一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，包括：在待刻蝕材料疊層上旋涂光刻膠并光刻，得到側壁垂直的膠臺柱作為刻蝕掩膜，完成待刻蝕樣品的準備；對待刻蝕樣品進行常溫刻蝕；對常溫刻蝕后的待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品表面的聚合物。本發(fā)明利用常溫刻蝕各向異性好且刻蝕參數(shù)便于控制，以及高溫刻蝕能方便去除聚合物等殘余物質的優(yōu)點，得到無聚合物殘留的垂直側壁，且不增加額外的工藝過程并與傳統(tǒng)的硅基半導體工藝兼容。
【專利說明】一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，利用CHF3等刻蝕光刻膠時產生的聚合物能保護刻蝕表面的優(yōu)點，同時控制腔體壓強和流量裝置使聚合物分布到暴露在刻蝕氣體中的所有表面，并且在同一方向的表面上分布一致，從而使各方向內的刻蝕速率一致，得到平坦的上表面和垂直的薄膜側壁。
【背景技術】
[0002]反應離子刻蝕是現(xiàn)在使用最為廣泛的干法刻蝕技術，其同時包含物理刻蝕主要是離子濺射刻蝕，以及等離子化學刻蝕的優(yōu)點，通過在反應腔體中加以射頻電壓發(fā)生輝光放電，通入腔體的工藝氣體被擊穿而電離，產生包含自由電子和正負離子及游離活性基等的等離子體；等離子擴散到被刻蝕樣品表面，被其吸附并發(fā)生化學反應生成揮發(fā)性產物，使被刻蝕樣品減薄。在電場作用下離子射向并轟擊待刻蝕樣品表面，樣品減薄同時前述化學反應的產物也被去除。真空系統(tǒng)則抽走刻蝕過程中的產物和部分工藝氣體，并通過自動控制系統(tǒng)維持刻蝕腔體壓力穩(wěn)定。
[0003]刻蝕時常見的工藝氣體主要是氟基氣體和氯基氣體。相對于氯基氣體，氟基氣體以其腐蝕性稍低對反應腔體和操作人員的損傷小，且刻蝕時的反應產物較易揮發(fā)而留下較清潔的刻蝕表面和刻蝕腔體。采用的氟基氣體主要是CHF3,同時混合以CF4或C4F8或CH2F2或C2F6或NF3等氟基氣體，適當加以HBr或Br2等溴族氣體，或者He或Ar或N2等惰性氣體。按照氟碳比模型，氟活性原子有助于生成揮發(fā)性物質得到較高的刻蝕速率，但是各向異性較差特別是SF6會有明顯的Undercut，而碳參與的反應產生CO和CO2等揮發(fā)性的物質以及聚合物能改善各向異性，溴族氣體也有很好的各向異性和選擇比，適當加以He或Ar或N2等惰性氣體可以保護刻蝕表面和降低刻蝕速率，增強各向異性。
[0004]但是刻蝕過程中生成的聚合物等難以在后續(xù)的工藝中去除，如丙酮浸泡或者氧等離子刻蝕均無難以去除，如采用UV燒蝕則會造成污染且難以徹底去除；雖然HF和HCL的混合溶液可以徹底去除，但是會對疊層結構的材料有腐蝕。

【發(fā)明內容】

[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，以徹底去除生成的聚合物，并避免對疊層結構材料的腐蝕。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，包括:
[0009]步驟1:在待刻蝕材料疊層上旋涂光刻膠并光刻，得到側壁垂直的膠臺柱作為刻蝕掩膜，完成待刻蝕樣品的準備；
[0010]步驟2:對待刻蝕樣品進行常溫刻蝕；[0011]步驟3:對常溫刻蝕后的待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品表面的聚合物。
[0012]上述方案中，所述步驟I包括:在待刻蝕材料疊層上以轉速為2000轉到4000轉旋涂光刻膠，得到厚度為2微米到8微米的光刻膠層，然后前烘，曝光，顯影，堅膜及去底膜，得到表面光滑且側壁角度大于85度的光刻膠臺柱作為刻蝕掩膜，完成待刻蝕樣品的準備并將其送入刻蝕腔體。
[0013]上述方案中，所述待刻蝕材料疊層是氧化硅、氮化硅或金屬，所述光刻膠是AZ系列正膠或PMMA，光刻后側壁垂直，側壁角度大于85度且表面光滑，刻蝕后圖形即轉移到下方薄膜。所述光刻膠是厚度為薄膜待刻蝕厚度的I倍到10倍。
[0014]上述方案中，所述步驟2包括:步驟21:采用含有CHF3的混合工藝氣體刻蝕反應腔中的膠掩膜及其下方的待刻蝕材料疊層；步驟22:暴露在刻蝕氣體中的待刻蝕材料疊層中的各薄膜表面減薄的同時覆蓋上聚合物；步驟23:如待刻蝕薄膜較厚，則每刻蝕300秒后停止刻蝕30秒，再重復步驟21至步驟23，直至待刻蝕薄膜厚度達到要求。
[0015]上述方案中，步驟21中所述CHF3的純度為99.99%，流量為5sccm到50秒ccm ；所述混合工藝氣體中還含有氟基氣體CF4、C4F8, CH2F2, C2F6或NF3,或者還含有溴族氣體HBr或Br2,或者還含有惰性氣體He、Ar*N2,或者還含有上述氟基氣體、溴族氣體或惰性氣體中至少兩者的混合氣體，上述氟基氣體、溴族氣體、惰性氣體或混合氣體的純度為99.99%，流量分別調節(jié)為5sccm到50秒ccm,與CHF3混合后，總流量為10秒ccm到150秒ccm,即可送入刻蝕腔體。
[0016]上述方案中，步驟21中所述反應腔，在未通入混合工藝氣體前真空度為5E_6Pa到5E-5Pa，刻蝕過程中通入混合工藝氣體后腔體壓強為0.05Pa到10Pa。
[0017]上述方案中，所述步驟3包括:待薄膜刻蝕厚度達到要求后，加熱刻蝕腔體中的下電極溫度到80°C到120°C ;對待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品上的聚合物，得到垂直的且無聚合物沉積的薄膜側壁。
[0018]上述方案中，所述加熱刻蝕腔體中的下電極溫度到80°C到120°C，優(yōu)選地是IOO0C，考慮到光刻膠的溫度特性，防止高溫下光刻膠變性。
[0019]上述方案中，所述對待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，原位過刻蝕待刻蝕樣品厚度的10%到30%，視待刻蝕樣品的厚度確定。
[0020](三)有益效果
[0021]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]1、本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，利用常溫刻蝕各向異性好且刻蝕參數(shù)便于控制，以及高溫刻蝕能方便去除聚合物等殘余物質的優(yōu)點，得到無聚合物殘留的垂直側壁，且不增加額外的工藝過程并與傳統(tǒng)的硅基半導體工藝兼容。
[0023]2、本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，反應離子刻蝕中所用的氣體主要是氫或氟或氯或溴元素與碳或硼元素的化合物，其中氟基氣體能與待刻蝕材料生成聚合物是其區(qū)別于其它氣體的特點，而且在待刻蝕材料的表面和側壁都會生成聚合物且厚度不同。
[0024]3、本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，在刻蝕過程中聚合物會和待刻蝕材料一起不斷地被刻蝕氣體刻蝕并隨后生成新的聚合物，只要刻蝕過程不中斷聚合物就會重復這個生成-刻蝕-生成過程。在刻蝕過工藝完成后，聚合物因為沒有后續(xù)刻蝕就會沉積下來。
[0025]4、本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，側壁上重復生成的聚合物能對側壁形成保護，從而表現(xiàn)為刻蝕的各向異性良好。但是在刻蝕工藝完成后，側壁和表面生成的聚合物都需要去除，以免影響器件的結構和性能，而這是常規(guī)的常溫刻蝕工藝無法完成的。
[0026]5、本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，利用聚合物在高于常溫的一段溫度范圍內的反應特性，通過破壞它們的聚合或縮合反應達到阻止聚合物生成的目的。但是高溫刻蝕會破壞器件的結構等，因此不適用于器件的常規(guī)刻蝕，僅能作為輔助手段適當使用。
[0027]6、本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，綜合利用常溫刻蝕作為常規(guī)刻蝕工藝，用氟基氣體刻蝕能得到較好的各向異性，在刻蝕過程即將終止時采用短時間的高溫刻蝕，沿用同樣的氟基氣體參數(shù)刻蝕，去除常溫刻蝕過程產生的聚合物，并且?guī)缀醪挥绊懫骷慕Y構等，而且不增加工藝的復雜度，仍能與傳統(tǒng)的硅基工藝兼容。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法流程圖；
[0029]圖2為圖1中光刻后膠掩蔽的待刻蝕薄膜樣品的示意圖；
[0030]圖3為圖1中常溫反應離子鈍化刻蝕上面樣品的示意圖；
[0031]圖4為圖1中高溫反應離子刻蝕去除樣品上的聚合物的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0033]本發(fā)明利用高溫刻蝕的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在反應離子刻蝕氣體中的碳元素參與反應生成聚合物，在溫度約100°c時稍加刻蝕較易揮發(fā)的特點；以及下電極刻蝕時雖有冷卻但長時間刻蝕過程中仍會升溫，即使光刻膠掩膜較厚也能充分地烘透膠中溶劑，得到較硬的抗高溫刻蝕的膠掩膜。
[0034]另外在刻蝕腔體壓強和氣體流量不變時，溫度升高會使設備控制系統(tǒng)加大真空系統(tǒng)的抽真空速率，能更快地抽走揮發(fā)物質及工藝氣體。但如果全部刻蝕過程都在高溫環(huán)境中進行，待刻蝕材料各層導熱系數(shù)不同會引起刻蝕過程中的各表面形貌難以控制。
[0035]因此加熱刻蝕腔體及下電極后原位過刻蝕，在保持原有較好的刻蝕形貌的同時，能有效地去除刻蝕過程中的聚合物及其它產物。
[0036]本發(fā)明的核心在于系在15°C到25V的常溫范圍內鈍化刻蝕待刻蝕材料，緊接著在約100°C時原位過刻蝕以去除前述過程中未及時、高效揮發(fā)的聚合物。
[0037]圖1為本發(fā)明提供的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0038]步驟1:在待刻蝕材料疊層上旋涂光刻膠并光刻，得到側壁垂直的膠臺柱作為刻蝕掩膜，完成待刻蝕樣品的準備；[0039]在待刻蝕材料疊層上以轉速為2000轉到4000轉旋涂光刻膠，得到厚度為2微米到8微米的光刻膠層，然后前烘，曝光，顯影，堅膜及去底膜，得到表面光滑且側壁角度大于85度的光刻膠臺柱作為刻蝕掩膜，如圖2所示，完成待刻蝕樣品的準備并將其送入刻蝕腔體。所述待刻蝕材料疊層是氧化娃、氮化娃或金屬，所述光刻膠是AZ系列正膠或PMMA,光刻后側壁垂直，側壁角度大于85度且表面光滑，刻蝕后圖形即轉移到下方薄膜。所述光刻膠是厚度為薄膜待刻蝕厚度的I倍到10倍。
[0040]步驟2:對待刻蝕樣品進行常溫刻蝕；具體包括:
[0041]步驟21:采用含有CHF3的混合工藝氣體刻蝕反應腔中的膠掩膜及其下方的待刻蝕材料疊層；步驟21中所述CHF3的純度為99.99%，流量為5sCCm到50秒ccm ;所述混合工藝氣體中還含有氟基氣體CF4、C4F8、CH2F2、C2F6或NF3,或者還含有溴族氣體HBr或Br2,或者還含有惰性氣體He、Ar或N2,或者還含有上述氟基氣體、溴族氣體或惰性氣體中至少兩者的混合氣體，上述氟基氣體、溴族氣體、惰性氣體或混合氣體的純度為99.99%，流量分別調節(jié)為5sccm到50秒ccm,與CHF3混合后，總流量為10秒ccm到150秒ccm,即可送入刻蝕腔體；所述反應腔，在未通入混合工藝氣體前真空度為5E-6Pa到5E-5Pa，刻蝕過程中通入混合工藝氣體后腔體壓強為0.05Pa到10Pa。如圖3所示，下電極采用循環(huán)水冷卻或He冷卻維持在15°C到25°C;射頻功率為15W到300W，腔體壓強為0.05Pa到10Pa，混合后的工藝氣體流量為10秒ccm到150秒ccm，其中CHF3體積比為30%到50%，刻蝕時間為60秒到300 秒。
[0042]步驟22:暴露在刻蝕氣體中的待刻蝕材料疊層中的各薄膜表面減薄的同時覆蓋上聚合物；
[0043]步驟23:如待刻蝕薄膜較厚，則每刻蝕300秒后停止刻蝕30秒，再重復步驟21至步驟23，直至待刻蝕薄膜厚度達到要求。
[0044]步驟3:對常溫刻蝕后的待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品表面的聚合物；
[0045]如圖4所示，將待刻蝕樣品置于刻蝕反應腔體中進行高溫原位過刻蝕，加熱反應腔體和下電極到約100°c ;射頻功率為15W到300W，腔體壓強為0.05Pa到10Pa，混合后的工藝氣體流量為10秒ccm到150秒ccm，其中CHF3體積比為30%到50%，刻蝕時間為步驟2中刻蝕時間的10%到30%，待刻蝕樣品越厚則過刻蝕時間酌情加長。
[0046]待薄膜刻蝕厚度達到要求后，加熱刻蝕腔體中的下電極溫度到80°C到120°C;對待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品上的聚合物，得到垂直的且無聚合物沉積的薄膜側壁。所述加熱刻蝕腔體中的下電極溫度到80°C到120°C，優(yōu)選地是100°C，考慮到光刻膠的溫度特性，防止高溫下光刻膠變性。所述對待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，原位過刻蝕待刻蝕樣品厚度的10%到30%，視待刻蝕樣品的厚度確定。
[0047]以下以光刻膠AZ9920為掩膜的二氧化硅刻蝕過程的一種較佳實施例，以更清楚地闡明本發(fā)明的技術優(yōu)勢和特點。
[0048]步驟10:光刻，完成待刻蝕樣品的準備；
[0049]在硅基片上用PECVD方式沉積500nm厚的氧化硅；用4000轉的轉速旋涂60秒光刻膠AZ9920，得到厚度約為2 μ m膠層；在100°C的熱板上前烘90秒；在Suss MA6光刻機光強為5mW/cm2時曝光18秒，顯影60秒，在115°C的熱板上堅膜120秒，氧等離子去底膜60秒，得到表面光滑且側壁角度大于85度的光刻膠臺柱作掩膜。待刻蝕樣品即準備完成并送入Sentech SI591型反應離子刻蝕機的反應腔。
[0050]步驟20:對待刻蝕樣品進行常溫刻蝕；
[0051]下電極采用循環(huán)水冷卻維持在20°C ;射頻功率為100W，腔體壓強為5Pa，CHF3流量為25sccm，Ar流量為35sccm，刻蝕300秒后停止刻蝕30秒，再刻蝕300秒。
[0052]步驟30:對常溫刻蝕后的待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品上的聚合物；
[0053]將常溫刻蝕后的待刻蝕樣品置于刻蝕反應腔體中，加熱反應腔體和下電極到約IOO0C ;射頻功率為100W，腔體壓強為5Pa，CHF3流量為25sccm，Ar流量為35sccm，刻蝕90秒。
[0054]以上所述以AZ9920為掩膜刻蝕氧化硅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制。任何個人或團體在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，可直接利用上述技術內容或修改為等效實施例；但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的范圍，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何修改，仍屬于本發(fā)明技術方案范圍內。
【權利要求】
1.一種用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，包括: 步驟1:在待刻蝕材料疊層上旋涂光刻膠并光刻，得到側壁垂直的膠臺柱作為刻蝕掩膜，完成待刻蝕樣品的準備； 步驟2:對待刻蝕樣品進行常溫刻蝕； 步驟3:對常溫刻蝕后的待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品表面的聚合物。
2.根據(jù)權利要求1所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述步驟I包括: 在待刻蝕材料疊層上以轉速為2000轉到4000轉旋涂光刻膠，得到厚度為2微米到8微米的光刻膠層，然后前烘，曝光，顯影，堅膜及去底膜，得到表面光滑且側壁角度大于85度的光刻膠臺柱作為刻蝕掩膜，完成待刻蝕樣品的準備并將其送入刻蝕腔體。
3.根據(jù)權利要求2所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述待刻蝕材料疊層是氧化娃、氮化娃或金屬，所述光刻膠是AZ系列正膠或PMMA,光刻后側壁垂直，側壁角度大于85度且表面光滑，刻蝕后圖形即轉移到下方薄膜。
4.根據(jù)權利要求3所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述光刻膠是厚度為薄膜待刻蝕厚度的I倍到10倍。
5.根據(jù)權利要求1所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述步驟2包括: 步驟21:采用含有CHF3的混合工藝氣體刻蝕反應腔中的膠掩膜及其下方的待刻蝕材料置層； 步驟22:暴露在刻蝕氣體中的待刻蝕材料疊層中的各薄膜表面減薄的同時覆蓋上聚合物； 步驟23:如待刻蝕薄膜較厚，則每刻蝕300秒后停止刻蝕30秒，再重復步驟21至步驟23，直至待刻蝕薄膜厚度達到要求。
6.根據(jù)權利要求5所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，步驟21中所述CHF3的純度為99.99%,流量為5sccm到50秒ccm ;所述混合工藝氣體中還含有氟基氣體CF4、C4F8、CH2F2、C2F6或NF3,或者還含有溴族氣體HBr或Br2,或者還含有惰性氣體He、Ar或N2,或者還含有上述氟基氣體、溴族氣體或惰性氣體中至少兩者的混合氣體,上述氟基氣體、溴族氣體、惰性氣體或混合氣體的純度為99.99%，流量分別調節(jié)為5SCCm到50秒ccm,與CHF3混合后，總流量為10秒ccm到150秒ccm,即可送入刻蝕腔體。
7.根據(jù)權利要求5所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，步驟21中所述反應腔，在未通入混合工藝氣體前真空度為5E-6Pa到5E_5Pa，刻蝕過程中通入混合工藝氣體后腔體壓強為0.05Pa到10Pa。
8.根據(jù)權利要求1所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述步驟3包括: 待薄膜刻蝕厚度達到要求后，加熱刻蝕腔體中的下電極溫度到80°C到120°C: 對待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，去除待刻蝕樣品上的聚合物，得到垂直的且無聚合物沉積的薄膜側壁。
9.根據(jù)權利要求 8所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述加熱刻蝕腔體中的下電極溫度到80°C到120°C，優(yōu)選地是100°C，考慮到光刻膠的溫度特性，防止高溫下光刻膠變性。
10.根據(jù)權利要求8所述的用氟基氣體鈍化刻蝕膠掩蔽的薄膜的方法，其特征在于，所述對待刻蝕樣品進行高溫原位過刻蝕，原位過刻蝕待刻蝕樣品厚度的10%到30%，視待刻蝕樣品的厚度確定。
【文檔編號】H01L21/027GK103903964SQ201410147878
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】趙威, 劉洪剛, 孫兵, ?；| 申請人:中國科學院微電子研究所