專利名稱：集成電路淺溝槽隔離方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種蝕刻硅的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種集成硅蝕刻工藝，包括在同一個腔室內(nèi)進行除去光刻膠和蝕刻硅的步驟。
今天的半導(dǎo)體基片通常包含數(shù)百萬的晶體管。在這些晶體管之間有隔離結(jié)構(gòu)以防止相鄰的晶體管之間短路。一個通常使用的隔離結(jié)構(gòu)是淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)。STI結(jié)構(gòu)通常是通過離位(ex-situ)硬掩膜STI或原位光刻STI方法制造的。
離位硬掩膜方法通常要在硅基片上連續(xù)地形成一氧化物墊層和一氮化硅層。光刻膠層在氮化物層上形成然后蝕刻圖案?；晦D(zhuǎn)移到一第一腔室以除去氮化物層和其下氧化物層的暴露部分?；缓蟊晦D(zhuǎn)移到一第二腔室以除掉光刻膠。然后基片被轉(zhuǎn)移到一第三腔室以蝕刻硅基片的暴露部分而形成溝槽，溝槽隨后用介電材料，如二氧化硅，填充該溝槽，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。每個第一，第二和第三腔室被優(yōu)化以便進行它們各自特定的蝕刻操作。該方法有一個問題就是它要求至少三個不同的腔室，這增加了所有者的每個晶片的成本。而且，把基片轉(zhuǎn)移進并轉(zhuǎn)移出這三個腔室減少了產(chǎn)量，并且也可能產(chǎn)生顆粒和/或缺陷控制問題。
考慮到這些缺陷，原位光刻膠方法比離位硬掩膜方法要少用一個腔室，最近獲得更廣泛的使用。該工藝要在硅基片上連續(xù)形成一個氧化物墊層和一個氮化硅層。在氮化物層上形成一光刻膠層，然后蝕刻圖案。基片被轉(zhuǎn)移到一個硅蝕刻腔室。氮化物層暴露的部分及其下的氧化物層被蝕刻以暴露硅基片的被選擇的部分。隨后，在同一個腔室，基片被選擇的部分被蝕刻以形成溝槽。然后，基片被轉(zhuǎn)移到光刻膠剝離室，如腔室以除去形成圖案的光刻膠。
雖然原位光刻方法比離位硬掩膜方法提供了更高的產(chǎn)量和更好的顆粒/缺陷控制管理，但前者本身也引起一些問題。一個問題就是如果是在硅蝕刻步驟之后去除光刻膠，光刻膠就變得難于除去，這是因為副產(chǎn)物，例如硅蝕刻步驟產(chǎn)生的二氧化硅，和剩余的光刻膠混合在一起。另一個問題是原位方法較離位硬掩膜步驟產(chǎn)生了增加的輪廓微負載效應(yīng)(profile micro-loading effect)。前者通常對溝槽有8-10度或更大的偏差，而溝槽的目標錐角是85度。相比較，后者通常對目標結(jié)構(gòu)產(chǎn)生3-5度的偏差。輪廓微負載效應(yīng)(profile micro-loading effect)是指在致密區(qū)和絕緣區(qū)(iso areas)的溝槽錐角的差異。另外，原位光刻方法還較離位硬掩膜方法產(chǎn)生增加的蝕刻速率微負載效應(yīng)(etch-ratemicro-loading effect)。前者通常對大約為3500的溝槽蝕刻深度引起蝕刻速率深度偏差為300或更多。相比較而言，后者對基本上相同的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大約200?；蚋俚奈g刻速率深度偏差。蝕刻速率微負載效應(yīng)(etch-rate micro-loading effect)是指在致密區(qū)和絕緣區(qū)的蝕刻速度深度的差異。
因此，有必要發(fā)展一種STI方法，它能增加產(chǎn)量并改善顆粒/缺陷控制而沒有原位光刻膠蝕刻步驟STI方法所帶來的缺點。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種改進的蝕刻硅的方法。本發(fā)明的實施方案教導(dǎo)了在同一個腔室內(nèi)進行光刻膠剝離和硅蝕刻的方法和步驟。本發(fā)明增加了硅基片加工的產(chǎn)量。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，一種加工被置于基片加工腔室內(nèi)硅基片的方法，包括將基片傳送到基片加工腔室?；嫌幸粋€硬掩膜，在該硬掩膜上面有一層成圖案的光刻膠以暴露部分硬掩膜。腔室是有電源系統(tǒng)和偏壓源系統(tǒng)的那一類腔室。該方法還包括蝕刻硬掩膜的暴露部分以暴露硬掩膜下面的部分硅基片。然后，成圖案的光刻膠被暴露于由第一工作氣體形成的第一等離子體以從硬掩膜上除去光刻膠。然后，暴露的硅基片通過把基片暴露于由第二工作氣體形成的第二等離子體中通過從電源系統(tǒng)施加RF能量并讓加偏壓使等離子體偏向基片而被蝕刻?；粋魉统龌庸で皇?。
本發(fā)明的這些和其它的實施方案以及它的優(yōu)點和特征將結(jié)合下面的文本和附圖更詳細地被描述。
附圖簡要說明

圖1A示出了一個典型的可以進行本發(fā)明方法的半導(dǎo)體晶片加工系統(tǒng)的部分截面示意圖；圖1B示出了圖1A中的半導(dǎo)體晶片加工系統(tǒng)的一個方框圖；圖2A示出了一個有成圖案的光刻膠層的半導(dǎo)體基片的簡化截面圖。
圖2B示出了圖2A中的半導(dǎo)體基片在硬掩膜和氧化物被剝開之后的簡化截面圖；圖2C示出了圖2B中的半導(dǎo)體基片在光刻膠被剝離之后的簡化截面圖；圖2D示出了圖2C中的半導(dǎo)體基片在于其上蝕刻了溝槽之后的簡化截面圖；圖2E示出了圖2D中的半導(dǎo)體基片在執(zhí)行了軟清潔步驟之后的簡化截面圖；圖3示出了一個典型的根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案工藝流程圖；圖4A示出了在基片中心致密區(qū)的溝槽截面的掃描電鏡(SEM)概略圖；圖4B示出了在基片中心絕緣區(qū)的溝槽截面的掃描電鏡(SEM)概略圖；圖4C示出了在基片邊緣致密區(qū)的溝槽截面的掃描電鏡(SEM)概略圖；圖4B示出了在基片邊緣絕緣區(qū)的溝槽截面的掃描電鏡(SEM)概略圖；為進一步理解本發(fā)明，有必要參考下面的詳細描述。
具體實施方案的說明I.典型腔室圖1A描繪了一個能夠?qū)嵤┍景l(fā)明方法的典型的半導(dǎo)體晶片加工系統(tǒng)100的概略圖。系統(tǒng)100包括一個加工腔室101，一個電源105，一個偏壓源106和一個控制器140。加工腔室101包括一個加工空間104，它包括一個圓頂103，一個圓柱形側(cè)壁111和底113。圓頂103通常是由介質(zhì)材料例如陶瓷或石英做成。側(cè)壁111和底113通常是由金屬，例如鋁或不銹鋼做成。電源105把一射頻(RF)信號(如12.56MHz)施加到天線102。天線102在圓頂103附近有多個線圈(turn)，且產(chǎn)生RF電磁場，該電磁場可以激發(fā)位于空間104內(nèi)的一種(或多種)工作氣體以形成和/或維持等離子體130。
一機械手112，圖中以虛線示出，通過一個狹縫閥114把晶片110送入加工腔室101中并從其中取出晶片。在基片加工時，其上可部分形成有集成電路結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體晶片110被基座(靜電夾頭)107支撐。晶片110被暴露在等離子體中以方便加工。來自等離子體130的離子和電子轟擊晶片110。由于電子比離子更易于遷移，故轟擊晶片的電子比離子多。結(jié)果晶片110獲得了一個負偏壓。該負偏壓加速了來自等離子體的正離子轟擊晶片110的速度?；?07和晶片因此通過RF信號(例如，400KHz或13.56MHz)施加一個偏壓，該RF信號由偏壓源106施加在基座107上。等離子體130中的離子密度主要由施加到天線102上的信號控制，而離子能量主要由施加到基座107上的信號控制。
腔室101內(nèi)的溫度部分由循環(huán)流體(如，水基的乙二醇)流過在腔室側(cè)壁111和圓頂103內(nèi)分立的熱交換通道(圖中未示出)來控制。基片被蝕刻的溫度是通過經(jīng)基座107內(nèi)的通道(圖中未示出)施加給基片背面的氣體和基座內(nèi)的熱交換通道(圖中未示出)中的循環(huán)流體的共同作用控制的。
用一個加工監(jiān)控器108來監(jiān)控加工腔室101內(nèi)的環(huán)境。加工監(jiān)控器可以是任何傳感器，或傳感器的組合，以測量依賴于發(fā)生在腔室101內(nèi)的工藝的條件。例如，加工監(jiān)控器108是一個光發(fā)射分光計(OES)。該OES監(jiān)控來自等離子體130輻射的發(fā)射。這種輻射依賴于發(fā)生在加工腔室101內(nèi)的工藝進程。此外，加工監(jiān)控器108可以包括一個干涉儀以測量高度(elevation)，例如晶片110表面上溝槽被蝕刻的深度。這樣的干涉儀通過光從溝槽的頂部到底部的折射的干涉來測量溝槽深度。如果加工監(jiān)控器108是一個OES或干涉儀，腔室101內(nèi)的輻射通過一個在頂部103的透明的窗孔，例如藍寶石或石英，被加工監(jiān)控器接收。此外，一個為此目的的獨立的窗口可以設(shè)在頂部103或側(cè)壁111上。
加工監(jiān)控器108和系統(tǒng)100不同的組件可以連接到控制器140上?？刂破?40包括提供必須的信號以啟動，監(jiān)控，調(diào)節(jié)和終止發(fā)生在腔室101內(nèi)加工的硬件。例如，腔室101是一個去耦合等離子體源(DPS)蝕刻腔室，由加利福利亞的Applied Materials of Santa Clara制造。腔室101含制造半導(dǎo)體晶片的必需組件。
腔室101的外部通常在環(huán)境大氣壓力下，而腔室101的內(nèi)部在加工過程中保持負壓。一個排氣系統(tǒng)109調(diào)節(jié)腔室101內(nèi)的壓力。氣體面板120通過氣體管線122和閥門124將工作氣體輸送到腔室101。在加工過程中，例如蝕刻過程，通過向工作氣體施加RF功率而在腔室101中形成等離子體130。RF主電源105給天線102施加電壓以使腔室101內(nèi)等離子體引燃(ignite)并維持等離子體。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到需要多個步驟以在加工腔室內(nèi)激發(fā)等離子體，即，供應(yīng)工作氣體，向天線施加電源功率，向基座施加偏壓功率等等。不需要進一步的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都能掌握這些步驟。
本發(fā)明的方法可在一個基于處理器系統(tǒng)的控制器例如圖1A所示的控制器140所控制的系統(tǒng)中工作。圖1B示出了如圖1A所示的加工系統(tǒng)100的方框圖，，該加工系統(tǒng)有這樣一個在該生產(chǎn)中可被采用的系統(tǒng)控制器140。系統(tǒng)控制器140包括一個可程序化的中央處理單元(CPU)160，它可操作計算機可讀存儲器162，大容量存儲裝置164，一個輸入控制單元166和一個顯示單元168。該系統(tǒng)控制器還包括眾所周知的配套電路172，例如電源174，計時器176，高速緩存178，輸入/輸出(I/O)電路180等等?？刂破?40還包括通過腔室101內(nèi)的傳感器181監(jiān)控晶片工藝的硬件。這種傳感器測量系統(tǒng)參數(shù)，例如，晶片溫度，腔室氣壓等等。所有以上組件連接到控制系統(tǒng)總線170上。
存儲器162包含CPU160執(zhí)行以控制加工系統(tǒng)158操作的指令。存儲器162中的指令是程序代碼的形式，例如執(zhí)行本發(fā)明的方法的程序190。程序代碼與任何一種編程語言一致。例如，程序代碼可以用C，C++，BASIC，PASCAL或大量的別的語言編寫。計算機程序190可包括多個不同的子程序。例如，在一個特定實施方案中，程序190包括一個工藝選擇器子程序，一個工藝定序器子程序和一個用于多室系統(tǒng)中每個腔室的腔室管理器子程序。程序190還包括用于控制每個腔室101內(nèi)的單個組件的子程序，該子程序例如包括基片定位子程序，工作氣體控制子程序，壓力控制子程序，溫度控制子程序和等離子體控制子程序及其它的子程序。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于認識到可根據(jù)加工腔室101內(nèi)待進行的加工而可以包括其它的腔室控制子程序。
工藝選擇子程序識別(i)所需的加工腔室(如果腔室101是多腔室加工系統(tǒng)的一部分)和(ii)操作加工腔室所需的工藝參數(shù)的設(shè)定，以執(zhí)行所需加工。執(zhí)行具體工藝的工藝參數(shù)涉及工藝條件，例如，工作氣體成分和流速、溫度、壓力，等離子體條件，例如RF功率水平和低頻RF頻率，冷卻氣體壓力，和室壁溫度。這些參數(shù)以菜單形式提供給用戶且可通過使用輸入控制界面166輸入。
工藝定序器子程序包括用于接收被識別的工藝腔室及來自工藝選擇器子程序的工藝參數(shù)和用于在多腔室系統(tǒng)中控制不同的加工腔室的操作的程序代碼。多個用戶可以輸入工藝設(shè)定編號和加工腔室編號，或者用戶可以輸入多個工藝設(shè)置編號及工藝腔室編號，因此定序器子程序?qū)此璧男蛄信帕兴x擇的工藝。優(yōu)選地，定序器子程序包括程序代碼以(i)監(jiān)控加工腔室的運行以確定該腔室是否被使用，(ii)決定在該被使用的腔室中執(zhí)行何種工藝，和(iii)基于可用的加工腔室和要執(zhí)行工藝的類型執(zhí)行所需的工藝?？墒褂脗鹘y(tǒng)的監(jiān)控加工腔室的方法，例如輪流檢測。當設(shè)定執(zhí)行哪個工藝時，定序器子程序把該正使用的加工腔室的目前狀況考慮進來并與用于所選擇工藝的所需工藝條件比較，或者每個特定用戶輸入的要求的“年齡”，或任何系統(tǒng)程序員為決定排列優(yōu)先性而希望包括進來的其他相關(guān)因素。
一旦定序器子程序決定了下一步將使用哪個加工腔室和工藝設(shè)定組合，定序器子程序通過把特定的工藝設(shè)定參數(shù)傳輸?shù)教囟ㄇ皇夜芾砥髯映绦蜷_始執(zhí)行該工藝設(shè)定，該腔室管理器子程序根據(jù)定序器子程序確定的工藝設(shè)定，在一個特定的加工腔室中控制多種工藝任務(wù)。在操作中，腔室管理器子程序按照正在執(zhí)行的特定工藝設(shè)定，選擇性地調(diào)度或調(diào)用加工組件(process component)的子程序。典型地，腔室管理器子程序監(jiān)控不同的腔室組件，基于待執(zhí)行工藝設(shè)定的工藝參數(shù)決定需要操作哪些組件，并響應(yīng)監(jiān)控和確定步驟開始執(zhí)行單個腔室組件子程序。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解如何執(zhí)行每個特定腔室組件子程序。例如，基片定位子程序?qū)刂魄皇医M件的程序代碼，該組件把基片裝到基座107上，且可選擇地，為加工基片，可把基座和基片在腔室101內(nèi)提升到一個所需的位置。
大容量存儲設(shè)備164存儲數(shù)據(jù)和指令，恢復(fù)數(shù)據(jù)和來自處理器可讀存儲介質(zhì)的程序代碼指令，該存儲介質(zhì)可以是磁盤或磁帶。例如，大容量存儲設(shè)備164可以是硬盤驅(qū)動器、軟驅(qū)、帶驅(qū)或光驅(qū)。大容量存儲設(shè)備164存儲和恢復(fù)指令以響應(yīng)來自CPU160的指令。大容量存儲設(shè)備164存儲和恢復(fù)的數(shù)據(jù)和程序代碼指令被處理器單元160采用以操作加工系統(tǒng)100。數(shù)據(jù)和程序代碼指令先由大容量存儲設(shè)備164從介質(zhì)恢復(fù)，然后被轉(zhuǎn)移到存儲器162以被CPU使用。
輸入控制單元166把數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，例如鍵盤，鼠標或光筆連到處理器單元160以接收腔室操作員的輸入。顯示單元168在CPU160的控制下提供圖形和字母形式的信息給腔室操作員。
控制系統(tǒng)總線170為連到控制系統(tǒng)總線170上的所有設(shè)備提供數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸。雖然控制系統(tǒng)總線是作為直接連接CPU160中的設(shè)備的一單一總線，但控制系統(tǒng)總線170也可是一個總線的集合。例如，顯示單元168，輸入控制單元166和大容量存儲設(shè)備164可以連接到輸入輸出外圍總線，而CPU160和存儲器162連接到本地處理器總線。本地處理器總線和輸入輸出外圍總線連到一起以形成控制系統(tǒng)總線170。
系統(tǒng)控制器140連到加工系統(tǒng)100的組件上，按照本發(fā)明，通過系統(tǒng)總線170和I/O線路180在蝕刻加工中采用。這些組件包括多個閥門182(例如圖1A中的閥門124)，加工監(jiān)控器108，排氣系統(tǒng)109，電源105，偏壓源106，狹縫閥門114，氣體控制面板120，機械手112，腔室傳感器181和可選混合模塊184(圖1A中未示出，但可連接到氣體控制面板120和腔室101)。
系統(tǒng)控制器140提供信號到不同的腔室組件使這些組件執(zhí)行所需的操作以在腔室101內(nèi)執(zhí)行所需的工藝。
雖然這里描述的本發(fā)明是以軟件形式執(zhí)行的，并且是在普通用途的計算機上進行的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到本發(fā)明可以用硬件例如應(yīng)用特定集成電路(ASIC)或其它的硬件電路來執(zhí)行。這樣，可以理解本發(fā)明可以整體或部分地用軟件，硬件或兩者一起來執(zhí)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可認識到選擇一個適當?shù)挠嬎銠C系統(tǒng)來控制基片加工系統(tǒng)100是一項基本技能。
II.根據(jù)本發(fā)明的硅加工本發(fā)明的方法可用于在適當?shù)幕庸で皇抑?，例如上面說明的示例性的腔室中，為不同應(yīng)用而蝕刻硅。然而，為了說明本發(fā)明的目的，下面將結(jié)合用于淺溝槽隔離加工的在硅基片上蝕刻溝槽的工藝步驟說明本發(fā)明?？蓱?yīng)用地，下面說明中的參考數(shù)字是指圖1A和圖1B中的示例性腔室的適當組件。
參考圖2A-2E和圖3，工藝200(圖3)包括在加工腔室101例如硅蝕刻腔室中的基座107上放置一基片50(步驟201)(圖2A)。該基片有一氧化物墊層52，一硬掩膜層53，例如，氮化硅層，該氮化物層在氧化物墊層之上，和一有圖案的光刻膠層54，該光刻膠層通過眾所周知的技術(shù)在硬掩膜層之上形成。氧化物墊層通常在基片上形成以為硬掩膜層提供一個好的粘附表面。在一個實施方案中，基片可以包括一介電層，例如，在硬掩膜層53和氧化物墊層52之間的抗反射涂層(沒有畫出)。
參考圖2B，一旦基片被送入腔室，硬掩膜層53被揭開，其下的氧化物層被暴露出來(步驟202)。通常各向異性蝕刻技術(shù)被用來除去選擇的硬掩膜部分。通過步驟202暴露出來的部分氧化物墊層52被除去以暴露硅基片(步驟204)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，用于去除氮化物和氧化物步驟的工藝菜單，分別在如下的表1和表2中提供。在表1和表2中，Wb代表偏壓源106施加的偏壓功率，Ws代表電源105所施加的功率，壓力代表蝕刻過程中腔室內(nèi)的壓力。在氮化物層揭開(nitride-open)步驟中，終點偵側(cè)被用來確定該步驟的持續(xù)時間；例如，該步驟將被執(zhí)行直到終點偵側(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)下面的氧化物層。
工藝菜單
表1工藝菜單
表2以上為揭開氮化物層步驟提供的工藝菜單中氮化物層對光刻膠層的選擇性比率大約為1.3∶1，其中氮化物層較光刻膠層被去除快1.3倍。例如，對厚度為1500的氮化物層53，要求成圖案的光刻膠層的最小厚度為1154。優(yōu)選地，光刻膠層54有額外的厚度500-900以補償成小面(faceting)現(xiàn)象。相應(yīng)地，在一個實施方案中，光刻膠層54開始厚度大約為1650到2150以揭開1500的氮化物層。在氮化物層揭開步驟202之后，保留在硬掩膜上的光刻膠層的厚度大約為500-900。一旦氮化物層被揭開，余下的光刻膠層在某些情形下就不必揭開其下的氧化物層，因為氮化物層可被用來取代光刻膠層。在另一個實施方案中，光刻膠層54開始的厚度大約為2300-3500，優(yōu)選地為3000以揭開下面的帶有光刻膠層的氮化物層和氧化物層。在本發(fā)明的具體實施方案中光刻膠層的厚度可以保持最小，這是因為光刻膠層在于硅基片上蝕刻溝槽之前就被剝離。
然而在傳統(tǒng)的原位光刻方法中，要求有更厚的光刻膠層，這是因為光刻膠被留在氮化物層上并被用來蝕刻硅基片上的溝槽。典型地，在傳統(tǒng)的原位光刻方法中，額外的2000或更多的光刻膠被用來蝕刻深度大約為3000的溝槽。例如，為了在硅基片上形成厚度為3000的溝槽，其中基片上的氮化物和氧化物層的厚度分別為1500和100，傳統(tǒng)的方法使用的光刻膠層的厚度為5000?；蚋?。這種傳統(tǒng)的方法隨著器件降到0.18μm或更小的尺寸時就特別難于實行，這是因為光刻膠圖案的縱橫比隨器件尺寸減小而增加。最終，傳統(tǒng)原位光刻方法將達到它的工藝極限并可能不再被用來制造小器件，例如，0.13μm的器件，這是由于在光刻過程中聚焦深度的限制。
相比較，在本發(fā)明的具體實施方案中，原位硬掩膜方法允許如上所述使用3000?；蚋〉墓饪棠z層。結(jié)果，器件尺寸的減少由光刻膠層厚度的降低而補償，因此，隨器件逐漸變小，減慢或防止了光刻膠圖案的縱橫比的增加。因此，根據(jù)本發(fā)明原位硬掩膜方法可被可靠地用來加工具有最小特征尺寸為0.18μm，0.13μm甚至更小的器件。
參考圖2C，在揭開硬掩膜和氧化物墊層之后，余下的光刻膠層用由氧氣激發(fā)的等離子體在原位剝離，即，不從硅蝕刻腔室移出基片就被剝離(步驟206)。這是與傳統(tǒng)思想相反的。通常，光刻膠在特殊的膠剝離室(下游腔室)中被離位剝離，主要通過暴露光刻膠于活性的自由基而不是直接暴露于等離子體中來進行，這是由于考慮到對基片結(jié)構(gòu)的損傷。因此，工藝工程師通常認為在硅蝕刻腔室內(nèi)直接把膠暴露在等離子體中原位剝離光刻膠的概念是不切實際的。另一個離位剝離光刻膠的理由是由于一直到近來光刻膠都有相對高的金屬雜質(zhì)含量。因此，如果膠在蝕刻腔室內(nèi)原位剝離會引起嚴重的金屬污染問題。除此而外，工藝工程師由于考慮到在同一個腔室剝離膠，而這里正是“臟”(dirty)的蝕刻工藝執(zhí)行的地方，也回避原位膠剝離方法。臟工藝，例如硅蝕刻步驟，產(chǎn)生副產(chǎn)物(SiO)，它可能會與膠混合且使膠剝離變得困難，或者引起顆粒控制問題?？紤]到這些或那些原因，在傳統(tǒng)的STI方法中，光刻膠一直都是在特殊腔室中被離位剝離。例如，在傳統(tǒng)的硬掩膜方法中，在基片被插入硅蝕刻腔室前，光刻膠于另外一個腔室中被剝離，而在傳統(tǒng)的原位光刻方法中，光刻膠于硅蝕刻步驟之后在另外一個腔室中被剝離。
然而與傳統(tǒng)認識相反，本發(fā)明者出乎意料地發(fā)現(xiàn)了可以在執(zhí)行硅蝕刻步驟的同一個腔室內(nèi)執(zhí)行剝離光刻膠層工藝200。也就是說，在執(zhí)行硅蝕刻步驟之前原位剝離膠。在工藝200中，由于下面的氮化物層在隨后的STI工藝中被除去，所有損傷問題沒有多大考慮的意義。污染問題很少值得考慮，因為近來光刻膠的純度水平已顯著提高。最后，對副產(chǎn)物和光刻膠的混合問題的考慮也進行了處理，如下所述。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，通過頻繁的清潔步驟，例如每一次裝載都進行一次干清潔步驟，硅蝕刻腔室保持基本無副產(chǎn)物或聚合物(SiO2)。而且，相對清潔的硅蝕刻步驟可以合并到步驟200中以減少聚合物在腔室壁上的堆積。一個該步驟的例子包括在工作氣體中使用蝕刻劑氣體如SF6?？商鎿Q地或在以上步驟上額外地在工藝200中并入一個軟清潔步驟，以減少聚合物在腔室壁上的堆積且使工藝200容易進行，如后面更詳細的解釋。如本文所用，術(shù)語“基本上無聚合物”是指一種環(huán)境，其中堆積在腔室內(nèi)壁的聚合物的數(shù)量不足以威脅工藝200的可靠性。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解的那樣，該環(huán)境將依被使用的腔室，被執(zhí)行的工藝等等而變化。
回到步驟206，用于光刻膠剝離的工藝菜單，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，示于下面的表3。在表3中，Wb代表由偏壓源106施加的偏壓功率，Ws代表電源105施加的功率，壓力代表蝕刻過程中腔室內(nèi)的壓力。剝離步驟持續(xù)了一特定時間段，這段時間包括到達下面的氮化物層53的時間和40％的過蝕刻時間。例如，如果下面的層使用終點偵側(cè)系統(tǒng)在10秒內(nèi)偵側(cè)到，該工藝再執(zhí)行4秒以達到過蝕刻的目的。
如下表3提供的工藝菜單是一個示例性的工藝菜單。很多其它的工藝菜單可被用來剝離光刻膠。在一個實施方案中，腔室壓力可以在大約2毫托到約100毫托之間，偏壓功率可以是大約0瓦特到約100瓦特之間，電源功率可以是大約200瓦特到約2000瓦特之間，氧氣流量可以是大約5sccm到500sccm。在另一個實施例中，除了氧氣，惰性氣體例如氦氣，氮化物或氬氣或它們的組合可以通入腔室。
工藝菜單
表3光刻膠被剝離之后，使用已知的各向異性蝕刻技術(shù)(步驟208)原位蝕刻溝槽，如圖2D所示。各向異性蝕刻技術(shù)包括施加一偏壓功率使離子垂直地向基片移動，且向腔室101通入形成聚合物的氣體，例如氧氣，這樣當溝槽被蝕刻時，在溝槽壁上形成一鈍化層56。通常，等離子體的偏壓功率大約為300瓦特(0.96瓦特/cm2)以加速垂直向基片移動的離子。鈍化層通常在溝槽底部拐角58處變細；即，在側(cè)壁上部的鈍化層比下部的厚。
執(zhí)行溝槽蝕刻的工藝菜單使用由氯氣和氧氣組成的蝕刻劑氣體以蝕刻深度大約為3000的溝槽，該菜單如下表4所示。
工藝菜單
表4各向異性蝕刻工藝步驟208通常被認為是一個臟工藝，這是因為聚合化和離子轟擊產(chǎn)生副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物粘附在腔室101的內(nèi)表面。這些副產(chǎn)物在腔室內(nèi)集聚并改變腔室的環(huán)境，除非它們被有規(guī)律地除去。而且，離子轟擊損傷基片外表面的晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個厚度大約為20-100的損傷層(未在圖2D中示出)，該損傷層改變基片在進行其他過程時的電性能。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了一種保持腔室清潔的方法以拓展工藝運行，該方法在步驟200中并入了一個軟清潔步驟(步驟210)。軟清潔步驟除去粘附在腔室內(nèi)表面的副產(chǎn)物而不會顯著改變主溝槽的輪廓，即，寬度(開口)、深度和溝槽的斜度。在半導(dǎo)體制造工藝的傳統(tǒng)典范中，工程師由于擔心改變蝕刻輪廓和損傷基片，故只在從腔室移出基片之后對腔室執(zhí)行清潔步驟。但是，本發(fā)明者出乎意料地發(fā)現(xiàn)把軟清潔步驟加入到硅蝕刻工藝中有很多意料之外的好處，即，在腔室內(nèi)執(zhí)行軟清潔步驟。例如，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)的組合的蝕刻工藝在濕清潔步驟之間比傳統(tǒng)的方法允許加工更大量的基片(10000或在某些情況下更多)。而且，在某些情況下，軟清潔步驟甚至可以減少對干清潔步驟的需要。
軟清潔步驟主要包括化學過程，即，關(guān)閉或施加一個最小偏壓功率(如，不超過20瓦特或0.06瓦特/cm2)到腔室101以消除或至少最小化進一步的物理蝕刻，該物理蝕刻會產(chǎn)生副產(chǎn)物。由于鈍化層56保護溝槽的上部，所以主溝槽輪廓不會被軟清潔步驟顯著改變。然而，如圖2E所示，軟清潔步驟使溝槽底部的拐角圓滑，這是由于鈍化層在這些拐角變細。使溝槽底部變圓滑改善臺階覆蓋(step coverage)和器件性能。軟清潔步驟在除去副產(chǎn)物及使底部拐角圓滑的同時，也除去了基片表面的損傷層。
軟清潔步驟的化學物質(zhì)較各向異性蝕刻步驟的化學物質(zhì)不同。軟清潔步驟包括通入包括有一種或多種鹵素源，例如SF6，CF4，C2F6，C3F8，C4F8，NF3和CHF3的工作氣體。優(yōu)選地，工作氣體也可包括一種增加鹵素源分解的氣體源(例如，氧源)；或一種可改變等離子體分布形式的惰性氣體(如氬氣)，或者這兩種氣體都有。氧源和類似物質(zhì)增加鹵素源的分解，但也產(chǎn)生副產(chǎn)物。因此，對一種特定的工作氣體的最佳量的氧或類似的物質(zhì)必須是針對該特定工作氣體確定的。例如，對一個特定軟清潔步驟，其中工作氣體基本上由作為鹵素源的CF4組成，本發(fā)明者已經(jīng)確定了氧氣的氣體流量范圍是在CF4流速的10％到40％之間。更優(yōu)選地，氧氣的流速大約為CF4流速的20％。一種惰性氣體，如氬氣可以包括在工作氣體中，以便使鹵素源更均勻地分布在腔室里。軟清潔步驟的最佳持續(xù)時間隨不同的溝槽蝕刻工藝而改變。例如，對于產(chǎn)生更多的副產(chǎn)物的蝕刻工藝來說，軟清潔步驟通常需執(zhí)行更長時間。
下面的表5提供了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，用于軟清潔步驟的腔室壓力、偏壓功率、電源功率等等可接受的范圍。
工藝菜單
表5在一個實驗中，上面的工藝200是在由Applied Materials制造的DPS+腔室中進行的，該腔室是為8英寸的晶片裝備的，以檢查微負載效應(yīng)和蝕刻速率一致性。目標溝槽深度和輪廓分別是4000和85°。大約400片晶片用工藝200加工。圖4A-4D顯示了一個有典型溝槽輪廓晶片的SEM照片的概略圖。圖4A和4B分別顯示了在基片中部的致密區(qū)和絕緣區(qū)的溝槽截面圖的SEM照片的概略圖。在致密區(qū)的溝槽深度和輪廓分別是4160和85°，而絕緣區(qū)的溝槽和輪廓分別是4110和83°。蝕刻速率微負載和輪廓微負載分別造成50和2°的變化。另一方面，圖4C和4D分別顯示了在基片邊緣的致密區(qū)和絕緣區(qū)的溝槽截面的SEM照片的概略圖。致密區(qū)的溝槽深度和輪廓分別是4050和86°，而絕緣區(qū)的溝槽和輪廓分別是4010和84°?；吘壍奈g刻速率微負載效應(yīng)和輪廓微負載效應(yīng)分別造成40和2°的變化。相比較，傳統(tǒng)原位光刻方法產(chǎn)生的微負載效應(yīng)變化是8-10°，蝕刻速率微負載效應(yīng)變化大約是300或更多。
這里描述的氣體流速和RF功率水平是基于在Applied Materials制造的為8英寸晶片裝備的DPS+腔室中進行的蝕刻工藝。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到這些數(shù)值是部分腔室中的具體值，如果用的是其它的設(shè)計和/或體積的腔室，這些數(shù)值可以改變。
雖然前述的是針對本發(fā)明的某些優(yōu)選的實施方案，但在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可有其它的和進一步的實施方案。例如，可有這樣的替換，在溝槽蝕刻步驟之前采用軟清潔步驟。雖然上述的本發(fā)明的具體實施例是和淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的，本發(fā)明可被用在其它的硅蝕刻工藝中。這些替換和其它的替換及等價變化是包括在本發(fā)明范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種加工硅基片的方法，該硅基片被置于有電源系統(tǒng)和偏壓源系統(tǒng)的基片加工腔室內(nèi)，所述方法包括在所述基片加工腔室內(nèi)部提供所述基片，該基片上有硬掩膜且硬掩膜之上有成圖案的光刻膠層以暴露部分硬掩膜；蝕刻所述暴露的硬掩膜部分以暴露硬掩膜之下的部分硅基片；然后，暴露所述成圖案的光刻膠于由一第一工作氣體形成的第一等離子體中以從硬掩膜上除去光刻膠；然后，通過暴露所述基片于由第二工作氣體形成的第二等離子體中，通過由電源系統(tǒng)施加RF能量并施加偏壓使所述等離子體偏向所述基片，在該暴露的硅基片上蝕刻溝槽；以及把基片轉(zhuǎn)移出基片加工腔室。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個溝槽有特定的寬度，深度和斜度，該方法還包含不施加偏壓功率或施加最小偏壓功率，在基片加工腔室中，暴露所述硅基片于一第三等離子體中以除去加工腔室內(nèi)的副產(chǎn)物，該等離子體是由包含鹵素源的第三工作氣體形成，其中所述溝槽的寬度，深度和斜度沒有被由第三工作氣體產(chǎn)生的等離子體顯著改變。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述暴露硅基片于等離子體中的步驟在成圖案的光刻膠被除去之前執(zhí)行。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述暴露硅基片于等離子體中的步驟在基片被蝕刻之后執(zhí)行。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述暴露成圖案的光刻膠于等離子體中的步驟包括在暴露光刻膠于第一等離子體時保持加工腔室在一低壓下；以不大于500sccm的流速向加工腔室通入氧氣；向加工腔室施加一偏壓功率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中保持所述加工腔室的壓力不超過50毫托，氧氣通入加工腔室的流速不超過100sccm，施加的偏壓功率不超過0.16瓦特/cm2。
7.一種加工硅基片的方法，該硅基片放置在有電源系統(tǒng)和偏壓源系統(tǒng)的基片加工腔室內(nèi)，所述方法包括在該基片加工腔室內(nèi)部提供所述基片，該基片上有硬掩膜，并且在硬掩膜之上有成圖案的光刻膠層以暴露部分硬掩膜，其中所述光刻膠和硬掩膜分別有第一厚度和第二厚度，其中所述光刻膠的第一厚度大約不超過所述硬掩膜的第二厚度的兩倍；暴露所述成圖案的光刻膠和部分硬掩膜于加工腔室內(nèi)引燃的第一等離子體中以揭開硬掩膜并限定硬掩膜開口，其中部分成圖案的光刻膠被消耗；然后，暴露所述成圖案的光刻膠于所述加工腔室內(nèi)引燃的第二等離子體中以從硬掩膜上剝離余下的光刻膠，其中余下的光刻膠有一第三厚度；然后，通過暴露該基片于所述加工腔室內(nèi)引燃的第三等離子體中，通過從電源系統(tǒng)施加RF能量，并施加偏壓使所述等離子體偏向所述基片，在位于硬掩膜開口之下的硅基片上選擇的部分蝕刻特定深度的溝槽；以及把所述基片轉(zhuǎn)移出基片加工腔室。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個溝槽有特定的寬度，深度和斜度，該方法還包括不施加偏壓功率，或施加最小的偏壓功率，在基片加工腔室內(nèi)，暴露所述硅基片于由含鹵素源的工作氣體引燃的第四等離子體中以除去加工腔室內(nèi)的副產(chǎn)物，其中所述溝槽的寬度，深度和斜度未被由第三工作氣體引燃產(chǎn)生的等離子體顯著改變。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述光刻膠層的第一厚度大約不超過3000。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述硬掩膜的第二厚度不超過1500。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述光刻膠層的第一厚度不超過2000。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述光刻膠層的第三厚度不超過900。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中蝕刻的所述溝槽的深度大約為3000。
14.一種在硅基片上形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，該硅基片被置于有電源系統(tǒng)和偏壓源系統(tǒng)的基片加工腔室內(nèi)，該方法包括把所述基片轉(zhuǎn)移到所述基片加工腔室，該基片上有硬掩膜和硬掩膜上面的成圖案的光刻膠；蝕刻硬掩膜的選擇部分以暴露硬掩膜下面的部分硅基片；然后，通過暴露該光刻膠于所述加工腔室內(nèi)引燃的等離子體中除去光刻膠；然后，通過暴露所述基片于由第一蝕刻劑氣體形成的等離子體中，通過由電源系統(tǒng)施加RF能量，并施加偏壓使該等離子體偏向所述基片來蝕刻暴露的硅基片；在所述基片加工腔室內(nèi)引燃由包含一鹵素源的第二蝕刻劑氣體形成的等離子體，而不施加偏壓功率或施加的偏壓功率不超過0.16瓦特/cm2，以除去加工腔室內(nèi)的副產(chǎn)物；以及把所述基片轉(zhuǎn)移出基片加工腔室。
15.基片加工系統(tǒng)，包括一基片加工腔室；一被配置以向基片加工腔室輸送氣體的氣體分配系統(tǒng)；一被配置以使基片加工腔室內(nèi)的氣體形成等離子體的等離子體發(fā)生系統(tǒng)；一被配置以向基座施加一偏壓功率的偏壓功率發(fā)生系統(tǒng)；一被配置以把基片送入和送出基片加工腔室的基片傳送系統(tǒng)；一用來控制氣體分配系統(tǒng)，等離子體發(fā)生系統(tǒng)，偏壓功率發(fā)生系統(tǒng)和基片傳送系統(tǒng)的控制器；一連接到控制器上的存儲器，該存儲器包括計算機可讀介質(zhì)，該介質(zhì)中包含有計算機可讀程序以指示基片加工系統(tǒng)操作，計算機可讀程序包括(i)控制基片傳送系統(tǒng)傳送基片進入基片加工腔室的計算機指令，該基片上形成有硬掩膜和位于該硬掩膜之上以暴露部分硬掩膜的成圖案的光刻膠；(ii)控制等離子體發(fā)生系統(tǒng)以蝕刻硬掩膜的暴露部分從而暴露硬掩膜之下的基片的計算機指令；(iii)控制等離子體發(fā)生系統(tǒng)以暴露成圖案的光刻膠于由一第一工作氣體形成的第一等離子體中從而在步驟(ii)之后從硬掩膜上除去光刻膠的計算機指令；(iv)控制等離子體發(fā)生系統(tǒng)和偏壓功率發(fā)生系統(tǒng)從而在暴露的硅基片上蝕刻溝槽的計算機指令，該蝕刻是通過把基片暴露于由第二工作氣體形成的第二等離子體中，通過由電源系統(tǒng)施加RF能量并施加偏壓使等離子體偏向基片而進行的；和(v)控制基片傳送系統(tǒng)以把基片送出基片加工腔室的計算機指令。
全文摘要
一種加工被置于基片加工腔室內(nèi)的硅基片的方法，其包括把該基片送入加工腔室。該基片上有硬掩膜和位于硬掩膜之上，成圖案的光刻膠以暴露部分硬掩膜。該類型的腔室有電源系統(tǒng)和偏壓源系統(tǒng)。該方法還包含蝕刻硬掩膜的暴露部分以暴露硬掩膜下面的部分硅基片。然后，成圖案的光刻膠被暴露于由第一工作氣體形成的第一等離子體中以除去硬掩膜上的光刻膠。然后，暴露的硅基片通過暴露于由第二工作氣體形成的第二等離子體中，通過從電源系統(tǒng)施加RF能量并施加偏壓使該等離子體偏向基片而被蝕刻。基片被送出基片加工腔室。
文檔編號H01L21/308GK1455950SQ01815495
公開日2003年11月12日 申請日期2001年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月12日
發(fā)明者劉偉, S·威廉斯, S·然, D·梅 申請人:應(yīng)用材料有限公司