[发明专利]刻蚀工艺条件的检验及优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种刻蚀工艺条件的检验及优化方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的迅速发展，芯片的集成度越来越高，元器件的尺寸越来越小，因器件的高密度、小尺寸引发的各种效应对半导体工艺制作结果的影响日益突出，对工艺的要求也更为严格。此时，在先工艺的偏差对在后工艺的影响也更为严重。

以刻蚀工艺为例，当在其前面进行的材料层沉积工艺出现不一致时，如，可能在批与批之间，同一批的不同衬底之间，甚至发生在同一衬底的不同位置之间，所沉积的材料层的厚度都可能会不相同，此时，其刻蚀后的刻蚀图形也很可能出现不一致的问题：材料层较薄处，出现过刻蚀现象；材料层较厚处，出现刻蚀未到位现象。

除在先工艺带来的刻蚀结果不一致的问题外，刻蚀工艺本身也可能存在不一致的问题。如，在同一刻蚀腔室的不同位置进行刻蚀，其刻蚀速率可能会有些差别；再如，当衬底上所要刻蚀的各图形的大小、形状及分布密度存在较大差异时，也会出现刻蚀速率不相同的情况，而这些可能会导致在刻蚀后，部分刻蚀图形已经过刻蚀，而部分图形的刻蚀还未到位。在实际生产中，上述刻蚀结果的不一致会导致器件性能漂移，甚至失效。

为了避免刻蚀结果的不一致，现有技术中通常会在材料层下沉积一层停止层，其刻蚀速率小于材料层的刻蚀速率，可以增大刻蚀工艺的工艺窗口：在一定范围内，只要增加刻蚀时间令原来刻蚀不足的刻蚀图形刻蚀到位，而其余过刻蚀的刻蚀图形都停止于停止层处即可。图1为采用现有刻蚀方法刻蚀后正常的器件剖面图，如图1所示，在衬底101上先沉积一层停止层102，然后再在其上沉积材料层103，该停止层102与材料层103的刻蚀速率差较大。这样，在对材料层进行刻蚀时，对于尺寸相同但材料层103厚度不同的刻蚀图形104和105，当材料层较厚的刻蚀图形105刻蚀到位时，材料层较薄的刻蚀图形104会向下多刻蚀一部分，但由于材料层103下的刻蚀速率明显较低的停止层102的存在，其刻蚀会停止于停止层内，而不会损伤到下面的衬底101；同理，对于材料层103厚度差不多，但刻蚀图形尺寸相差较远，导致刻蚀速率不同的刻蚀图形104和106，由于该材料层103下停止层102的存在，同样可以实现当刻蚀速率较慢的小尺寸图形106刻蚀到位时，大的、刻蚀速率较快的刻蚀图形104能够停止于停止层102内，不会因过刻蚀而损坏其下的衬底101。

有关利用刻蚀停止层对结构进行保护的信息，在2006年5月3日公开的公开号为CN1767171A的中国专利申请中还可以找到更多。

但是，该增加停止层的方法中，所增加的停止层的厚度是有限的，一则是因为若其太厚会增加去除的困难，二则是因为若其太厚，对其进行去除时同样可能会出现腐蚀速率差，也就仍会出现刻蚀结果不一致的现象。因此，该方法只能适用于一定的范围，当刻蚀速率差或介质厚度相差较远时，其仍不能避免出现过刻蚀或刻蚀未到位的现象。图2为采用现有的刻蚀方法刻蚀后出现异常的器件剖面图，如图2所示，当大的、材料层较厚的刻蚀图形202刻蚀至停止层时，同样大小的、材料层较薄的刻蚀图形201已发生过刻蚀，损伤到了位于停止层102下的衬底101，而此时，刻蚀速率低的、小的刻蚀图形203还未刻蚀到位。可见当刻蚀图形的刻蚀速率相差较远(或材料层厚度相差较远)时，即使停止层102可以在一定程度上缓解这一材料层厚度或刻蚀速率偏差所引起的刻蚀结果的不一致，但若刻蚀工艺条件选择不合适(包括停止层厚度选择不合适)，仍可能出现过刻蚀或刻蚀未到位的现象。

因此，为了获得刻蚀结果的高一致性，还需要对刻蚀工艺条件进行调整，使其刻蚀工艺其具有较大的工艺窗口，这样，在材料层厚度或刻蚀速率出现不一致时，才能得到均匀性、一致性较好的刻蚀结果。

现有的刻蚀工艺条件的试验是先沉积较厚的待刻蚀材料，然后，利用台阶仪等测量仪器测量其刻蚀的深度，接着，再根据该刻蚀深度来调整刻蚀工艺条件以确保刻蚀工艺条件能满足刻蚀深度的要求。但是该方法存在以下问题：

1、随着器件尺寸的逐渐缩小，当进行纵宽比较大的刻蚀图形的刻蚀速率试验时，已难以通过台阶仪等仪器较为准确地测得其实际的刻蚀深度；

2、对于刻蚀工艺，采用的停止层的厚度是否合适是一个关键问题，其的设置实际也应属于刻蚀工艺条件中可调整的一部分，而现有的刻蚀工艺试验未能将停止层厚度的设置与刻蚀工艺的其他条件结合考虑，对刻蚀工艺条件的优化不全面。

发明内容