一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法

2023-09-25 03:39:55 2

專利名稱：一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法
技術領域：
本發明是關於一種蝕刻方法，特別是關於利用四氟化碳(CarbonTetrafluoride；CF4)/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣(Oxygen；O2)為反應氣體的乾式蝕刻(Dry Etching)方法。
背景技術：
一般，所謂的集成電路(Integrated Circuits)，是將矽或砷化鎵(Galium Arsenide；GaAs)等半導體材料製作成電子裝置的組成組件，例如電容、電阻或開關等，並利用沉積、蝕刻、光刻(Photolithography)等技術，將電子裝置的體積及重量縮減的電子科技。
電子組件的製作，是經一連串的沉積後，在基材上形成多層不同材料的薄膜。接著，利用光刻工藝將含有電路或組件特徵的圖案複製至光阻上，再通過蝕刻工藝將圖案轉移到薄膜上，以在薄膜上形成所需的電路或組件特徵。隨著超大規模集成電路(Ultra Large ScaleIntegration；ULSI)時代的來臨，蝕刻工藝在亞半微米的組件特徵製造中所扮演的角色也益顯重要。
蝕刻工藝主要有溼式蝕刻(Wet Etching)及乾式蝕刻(Dry Etching)兩種方法。由於，半導體組件的設計與製造日益精密，各向同性(Isotropic)的溼式蝕刻法漸漸無法滿足工藝精密度需求，因此各向異性(Anisotropic)的乾式蝕刻法漸漸成為製造方法的主流。乾式蝕刻法包括等離子體蝕刻法、反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching；RIE)法、濺射蝕刻(Sputtering Etching)法、離子束蝕刻法、以及反應性離子束蝕刻法等，其中等離子體蝕刻法與反應性離子蝕刻法為目前的半導體工業中最常使用的蝕刻方法。
等離子體蝕刻法是利用等離子體，而將反應氣體的分子分解，反應氣體的分子分解後所產生的離子、原子團(Radicals)、及原子與暴露在等離子體下的薄膜分子起化學反應，而生成具揮發性(Volatile)的生成物，接著利用真空系統將揮發性的生成物抽離反應室，薄膜便因此而移除。由於等離子體蝕刻法主要是由等離子體激發反應氣體所產生的離子、原子團、及原子與薄膜分子間的化學反應，來進行薄膜的蝕刻，因此等離子體蝕刻法的蝕刻選擇比較一般的乾式蝕刻法佳。
反應性離子蝕刻法與等離子體蝕刻法的技術非常類似，皆為利用等離子體將反應氣體的分子分解，反應氣體的分子經分解所產生的離子、原子團、及原子與暴露在等離子體下的薄膜分子作用，以蝕刻薄膜。但兩者仍有差異，其差異在於反應性離子蝕刻法所遭受的離子轟擊(Ion Bombardment)的強度大於等離子體蝕刻法，因此以反應性離子蝕刻法進行蝕刻時，除了反應氣體所分解的離子與薄膜分子間的化學反應外，尚有離子對薄膜的離子轟擊，所以反應性離子蝕刻法的蝕刻速率大於等離子體蝕刻法。
目前，乾式蝕刻法的優劣主要可從蝕刻選擇比、蝕刻速率、以及蝕刻均勻度等方面來判斷。蝕刻選擇比愈高，即表示蝕刻工藝大都在所欲蝕刻的材料層上進行，而蝕刻速率愈大，則表示蝕刻工藝時間的縮減，另外蝕刻均勻度愈高，便表示晶片品質的提高，亦即製造良率的提升。
鑑於上述的發明背景中，較佳的蝕刻方法具有高蝕刻速率、高蝕刻選擇比、高蝕刻均勻度等特徵，且蝕刻工藝的優劣對晶片品質有相當程度的影響，因此如何改善蝕刻工藝的品質以提升半導體製造良率，為重要的研究方向。

發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的主要目的是提供一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，本發明的乾式蝕刻方法是以四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣或惰性氣體(Inert Gas)，例如氬氣(Ar)或氦氣(He)，當作多晶矽等離子體蝕刻機的反應氣體。由於氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)蝕刻介電材料對矽或多晶矽具有高蝕刻選擇比，因此可提高四氟化碳蝕刻介電材料對矽或多晶矽的蝕刻選擇比。而氧具有降低高分子(Polymer)沉積的特性，進而可獲得筆直的蝕刻外形，且能兼顧反應室環境的穩定性。
本發明的再一目的為提供一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，本發明的乾式蝕刻方法的反應氣體為四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣或惰性氣體，因此不但可在多晶矽等離子體蝕刻機中蝕刻多晶矽層，亦可在多晶矽等離子體蝕刻機中蝕刻介電材料層，省卻更換反應室的步驟，因而節省了工藝時間，並降低因轉換反應室所導致的微粒汙染反應室與基材，進而提升製造良率。
為了達到上述目的，本發明提供了一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，至少包括提供一晶片，且此晶片上設有一介電材料層與一矽材料層，並提供多個加速電子。提供一反應氣體，其包括四氟化碳(CH4)、氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)、氧氣(O2)，且此反應氣體與這些加速電子碰撞，而生成多個離子、多個原子團、以及多個原子。再以這些離子、這些原子團、以及這些原子蝕刻介電材料層與矽材料層。由於，在多晶矽等離子體蝕刻機中以氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)為反應氣體進行蝕刻時，氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)對介電材料，例如氮化矽(Silicon Nitride；Si3N4)、氮氧化矽(Silicon-Oxy-Nitride；SiON)、以及二氧化矽(Silicon Dioxide；SiO2)等，具有高蝕刻率，而對矽有低蝕刻率。因此，可提高四氟化碳蝕刻介電材料對矽或多晶矽的蝕刻選擇比至約大於3。雖然，氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)在反應室中容易產生高分子化學生成物，且高分子易沉積在反應室器壁，造成反應室環境的不穩定。但經添加適當比例的氧氣後，即可降低高分子沉積的現象。因此，運用本發明不僅可以提高多晶矽等離子體蝕刻機的介電材料對矽或多晶矽的蝕刻選擇比，而獲得所需的蝕刻外觀，更可在多晶矽等離子體蝕刻機蝕刻介電材料層與多晶矽層，節省工藝時間，並能維持反應室環境的穩定，進而獲得穩定的蝕刻速率。
本發明的優點是本發明提供了一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，本發明的乾式蝕刻方法是應用在多晶矽蝕刻機上，且所採用的反應氣體包括四氟化碳、氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)、氧氣、或額外添加的惰性氣體。由於，氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)在多晶矽蝕刻機上具有對介電材料層的高蝕刻率且對矽或多晶矽低蝕刻率的特性，且氧氣可降低氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)所造成的高分子沉積現象。因此，運用本發明不但可提高四氟化碳蝕刻介電材料層對矽或多晶矽的蝕刻選擇比至約3以上，而獲得筆直的蝕刻外觀，更可穩定反應室的環境，而獲得穩定的蝕刻速率，並且可在多晶矽蝕刻機上蝕刻多晶矽及介電材料層，而省卻更換反應室所花費的時間及人力，並避免因轉換反應室所引發的微粒汙染。


下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1為繪示本發明一較佳實施例的等離子體蝕刻機的裝置示意圖；圖2為繪示本發明一較佳實施例的反應性離子蝕刻機的裝置示意圖；以及圖3為繪示本發明一較佳實施例的高密度等離子體(High DensityPlasma；HDP)蝕刻機的裝置示意圖。
圖中符號說明10 等離子體蝕刻機 12 1上電極板14 下電極板16 晶片18 射頻電源(Radio Frequency Power；RF Power)20 氣體入口22 排氣口24 反應氣體26 廢氣28 反應室 30 接地50 反應性離子蝕刻機52 上電極板54 下電極板56 晶片58 射頻電源60 氣體入口62 排氣口 64 反應氣體66 廢氣68 反應室70 接地90 高密度等離子體蝕刻機92 上電極板94 下電極板96 晶片98 變壓器偶合等離子體電源(Transformer Coupled Plasma；TCP)100 氣體入口102 排氣口104 反應氣體106 廢氣
108 反應室110 射頻偏壓電源具體實施方式
請參照圖1，其所繪示為本發明一較佳實施例的等離子體蝕刻機的裝置示意圖。等離子體蝕刻機10為平板式的乾式蝕刻機，其反應室28中包含一組相對應的平行電極板，即上電極板12與下電極板14，其中上電極板12與射頻(RF)電源18連接且其餘部分接地30，而所欲蝕刻的晶片16則放在下電極板14上。此外，晶片16上已形成有介電材料層與矽材料層，其中介電材料層的成分可例如為氮化矽(Si3N4)、氮氧化矽(SiON)、以及二氧化矽(SiO2)等，且並不限定為單一材料層，而矽材料層的成分可例如為單晶矽(Single Crystal Silicon)、多晶矽(Poly-CrystalSilicon)、以及非晶矽(Amophous Silicon)等。且介電材料層與矽材料層可例如以二氧化矽/氮化矽/二氧化矽(Oxide/Nitride/Oxide；ONO)/多晶矽、氮氧化矽/氮化矽/二氧化矽/矽基材、氮氧化矽/氮化矽/多晶矽等方式堆棧。
以等離子體蝕刻機10進行蝕刻步驟時，首先反應氣體24由反應室28上端的氣體入口20進入，其中反應氣體24是由四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣或額外添加的惰性氣體所組成，且氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)對四氟化碳的氣體流量的比值約大於0.2，而氧氣對氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)的氣體流量的比值約大於0.04。由射頻電源18所供應的射頻電場對電子加速，這些具有動能的電子與反應氣體24碰撞，而分解生成離子、原子團、或原子等。分解所生成的離子、原子團、或原子的化性相當活潑，很容易便會與晶片16的分子反應，而蝕刻晶片16且形成易揮發的廢氣26，由排氣口22排出。另外，當等離子體產生後，由於等離子體與上電極板12之間的電位差，等離子體中帶正電荷的粒子朝上電極板12移動，因此下電極板14上的晶片16所遭受的離子轟擊強度較輕微。
請參照圖2，其所繪示為本發明一較佳實施例的反應性離子蝕刻機的裝置示意圖。反應性離子蝕刻機50同樣為平板式的乾式蝕刻機，其反應室68中包含平行且相對應的上電極板52與下電極板54，其中下電極板54與射頻電源58連接且其上放置所欲蝕刻的晶片56，而其餘部分接地70。
以反應性離子蝕刻機50進行蝕刻步驟時，首先反應氣體64由上端的氣體入口60進入反應室68，其中反應氣體64包括四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣或額外添加的惰性氣體，且氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)與四氟化碳的氣體流量的比值約大於0.2，而氧氣與氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)的氣體流量的比值約大於0.04。接著，利用射頻電源58所產生的射頻電場對電子加速，以產生具有動能的電子。當這些帶有能量的電子與反應氣體64碰撞，而使得反應氣體64的分子分解成離子、原子團、或原子等。這些離子、原子團、或原子的化性相當活潑，極為容易便會與晶片56的分子產生化學反應，由此化學反應蝕刻晶片56，並生成易揮發的廢氣66，由排氣口62排出。由於反應性離子蝕刻機50的射頻電源58與下電極板54連接，因此當等離子體產生後，等離子體與下電極板54之間的電位差會使等離子體中帶正電荷的粒子朝下電極板54的方向移動。因此，除了以上所述的蝕刻反應外，尚包括具有高能量的離子對晶片56所進行的離子轟擊，利用離子轟擊所產生的動量移轉而將晶片56所欲蝕刻的部分移除。相較之下，反應性離子蝕刻法的蝕刻速率較等離子體蝕刻法大。
反應性離子蝕刻法與等離子體蝕刻法的蝕刻機制極為相似，除了由於射頻電源所連接的電極板上下不同，而導致晶片所受的等離子體離子轟擊的強度有所差異，進而使得反應性離子蝕刻法的蝕刻速率大於等離子體蝕刻法，且反應性離子蝕刻法的各向異性亦大於等離子體蝕刻法。
請參照圖3，其所繪示為本發明的一較佳實施例的高密度等離子體蝕刻機的裝置示意圖。高密度等離子體蝕刻機90亦為平板式的乾式蝕刻機，其反應室108中包含一組相對應的平行電極板，即上電極板92與下電極板94。上電極板92與變壓器偶合等離子體(TCP)電源98連接，而下電極板94則與射頻偏壓(RF Bias)電源110連接，且所欲蝕刻的晶片96放在下電極板94上，其中變壓器偶合等離子體電源98可以射頻電源取代。
以高密度等離子體蝕刻機90進行蝕刻步驟時，首先反應氣體104由反應室108上端的氣體入口100進入，其中反應氣體104是由四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣或額外添加的惰性氣體所組成，且氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)對四氟化碳的氣體流量的比值約大於0.2，而氧氣對氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)的氣體流量的比值約大於0.04。由變壓器偶合等離子體電源98所供應的加速電場對帶電粒子加速，這些具有動能的帶電粒子與反應氣體104碰撞，而分解生成離子、原子團、或原子等。分解所生成的離子、原子團、或原子的化性相當活潑，很容易便會與晶片96的分子反應，而蝕刻晶片96且形成易揮發的廢氣106，由排氣口102排出。由於，變壓器偶合等離子體電源98的加速電場方向為圓形封閉曲線，使得帶電粒子的加速方向平行於晶片表面的切線方向，因此不會對晶片96造成傷害。
本發明的蝕刻方法可應用在以等離子體進行蝕刻且等離子體會直接與晶片接觸的多晶矽蝕刻機上。本發明的特徵是利用四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣或額外添加的惰性氣體當作反應氣體，進行晶片上例如氮化矽、二氧化矽、以及氮氧化矽等介電材料層與例如單晶矽、多晶矽、及非晶矽等矽材料層的蝕刻，且氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)與四氟化碳的氣體流量的比值約大於0.2，而氧氣與氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)的氣體流量的比值約大於0.04。其中，氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)於多晶矽蝕刻機上具有介電材料對矽或多晶矽的高蝕刻選擇比，可提高四氟化碳蝕刻介電材料對矽或多晶矽的蝕刻選擇比至約大於3，相較於現有以四氟化碳/氬氣或四氟化碳/氦氣為反應氣體的蝕刻介電材料對矽或多晶矽的蝕刻選擇比約小於1.5，本發明的蝕刻介電材料對矽或多晶矽的蝕刻選擇比優於現有的。另外，氧氣的作用則是用以減少使用氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)所引起的高分子沉積，以維持反應室環境的穩定度。且通過使用四氟化碳/氟代甲烷(CHxFy；x＝2，y＝2或x＝1，y＝3)/氧氣所組成的反應氣體，不僅可在多晶矽等離子體蝕刻機中蝕刻多晶矽材料層，亦可蝕刻介電材料層。
如本領域技術人員所了解的，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，至少包括提供一晶片，且該晶片上設有一介電材料層與一矽材料層；提供多個加速電子；提供一反應氣體，該反應氣體至少包括四氟化碳、氟代甲烷、氧氣，且該反應氣體與該加速電子碰撞，而生成多個離子、多個原子團、以及多個原子；以及以該離子、該原子團、以及該原子蝕刻該介電材料層與該矽材料層。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該介電材料層選自氮化矽、氮氧化矽、以及二氧化矽所組成的一族群。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該矽材料層選自單晶矽、多晶矽、以及非晶矽所組成的一族群。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該反應氣體中的該氟代甲烷對該四氟化碳的流量比值大於0.2。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該反應氣體中的該氧氣對該氟代甲烷的流量比值大於0.04。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於蝕刻該介電材料層與該矽材料層的步驟的一蝕刻選擇比大於3。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該反應氣體還包括惰性氣體。
8.一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，包括在一多晶矽蝕刻機中提供反應氣體，以對一晶片進行蝕刻步驟，而該反應氣體至少包括四氟化碳、氟代甲烷、氧氣、惰性氣體，且該晶片上形成有至少一介電材料層與一矽材料層。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於該反應氣體中的該氟代甲烷對該四氟化碳的流量比值大於0.2。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於該反應氣體中的氧氣對該氟代甲烷的流量比值大於0.04。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於該矽材料層選自單晶矽、多晶矽、以及非晶矽所組成的一族群。
12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於該蝕刻步驟的對該至少一介電材料層與該矽材料層的一蝕刻選擇比大於3。
13.一種用於製造半導體組件的乾式蝕刻方法，至少包括提供多晶矽蝕刻機具有反應室，其中該多晶矽蝕刻機與一電源連接，且該多晶矽蝕刻機用以蝕刻該反應室中的至少一晶片，而該至少一晶片上形成有至少一介電材料層與一矽材料層；開啟該電源，以產生多個加速電子；提供一反應氣體，該反應氣體至少包括四氟化碳、氟代甲烷、氧氣，且該反應氣體中的該氟代甲烷對該四氟化碳的流量比值約大於0.2，該反應氣體中的該氧氣對該氟代甲烷的流量比值大於0.04，該反應氣體與該加速電子碰撞而生成多個離子、多個原子團、以及多個原子；以及以該離子、該原子團、以及該原子蝕刻該至少一介電材料層與該矽材料層。
全文摘要
一種能提高在多晶矽蝕刻機(Polysilicon Etcher)中介電材料對矽的蝕刻選擇比(Selectivity)的蝕刻方法。本發明的蝕刻方法為一種乾式蝕刻(Dry Etching)法，是由調整多晶矽等離子體蝕刻機的氣體配方，即使得蝕刻反應室內的反應氣體為四氟化碳(Carbon Tetrafluoride；CF
文檔編號H01L21/3065GK1411040SQ0114191
公開日2003年4月16日 申請日期2001年9月21日 優先權日2001年9月21日
發明者李俊鴻, 餘旭升, 梁明中 申請人:旺宏電子股份有限公司