使用等離子體增強氧化鈍化的硅蝕刻的制作方法
【專利說明】使用等離子體増強氧化鈍化的硅蝕刻
本申請是申請號為200980140632.5，申請日為2009年10月9日，申請人為朗姆研究公司，發明創造名稱為“使用等離子體增強氧化鈍化的硅蝕刻”的發明專利申請的分案申請。
【背景技術】
[0001]本發明涉及半導體儀器的形成。更具體地說，本發明涉及蝕刻特征到硅材料中。
[0002]使用通過在特征的側壁上形成鈍化層保護特征的側壁免于蝕刻反應影響的各向異性蝕刻，在硅襯底中形成通孔和溝槽等特征。蝕刻氣體通常包含用于化學蝕刻的齒素氣體(如SF6)和用于鈍化的氧氣(O2)。鈍化層通常為特征的側壁氧化形成的含氧化硅(S1x型膜)的氧化膜。鈍化層的成分可被蝕刻化學和掩模材料影響。過多側壁鈍化可導致夾斷，過少側壁鈍化可導致弓起、底切以及臨界尺寸退化。
[0003]還可通過使用“快速交替”等離子體蝕刻處理(氣體調制處理)，采用等離子蝕刻周期和沉積(鈍化)周期的快速重復交替，在硅襯底中形成深層特征。通常，SF6和C4F8氣體分別為蝕刻和沉積周期的主要處理氣體。C4F8鈍化周期中沉積側壁保護聚合物層從而達到定向蝕刻。SF6蝕刻周期中，通過離子增強蝕刻從水平面(如通孔底部)去除鈍化聚合物，然后通過游離氟從暴露表面各向同性蝕刻硅。
[0004]在氣體調制處理中，提供給等離子體處理反應器的處理氣體快速開啟和關閉，導致處理從去除晶片上硅的蝕刻條件快速變化到沉積材料到晶片上而不去除硅的沉積條件，然后再次回到蝕刻條件。交替周期的持續時間通常相對較短，在硅襯底中達到預期深度通常需要多個周期。
【發明內容】
[0005]為了實現上述并按照本發明的目的，在一個實施方式中，提供了通過在硅層上形成的圖案化掩模蝕刻硅層的方法。硅層放置于蝕刻室中。提供包括含氟氣體和含氧、氫氣體的蝕刻氣體進入蝕刻室。由蝕刻氣體產生等離子體，使用等離子體蝕刻特征到硅層中。然后停止蝕刻氣體。等離子體可含有OH自由基。
[0006]在本發明的另一體現中，提供了通過使用下游等離子體在硅層上形成的圖案化掩模蝕刻硅層的方法。硅層放置于蝕刻室中。提供包括含氟氣體的蝕刻氣體進入上游等離子體室。由蝕刻氣體產生等離子體。從等離子體導入反應介質到蝕刻室，并提供含氧、氫的鈍化氣體進入蝕刻室使得反應介質包含OH自由基。使用反應介質蝕刻特征到硅層中。然后停止反應介質和鈍化氣體。鈍化氣體包含至少水蒸氣或醇之一。
[0007]在本發明的另一體現中，提供了通過圖案化掩模蝕刻特征到硅層中的裝置。裝置包括等離子體處理室、蝕刻氣體源以及控制器。等離子體處理室包括形成等離子體處理室外殼的室壁，在等離子體處理室外殼內支撐襯底的襯底支撐件，調節等離子體處理室外殼中壓強的壓強調節器，為等離子體處理室外殼提供維持等離子體的電源的至少一個電極，電連接到至少一個電極的至少一個射頻電源，提供氣體進入等離子體處理室外殼的進氣口，以及從等離子體處理室外殼排放氣體的出氣口。與進氣口流體連接的蝕刻氣體源包括含氟氣體源以及含氧、氫氣體源。控制器可控連接到氣體源、射頻偏壓源以及至少一個射頻電源。控制器包括至少一個處理器以及包括蝕刻硅層的計算機可讀代碼的計算機可讀介質。蝕刻硅層的計算機可讀代碼包括(a)使含氟氣體從含氟氣體源流入等離子體室的計算機可讀代碼，(b)使含氧、氫氣體從含氧、氫氣體源流入等離子體室的計算機可讀代碼，(c)由所述含氟氣體和所述含氧、氫氣體形成等離子體的計算機可讀代碼，(d)提供偏壓的計算機可讀代碼，(e)蝕刻特征到所述硅層中的計算機可讀代碼，以及(f)停止所述含氟氣體和所述含氧、氫氣體的計算機可讀代碼。
[0008]在以下本發明的詳細描述中將結合以下附圖更具體地描述本發明這些和其他特征。
【附圖說明】
[0009]本發明以附圖中實施例的方式闡述，但并非以限定的方式，其中相似標識指代相似元素，其中:
[0010]圖1為按照本發明的實施方式蝕刻硅層處理的高級流程圖。
[0011]圖2圖示出按照本發明的實施方式蝕刻特征的硅層橫截面的實施例。
[0012]圖3為可用于進行本發明的實施方式的等離子體處理系統的實施例示意圖。
[0013]圖4圖示出適用于實施用于本發明的實施方式的控制器的計算機系統。
[0014]圖5為按照本發明的另一實施方式蝕刻硅層處理的高級流程圖。
[0015]圖6為可用于進行本發明的實施方式的下游等離子體處理系統的實施例示意圖。
詳細描述
[0016]本發明將參照附圖所示一些優選實施方式進行詳細描述。在以下描述中，記載了眾多具體細節以透徹地理解本發明。但是，對于本領域技術人員顯而易見的是無需部分或全部具體細節本發明也可實施。在其他例子中，眾所周知的處理步驟和/或結構未進行詳細描述以免不必要地使得本發明不清楚。
[0017]如上所述，在硅蝕刻中使用側壁鈍化以保護特征的側壁免于側面蝕刻影響從而達到特征的各向異性蝕刻。例如，在硅蝕刻處理過程中，通過形成合適的側壁可獲得大致垂直的廓形。在常規穩態硅蝕刻中，通過硅特征側壁的氧化形成側壁鈍化層。生成的鈍化層通常為氧化硅膜。另一方面，在氣體調制處理中，在沉積步驟中使用由含碳氣體(如C4F8)形成的等離子體沉積側壁鈍化層，而在隨后蝕刻步驟中使用由含氟氣體(如SF6)形成的等離子體蝕刻硅層，其中沉積步驟和蝕刻步驟快速交替。生的鈍化層通常為聚合物。
[0018]申請人使用含氧氣體，如02、S02、C02、C0作為鈍化氣體形成氧化型鈍化層以在使用如SF6的含氟氣體的蝕刻處理過程中保護特征側壁。側壁鈍化層包含Si02(如果使用了O2);S1x(如果使用/添加了SO2);和/或SiC或S1C(如果使用/添加了C02和/CO)。還可以使用或增加N2O或NO2，使得鈍化層進一步包含SiN或S1N。還可以添加其他的氣體，如B2H6，BCl3，其中鈍化層還可包含S1BN或SiBN。為了構建足夠薄符合設計要求同時耐用足以保護特征側壁的鈍化層，申請人已研究出新型鈍化氣體和生成的新型鈍化層。
[0019]按照本發明的實施方式，使用OH自由基修改側壁鈍化層的成分使得鈍化層包含S1H，或通常S1xHy,其中l，y2 I。為了在等離子體中提供OH自由基，鈍化氣體包含氧和氫。例如，鈍化氣體包括水蒸氣和/或醇。如果鈍化氣體包含醇，鈍化層可進一步包含SiCOH和/或S1C，或通常SiCnOxHy，其中η 2 0，x 2 I，y 2 O，并且η和y不同時為O。據信，使用水蒸氣或醇蒸汽(0H自由基)氧化硅(形成鈍化層)快于使用氧(O型自由基)。鈍化層還可包含S1x。
[0020]為了便于理解，圖1為本發明的實施方式所用工藝的高級流程圖，通過在硅層上形成的圖案化掩模蝕刻硅層。提供包括含氟(F)氣體和含氧(0)、氫(H)氣體的蝕刻氣體進入放置有硅層的蝕刻室(步驟102)。例如，含氟氣體包含SF6。含氟氣體可進一步包含SiF4。此外，含氟氣體可為NF3或CF4，或SF6、NF3、SiF4和/或CF4的組合物。還可添加其他含鹵氣體到蝕刻氣體。按照本發明的一個實施方式，作為鈍化氣體的含氧、氫氣體為水蒸氣。含氧、氫氣體還可為醇(CnHn-OH)。在另一實施方式中，含氧、氫氣體可包含水蒸氣和醇。蝕刻氣體可進一步包含O2，和/或至少⑶2或⑶之一。此外，酮(如丙酮，CH3CO-CH3)也可用為鈍化氣體，還有C0、C02、水蒸氣和/或醇。另外，還有其他化學品，如醛(包含末端羰基-CH0)、酯(具有總體結構R-COO-R ’，其中R ’為烴基，R為羧基)以及醚(具有總體結構R-O-R)。應當注意的是，可添加載運氣體和/或稀釋氣體到化學作用以提供一定反應效果。
[0021 ]按照本發明的一個實施方式，通過蒸發液態前體(水或液態醇)可制得鈍化氣體。還可通過使用下游等離子體反應器由高溫O2氣體和出氣體制得OH自由基(或水蒸氣)。在被導入到蝕刻室之前，鈍化氣體(水蒸氣或醇)可與含氟氣體混合。備選地，含氟氣體和鈍化氣體可通過不同的氣體入口導入到產生等離子體的蝕刻室。
[0022]參照圖1，由包含含氟氣體和含氧、氫鈍化氣體(例如，水蒸氣和/或醇)的蝕刻氣體產生等離子體(步驟104)。在等離子體中，水蒸氣提供羥基自由基(0H)，醇提供羥基(OH) ο應該注意的是“羥基”通常用來描述有機化合物中取代基官能團-0H。在本說明書和權利要求書中，“羥基”或“羥基自由基”均指羥基自由基(來自無機物或水)和羥基(來自有機化合物或醇)。
[0023]提供偏壓(步驟106)，和使用等離子體蝕刻特征到硅層中(步驟104)。為了便于理解，圖2圖示出蝕刻特征的硅層200橫截面的實施例。硅層20