刻蝕方法

2023-04-26 15:31:51 1

專利名稱：刻蝕方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種刻蝕方法。
背景技術：
半導體集成電路晶片的工藝製作利用批量處理技術，在同一矽襯底上形成大量各 種類型的複雜器件，並將其互相連接以具有完整的電子功能。其中，任一步工藝中所產生的 缺陷，都可能會導致電路的製作失敗。 一旦在生產過程中引入了顆粒等汙染源，就可能引起 電路的開路或斷路，因而在半導體工藝製造中，如何避免在工藝製造中的汙染是必須要關 注的問題。尤其是隨著集成電路的飛速發展，器件的集成度越來越高，器件尺寸越來越小， 對控制晶片表面玷汙的要求也越來越嚴格。 另外，一些現有的工藝製作方法，在製作大尺寸器件時不會出現缺陷或不會出現
能影響到器件性能的缺陷，但在製作小尺寸器件時則可能會產生一些會對小尺寸器件的性
能、成品率等造成較大影響的缺陷，有必要對現有的工藝製作方法進行改進。
以刻蝕形成通孔的工藝為例。在刻蝕形成通孔時常會出現一些球狀缺陷，令器件
的成品率下降。圖1為現有的刻蝕形成通孔時出現的球狀缺陷圖，如圖1所示，在刻蝕形成
的大量通孔101中，有部分通孔附近會出現球狀缺陷110。該缺陷在大尺寸器件中出現得較
少，對器件的製作影響不大。但隨著器件尺寸的縮小，該球狀缺陷出現的數量越來越多，尤
其當器件尺寸縮小至65nm以下時，這一球狀缺陷問題已嚴重影響到器件的成品率，必須加
以解決。 圖2為現有的清洗刻蝕形成的通孔之後測得的襯底缺陷檢測圖，如圖2所示，在襯 底200上檢測到了大量的缺陷201。 為解決刻蝕後在晶片表面存在缺陷的問題，於2007年5月9日公開的公開號為 CN1959931A的中國專利申請提出了一種幹法刻蝕後的清洗工藝，其將不活潑的氣體導入反 應室中，以清洗反應室，然後抽除該反應室的所有氣體，以有效去除幹法刻蝕工藝後所形成 的副產物，防止該副產物殘留在刻蝕開口中，進而防止良率降低。但該專利申請中的清洗方 法無法解決上述球狀缺陷的問題。

發明內容
本發明提供一種刻蝕方法，以改善利用現有刻蝕方法進行刻蝕後的襯底上出現球 狀缺陷的現象。
為達到上述目的，本發明提供的一種刻蝕方法，包括步驟
提供已形成待刻蝕圖形的襯底；
將所述襯底放入處理室內； 在承載臺上施加第一直流電壓，以吸附所述襯底；
通入刻蝕氣體和輔助氣體； 對所述處理室施加射頻電壓，以在所述襯底上形成刻蝕開口 ；
停止通入所述刻蝕氣體； 在所述承載臺上施加第二直流電壓，以解吸附所述襯底，且所述第二直流電壓與 所述第一直流電壓極性相反； 停止施加所述射頻電壓及所述第二直流電壓；
停止通入所述輔助氣體；
取出所述襯底。 與現有技術相比，本發明具有以下優點 本發明的刻蝕方法，在刻蝕形成刻蝕開口後，停止通入刻蝕氣體，保持輔助氣體的 通入及射頻電源的開啟，令處理室內維持等離子體氣氛，並且在用於承載襯底的承載臺上 施加第二直流電壓(其與用於吸附襯底的第一直流電壓極性相反)。採用本發明的刻蝕方 法，利用等離子體氣體和第二直流電壓去除了因第一直流電壓對襯底造成的靜電吸附，並 防止了因第二直流電壓造成的反向吸附情況的發生，有效避免了因刻蝕後襯底帶靜電而導 致的球狀缺陷的產生。


圖1為現有的刻蝕形成通孔時出現的球狀缺陷圖； 圖2為現有的清洗刻蝕形成的通孔之後測得的襯底缺陷檢測圖； 圖3為現有的刻蝕設備的結構示意圖； 圖4為現有的刻蝕形成通孔之後，清洗之前測得的襯底缺陷檢測圖；
圖5為本發明具體實施例中的刻蝕方法的流程圖； 圖6為本發明具體實施例中刻蝕形成通孔之後，清洗之前測得的襯底缺陷檢測 圖； 圖7為本發明具體實施例中清洗刻蝕形成的通孔之後測得的襯底缺陷檢測圖； 圖8為採用傳統刻蝕方法形成的通孔開口圖； 圖9為採用本發明具體實施的刻蝕方法形成的通孔開口圖； 圖10為採用傳統刻蝕方法及本發明具體實施例方法形成的通孔的接觸電阻檢測 結果。
具體實施例方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的具體實施方式
做詳細的說明。 本發明的處理方法可以被廣泛地應用於各個領域中，並且可利用許多適當的材料 製作，下面是通過具體的實施例來加以說明，當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域 內的普通技術人員所熟知的一般的替換無疑地涵蓋在本發明的保護範圍內。
其次，本發明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發明實施例時，為了便於說 明，表示結構的示意圖會不依一般比例作局部放大，不應以此作為對本發明的限定。
為解決上述刻蝕後襯底上出現的球狀缺陷問題，先對其的形成原因進行了分析。
圖3為現有的刻蝕設備的結構示意圖，如圖3所示，該刻蝕設備主要包括處理室 301，射頻電源302，氣體供給裝置307，真空系統308，承載臺305，位於處理室301頂部的上電極303，以及與承載臺相連的下電極304。 該刻蝕設備在工作過程中，先將襯底放置在處理室301內的承載臺305上，再通過 與承載臺305相連的下電極304向承載臺305施加第一直流電壓，以吸附所述襯底；然後， 利用加熱系統(圖中未示出)和真空系統308對處理室301進行加熱和抽真空的處理；接 著，通過氣體供給裝置307將刻蝕氣體和輔助氣體通入處理室301內，開啟射頻電源302，對 刻蝕氣體及輔助氣體進行離子化處理，並通過上電極303令形成的等離子體具有一定的方 向性，以在襯底上各向異性地刻蝕形成刻蝕開口。 待達到預定的刻蝕深度後(或檢測得到刻蝕終點後)，停止刻蝕。具體操作步驟通
常為先停止通入所述刻蝕氣體及所述輔助氣體，停止施加所述射頻電壓；再在所述承載
臺305上施加短時間的第二直流電壓，以解吸附所述襯底，其中，所述第二直流電壓與所述
第一直流電壓極性相反。 最後，取出所述襯底，完成刻蝕。 完成上述刻蝕之後，清洗之前，對襯底上的缺陷情況進行了檢測，發現此時襯底上 還未出現球狀缺陷。圖4為現有的刻蝕形成通孔之後，清洗之前測得的襯底缺陷檢測圖，如 圖4所示，圖中襯底200為在刻蝕形成通孔開口之後，清洗之前，對圖2中所示襯底進行檢 測得到的缺陷檢測圖。與圖2對比後發現，在清洗之前襯底上還沒有出現大量的球狀缺陷， 這表明該球狀缺陷是在清洗過程中形成的。 結合上述球狀缺陷的出現情況及現有的刻蝕方法做進一步分析後認為，雖然理想 情況下，對承載臺305施加第一直流電壓時在襯底上產生的靜電，會在施加反向的第二直 流電壓時被去除，使襯底處於無靜電狀態。但實際生產中難以實現準確的去靜電過程，常會 出現去靜電不徹底或過徹底(在襯底上產生了反向的靜電)的情況。 此時，刻蝕後的襯底會因吸附了電荷而帶有靜電。在對該襯底進行清洗時，清洗液 中的雜質會被襯底上的靜電所吸附，就在襯底表面形成了球狀缺陷。 另外，在刻蝕形成通孔時，因通孔尺寸小時襯底表面可導電區域也小，刻蝕後襯底 上積累的靜電量會更大，這使得球狀缺陷問題隨著器件尺寸(或說通孔尺寸)的縮小而越 發嚴重，尤其當器件尺寸縮小至65nm技術結點以下時，這一球狀缺陷問題變得不可忽略， 必須加以解決。 為解決上述球狀缺陷問題，本發明提供了一種新的刻蝕方法，包括步驟提供已形 成待刻蝕圖形的襯底；將所述襯底放入處理室內；在承載臺上施加第一直流電壓，以吸附 所述襯底；通入刻蝕氣體和輔助氣體；對所述處理室施加射頻電壓，以在所述襯底上形成 刻蝕開口 ；停止通入所述刻蝕氣體；在所述承載臺上施加第二直流電壓，以解吸附所述襯 底，且所述第二直流電壓與所述第一直流電壓極性相反；停止施加所述射頻電壓及所述第 二直流電壓；停止通入所述輔助氣體；取出所述襯底。 其中，所述輔助氣體包括氮氣、氬氣或氦氣中的任一種或其組合，且所述輔助氣體 的流量可以設置在50至500sccm之間。 其中，所述射頻電壓的功率在100至500W之間，所述第二直流電壓在功率在400 至1200W之間，施加所述第二直流電壓的時間在2至10秒之間。 其中，在停止通入所述刻蝕氣體的同時，或在停止通入所述刻蝕氣體之後，施加第 二直流電壓之前，還包括步驟
減小射頻電壓功率值；
增大輔助氣體流量。 其中，在減小射頻電壓功率值之前，射頻電壓功率值在1500W至2500W之間，且所 述減小射頻電壓功率值至少分為兩次實現。 其中，增大輔助氣體流量之前，輔助氣體流量在30至80sccm之間。 其中，所述襯底具有導電結構，且在所述導電結構上還具有介質層，所述待刻蝕圖
形形成於所述介質層上。 其中，所述待刻蝕圖形為通孔圖形，所述刻蝕開口為通孔開口 ，且所述通孔開口與 所述導電結構相連通。 其中，所述介質層可以為黑鑽石材料層。 圖5為本發明具體實施例中的刻蝕方法的流程圖，下面結合圖5對本發明的具體 實施例進行詳細介紹。 步驟501 :提供已形成待刻蝕圖形的襯底。 其中的襯底可以為矽襯底，也可以為已形成金屬氧化物半導體電晶體的襯底，或 已形成底層金屬連線結構的襯底。 本實施例中的襯底為具有導電結構的襯底，且在所述導電結構上還具有介質層， 所述待刻蝕圖形就形成於所述介質層上。 具體地，本實施例中的待刻蝕圖形是利用光刻技術以光刻膠為掩膜形成於介質層 上的通孔圖形，本實施例中以該待刻蝕圖形為掩膜，對所述介質層進行刻蝕，在其內形成與 導電結構相連通的通孔開口。 其中，在65nm以下技術結點中，所述介質層通常可以採用低介電常數的材料層， 如黑鑽石材料層。 另外，在本發明的其它實施例中，所述導電結構之上，介質層之下還可以具有一層 刻蝕停止層(其刻蝕速率要遠小於介質層，通常可以選用氮化矽材料、氮氧化矽材料等，小 尺寸器件中則常選用摻氮的碳化矽材料)，以確保在刻蝕形成通孔時可以得到較為均勻一 致的刻蝕結果。 在本發明的其它實施例中，所述介質層還可以由多層材料組成，如所述介質層可 以包括第一介質層(黑鑽石材料或摻磷的氧化矽材料)、第二介質層(以旋塗方式形成的 DUO材料)、抗反射層(氮化矽或氮氧化矽材料)等。 在本發明人其它實施例中，當刻蝕的通孔較深時，為確保掩膜在刻蝕過程中的保 護作用，也可以在介質層上再形成一層硬掩膜層，其的刻蝕速率與介質層相差較大(如可 以為氮化矽層)。在利用光刻膠在該硬掩膜層上定義了通孔圖形(或說待刻蝕圖形)後，先 對該硬掩膜層進行刻蝕，將通孔圖形轉移至該硬掩膜層內，然後，再利用光刻膠與該圖形化 後的硬掩膜一起對通孔的刻蝕進行掩膜保護。
步驟502 :將所述襯底放入處理室內。 本實施例中的刻蝕設備為等離子體刻蝕設備，相應地，所述處理室為等離子體刻 蝕設備的處理室301 ，其可以同時對一片或多片襯底進行刻蝕處理。
步驟503 :在承載臺上施加第一直流電壓，以吸附所述襯底。 刻蝕過程中，為防止襯底滑動，在刻蝕過程中需要對處理室301內用於承載襯底的承載臺305施加第一直流電壓(也稱吸附電壓)，以從襯底背面吸附襯底，確保刻蝕過程 中襯底與承載臺305之間的位置相對固定。 本實施例中，所述第一直流電壓可以設置在70V至120V之間，如為70V、80V、100V 或120V等。具體的數值選擇可以根據襯底的不同而確定。 該第一直流電壓可能會在襯底上產生吸附靜電，因此在後面取出襯底之前，通常
還會對該襯底進行去吸附操作。 步驟504 :通入刻蝕氣體和輔助氣體。 本實施例中，所述刻蝕氣體可以包括含碳氟氣體或氯化氣體，如CF4、 CF8、 C5F8、 C4F6、CHF3、BC13中的任一種或其組合，還可以包括氧氣等其它物理刻蝕氣體。具體的刻蝕氣 體選擇可以根據所需刻蝕材料的不同而確定。 所述輔助氣體可以包括氮氣、氬氣或氦氣中的任一種或其組合，本步中的輔助氣 體的主要作用是稀釋刻蝕氣體。其流量可以設置在30至80sccm之間，如為30sccm、40sccm、 50sccm、60sccm、70sccm或80sccm等，具體的流量大小可以根據刻蝕時對處理室腔室壓力 的要求、對刻蝕速率的要求等來確定。 步驟505 :對所述處理室施加射頻電壓，以對所述襯底進行刻蝕。 通過射頻電源302對所述處理室301施加射頻電壓，令刻蝕氣體及輔助氣體離子
化，實現對襯底的刻蝕，在所述襯底上形成刻蝕開口 。 本步中所施加的射頻電壓功率可以在1500至2500W之間，如為1500W、1800W、 2000W、2200W或2500W等。具體施加的功率大小可以根據所需的刻蝕速率及刻蝕效果進行 調整。 步驟506 :停止通入所述刻蝕氣體。 待達到預定的刻蝕深度後(或檢測得到刻蝕終點後)，停止刻蝕。與傳統的同時停 止通入刻蝕氣體和停止輸入射頻電壓不同。本實施例中，此時僅停止通入所述刻蝕氣體，仍 保持輔助氣體的通入及射頻電源的開啟，以令處理室內維持等離子體氣氛，其可以有效去 除襯底上所帶有的吸附電荷。 為在不損傷襯底結構的前提下達到更好的去吸附效果，本實施例中還對後續階段
的射頻電源的功率大小及輔助氣體的流量進行了調整。 步驟507 :減小射頻電壓功率值，增大輔助氣體流量。 本實施例中，停止通入刻蝕氣體後，將射頻(RF)電源的功率降至100W至500W之 間，如為IOOW、200W、300W、400W或500W等。這一較小的RF功率可以確保已刻蝕至預定深 度的襯底表面結構不會受到損傷。 另外，為了確保能平穩地從較大RF功率降至上述較小RF功率，還可以至少分兩次 對RF進行向下調整，如第一步從2000W降至1200W，第二步從1200W降至300W等。
同時，為更好的去除襯底上的靜電，還可以加大輔助氣體的流量，令處理室內可去 除靜電的等離子體更多。具體地，可以將輔助氣體的流量增大至50至500sccm之間，如為 50sccm、100sccm、200sccm、300sccm、400sccm或500sccm等。 其中，步驟506和507不分先後，既可以同時進行，也可以先進行其中任一步驟。
步驟508 :在所述承載臺上施加第二直流電壓，以解吸附所述襯底，且所述第二直 流電壓與所述第一直流電壓極性相反。
7
本步停止對承載臺施加的用於吸附襯底的第一直流電壓，而對其施加短時間的反向的第二直流電壓(或稱去吸附電壓)，以解吸附襯底。 傳統刻蝕方法中，由於實際操作中難以通過該短時間的第二直流電壓對襯底實現準確的去靜電，常會出現去靜電不徹底或過徹底(在襯底上產生了反向的靜電)的情況，而這些情況會導致在後面清洗時，因襯底所帶靜電吸附了液體中的雜質，在襯底表面出現大量球狀缺陷的問題。 但採用本實施例所述的方法，在本步施加第二直流電壓時，處理室內仍處於等離子體氣氛下，其可以有效清除襯底上的吸附靜電，並防止因第二直流電壓施加不當而導致的反向吸附，從而確保刻蝕後的襯底不帶或僅帶很少量的靜電，避免了在後續清洗步驟中因襯底帶靜電而引起的球狀缺陷問題。 為確保襯底不再帶有靜電，本實施例中還加大了本步第二直流電壓大小，將其的施加範圍調整至400至1200V之間，如為400V、600V、800V、1000V或1200V等。
另外，注意到對第二直流電壓大小的選擇可結合其施加時間綜合考慮，當選擇較小的第二直流電壓時，需適當延長其施加時間；當選擇較大的第二直流電壓時，可適當縮小其施加時間。如當選擇第二直流電壓為500V時，其所需施加時間較長，如為10秒左右；當選擇第二直流電壓為1000V時，其所需施加時間較短，如為3秒左右等。通常第二直流電壓的施加時間不能過長，常設置在2秒至10秒之間。 本實施例中，為達到更好的去靜電效果，還對第二直流電壓及其施加時間做了進一步的優化處理，如可將第二直流電壓設置在800至IOOOV，施加時間設置在3至5秒之間。
步驟509 :停止施加所述射頻電壓及所述第二直流電壓。 在等離子體氣氛下利用第二直流電壓進行短時間處理後，襯底上的靜電已基本被去除，並防止了潛在的因第二直流電壓造成的反向吸附情況的發生，有效避免了因刻蝕後襯底帶靜電而導致的清洗後襯底上球狀缺陷的產生。
步驟510 :停止通入所述輔助氣體。 其中，步驟509和510不分先後，既可以同時進行，也可以先進行其中任一步驟。
步驟511 :取出所述襯底，完成刻蝕。 圖6為本發明具體實施例中刻蝕形成通孔之後，清洗之前測得的襯底缺陷檢測圖，如圖6所示，在刻蝕後、清洗前，襯底600上僅有少量缺陷，經檢測其中沒有球狀缺陷。
圖7為本發明具體實施例中清洗刻蝕形成的通孔之後測得的襯底缺陷檢測圖，如圖7所示，在對刻蝕形成通孔後的襯底進行清洗之後，襯底600上未再出現圖2中所示的大量缺陷，經檢測，其襯底上已不存在球狀缺陷，證明採用本實施例中的刻蝕方法確實避免了清洗後襯底上球狀缺陷的產生。 另外，採用本實施例中的刻蝕方法對形成的刻蝕圖形的質量沒有影響。圖8為採用傳統刻蝕方法形成的通孔開口圖，圖中圓圈中所示801為採用傳統方法形成的通孔開口。圖9為採用本發明具體實施的刻蝕方法形成的通孔開口圖，圖中圓圈中所示901為採用本發明具體實施例方法形成的通孔開口。可以看到，二者之間沒有明顯區別。
圖10為採用傳統刻蝕方法及本發明具體實施例方法形成的通孔的接觸電阻檢測結果，如圖IO所示，圖中橫坐標為片號，縱坐標為檢測得到的通孔的相對接觸電阻值。其中，1001為三片採用傳統方法形成通孔的襯底上的通孔接觸電阻檢測結果的相對值，1002為三片在其它工藝條件相同的情況下，採用本發明具體實施例方法形成通孔的襯底上的通孔接觸電阻檢測結果的相對值。可以看到，二者之間也沒有明顯區別。 另外，還對採用傳統刻蝕方法和本發明具體實施例方法形成的刻蝕圖形的關鍵尺寸(CD)進行了檢測對比，同樣發現二者之間沒有明顯區別。 上述檢測結果證實，本發明具體實施例的刻蝕方法對刻蝕圖形的各方面參數均沒有明顯影響，但卻可以明顯改善傳統刻蝕方法易產生球狀缺陷的問題。 本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。
權利要求
一種刻蝕方法，其特徵在於，包括步驟提供已形成待刻蝕圖形的襯底；將所述襯底放入處理室內；在承載臺上施加第一直流電壓，以吸附所述襯底；通入刻蝕氣體和輔助氣體；對所述處理室施加射頻電壓，以在所述襯底上形成刻蝕開口；停止通入所述刻蝕氣體；在所述承載臺上施加第二直流電壓，以解吸附所述襯底，且所述第二直流電壓與所述第一直流電壓極性相反；停止施加所述射頻電壓及所述第二直流電壓；停止通入所述輔助氣體；取出所述襯底。
2. 如權利要求l所述的刻蝕方法，其特徵在於所述輔助氣體包括氮氣、氬氣或氦氣中 的任一種或其組合。
3. 如權利要求1或2所述的刻蝕方法，其特徵在於所述輔助氣體的流量在50至 500sccm之間。
4. 如權利要求1所述的刻蝕方法，其特徵在於所述射頻電壓的功率在100至500W之間。
5. 如權利要求1所述的刻蝕方法，其特徵在於所述第二直流電壓在功率在400至 1200W之間。
6. 如權利要求1或5所述的刻蝕方法，其特徵在於施加所述第二直流電壓的時間在2 至IO秒之間。
7. 如權利要求1所述的刻蝕方法，其特徵在於在停止通入所述刻蝕氣體的同時，或在停止通入所述刻蝕氣體之後，施加第二直流電壓之前，還包括步驟減小射頻電壓功率值； 增大輔助氣體流量。
8. 如權利要求7所述的刻蝕方法，其特徵在於減小射頻電壓功率值之前，射頻電壓功 率值在1500W至2500W之間。
9. 如權利要求7所述的刻蝕方法，其特徵在於所述減小射頻電壓功率值至少分為兩 次實現。
10. 如權利要求7所述的刻蝕方法，其特徵在於增大輔助氣體流量之前，輔助氣體流 量在30至80sccm之間。
11. 如權利要求1所述的刻蝕方法，其特徵在於所述襯底具有導電結構，且在所述導 電結構上還具有介質層，所述待刻蝕圖形形成於所述介質層上。
12. 如權利要求ll所述的刻蝕方法，其特徵在於所述待刻蝕圖形為通孔圖形，所述刻 蝕開口為通孔開口 ，且所述通孔開口與所述導電結構相連通。
13. 如權利要求12所述的刻蝕方法，其特徵在於所述介質層為黑鑽石材料層。
全文摘要
本發明公開了一種刻蝕方法，包括步驟提供已形成待刻蝕圖形的襯底；將所述襯底放入處理室內；在承載臺上施加第一直流電壓，以吸附所述襯底；通入刻蝕氣體和輔助氣體；對所述處理室施加射頻電壓，以在所述襯底上形成刻蝕開口；停止通入所述刻蝕氣體；在所述承載臺上施加第二直流電壓，以解吸附所述襯底，且所述第二直流電壓與所述第一直流電壓極性相反；停止施加所述射頻電壓及所述第二直流電壓；停止通入所述輔助氣體；取出所述襯底。採用本發明的刻蝕方法，可以有效防止因刻蝕後襯底帶靜電而導致的球狀缺陷的產生。
文檔編號H01L21/70GK101740339SQ200810227178
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月24日 優先權日2008年11月24日
發明者孫武, 沈滿華, 王新鵬 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司