一种深硅刻蚀工艺和深硅刻蚀设备的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种深硅刻蚀工艺和深硅刻蚀设备。

背景技术：

目前，常用的深硅刻蚀工艺主要为博世(bosch)工艺，即多次重复一个循环单元的工艺，该循环单元包括一个沉积步骤和一个刻蚀步骤。然而，使用bosch工艺刻蚀形成的沟槽的侧壁通常会出现扇贝效应，导致侧壁的粗糙度较大。

现有技术中，为了减小刻蚀形成的沟槽的侧壁的扇贝效应，对侧壁的粗糙度进行控制，需缩短bosch工艺的单个循环单元的持续时间，例如，通过频繁切换单个循环单元中的沉积步骤和刻蚀步骤的方式，缩短沉积步骤和刻蚀步骤的持续时间。由于在沉积步骤和刻蚀步骤中，所需的射频电源功率不同，因此，在频繁切换沉积步骤和刻蚀步骤的过程中，射频电源功率也应频繁切换。

然而，本申请的发明人发现，在射频电源功率频繁切换的过程中，与该射频电源相应的自动匹配器的电机驱动速度远小于等离子体阻抗变化的速度，且射频电源功率的切换频率越快，功率反射越严重，进而导致传输至等离子体的功率越低。因此，为了避免传输至等离子体的功率过低，现有的bosch工艺的单个循环单元的持续时间仍然较长(例如不短于1.5s)，无法有效地减小刻蚀形成的沟槽的侧壁的扇贝效应，无法有效对刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种深硅刻蚀工艺和深硅刻蚀设备，能够缩短单个循环单元的持续时间，实现对刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度控制。

为达到上述目的，本发明提供一种深硅刻蚀工艺，采用如下技术方案：

该深硅刻蚀工艺包括多次重复进行的单个循环单元，所述单个循环单元包括一个沉积步骤和一个刻蚀步骤，在所述深硅刻蚀工艺中：

通过恒定功率射频电源输出所述沉积步骤的沉积功率p1；

通过脉冲射频电源输出脉冲功率p2，所述刻蚀步骤的刻蚀功率为p3，其中，p2＝p3-p1；

所述脉冲射频电源的脉冲频率为f，占空比为d，所述单个循环单元的持续时间t等于所述沉积步骤的持续时间t1和所述刻蚀步骤的持续时间t2之和，其中，f＝1/t，d＝t2/t1。

本发明提供了一种如上所述的深硅刻蚀工艺，在上述深硅刻蚀工艺的沉积步骤中，沉积功率即为恒定功率射频电源的功率，在刻蚀步骤中，刻蚀功率即为恒定功率射频电源的功率和脉冲射频电源的功率之和，因此，在深硅刻蚀过程中，不需要通过单个射频电源的自身功率切换来进行沉积步骤和刻蚀步骤的射频电源功率的切换，只需通过恒定功率射频电源和脉冲射频电源的配合，即可进行沉积步骤和刻蚀步骤的射频电源功率的切换，从而能够实现射频电源功率在深硅刻蚀过程中的沉积步骤和刻蚀步骤的频繁切换，缩短了沉积步骤和刻蚀步骤的持续时间，从而缩短了深硅刻蚀过程中的单个循环单元的持续时间，减小了刻蚀形成的沟槽的侧壁的扇贝效应，进而实现了对刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度控制。

本发明还提供了一种深硅刻蚀设备，采用如下技术方案：

该深硅刻蚀设备包括中心套筒、边沿套筒、中心线圈和边沿线圈；其中，所述中心套筒位于所述边沿套筒上方，所述中心套筒和所述边沿套筒同轴且连通，以形成反应腔室；所述中心线圈缠绕在所述中心套筒外，所述边沿线圈缠绕在所述边沿套筒外；

在上述深硅刻蚀工艺中，通过恒定功率射频电源向所述中心线圈输出所述沉积步骤的沉积功率p1；通过脉冲射频电源向所述边沿线圈输出所述脉冲功率p2。

由于该深硅刻蚀设备采用了如上所述的深硅刻蚀工艺，所以使用该深硅刻蚀设备进行深硅刻蚀时与采用上述深硅刻蚀工艺进行深硅刻蚀时具有相同的有益效果，故此处不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的深硅刻蚀工艺的流程图；

图2为本发明实施例中的一种深硅刻蚀设备的示意图；

图3为本发明实施例中的另一种深硅刻蚀设备的示意图。附图标记说明：

1a—中心套筒；1b—中心线圈；2a—边沿套筒；

2b—边沿线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种深硅刻蚀工艺，如图1所示，该深硅刻蚀工艺包括多次重复进行的单个循环单元，每个单个循环单元包括一个沉积步骤和一个刻蚀步骤，在该深硅刻蚀工艺中：通过恒定功率射频电源输出沉积步骤的沉积功率p1；通过脉冲射频电源输出脉冲功率p2，刻蚀步骤的刻蚀功率为p3，其中，p2＝p3-p1；脉冲射频电源的脉冲频率为f，占空比为d，单个循环单元的持续时间t等于沉积步骤的持续时间t1和刻蚀步骤的持续时间t2之和，其中，f＝1/t，d＝t2/t1。

在本发明实施例中，通过使恒定功率射频电源的功率为深硅刻蚀过程中的沉积功率p1，进而保证在沉积步骤中，只需使用恒定功率射频电源即可提供所需的沉积功率，通过使脉冲射频电源的脉冲功率p2满足p2＝p3-p1，脉冲射频电源的脉冲频率f等于1/t，以及脉冲射频电源的占空比d等于t2/t1，进而使得在刻蚀步骤中，脉冲射频电源的脉冲功率恰好能够与恒定功率射频电源的功率叠加，且刚好提供所需的刻蚀功率p3，进而保证了该深硅刻蚀工艺的顺利进行。

本发明实施例中优选脉冲射频电源的脉冲频率f的取值范围是1hz～1000hz，从而使得在满足单个循环单元的持续时间较短的需求的同时，无需单独设计脉冲射频电源，进而使得本发明实施例中的射频电源容易实现、成本较低。

本发明实施例中优选脉冲射频电源的占空比d的取值范围为10％～90％，从而使得在满足单个循环单元的持续时间较短的需求的同时，无需单独设计脉冲射频电源，进而使得本发明实施例中的射频电源容易实现、成本较低。

本发明实施例提供了一种如上所述的深硅刻蚀工艺，在上述深硅刻蚀工艺的沉积步骤中，沉积功率即为恒定功率射频电源的功率，在刻蚀步骤中，刻蚀功率即为恒定功率射频电源的功率和脉冲射频电源的功率之和，因此，在此深硅刻蚀过程中，不需要通过单个射频电源的自身功率切换来进行沉积步骤和刻蚀步骤的射频电源功率的切换，只需通过恒定功率射频电源和脉冲射频电源的配合，即可进行沉积步骤和刻蚀步骤的射频电源功率的切换，从而能够实现射频电源功率在深硅刻蚀过程中的沉积步骤和刻蚀步骤的频繁切换，缩短了沉积步骤和刻蚀步骤的持续时间，从而缩短了深硅刻蚀过程中的单个循环单元的持续时间，减小了刻蚀形成的沟槽的侧壁的扇贝效应，进而实现了对刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度控制。

发明人发现，在深硅刻蚀过程中，沉积功率和刻蚀功率越大，刻蚀速率越大，刻蚀的效率越高，但沉积功率和刻蚀功率越高，对射频电源以及深硅刻蚀设备的要求也就越高，其加工生产难度也就更大，且成本较高、不易实现。综合以上因素，本发明实施例优选沉积步骤中的沉积功率为500w～3000w，刻蚀步骤中的刻蚀功率为500w～3000w，从而使得在满足单个循环单元的持续时间较短的需求的同时，使得本发明实施例中的深硅刻蚀方法更容易实现。

为了便于本领域技术人员理解和实施，下面本发明实施例提供一种最具体的深硅刻蚀工艺：该深硅刻蚀工艺包括多次重复进行的单个循环单元，该单个循环单元包括一个沉积步骤和一个刻蚀步骤；在采用上述深硅刻蚀工艺进行深硅刻蚀的过程中，通过恒定功率射频电源输出沉积步骤的沉积功率p1；通过脉冲射频电源输出脉冲功率p2，刻蚀步骤的刻蚀功率为p3，其中，p2＝p3-p1；脉冲射频电源的脉冲频率为f，占空比为d，单个循环单元的持续时间t等于沉积步骤的持续时间t1和刻蚀步骤的持续时间t2之和，其中，f＝1/t，d＝t2/t1，具体地，恒定功率射频电源的功率为1500w，沉积步骤中的沉积功率为1500w，脉冲射频电源的脉冲功率为500w，刻蚀步骤中的刻蚀功率为2000w，沉积步骤的持续时间为0.2s，刻蚀步骤的持续时间为0.3s，脉冲射频电源的脉冲频率f为2hz，脉冲射频电源的占空比d为66.7％。

本申请的发明人发现，使用本发明实施例中的深硅刻蚀工艺进行深硅刻蚀的过程中，沉积步骤的持续时间能够小于或等于0.15s，刻蚀步骤的持续时间能够小于或等于0.2s，即单个循环单元的持续时间能够小于或等于0.35s，进而能够使采用上述深硅刻蚀工艺刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度非常小，实现了对刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度控制，从而不仅提高了半导体器件的性能，而且为nems(nano-electro-mechanicalsystem，纳机电系统)技术打下了基础。

需要补充的是，在采用本发明实施例中的上述各深硅刻蚀工艺进行深硅刻蚀时，刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度能够小于或等于10nm，大大小于现有技术中的100nm～200nm，进而大大提高了半导体器件的性能，为nems技术打下了很好的基础。

实施例二

本发明实施例提供了一种深硅刻蚀设备，如图2所示，该深硅刻蚀设备包括中心套筒1a、边沿套筒2a、中心线圈1b和边沿线圈2b；其中，中心套筒1a位于边沿套筒2a上方，中心套筒1a和边沿套筒2a同轴且连通，以形成反应腔室；中心线圈1b缠绕在中心套筒1a外，边沿线圈2b缠绕在边沿套筒2a外。在应用该深硅刻蚀设备执行实施例一中所述的深硅刻蚀工艺时，通过恒定功率射频电源向中心线圈1b输出沉积步骤的沉积功率p1；通过脉冲射频电源向边沿线圈2b输出脉冲功率p2。

本发明提供了一种如上所述的深硅刻蚀设备，在应用该深硅刻蚀设备执行实施例一中所述的深硅刻蚀工艺时，由于在沉积步骤中，沉积功率即为恒定功率射频电源的功率，在刻蚀步骤中，刻蚀功率即为恒定功率射频电源的功率和脉冲射频电源的功率之和，因此，在深硅刻蚀过程中，不需要通过单个射频电源的自身功率切换来进行沉积步骤和刻蚀步骤的射频电源功率的切换，只需通过恒定功率射频电源和脉冲射频电源的配合，即可进行沉积步骤和刻蚀步骤的射频电源功率的切换，从而能够实现射频电源功率在深硅刻蚀过程中的沉积步骤和刻蚀步骤的频繁切换，缩短了沉积步骤和刻蚀步骤的持续时间，从而缩短了深硅刻蚀过程中的单个循环单元的持续时间，减小了刻蚀形成的沟槽的侧壁的扇贝效应，进而实现了对刻蚀形成的沟槽的侧壁的粗糙度控制。

需要补充的是，上述深硅刻蚀设备包括的中心套筒1a和中心线圈1b的位置关系以及边沿套筒2a和边沿线圈2b的位置关系可以有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

示例性地，如图2所示，深硅刻蚀设备中的中心线圈1b沿中心套筒1a缠绕多匝，且多匝中心线圈1b沿中心套筒1a的轴向依次排列，边沿线圈2b沿边沿套筒2a缠绕多匝，且多匝边沿线圈2b沿边沿套筒2a的轴向依次排列；或者，如图3所示，深硅刻蚀设备中的中心线圈1b沿中心套筒1a缠绕多匝，且多匝中心线圈1b沿中心套筒1a的轴向依次排列，边沿线圈2b在边沿套筒2a的上方缠绕多匝，且多匝边沿线圈2b沿边沿套筒2a的径向依次排列。

最后，需要说明的是，深硅刻蚀设备的具体结构不局限于图2、图3所示，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，本发明实施例对此不作具体限制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。