TWI749775B

TWI749775B - 氧化層去除方法及半導體加工設備

Info

Publication number: TWI749775B
Application number: TW109132471A
Authority: TW
Inventors: 王曉娟; 馬振國; 鄭波
Original assignee: 大陸商北京北方華創微電子裝備有限公司
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-12-11
Also published as: TW202113951A; CN110544629A; CN113972131A

Abstract

本發明實施例提供一種氧化層去除方法及半導體加工設備，該氧化層去除方法包括以下步驟：S1，對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層；S2，對具有指定氧化層的待加工層進行蝕刻；迴圈進行步驟S1和步驟S2，直至達到預設的總蝕刻厚度；其中，藉由調節步驟S1獲得的指定氧化層的厚度，使步驟S2中指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例。本發明實施例提供的氧化層去除方法及半導體加工設備的技術方案中，能夠使指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例，滿足製程對蝕刻選擇比的要求。

Description

氧化層去除方法及半導體加工設備

本發明涉及清洗技術領域，具體地，涉及一種氧化層去除方法及半導體加工設備。

隨著範本清洗和多重圖形曝光清洗的應用越來越多，清洗需求越來越多，對清洗的要求也越來越高，尤其是對熱生長的二氧化矽與各種膜層的蝕刻選擇比要求越來越嚴格。例如，在去除Si₃ N₄ 上的自然氧化層時，需要保證SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比為1:1。在進行高蝕刻量的氧化層回刻製程時，在保證SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比為1:1的同時，還需要蝕刻形貌滿足要求，即，減小碗型效應（footing）和差異效應（loading）。

現有的氧化層去除方法是直接蝕刻氧化層，反應氣體通常包括HF和NH₃ （催化劑），反應產生固態產生物為(NH₄ )₂ SiF₆ ，當該固態產生物的厚度達到一定程度後，蝕刻速率將達到飽和，此時需要進行高溫加熱處理，以使固態產生物能夠昇華分解。

上述去除方法的反應原理如下：

在實際應用中，上述氧化層去除方法在不可避免地存在以下問題：其一，對於低蝕刻量的自然氧化層的去除，SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比無法達到1:1。

其二，對於高蝕刻量的氧化層回刻製程，為了減小碗型效應和差異效應，就需要增加氧化層去除方法的迴圈次數，但是這會導致SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比遠遠大於1。

本發明實施例旨在至少解決先前技術中存在的技術問題之一，提出了一種氧化層去除方法及半導體加工設備，其能夠使指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例，滿足製程對蝕刻選擇比的要求。

為實現上述目的，本發明實施例提供了一種氧化層去除方法，包括以下步驟： S1，對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層； S2，對具有該指定氧化層的該待加工層進行蝕刻；迴圈進行該步驟S1和步驟S2，直至達到預設的總蝕刻厚度；其中，藉由調節該步驟S1獲得的該指定氧化層的厚度，使該步驟S2中該指定氧化層和該待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例。

可選的，該待加工層包括Si₃ N₄ ；該指定氧化層包括SiO₂ ；該預設比例為1:1。

可選的，藉由調節該步驟S1和步驟S2的迴圈次數，使獲得的蝕刻形貌滿足要求。

可選的，根據該迴圈次數和預設的該步驟S2的蝕刻厚度，設定該指定氧化層的厚度，並且在該步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值，且有蝕刻形貌要求的情況下，該指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-10nm。

可選的，根據該迴圈次數和該步驟S2的蝕刻厚度，設定該指定氧化層的厚度，並且在該步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值，且沒有蝕刻形貌要求的情況下，該指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-50nm。

可選的，針對自然氧化層的去除情況，該指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-3nm。

可選的，該步驟S1具體為，採用氧化氣體對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層；其中，該氧化氣體包括氧氣和水蒸氣中的至少一者。

可選的，該氧化氣體的流量的取值範圍在10sccm-2000sccm。

可選的，在每次完成該步驟S2之後，且在進行下一次該步驟S1之前，還包括以下步驟： S3，對該待加工層進行退火製程，以去除固態產物和吸附產物。

作為另一個技術方案，本發明實施例還提供一種半導體加工設備，用於進行本發明提供的上述氧化層去除方法，該半導體加工設備包括：至少一個製程腔室，用於對具有該指定氧化層的該待加工層進行蝕刻；氧化腔室，用於對該待加工層進行氧化。

可選的，該半導體加工設備還包括退火腔室，用於對該待加工層進行退火製程。

可選的，該製程腔室整合為兼具退火和蝕刻的雙功能腔室。

可選的，該雙功能腔室分別進行蝕刻步驟和退火步驟所採用的製程溫度相同；其中，該蝕刻步驟採用的製程氣體包括NH₃ 、HF和載氣；其中，該NH₃ 的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；該HF的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；該載氣的流量的取值範圍在10sccm-6000sccm。

可選的，該氧化腔室整合為兼具退火和氧化的雙功能腔室。

本發明實施例的有益效果：本發明實施例提供的氧化層去除方法及半導體加工設備的技術方案中，藉由在蝕刻氧化層的步驟之前增加一道氧化步驟，即，對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層，可以藉由調節該指定氧化層的厚度，使後續的蝕刻步驟中指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例，從而滿足製程對蝕刻選擇比的要求。

為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明實施例提供的氧化層去除方法及半導體加工設備進行詳細描述。第一實施例

請參閱圖1，本實施例提供的氧化層去除方法，包括以下步驟： S1，對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層； S2，對具有上述指定氧化層的待加工層進行蝕刻。

迴圈進行上述步驟S1和步驟S2，直至達到預設的總蝕刻厚度；其中，藉由調節步驟S1獲得的指定氧化層的厚度，使步驟S2中指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例。在實際應用中，可以藉由調節反應溫度及/或氧化時間來調節指定氧化層的厚度。

本實施例提供的氧化層去除方法，其在蝕刻步驟S2之前增加了一步氧化步驟S1，藉由調節該指定氧化層的厚度，可以使後續的步驟S2中指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例，從而滿足製程對蝕刻選擇比的要求。

所謂指定氧化層，是指在待加工層的原有的待去除氧化層上額外形成的氧化層，用以調節後續蝕刻步驟的蝕刻選擇比。

本實施例提供的氧化層去除方法可應用於去除Si₃ N₄ 在經過FCVD（Flowable CVD，流體化學氣相沉積）製程或者熱氧化之後，形成的氧化層。具體地，待加工層為Si₃ N₄ ，指定氧化層為SiO₂ ，通常要求SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比為1:1。在這種情況下，藉由步驟S1，可以在Si₃ N₄ 的待去除氧化層上額外形成一層SiO₂ 層，藉由調節該SiO₂ 層的厚度，可以調節步驟S2中SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比，使該比例達到1:1，從而可以達到製程對蝕刻選擇比的要求。

在一些實施例中，對於高蝕刻厚度的氧化層回刻製程，其單次進行步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值（例如100-1000埃），而且該製程對蝕刻形貌也有要求，具體要求但不限於減小碗型效應（footing）和差異效應（loading），在這種情況下，可以藉由調節步驟S1和步驟S2的迴圈次數，來調節每次進行步驟S1時待加工層的被氧化厚度，即，指定氧化層的厚度，以達到同時滿足蝕刻選擇比和蝕刻形貌的要求的目的。

現有的氧化層去除方法是直接蝕刻氧化層（以下稱為步驟1），當該固態產生物的厚度達到一定程度後，蝕刻速率將達到飽和，此時需要進行高溫加熱處理（以下稱為步驟2），以使固態產生物能夠昇華分解。

表1，步驟1和步驟2的迴圈次數為1次，SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻厚度和蝕刻選擇比。

SiO₂ 的蝕刻厚度（埃）	Si₃ N₄ 的蝕刻厚度（埃）	SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比
53.07	10.33	5.14
97.07	27.69	3.51
143.82	65.00	2.21
178.37	121.40	1.47
288.15	302.05	0.95
373.06	485.82	0.77

由上述表1可知，以待加工層為Si₃ N₄ ，指定氧化層為SiO₂ 為例，採用現有的氧化層去除方法直接進行氧化層的蝕刻的情況下，若步驟1和步驟2的迴圈次數為1次，SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比較低，具體地，SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比在0.7-5.2的範圍內，且隨著SiO₂ 的蝕刻厚度的累積，該蝕刻選擇比越來越低，當SiO₂ 的蝕刻厚度累積達到288.15埃時，SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比達到0.95，近似為1，此時雖然可以滿足製程對蝕刻選擇比能夠達到1:1的要求，但是藉由實驗發現，當步驟1和步驟2的迴圈次數為1次時，獲得的蝕刻形貌具有嚴重的碗型效應（footing）和差異效應（loading），因此無法適用於對蝕刻形貌有要求的情況。

表2，步驟1和步驟2的迴圈次數為多次，SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻厚度和蝕刻選擇比。

SiO₂ 的蝕刻厚度（埃）	Si₃ N₄ 的蝕刻厚度（埃）	SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比
53.07	10.33	5.14
113.19	10.22	11.08
230.85	11.96	19.31
351.54	14.94	23.53
470.19	15.54	30.26
594.95	16.09	36.97

由上述表2和圖3可知，採用現有的氧化層去除方法直接進行氧化層的蝕刻的情況下，若步驟1和步驟2的迴圈次數為多次，可以使SiO₂ 的蝕刻厚度呈線性增加，而Si₃ N₄ 的蝕刻厚度基本沒有增加，這雖然可以減小碗型效應和差異效應，但是SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比卻大大增大，遠遠大於1，使得SiO₂ 和Si₃ N₄ 的蝕刻選擇比無法達到1:1的要求。

為瞭解決上述問題，本實施例提供的氧化層去除方法，在蝕刻步驟S2之前增加了一步氧化步驟S1，可以在待加工層上額外形成氧化層，並且藉由調節氧化步驟S1和蝕刻步驟S2的迴圈次數，可以調節每次進行步驟S1時待加工層的被氧化厚度，即，指定氧化層的厚度，從而不僅可以使蝕刻選擇比能夠達到1:1，同時還可以減小碗型效應（footing）和差異效應（loading）。

在一些實施例中，對於高蝕刻量的氧化層回刻製程，其單次進行步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值（例如100-1000埃），而且該製程對蝕刻形貌也有要求，具體要求但不限於減小碗型效應（footing）和差異效應（loading），在這種情況下，可以根據迴圈次數（在滿足蝕刻形貌要求的前提下而設定）和預設的步驟S2的蝕刻厚度，設定指定氧化層的厚度，具體地，指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-10nm。在該厚度範圍內，很容易同時滿足蝕刻選擇比和蝕刻形貌的要求。

在一些實施例中，對於高蝕刻量（即，單次進行步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值），且沒有蝕刻形貌要求的製程，可以根據迴圈次數（可以是滿足具體需要的任意數值）和預設的步驟S2的蝕刻厚度，設定指定氧化層的厚度，具體地，指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-50nm。

在一些實施例中，針對蝕刻量較低的自然氧化層的去除情況，由於蝕刻厚度較小，且無需考慮蝕刻形貌的問題，在這種情況下，只需滿足蝕刻選擇比的要求即可，具體地，指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-3nm。

在一些實施例中，步驟S1具體為，採用氧化氣體對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層；其中，上述氧化氣體包括氧氣和水蒸氣中的至少一者。

在一些實施例中，上述氧化氣體的流量的取值範圍在100sccm-2000sccm。

在一些實施例中，在步驟S1中，藉由載氣將氧化氣體引入氧化腔室中，當然，在實際應用中，也可以藉由流量控制器（MFC）將氧化氣體採用自蒸發的方式引入氧化腔室中。其中，載氣可以為PN₂ 、氬氣和氮氣中的至少一者。載氣的流量的取值範圍在10sccm-6000sccm。步驟S1採用的腔室壓力的取值範圍在10mTorr-20Torr；步驟S1採用的製程溫度的取值範圍在100℃-1200℃。

在一些實施例中，在步驟S2中，製程氣體包括NH₃ 、HF和載氣；其中，NH₃ 的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；HF的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；載氣的流量的取值範圍在10sccm-6000sccm。步驟S2採用的腔室壓力的取值範圍在10mTorr-20Torr；步驟S2採用的製程溫度的取值範圍在25℃-200℃。第二實施例

請參閱圖2，本實施例提供的氧化層去除方法包括以下步驟： S1，對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層； S2，對具有上述指定氧化層的待加工層進行蝕刻； S3，對待加工層進行退火製程，以去除固態產物和吸附產物； S4，判斷是否達到總蝕刻厚度，若是，則結束流程；若否，則返回步驟S1。

藉由在每次步驟S2完成之後，進行一次步驟S3，即退火製程，可以去除待加工層上的固態產物和吸附產物，從而可以進一步提升清洗效果。第三實施例

請參閱圖4，本實施例提供的半導體加工設備，其用於進行本發明上述各個實施例提供的氧化層去除方法。該半導體加工設備包括至少一個製程腔室1、氧化腔室2和退火腔室3，其中，製程腔室1用於對具有指定氧化層的待加工層進行蝕刻。圖4示出了四個製程腔室1，藉由設置複數製程腔室1，可以同時進行複數蝕刻步驟，從而可以提高產能。氧化腔室2用於對待加工層進行氧化。退火腔室用於對待加工層進行退火製程。

本實施例提供的半導體加工設備，其藉由增設氧化腔室2，可以在利用製程腔室1進行蝕刻氧化層的步驟之前增加一道氧化步驟，可以藉由調節該指定氧化層的厚度，使後續的蝕刻步驟中指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例，從而滿足製程對蝕刻選擇比的要求。

在一些實施例中，在實際應用中，可以使退火腔室3與製程腔室1整合為兼具退火和蝕刻的雙功能腔室。在這種情況下，可以使雙功能腔室分別進行蝕刻步驟和退火步驟所採用的製程溫度不同，即，先採用較低的溫度進行蝕刻步驟S2，然後採用較高的溫度進行退火步驟S3。或者，還可以使雙功能腔室分別進行蝕刻步驟和退火步驟所採用的製程溫度相同，此時需要適當增大蝕刻步驟S3採用的製程氣體的流量。具體地，蝕刻步驟S3採用的製程氣體包括NH₃ 、HF和載氣；其中，NH₃ 的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；HF的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；載氣的流量的取值範圍在10sccm-6000sccm。當然，退火腔室3與製程腔室1也可以單獨配置。

在一些實施例中，退火腔室3與氧化腔室2整合為兼具退火和氧化的雙功能腔室。當然，退火腔室3與氧化腔室2也可以單獨配置。

綜上所述，本發明上述各個實施例提供的氧化層去除方法及半導體加工設備的技術方案中，藉由在蝕刻氧化層的步驟之前增加一道氧化步驟，即，對待加工層進行氧化，以形成指定氧化層，可以藉由調節該指定氧化層的厚度，使後續的蝕刻步驟中指定氧化層和待加工層的蝕刻選擇比達到預設比例，從而滿足製程對蝕刻選擇比的要求。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。

1:製程腔室 2:氧化腔室 3:退火腔室 S1、S2、S3、S4:步驟

圖1為本發明第一實施例提供的氧化層去除方法的流程框圖；圖2為本發明第二實施例提供的氧化層去除方法的流程框圖；圖3為不同氧化層的迴圈次數和蝕刻厚度的曲線圖；圖4為本發明第三實施例提供的半導體加工設備的結構圖。

S1、S2:步驟

Claims

一種氧化層去除方法，包括以下步驟： S1，對一待加工層進行氧化，以形成一指定氧化層； S2，對具有該指定氧化層的該待加工層進行蝕刻；迴圈進行該步驟S1和步驟S2，直至達到預設的總蝕刻厚度；其中，藉由調節該步驟S1獲得的該指定氧化層的厚度，使該步驟S2中該指定氧化層和該待加工層的蝕刻選擇比達到一預設比例。
如請求項1所述的氧化層去除方法，其中，該待加工層包括Si₃ N₄ ；該指定氧化層包括SiO₂ ；該預設比例為1:1。
如請求項1或請求項2所述的氧化層去除方法，其中，藉由調節該步驟S1和步驟S2的一迴圈次數，使獲得的蝕刻形貌滿足要求。
如請求項3所述的氧化層去除方法，其中，根據該迴圈次數和預設的該步驟S2的蝕刻厚度，設定該指定氧化層的厚度，並且在該步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值，且有蝕刻形貌要求的情況下，該指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-10nm。
如請求項1或請求項2所述的氧化層去除方法，其中，根據該迴圈次數和該步驟S2的蝕刻厚度，設定該指定氧化層的厚度，並且在該步驟S2的蝕刻厚度高於預設臨界值，且沒有蝕刻形貌要求的情況下，該指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-50nm。
如請求項5所述的氧化層去除方法，其中，針對自然氧化層的去除情況，該指定氧化層的厚度的取值範圍在1nm-3nm。
如請求項1或請求項2所述的氧化層去除方法，其中，該步驟S1具體為，採用一氧化氣體對待加工層進行氧化，以形成一指定氧化層；其中，該氧化氣體包括氧氣和水蒸氣中的至少一者。
如請求項7所述的氧化層去除方法，其中，該氧化氣體的流量的取值範圍在10sccm-2000sccm。
如請求項1或請求項2所述的氧化層去除方法，其中，在每次完成該步驟S2之後，且在進行下一次該步驟S1之前，還包括以下步驟： S3，對該待加工層進行退火製程，以去除固態產物和吸附產物。
一種半導體加工設備，其中，用於進行請求項1至請求項9中任一項所述的氧化層去除方法，該半導體加工設備包括：至少一個製程腔室，用於對具有該指定氧化層的該待加工層進行蝕刻；一氧化腔室，用於對該待加工層進行氧化。
如請求項10所述的半導體加工設備，其中，該半導體加工設備還包括一退火腔室，用於對該待加工層進行退火製程。
如請求項10所述的半導體加工設備，其中，該製程腔室整合為兼具退火和蝕刻的一雙功能腔室。
如請求項12所述的半導體加工設備，其中，該雙功能腔室分別進行一蝕刻步驟和一退火步驟所採用的製程溫度相同；其中，該蝕刻步驟採用的製程氣體包括NH₃ 、HF和載氣；其中，該NH₃ 的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；該HF的流量的取值範圍在100sccm-600sccm；該載氣的流量的取值範圍在10sccm-6000sccm。
如請求項10所述的半導體加工設備，其中，該氧化腔室整合為兼具退火和氧化的一雙功能腔室。