沉积上一层氮化硅薄膜11，采用光阻作为掩摸层10 (视不同工艺节点的要求，有时可能还需要加上硬掩摸)，光刻出所需图形。
[0032]如图2，为本发明一个实施例中，单层氮化硅薄膜的高深宽比孔的陡直刻蚀形貌截面图。在刻蚀腔体内通入刻蚀气体，采用射频功率激发，待等离子体稳定后，进行氮化硅的亥1J蚀。作为一个实施例，优选c4f8、ch2f2、o2等进行刻蚀。由于刻蚀设备厂商众多，这里的参数设定以中微半导体Prim0-DRIE的刻蚀设备为例。腔体压力保持在40mt，通入的气体包括:30sccm C4F8, 70sccm CH2F2,80sccm 02，300sccm Ar，高低频功率选择 500W/1500W，从而刻蚀出陡直的形貌。
[0033]对于高深宽比的刻蚀孔，上述陡直的形貌，会为后续的填充带来相当挑战。有时候为了随后的工艺，会将底部的尺寸做的小一些，做出略倾斜的形貌。图3为本发明另一个实施例中，单层氮化硅薄膜的高深宽比孔的略倾斜刻蚀形貌截面图，该实施例通过增加碳氟基气体C4F8的流量，增强聚合物在侧壁的沉积，使得侧向刻蚀降低。底部沉积的聚合物可以在低频高功率下被氧化性气体轰击掉，而不影响各向异性的刻蚀。最终，形成略倾斜的刻蚀形貌，如图3。其中工艺参数可以设定如下，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力40mt，通入的气体包括:40sccm C4F8, 70sccm CH2F2,80sccm O2, 300sccm Ar。
[0034]在另一个实施例中，也可以通过调整02的流量来获得略倾斜刻蚀形貌:高低频功率 500W/1500W，腔体压力 40mt，通入的气体包括:30sccm C4F8, 70sccm CH2F2, 70sccm O2,300sccm Ar。
[0035]如图4是另外一个多层结构氮化硅薄膜深孔刻蚀的实施例。工艺参数可以参数上述示例。该多层半导体结构的器件除了氮化硅薄膜11及其之上的掩摸层10以外，还包括位于氮化硅薄膜11之下的停止层12。本发明的方法同样适用于多层结构氮化硅薄膜深孔刻蚀，其刻蚀形貌可以是图2所示的陡直的、也可以是图3所示的略倾斜，或者介于二者之间的刻蚀形貌。本实施例与前面二个实施例不同的是，前面二个实施例是单层结构，刻蚀停止在硅衬底上，而本实施例是多层结构，刻蚀停止在停止层12之上或之下，停止层12的材质可以是氧化硅、硅或其他材料。
[0036]应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离附后的权利要求书的范围。
【权利要求】
1.一种氮化硅高深宽比孔的刻蚀方法，首先将已经形成半导体所需图形的氮化硅薄膜的半导体器件放入刻蚀腔体内，其特征在于，所述方法接着还包括如下步骤: 采用干法等离子体工艺，向所述刻蚀腔体内通入高碳链分子碳氟基气体、氧化性气体、含氢碳氟基气体，加上射频功率，激发出等离子体；经过等离子体稳定步骤后，进行氮化硅薄膜的刻蚀，直至所述孔的刻蚀形貌、孔径大小及深度达到要求。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于， 所述高碳链分子碳氟基气体在刻蚀氮化硅的同时，还产生含碳氟的聚合物薄膜沉积在孔洞侧壁及底部，从而对氮化硅形成各向异性的刻蚀； 所述含氢碳氟基气体在对氮化硅薄膜的化学性刻蚀并提升刻蚀速度的同时，还产生含有碳氟的聚合物分子也沉积在孔洞侧壁及底部； 所述氧化性气体将所述孔的底部的碳氟聚合物轰击并反应掉使得刻蚀不至于停止，同时所述氧化性气体将所述孔侧壁上沉积的碳氟聚合物去除一部分，另一部分碳氟聚合物保留在所述孔侧壁上。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，当增加所述高碳链分子碳氟基气体从而增加聚合物的量时，所述孔的形貌为略倾斜；当增加所述氧化性气体时，所述孔的形貌为陡直；通过将参数调节到介于上述二者之间时，即可根据需求而获得不同的孔的刻蚀形貌。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，在向所述刻蚀腔体内通入高碳链分子碳氟基气体、氧化性气体、含氢碳氟基气体的同时，还通入用于形成稳定的等离子体的稀释性气体。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述高碳链分子碳氟基气体选自C4F6、C4F8中至少其一；所述碳氟基气体选自CHF3XH2F2及CH3F中至少其一；所述氧化性气体为O2 ;所述稀释性气体为He或Ar。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，刻蚀陡直形貌的高深宽比孔时，采用中微半导体Primo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz，低频为2MHz，两者之间去耦合，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力保持在40mt，通入气体包括:30sccm C4F8,70sccm CH2F2,80sccm 02，300sccmAro
7.如权利要求5所述方法，其特征在于，刻蚀略倾斜形貌的高深宽比孔时，采用中微半导体Primo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz，低频为2MHz，两者之间去耦合，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力保持在40mt，通入气体包括:40sccm C4F8,70sccm CH2F2,80sccm 02，300sccmAro
8.如权利要求5所述方法，其特征在于，还可以通过以下方式刻蚀略倾斜形貌的高深宽比孔:采用中微半导体Primo-DRIE腔体，采用双射频系统，高频为60MHz，低频为2MHz，两者之间去耦合，高低频功率选择500W/1500W，腔体压力40mt，通入气体包括:30sccm C4F8,70sccm CH2F2, 70sccm O2, 300sccm Ar。
9.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述半导体器件为单层结构，刻蚀停止在硅衬底上；或者 所述半导体器件为多层结构，刻蚀停止在介电层之上或之下。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，所述介电层的材质是氧化硅、硅或其他衬底。
【文档编号】H01L21/311GK103531464SQ201210229544
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】孟令款 申请人:中国科学院微电子研究所