刻蚀方法与流程

1.本技术涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种刻蚀方法。


背景技术：

2.在晶圆的加工过程中，自对准多重曝光技术是一种常见的刻蚀工艺，通过多次图像转移，可以使器件的关键尺寸降低至相对较小的规格。常见的逻辑器件中，多采用氮化硅作为硬掩膜材料，且采用多晶硅作为轴心材料，氧化硅作为基底材料。目前，在刻蚀这种结构的膜层结构时，通常利用溴化氢或氧气对被刻硅区进行刻蚀。但是，如图1和图2所示，刻蚀过程中形成的sih
x
bry(x和y均为非负整数，且x y＝4)为难挥发性物质，且易被氧化在硬掩膜表面形成形状不规则的siobr
x
的沉积物600，需要去除后才可以进行后续的刻蚀，刻蚀过程相对复杂。


技术实现要素：

3.本技术公开一种刻蚀方法，以尽量防止在刻蚀过程中形成沉积物，简化膜层结构的刻蚀过程。
4.为了解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
5.本技术实施例公开一种刻蚀方法，用以刻蚀被刻蚀件，所述被刻蚀件包括层叠设置的基层和含氧硅层，所述含氧硅层背离所述基层的表面设有含氮硅区和被刻硅区，所述刻蚀方法包括：
6.将所述被刻蚀件传入工艺腔室；
7.将工艺气体和稀释气体通入所述工艺腔室，其中，所述工艺气体包括含有氟元素的第一气体，以及含有氢元素的第二气体，通入的所述工艺气体中氢原子和氟原子的比例大于或等于3：2，所述稀释气体在所述工艺腔室内的体积分数大于或等于80％；
8.将所述工艺气体和所述稀释气体形成等离子体，以刻蚀所述被刻蚀件。
9.本技术采用的技术方案能够达到以下有益效果：
10.本技术实施例公开的刻蚀方法中，在将被刻蚀件传入工艺腔室之后，通过向工艺腔室通入工艺气体和稀释气体，之后，利用电感耦合等方式，电离工艺气体和稀释气体，使工艺气体中的第一气体电离产生氟元素，使工艺气体中的第二气体电离产生氢元素，以主要利用氟元素的自由基和氢元素的自由基生成的氟化氢气体对被刻蚀件中的被刻硅区进行刻蚀，形成四氟化硅气体，该气体可以随排气过程排出至工艺腔室之外，不会沉积在被刻蚀件的表面。
11.同时，由于被刻硅区、含氧硅层和含氮硅区均可以与氟元素的自由基相互反应，以被刻蚀，因此，为了尽量降低含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率，在本技术实施例公开的刻蚀方法中，可以使稀释气体在工艺腔室内的体积分数大于或等于80％，以减小工艺腔室内氟元素的占比，尽量降低氟元素的自由基与含氧硅层和含氮硅区碰撞的概率，且通过使通入的工艺气体中氢原子和氟原子的比例大于或等于3:2，进一步减小氟原子的占比，以使被
刻硅区和含氧硅层之间的选择比大于或等于100:1，且使被刻硅区和含氮硅区之间的选择比大于或等于100:1，保证被刻蚀件上含氮硅区和含氧硅层的关键尺寸不会在刻蚀过程中缩小过多。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
13.图1是采用现有技术刻蚀被刻蚀件形成的结构的电镜照片；
14.图2是采用现有技术刻蚀被刻蚀件形成的结构的示意图；
15.图3是被刻蚀件的形成过程的示意图；
16.图4是本技术实施例公开的刻蚀方法的流程图；
17.图5是本技术实施例公开的被刻蚀件的结构示意图；
18.图6和图7是本技术实施例公开的刻蚀方法采用不同比例的氢原子和氟原子对被刻蚀件进行刻蚀后的电镜照片；
19.图8是采用本技术实施例公开的刻蚀方法，且氢原子和氟原子的比例大于或等于3：2的情况下对被刻蚀件进行刻蚀后的结构的示意图。
20.附图标记说明：
21.100-基层、
22.200-含氧硅层、
23.300-含氮硅区、
24.400-被刻硅区、
25.510-硅层、520-有机介电层、530-硅氧基掩膜层、540-图案化光刻胶层、550-含氮硅层、
26.600-沉积物。
具体实施方式
27.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
28.以下结合附图，详细说明本技术各个实施例公开的技术方案。
29.在半导体的刻蚀过程中，存在多种形式的刻蚀工艺，如在基材上形成深孔，或者，在基材上形成特定图案化结构，本技术公开的刻蚀方法所刻蚀形成的结构则可以被用在图案转移工艺中，使器件的关键尺寸逐渐缩小。
30.具体来说，如图5所示，本技术实施例公开的刻蚀方法可以用以刻蚀被刻蚀件，且被刻蚀件包括层叠设置的基层100和含氧硅层200，同时，含氧硅层200背离基层100的表面设有含氮硅区300和被刻硅区400，含氧硅层200具体的形成材料通常可以为二氧化硅，含氮硅区300的具体形成材料通常可以为氮化硅。其中，被刻硅区400为刻蚀过程中的目标区域，当然，在刻蚀被刻硅区400的过程中，不可避免地可能会对含氮硅区300和含氧硅层200产生
一定的刻蚀效应，而含氮硅区300将作为后续刻蚀工艺中的硬掩膜进行图形的传递，含氮硅区300的关键尺寸的缩减会影响后续刻蚀中图案的关键尺寸，相应地，如果含氧硅层200存在过刻情况，也会影响后续图形传递过程中的形貌特征，为此，在本技术中，可以采用多种手段，尽量降低含氮硅区300和含氧硅层200的被刻蚀程度，对此，在下文再进行详细介绍。
31.其中，上述被刻蚀件可以采用图形转移的方式形成，如图2和图3所示，具体地，可以先制备一原材，其包括层叠设置的基层100、含氧硅层200、硅层510、有机介电层520、硅氧基掩膜层530和光刻胶层。通过曝光显影的方式，可以使光刻胶层形成图案化光刻胶层540，之后，通过刻蚀的方式，即可使图案化光刻胶层540的图案转移至硅层，使硅层图案化，形成被刻硅区400，之后，通过沉积的方式，可以在含氧硅层200和被刻硅区400的上表面，以及被刻硅区400的侧面覆盖含氮硅层550，之后，可以通过刻蚀的方式，将覆盖在含氧硅层200和被刻硅区400的上表面的含氮硅层550刻蚀掉，以暴露含氧硅层200和被刻硅区400，形成上述被刻蚀件。
32.基于上述被刻蚀件，如图4所示，本技术实施例公开的刻蚀方法包括：
33.s1、将被刻蚀件传入工艺腔室，具体来说，可以利用机械手等器件，将被刻蚀件传入工艺腔室。或者，还可以利用工艺机台，通过为工艺机台设置相应的程序，在工艺机台收到相应地指令之后，利用工艺机台的传输系统将上述被刻蚀件传入工艺腔室内，以为后续的刻蚀工艺做准备。另外，工艺腔室内可以设置有静电卡盘等承载装置，以利用承载装置承载被刻蚀件，保证被刻蚀件能够稳定地被定位在工艺腔室内。具体地，可以通过加载电压的方式，使被刻蚀件吸附在静电卡盘上。
34.在将被刻蚀件传入工艺腔室之后，本技术实施例公开的刻蚀方法还包括：
35.s2、将工艺气体和稀释气体通入工艺腔室，其中，工艺气体包括含有氟元素的第一气体，以及含有氢元素的第二气体，通入的工艺气体中氢原子和氟原子的比例大于或等于3：2，且稀释气体在工艺腔室内的体积分数大于或等于80％。具体来说，工艺气体用以提供刻蚀被刻硅层的氟元素和氢元素，二者可以形成氟化氢，以利用氟化氢与被刻硅区中的硅元素发生反应，生成四氟化硅气体。由于氟单质具有较强的毒性，为了提升工艺的安全性，可以利用含有氟元素的六氟化硫或氟化氢等其他气体作为第一气体，第二气体可以采用氨气或硫化氢等。
36.考虑到本刻蚀方法在通入工艺气体之后，还会对工艺气体进行电离，因此，为了尽量降低氟元素的自由基的存量，第一气体和第二气体均可以不采用氟化氢气体，以防止在电离工艺气体的过程中能够直接与硅元素反应的氟化氢气体被重新电离，生成能够与含氮硅区和含氧硅层反应的氟元素的自由基。并且，为了尽量减少工艺过程中引入的元素的种类，且尽量提升工艺气体中的含氟量和含氢量，优选地，在下述技术方案中，第二气体可以为氢气，第一气体可以为三氟化氮，氮元素基本不会参与工艺过程，且氮元素在原子总量中所占的比例也相对较小。并且，在第一气体采用三氟化氮，且第二气体采用氢气的情况下，可以使稀释气体和工艺气体的比例大于或等于4:1，以保证氟原子在通入气体的原子总量中的占比仍处于相对较小的范围。
37.同时，使通入的工艺气体中氢原子和氟原子的比例大于或等于3：2，进而使氢元素的自由基的量大于氟元素的自由基的量，增大任一氟元素的自由基与氢元素的自由基碰撞的概率，进而增大氟化氢分子的形成量，且减小氟元素的自由基的存量，从而尽量降低氟元
素的自由基与含氧硅层和含氮硅区之间的碰撞概率，降低含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率。当然，为了较为有效地利用氢元素，可以使氢原子与氟原子的比例小于10。
38.补充地说，当氢原子和氟原子的比例小于3：2的情况下，氟元素的自由基的比例相对较高，会导致刻蚀过程中含氧硅层和含氮硅区的刻蚀速率增加，导致被刻硅区对含氧硅层和含氮硅区的高选择比特性消失。例如，图6示出了氢原子和氟原子的比例为1:1时的刻蚀结果，含氮硅区被完全刻蚀；图7示出了氢原子和氟原子的比例为3:1时的刻蚀结果，仅有被刻硅区被刻蚀。
39.被刻硅层、含氧硅层和含氮硅区均不与稀释气体发生化学反应，当然，稀释气体亦可以被电离形成离子等粒子，在这种情况下，在稀释气体的粒子进行自由运动的过程中，当稀释气体的粒子与被刻硅层的表面发生碰撞之后，可以通过物理轰击的方式，使被刻硅层的表面活性化，加速被刻硅层的刻蚀速率。
40.可选地，稀释气体具体为惰性气体，稀释气体可以使工艺腔室内的气体量相对充盈，且可以增大粒子之间的碰撞概率，进而在一定程度上降低工艺气体中的氟元素生成的氟的自由基与含氮硅区和含氧硅层之间的碰撞概率，尽量防止刻蚀过程中含氮硅区和含氧硅层被刻蚀。并且，通过使稀释气体占通入的气体的总量的80％及以上，可以在保证被刻硅区具有较高的刻蚀速率的同时，尽量降低含氮硅区和含氧硅层的被刻蚀效率。
41.在通入工艺气体和稀释气体之后，为了保证工艺气体中的元素能够尽快地与被刻硅层相互反应，本技术实施例公开的刻蚀方法还包括：
42.s3、将工艺气体和稀释气体形成等离子体，以刻蚀被刻蚀件。具体地，通过加载上射频电源功率等方式，可以使气体启辉，以电离工艺气体中的第一气体和第二气体，生成氟元素和氢元素的自由基，并且，在工艺腔室内，随着粒子的自由运动，使得氟元素和氢元素的自由基能够相互碰撞以生成氟化氢气体，进而利用氟化氢气体对被刻硅层进行刻蚀。并且，通过增设稀释气体，使得氟元素的自由基与含氧硅层和含氮硅区之间的碰撞概率极小，从而可以极大地降低含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率，以保证被刻硅区和含氮硅区的选择比大于或等于100:1，且保证被刻硅区和含氧硅层的选择比大于或等于100:1。
43.具体来说，在上述步骤s3中，以第一气体为三氟化氮，且第二气体为氢气为例，则工艺腔室内发生的反应包括：
44.nf3→n·
3f
·
；
45.h2→
2h
·
；
46.也即，第一气体和第二气体分别电离出氟元素和氢元素的自由基，随自由基的运动碰撞，会继续发生下述反应：
47.h
·
f
·
→
hf；
48.在氟元素的自由基被转化为氟化氢之后，工艺腔室内发生的主要反应为：
49.hf nh
x
si
→
sif4 ynh3(其中，x，y为正整数)；
50.4hf si
→
4sif4 h2；
51.如上，在第一气体被电离之后，会产生氟元素的自由基，为此，工艺腔室内还存在下述反应：
52.4f
·
si
→
sif4；
53.4f
·
sio2→
sif4 o2；
54.12f
·
si3n4→
3sif4 2n2；
55.因此，为了尽量防止氟元素的自由基与含氧硅层和含氮硅区发生反应，可以利用稀释气体对工艺气体(生成的自由基)进行稀释，且尽量降低工艺气体的含量，从而降低含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率，尽量防止含氧硅层和含氮硅区的关键尺寸在上述刻蚀过程中缩小较多。当然，在上述步骤s3中，稀释气体亦可以被形成等离子体，如上所述，稀释气体可以为不容易与被刻蚀件发生化学反应的惰性气体等，从而使稀释气体形成的等离子体可以通过物理轰击的方式与被刻蚀件的表面发生碰撞，从而活化被刻蚀件的表面，提升被刻蚀件的被刻蚀效率。
56.另外，在完成被刻蚀件上被刻硅区的刻蚀工作之后，具体可以利用机械手或传输系统，将完成刻蚀的被刻蚀件传出工艺腔室，以便该器件能够进行后续的工艺过程。
57.本技术实施例公开的刻蚀方法中，在将被刻蚀件传入工艺腔室之后，通过向工艺腔室通入工艺气体和稀释气体，之后，利用电感耦合等方式，电离工艺气体和稀释气体，使工艺气体中的第一气体电离产生氟元素，使工艺气体中的第二气体电离产生氢元素，以主要利用氟元素的自由基和氢元素的自由基生成的氟化氢气体对被刻蚀件中的被刻硅区进行刻蚀，形成四氟化硅气体，该气体可以随排气过程排出至工艺腔室之外，不会沉积在被刻蚀件的表面。
58.同时，由于被刻硅区、含氧硅层和含氮硅区均可以与氟元素的自由基相互反应，以被刻蚀，因此，为了尽量降低含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率，在本技术实施例公开的刻蚀方法中，可以使稀释气体在工艺腔室内的体积分数大于或等于80％，以减小工艺腔室内氟元素的占比，尽量降低氟元素的自由基与含氧硅层和含氮硅区碰撞的概率，且通过使通入的工艺气体中氢原子和氟原子的比例大于或等于3:2，进一步减小氟原子的占比，以使被刻硅区和含氧硅层之间的选择比大于或等于100:1，且使被刻硅区和含氮硅区之间的选择比大于或等于100:1，保证被刻蚀件上含氮硅区和含氧硅层的关键尺寸不会在刻蚀过程中缩小过多。
59.为了提升工艺气体的被电离效果，可选地，在上述步骤s3中，将工艺气体和稀释气体形成等离子体具体包括：在工艺腔室内的压力波动小于
±
10％的情况下，电感耦合工艺气体和稀释气体，将工艺气体和稀释气体形成等离子体。也即，可以在工艺腔室内的气体的压力的稳定性相对较好之后，再对工艺腔室加载上射频电源功率，这使得工艺气体和稀释气体的整体被离化效果更好。当然，在工艺精度满足的情况下，还可以在工艺腔室的压力的波动更小的情况下，再对工艺气体和稀释气体进行电感耦合。
60.如上所述，在被刻蚀件被传入工艺腔室内的过程中，可以使被刻蚀件承载于承载装置上，以利用承载装置定位被刻蚀件。基于此，考虑到刻蚀过程中，受物质间反应和粒子碰撞等情况的影响，被刻蚀件的温度可能会随工艺时间的增长而升高；同时，被刻蚀件的温度升高会加快刻蚀速率，也即，被刻硅层、含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率均会相应升高，且由于含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率相较于被刻硅区的刻蚀速率极小，因此，在三者的被刻蚀速率均被加强的情况下，含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率的提升幅度会大于被刻硅区的被刻蚀速率的提升幅度。
61.基于上述情况，在本技术实施例中，上述步骤s1中，将被刻蚀件传入工艺腔室具体可以包括：
62.将被刻蚀件传入工艺腔室的承载装置上，且维持被刻蚀件的温度保持在30～70℃之间，在这种工艺温度下，被刻硅区、含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率的被加快幅度基本相对较小，从而可以保证含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率相对较小。具体地，可以利用承载装置在被刻蚀件的背面(即基层背离含氧硅层的一侧表面)通入氦气的方式，对被刻蚀件进行冷却，以使被刻蚀件的温度能够保持在30～70℃之间。当然，为了在被刻硅区的刻蚀速率相对较大的同时，保证含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率均相对较小，可以使被刻蚀件的温度维持在50℃左右。
63.如上所述，能够与被刻硅区反应的物质包括氟化氢气体和氟元素的自由基，但是，由于氟元素的自由基还能够与含氧硅层和含氮硅区发生反应，因此，为了进一步降低含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速率，可以控制氟元素的自由基在工艺腔室内的占比尽量得少，具体可以使氟元素的自由基与氟化氢分子之间的比例小于1％。具体地，可以通过增大氢元素在通入的气体中的占比，或者，可以通过减小氟元素在通入的气体中的占比等方式，降低氟元素的自由基的存量。例如，可以使通入的工艺气体中氢元素和氟元素之间的比例接近2:1，甚至大于2：1的方式，降低氟元素的自由基的存量。
64.如上所述，稀释气体具体可以为惰性气体，可选地，稀释气体包括氩气，氩气在被通入工艺腔室之后，可以被电离形成氩离子，氩离子可以通过物理轰击的方式活化被刻硅区，以降低被刻硅区的硅原子与氟化氢气体之间的反应难度，提升被刻硅区的被刻蚀速率。
65.在本技术的另一实施例中，稀释气体的组成可以包括氩气和氦气，二者一并为工艺气体提供稀释作用，且稀释气体被电离形成的离子可以活化被刻硅区的表面，提升被刻硅区的被刻蚀速率。在这种情况下，氩气和氦气的流量可以相同。
66.基于上述实施例，在第一气体为三氟化氮，且第二气体为氢气的情况下，可以使第一气体和第二气体之间的比例等于4：9，以保证通入的工艺气体中的氢原子的比例与氟原子的比例等于3:2。当然，可以通过使第一气体和第二气体的比例小于4：9等参数的方式，进一步增大氢原子与氟原子之间的比例，从而提升氟元素的自由基与氢元素的自由基之间相互碰撞的概率，减少氟元素的自由基的存量。更具体地，在通入工艺气体的过程中，可以使第一气体的流量范围为20～40sccm，且使第二气体的流量范围为55～85sccm，相应地，为了保证稀释气体的体积占比满足需求，可以使稀释气体的总流量为800～1000sccm，在稀释气体包括氩气和氦气的情况下，可以使二者的流量相当，且使氩气的流量范围为400～500sccm，使氦气的流量范围为400～500sccm。
67.再比如，还可以通过增大工艺腔室内的压力，或增大工艺腔室内的温度等方式，加快粒子运动，降低粒子的平均自由程，使尽可能多的氟元素的自由基能够与氢元素的自由基碰撞，以生成氟化氢气体。具体来说，可以使工艺腔室的压力范围为300mtorr～1000mtorr，更具体地，工艺腔室的压力范围可以为300mtorr～500mtorr。
68.在本技术公开的刻蚀方法的上述实施例中，工艺气体和稀释气体均可以被电离，为此，在进行上述刻蚀方法的过程中，需要保持工艺腔室的上射频电源处于开启状态，且上射频电源的功率范围可以为200w～2000w，更具体地，可以为400w～600w之间。至于下射频电源，可以开启，亦可以不开启，对应地，下射频电源的功率范围可以为0～500w之间。相应地，在刻蚀方法的进行过程中，通过向工艺腔室内通入工艺气体，可以使工艺腔室具有一定的气压，为了在被刻硅区的刻蚀效率相对较高的同时，使含氧硅层和含氮硅区的被刻蚀速
率相对较低，可以使工艺腔室的压力为300mtorr～500mtorr。
69.本技术上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
70.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。