刻蚀方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种刻蚀方法。

背景技术：

通过深硅刻蚀制造微结构有许多非常重要的应用，如微机电系统(mems)、微流体器件和先进封装等，深硅刻蚀是工业生产中非常重要的一种工艺过程。为了获得深度较深、角度垂直的硅微结构，主要采用时间分隔的干法刻蚀工艺，即，“bosch”工艺。该工艺具体包括交替进行的沉积步和刻蚀步，其中，沉积步用于使用等离子体诱导氟碳聚合物在沟槽侧壁上形成保护层；刻蚀步用于使用氟基等离子体与硅片产生化学反应，以向下蚀刻硅片。但是，bosch工艺的这一机理也决定了获得的沟槽侧壁上会出现扇贝结构，导致侧壁不光滑，同时还会在侧壁上残留碳氟聚合物。

为此，现有技术采用了多种能够改善扇贝结构的方法，但是这些方法不能给修正深硅刻蚀形貌提供参考，也不能减少刻蚀后的侧壁沉积物残留。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种刻蚀方法，用于利用扇贝尺寸所蕴含的沉积与刻蚀之间平衡的信息，为修正刻蚀形貌提供参考，同时减少刻蚀后的侧壁沉积物残留。

为实现上述目的，本发明提供了一种刻蚀方法，包括：

测试步骤，对测试晶片进行刻蚀，以形成侧壁具有预设扇贝尺寸的沟槽；

比较步骤，对所述沟槽侧壁的深度方向上的不同位置处的扇贝尺寸进行比较；

调试步骤，对待刻蚀晶片进行刻蚀，且在刻蚀过程中根据所述比较步骤中获得的比较结果调试所述待刻蚀晶片的工艺配方，以修正所述待刻蚀晶片上沟槽的刻蚀形貌。

可选的，所述测试步骤具体包括：

s11，对所述测试晶片进行沉积，以在所述沟槽侧壁上形成保护层；

s12，对所述沟槽刻蚀预设深度；

s13，判断交替循环进行所述步骤s11和所述步骤s12的当前循环数是否等于总循环数，若是，则进行所述比较步骤；若否，则使所述当前循环数加1，并返回所述步骤s11；

其中，通过调节所述步骤s11和所述步骤s12各自的工艺时间，和所述总循环数，来使获得的所述沟槽侧壁上的扇贝尺寸达到所述预设扇贝尺寸。

可选的，通过增大或减少所述步骤s11和所述步骤s12各自的工艺时间，及减少或增大所述总循环数，来使获得的所述沟槽侧壁上的扇贝尺寸达到所述预设扇贝尺寸。

可选的，所述预设扇贝尺寸的取值范围在40nm-300nm。

可选的，所述预设扇贝尺寸为150nm。

可选的，在所述比较步骤中，所述沟槽侧壁的深度方向上的不同位置为两个位置，分别为所述沟槽的侧壁顶部和侧壁底部；或者，所述沟槽侧壁的深度方向上的不同位置为三个位置，分别为所述沟槽的侧壁顶部、侧壁中部和侧壁底部。

可选的，所述调试步骤具体包括第一调试过程和第二调试过程，其中，若所述沟槽侧壁上不同位置处的扇贝尺寸由上而下逐渐减小，则进行所述第一调试过程；若所述沟槽侧壁上不同位置处的扇贝尺寸由上而下逐渐增大，则进行所述第二调试过程；

所述第一调试过程包括以下步骤：

s31，对待刻蚀晶片进行沉积，以在沟槽侧壁上形成保护层；

s32，对所述沟槽刻蚀预设深度；

s33，判断交替循环进行所述步骤s31和所述步骤s32的当前循环数是否等于总循环数，若是，则流程结束；若否，则使所述当前循环数加1，并进行步骤s34；

s34，在所述步骤s31中通入反应腔室中的气体包含有调试气体，则使所述调试气体的当前流量值增加预设的流量调整值，和/或使所述下电极功率值增加预设的功率调整值；返回所述步骤s31；

所述第二调试过程包括以下步骤：

s41，对待刻蚀晶片进行沉积，以在沟槽侧壁上形成保护层；

s42，对所述沟槽刻蚀预设深度；

s43，判断交替循环进行所述步骤s41和所述步骤s42的当前循环数是否等于总循环数，若是，则流程结束；若否，则使所述当前循环数加1，并进行步骤s44；

s44，在所述步骤s41中通入反应腔室中的气体包含有调试气体，则使所述调试气体的当前流量值减小预设的流量调整值，和/或使所述下电极功率值减小预设的功率调整值；返回所述步骤s41。

可选的，所述调试气体的调整后流量值满足下述公式：

其中，f为调整后流量值；ffinal为终末流量值；finitial为起始流量值，且在所述第一调试过程中，ffinal≥finitial；在所述第二调试过程中，ffinal≤finitial；n为所述当前循环数；ntotal为所述总循环数。

可选的，所述下电极功率的调整后功率值满足下述公式：

其中，p为调整后功率值；pfinal为终末功率值；pinitial为起始功率值，且在所述第一调试过程中，pfinal≥pinitial；在所述第二调试过程中，pfinal≤pinitial；n为所述当前循环数；ntotal为所述总循环数。

可选的，在所述步骤s31和所述步骤s41中，使用氧气同时作为沉积气体和所述调试气体。

本发明的有益效果：

本发明所提供的刻蚀方法，首先利用测试步骤对测试晶片进行刻蚀，以形成侧壁具有预设扇贝尺寸的沟槽，该扇贝形貌蕴含有沉积与刻蚀之间平衡的信息，即，扇贝尺寸越大，则刻蚀作用越强；反之，沉积作用越强。然后，利用比较步骤对沟槽侧壁的深度方向上的不同位置处的扇贝尺寸进行比较，最后，通过调试步骤对待刻蚀晶片进行刻蚀，且在刻蚀过程中根据比较结果调试工艺配方，以修正沟槽的刻蚀形貌。由于上述预设扇贝尺寸可以放大沉积与刻蚀之间的差异，差异判断的精确度比通过宏观形貌来进行判断更高，从而可以应用于诸如具有不规则宏观形貌(如保龄球形貌)、高垂直度的宏观形貌等情况，同时有利于指导后续侧壁碳氟聚合物残留的去除。

附图说明

图1为本发明实施例提供的刻蚀方法的流程框图；

图2为本发明实施例采用的测试步骤的流程框图；

图3为本发明实施例采用的比较步骤和调试步骤的流程框图；

图4a为一种扇贝尺寸的扫描电子显微镜图；

图4b为另一种扇贝尺寸的扫描电子显微镜图；

图4c为又一种扇贝尺寸的扫描电子显微镜图；

图5为具有负角的大开口尺寸的深硅槽刻蚀形貌的扫描电子显微镜图；

图6为高垂直度的深硅槽刻蚀形貌的扫描电子显微镜图；

图7为具有保龄球结构的深硅槽刻蚀形貌的扫描电子显微镜图；

图8为调试后的保龄球结构的深硅槽刻蚀形貌的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的刻蚀方法进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的刻蚀方法，其包括：

测试步骤s100，对测试晶片进行刻蚀，以形成侧壁具有预设扇贝尺寸的沟槽；

比较步骤s200，对所述沟槽侧壁的深度方向上的不同位置处的扇贝尺寸进行比较；

调试步骤s300，对待刻蚀晶片进行刻蚀，且在刻蚀过程中根据比较步骤中获得的比较结果调试待刻蚀晶片的工艺配方，以修正待刻蚀晶片上沟槽的刻蚀形貌。

在bosch工艺中，掌控沉积与刻蚀之间的平衡对于工艺调试具有重要意义，也有利于指导后续侧壁碳氟聚合物残留的去除。在现有技术中，通常通过诸如开口大小或者侧壁倾斜角度等的宏观形貌中等来判断沉积与刻蚀之间的差异，但是，对于不规则宏观形貌(如保龄球形貌)、高垂直度的宏观形貌等，由于受到测量精度的限制，现有方法失效。

为了解决上述问题，本实施例提供的刻蚀方法，其通过利用测试步骤对测试晶片进行刻蚀，以形成侧壁具有预设扇贝尺寸的沟槽，该扇贝形貌蕴含有沉积与刻蚀之间平衡的信息，即，扇贝尺寸越大，则刻蚀作用越强；反之，沉积作用越强。也就是说，通过扇贝尺寸，来判断沉积与刻蚀之间的差异。而且，由于上述预设扇贝尺寸足够大，可以放大沉积与刻蚀之间的差异，差异判断的精确度比通过宏观形貌来进行判断更高，从而可以应用于诸如具有不规则宏观形貌(如保龄球形貌)、高垂直度的宏观形貌等情况。

所谓扇贝结构，是在沟槽侧壁上形成的圆弧面凹陷，该扇贝尺寸即为凹陷相对于侧壁的最大深度。可选的，上述预设扇贝尺寸的取值范围在40nm-300nm。在该范围内，上述预设扇贝尺寸足够大，足以准确得对沉积与刻蚀之间的差异进行判断。例如，图4a示出了一种扇贝尺寸d1≈40nm；图4b示出了另一种扇贝尺寸d2≈250nm；图4c示出了又一种扇贝尺寸d3≈150nm。其中，150nm的扇贝尺寸的判断准确性最佳。

可选的，测试晶片可以使用碎片或者废片等进行上述测试步骤s100，以节省晶片，节约成本。

在获得具有上述扇贝结构的沟槽刻蚀形貌之后，进行比较步骤s200，对沟槽侧壁的深度方向上的不同位置处的扇贝尺寸进行比较，然后进行调试步骤s300，对待刻蚀晶片进行刻蚀，且在刻蚀过程中根据比较结果调试工艺配方，以达到修正刻蚀形貌的目的，而且可以修正诸如具有不规则宏观形貌(如保龄球形貌)、高垂直度的宏观形貌等，同时有利于指导后续侧壁碳氟聚合物残留的去除。

在实际应用中，本实施例提供的刻蚀方法可以应用于深硅刻蚀、tsv刻蚀等。

请参阅图2，在本实施例中，测试步骤s100具体包括：

s11，对测试晶片进行沉积，以在沟槽侧壁上形成保护层；

s12，对沟槽刻蚀预设深度；

s13，判断交替循环进行步骤s11和步骤s12的当前循环数是否等于总循环数，若是，则进行比较步骤s200；若否，则使当前循环数加1，并返回步骤s11。

上述步骤s11至步骤s13与传统的bosch工艺相类似，即，交替进行沉积步和刻蚀步，并在达到预设的循环数之后，可以使沟槽达到目标深度。但是，传统的bosch工艺无法获得足够大的扇贝尺寸，为了解决该问题，可以通过调节步骤s11和步骤s12各自的工艺时间，和总循环数，来使调节扇贝尺寸的大小，以使获得的沟槽侧壁上的扇贝尺寸达到预设扇贝尺寸，足以准确得判断沉积与刻蚀之间的差异。

具体地，在完成步骤s13之后，还包括：

步骤s14，判断获得的沟槽侧壁上的扇贝尺寸是否达到预设扇贝尺寸，若是，则进行比较步骤s200；若否，则将调试后的新配方(改变工艺时间和总循环数)替换现有配方，并返回步骤s11。

可选的，可以通过增大或减少步骤s11和步骤s12各自的工艺时间，及减少或增大总循环数，来使扇贝尺寸达到预设扇贝尺寸，具体地，工艺时间越长，总循环数越少，则扇贝尺寸越大；反之，工艺时间越短，总循环数越多，则扇贝尺寸越小。例如，工艺时间相对于传统的bosch工艺增加一倍，总循环数相对于传统的bosch工艺减少一半，这可以使扇贝尺寸达到40nm-300nm。

请参阅图3，比较步骤s200具体包括：

步骤s21，判断沟槽侧壁上不同位置处的扇贝尺寸是由上而下逐渐减小还是增大。

在实际应用中，进行比较的沟槽侧壁上的不同位置可以是能够反应沉积步与刻蚀步之间存在差异的任意位置，优选的，沟槽侧壁的深度方向上的不同位置为两个位置，分别为沟槽的侧壁顶部和侧壁底部；或者，沟槽侧壁的深度方向上的不同位置为三个位置，分别为沟槽的侧壁顶部、侧壁中部和侧壁底部。

请参阅图3，调试步骤s300具体包括第一调试过程和第二调试过程，其中，若沟槽侧壁上不同位置处的扇贝尺寸由上而下逐渐减小，说明靠上位置的刻蚀作用强于靠下位置的刻蚀作用，即，靠上位置的沉积作用弱于靠下位置的沉积作用，此时适于进行第一调试过程，用以减弱靠上位置的刻蚀作用，同时增强靠下位置的刻蚀作用；反之，若沟槽侧壁上沟槽侧壁上不同位置处的扇贝尺寸由上而下逐渐增大，则进行第二调试过程，用以增强靠上位置的刻蚀作用，同时减弱靠下位置的刻蚀作用。

具体地，如图3所示，第一调试过程包括以下步骤：

s31，对待刻蚀晶片进行沉积，以在沟槽侧壁上形成保护层；

s32，对沟槽刻蚀预设深度；

s33，判断交替循环进行步骤s31和步骤s32的当前循环数是否等于总循环数，若是，则流程结束；若否，则使当前循环数加1，并进行步骤s34；

s34，使调试气体的当前流量值增加预设的流量调整值，和/或使下电极功率值增加预设的功率调整值；返回步骤s31。

在上述第一调试过程中，步骤s31和步骤s32与传统的bosch工艺相类似，即，交替进行沉积步和刻蚀步，并在达到预设的循环数之后，可以使沟槽达到目标深度。但是，与传统的bosch工艺不同的是，在每完成一次循环时，对当前的工艺配方进行调试，以达到修正沟槽的刻蚀形貌的目的，并在进行下一次循环时，使用调试后的新工艺配方进行沉积步和刻蚀步。

具体地，工艺配方的调试方法有两种，这两种调试方法可以选择任意一种使用，或者也可以两种均使用。第一种调试方法是在步骤s31中通入反应腔室中的气体中加入调试气体，例如氧气。该调试气体的流量越大，则沟槽侧壁上的扇贝尺寸越大；反之，则越小。因此，在进行步骤s34时，使该调试气体的当前流量值增加预设的流量调整值。

另外，进行步骤s31时，优选使用氧气同时作为沉积气体和调试气体，这是因为可以与硅晶圆发生化学反应生成二氧化硅，其能够耐受氟基等离子体的刻蚀，达到保护侧壁的目的，同时，与使用纯碳氟气体作为沉积气体在侧壁上形成碳氟聚合物作为保护层相比，使用氧气作为沉积气体可以减少甚至消除沟槽中的碳氟聚合物的存在，从而有利于后续的清洗工艺。

第二种调试方法是在进行步骤s34时，调节下电极功率的大小，下电极功率越大，则沟槽侧壁上的扇贝尺寸越大；反之，则越小。容易理解，若仅采用上述第二种调试方法，则无需在步骤s31中通入调试气体。

由于调试气体的流量和/或下电极功率的大小会随着步骤s31和步骤s32的循环数的增大而逐渐增大，这使得与循环初期对应的靠上的位置所采用的调试气体的流量和/或下电极功率的大小势必小于循环后期对应考下的位置所采用的调试气体的流量和/或下电极功率的大小，从而使两个位置处的扇贝尺寸趋于一致，即，达到减弱靠上位置的刻蚀作用，同时增强靠下位置的刻蚀作用的目的，最终实现沉积与刻蚀之间平衡。

第二调试过程包括以下步骤：

s41，对待刻蚀晶片进行沉积，以在沟槽侧壁上形成保护层；

s42，对沟槽刻蚀预设深度；

s43，判断交替循环进行步骤s41和步骤s42的当前循环数是否等于总循环数，若是，则流程结束；若否，则使当前循环数加1，并进行步骤s44；

s44，使调试气体的当前流量值减小预设的流量调整值，和/或使下电极功率值减小预设的功率调整值；返回步骤s41。

与第一调试过程的原理相类似的，第二调试过程同样在每完成一次循环时，对当前的工艺配方进行调试，并在进行下一次循环时，使用调试后的新工艺配方进行沉积步和刻蚀步。并且，工艺配方的调试方法有两种，即，上述第一种调试方法和第二种调试方法，这两种调试方法可以选择任意一种使用，或者也可以两种均使用。

在第二调试过程中，调试气体的流量和/或下电极功率的大小会随着步骤s41和步骤s42的循环数的增大而逐渐减小，这使得与循环初期对应的靠上的位置所采用的调试气体的流量和/或下电极功率的大小势必大于循环后期对应考下的位置所采用的调试气体的流量和/或下电极功率的大小，从而使两个位置处的扇贝尺寸趋于一致，即，达到增强靠上位置的刻蚀作用，同时减弱靠下位置的刻蚀作用的目的，最终实现沉积与刻蚀之间平衡。

优选的，调试气体的调整后流量值满足下述公式：

其中，f为调整后流量值；ffinal为终末流量值；finitial为起始流量值，且在第一调试过程中，ffinal≥finitial；在第二调试过程中，ffinal≤finitial；n为当前循环数；ntotal为总循环数。

这样，可以使每次增加或减少的流量调整量是相同的，从而可以保证整个刻蚀过程的调试均匀性。

优选的，下电极功率的调整后功率值满足下述公式：

其中，p为调整后功率值；pfinal为终末功率值；pinitial为起始功率值，且在第一调试过程中，pfinal≥pinitial；在第二调试过程中，pfinal≤pinitial；n为当前循环数；ntotal为总循环数。

这样，可以使每次增加或减少的功率调整量是相同的，从而可以保证整个刻蚀过程的调试均匀性。

下面对本发明提供的刻蚀方法在以下几种应用场景中的具体实施方式进行详细描述。具体地，本发明提供的刻蚀方法以应用于具有大体积腔室(例如109l)的刻蚀机，对大尺寸晶圆(例如12英寸)的深硅刻蚀工艺为例。

如图5所示，本发明提供的刻蚀方法可以利用测试步骤获得一种具有负角(顶部开口尺寸小于底部尺寸)的大开口尺寸的深硅槽结构，图e和图f分别为该深硅槽的左侧侧壁和右侧侧壁的整体形貌的扫描电子显微镜图。其中，图e1和图e2分别为左侧侧壁上两个位置处的扇贝结构放大图，这两个位置处的扇贝尺寸分别为55.5nm和83.3nm；图f1和图f2分别为右侧侧壁上两个位置处的扇贝结构放大图，这两个位置处的扇贝尺寸分别为42.1nm和69.4nm。

由于上述扇贝尺寸足够大，可以根据上述扇贝尺寸对侧壁上沉积与刻蚀之间的差异进行准确判断。具体地，无论是左侧侧壁还是右侧侧壁，靠上位置的扇贝尺寸均小于靠下位置的扇贝尺寸，由此可以证明，靠下位置的刻蚀作用强于靠上位置的的刻蚀作用，即，靠下位置的沉积作用弱于靠上位置的的沉积作用。在后续，可以通过调试步骤对刻蚀形貌进行修正，例如经修正，可以获得垂直度较高的侧壁形貌。

如图6所示，本发明提供的刻蚀方法可以利用测试步骤获得一种垂直度很高的深槽结构，图g为该深槽结构的整体形貌的扫描电子显微镜图。该深槽结构的深度达到30微米、深宽比大于10：1。图g1为深槽顶部位置处的扇贝结构放大图，且扇贝尺寸为30.6nm；图g2为深槽中部位置处的扇贝结构放大图，且扇贝尺寸为35.3nm；图g3为深槽底部位置处的扇贝结构放大图，且扇贝尺寸为42.1nm。

由于上述深槽结构的深度达到30微米、深宽比大于10：1，深槽顶部与深槽底部的开口大小几乎一致，侧壁角度接近理想的90°，导致沉积与刻蚀之间平衡的差异太小，在这种情况下，用现有技术几乎不可能判断出该深槽结构中沉积与刻蚀之间的平衡。而利用本发明所提供的刻蚀方法，可以同样利用所获得的上述扇贝尺寸对侧壁上沉积与刻蚀之间的差异进行准确判断。此外，若使用氧气作为沉积气体和调试气体，还可以减少甚至消除沟槽中的碳氟聚合物的存在，从而可以避免后续的清洗工艺中需要针对深槽底部所沉积的相对较厚的碳氟聚合物进行特殊处理，进而给清洗工艺提供方便。

在后续，可以通过调试步骤对刻蚀形貌进行修正。例如经修正，可以获得垂直度较高的侧壁形貌。

如图7所示，本发明提供的刻蚀方法可以利用测试步骤获得一种具有中间尺寸大，上、下开口小的保龄球形貌的深槽结构，图h为该深槽结构的整体形貌的扫描电子显微镜图。该深槽结构的深度达到160微米、深宽比大于30。图h1为深槽顶部位置处的扇贝结构放大图，且扇贝尺寸为388nm；图h2为深槽中部位置处的扇贝结构放大图，且扇贝尺寸为210nm；图h3为深槽底部位置处的扇贝结构放大图，且扇贝尺寸为163nm。

现有技术中没有方法能够对上述保龄球形貌的深槽结构的沉积与刻蚀之间的平衡进行准确的判断。而利用本发明所提供的刻蚀方法，可以同样利用所获得的上述扇贝尺寸对侧壁上沉积与刻蚀之间的差异进行准确判断。在后续，可以通过调试步骤对刻蚀形貌进行修正。例如，如图8若是，经修正，可以消除保龄球形貌，最终获得垂直度较高的侧壁形貌。

综上所述，本发明提供的刻蚀方法，利用扇贝尺寸所蕴含的沉积与刻蚀之间平衡的信息，为修正刻蚀形貌提供参考，同时减少刻蚀后的侧壁沉积物残留。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。