沟槽刻蚀方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种沟槽刻蚀方法。

背景技术：

在沟槽型功率半导体的制备工艺中，沟槽刻蚀对于功率半导体器件的性能及可靠性具有重要影响。例如，在绝缘栅双极型晶体管(igbt)器件中，沟槽顶部的非圆滑区域可能成为易发生击穿的区域，导致器件因击穿而失效。此外，非圆滑区域造成的应力还可能导致出现晶格缺陷，进而影响器件性能和可靠性。

目前，在现有的沟槽刻蚀工艺中，一般采用等离子干法刻蚀，以光刻胶层或介质层作为刻蚀掩膜，对硅衬底进行各向异性的刻蚀，以形成高深宽比的沟槽结构。以上刻蚀过程将不可避免地在刻蚀掩膜下方的沟槽顶部区域形成非圆滑区域，进而影响功率器件的电性性能。而在现有的一些沟槽顶部圆滑化工艺中，都无法很好地解决沟槽顶部特征尺寸的均匀性问题，进而使得刻蚀后的沟槽深度的面内均匀性不佳。这将导致功率半导体器件的性能和可靠性下降，乃至影响产品良率。

因此，有必要提出一种新的沟槽刻蚀方法，解决上述问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种沟槽刻蚀方法，用于解决现有技术中沟槽刻蚀后沟槽顶部出现非圆滑区域的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种沟槽刻蚀方法，包括如下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上形成具有开口图形的刻蚀掩膜层；

在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成空隙槽；

以所述刻蚀掩膜层作为刻蚀掩膜，对所述衬底进行干法刻蚀，并形成沟槽。

作为本发明的一种优选方案，在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成空隙槽的过程包括：

以所述刻蚀掩膜层作为刻蚀掩膜，对所述衬底进行各向同性刻蚀，并形成浅凹槽；所述浅凹槽的宽度大于所述开口图形的宽度，所述浅凹槽位于所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间的部分形成所述空隙槽。

作为本发明的一种优选方案，所述衬底包括硅衬底。

作为本发明的一种优选方案，对所述衬底进行各向同性刻蚀的方法包括湿法刻蚀。

作为本发明的一种优选方案，对所述衬底进行湿法刻蚀的方法包括采用氨水、氟化铵、氢氧化钾或氢氧化钠中的一种或多种混合的溶液作为刻蚀药液进行湿法刻蚀。

作为本发明的一种优选方案，所述刻蚀掩膜层由多层介质层自下而上叠置构成；在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成空隙槽的过程包括：

对所述开口图形两侧的所述多层介质层中最下层的所述介质层进行各向同性刻蚀，并在所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成所述空隙槽。

作为本发明的一种优选方案，所述刻蚀掩膜层包括自下而上依次叠置的二氧化硅层和氮化硅层。

作为本发明的一种优选方案，对所述二氧化硅层进行各向同性刻蚀的方法包括湿法刻蚀。

作为本发明的一种优选方案，对所述二氧化硅层进行各向同性刻蚀的方法包括采用氢氟酸溶液作为刻蚀药液进行湿法刻蚀。

作为本发明的一种优选方案，形成所述刻蚀掩膜层的过程包括如下步骤：

在所述衬底上沉积刻蚀掩膜材料层；

在所述刻蚀掩膜材料层上形成图形化的光刻胶层；

以所述光刻胶层作为刻蚀掩膜，对所述刻蚀掩膜材料层进行刻蚀，并形成图形化的刻蚀掩膜层；

去除所述光刻胶层。

作为本发明的一种优选方案，对所述衬底进行干法刻蚀时所采用的工艺气体包括氯气。

作为本发明的一种优选方案，所述沟槽的深度范围介于2微米至50微米之间。

如上所述，本发明提供了一种沟槽刻蚀方法，通过引入各向同性刻蚀形成的空隙槽，得到具有圆滑顶部的沟槽结构，且沟槽结构的宽度尺寸及深度等参数也得到精确控制，从而改善了器件的击穿特性，提升了产品良率。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的一种沟槽刻蚀方法的流程图。

图2显示为本发明实施例一中提供的衬底、刻蚀掩膜材料层和光刻胶层的截面示意图。

图3显示为本发明实施例一中在衬底上形成刻蚀掩膜层后的截面示意图。

图4显示为本发明实施例一中对衬底进行各向同性刻蚀并形成浅凹槽后的截面示意图。

图5显示为本发明实施例一中对衬底进行干法刻蚀并形成沟槽后的截面示意图。

图6显示为本发明实施例二中提供的衬底、刻蚀掩膜材料层和光刻胶层的截面示意图。

图7显示为本发明实施例二中在衬底上形成刻蚀掩膜层后的截面示意图。

图8显示为本发明实施例二中对刻蚀掩膜层进行各向同性刻蚀并形成空隙槽后的截面示意图。

图9显示为本发明实施例二中对衬底进行干法刻蚀并形成沟槽后的截面示意图。

元件标号说明

101衬底

102刻蚀掩膜层

102a刻蚀掩膜材料层

102b二氧化硅层

102c氮化硅层

103光刻胶层

104空隙槽

104a浅凹槽

105沟槽

105a沟槽顶部区域

201衬底

202刻蚀掩膜层

202a刻蚀掩膜材料层

202b二氧化硅层

202c氮化硅层

203光刻胶层

204空隙槽

205沟槽

205a沟槽顶部区域

s1～s4步骤1)～4)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图5，本发明提供了一种沟槽刻蚀方法，包括如下步骤：

1)提供一衬底101；

2)在所述衬底101上形成具有开口图形的刻蚀掩膜层102；

3)在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层102与所述衬底101之间形成空隙槽104；

4)以所述刻蚀掩膜层102作为刻蚀掩膜，对所述衬底101进行干法刻蚀，并形成沟槽105。

在步骤1)中，请参阅图1的s1步骤及图2，提供一衬底101。具体地，所述衬底101包括硅衬底。在本发明的其他实施方案中，所述衬底101还可以是锗硅衬底或碳化硅衬底等其他可能的半导体衬底。所述衬底101通过沟槽刻蚀以形成沟槽结构，并最终形成沟槽型的功率半导体器件。

在步骤2)中，请参阅图1的s2步骤及图2至图3，在所述衬底101上形成具有开口图形的刻蚀掩膜层102。在图3中，图形化的所述刻蚀掩膜层102具有开口图形，所述开口图形暴露出下层的所述衬底101。以所述刻蚀掩膜层102作为刻蚀掩膜，对所述开口图形暴露出的所述衬底101进行刻蚀，就可以形成沟槽结构。

作为示例，如图2至图3所示，形成所述刻蚀掩膜层102的过程包括如下步骤：

在所述衬底101上沉积刻蚀掩膜材料层102a；

在所述刻蚀掩膜材料层102a上形成图形化的光刻胶层103；

以所述光刻胶层103作为刻蚀掩膜，对所述刻蚀掩膜材料层102a进行刻蚀，并形成图形化的刻蚀掩膜层102；

去除所述光刻胶层103。

作为示例，在图3中，所述刻蚀掩膜层102包括二氧化硅层或氮化硅层中的一种或多种构成的复合层。具体地，所述刻蚀掩膜层102包括自下而上依次叠置的二氧化硅层102b和氮化硅层102c。所述氮化硅层102c的厚度范围介于200～500埃米，可以通过化学气相沉积(cvd)生长得到。本发明采用氮化硅层作为沟槽刻蚀的掩膜层，对于cl2等特定刻蚀气体刻蚀硅衬底具有较高的刻蚀选择比，这将有助于精确控制沟槽的线宽尺寸，也能进而控制沟槽深度的面内均匀性。所述二氧化硅层102b作为衬垫层，能够减少氮化硅与硅衬底直接接触所产生的应力，从而改善氮化硅层与硅衬底的结合性能。所述氮化硅层102c可以通过化学气相沉积或炉管生长得到。而在本发明的其他实施方案中，所述刻蚀掩膜层102还可以采用多层所述二氧化硅层及所述氮化硅层，例如呈三层叠加的ono结构。

在图2中，以所述光刻胶层103作为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀对所述刻蚀掩膜材料层102a进行刻蚀。可选地，对于以所述二氧化硅层102b和所述氮化硅层102c叠置构成的所述刻蚀掩膜材料层102a，可以采用cf4或chf3等cf系气体作为刻蚀工艺气体，对二氧化硅和氮化硅进行刻蚀，并在刻蚀后去除所述光刻胶层103。如图3所示，最终得到图形化的所述刻蚀掩膜层102，所述刻蚀掩膜层102由所述二氧化硅层102b和所述氮化硅层102c上下叠置构成。

在步骤3)中，请参阅图1的s3步骤及图4，在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层102与所述衬底101之间形成空隙槽104。在本实施例中，为了消除沟槽结构顶部的非圆滑区域，引入了宽度大于所述刻蚀掩膜层102的开口图形宽度的所述浅凹槽104a，通过所述浅凹槽104a在所述刻蚀掩膜层102下方形成所述空隙槽104a，可以在后续形成沟槽结构的干法刻蚀过程中，通过刻蚀的削角作用，消除顶部区域的尖锐顶角，从而获得具有圆滑顶部的沟槽结构。

作为示例，如图4所示，对所述衬底101进行各向同性刻蚀的方法包括湿法刻蚀，可选地，采用氨水(nh4oh溶液)、氟化铵(nh4f)、氢氧化钾(koh)或氢氧化钠(naoh)中的一种或多种混合的溶液作为刻蚀药液进行湿法刻蚀。在本实施例中，采用氨水作为刻蚀药液，其中含有的nh4oh能够腐蚀硅衬底表面的si，并形成所述浅凹槽104a。此外，由于该湿法刻蚀过程具有各向同性，以所述刻蚀掩膜层102作为刻蚀掩膜进行湿法刻蚀时，在所述刻蚀掩膜层102下方会形成侧向钻蚀，最终所形成的所述浅凹槽104a的宽度大于所述刻蚀掩膜层102的开口图形的宽度。可选地，nh4oh溶液的浓度范围介于31％～51％之间，刻蚀工艺时间范围介于10～50s。在本发明的其他实施方案中，各向同性刻蚀的方法还包括采用其他可以刻蚀硅材料的碱性刻蚀药液进行各向同性的湿法刻蚀；也可以采用不施加偏置功率(biaspower)的各向同性的等离子干法刻蚀形成所述浅凹槽104a。以上例举的仅是针对所述衬底101为硅衬底的情况，当所述衬底101为其他材料时，也可以对应地选择其他适合的各向同性的刻蚀方法。

在步骤4)中，请参阅图1的s4步骤及图5，以所述刻蚀掩膜层102作为刻蚀掩膜，对所述衬底101进行干法刻蚀，并形成沟槽105。

由于在步骤3)中形成了所述浅凹槽104a，且所述浅凹槽104a的宽度大于所述刻蚀掩膜层102的开口图形宽度，即在所述刻蚀掩膜层102下方也存在由侧向钻蚀形成的沟槽掏空部分。在本步骤中，在对所述浅凹槽104a继续进行干法刻蚀并形成沟槽105时，在沟槽顶部区域105a处也会由于刻蚀作用而形成圆滑区域。可选地，刻蚀后所形成的所述沟槽105的深度范围介于2微米至50微米之间。

作为示例，对所述浅凹槽104a进行的干法刻蚀所采用的工艺气体包括氯气。对于等离子干法刻蚀而言，从刻蚀过程的机理上可以分为等离子体轰击目标材料造成的物理性过程以及等离子体与目标材料发生化学反应造成的化学性过程。物理性过程是干法刻蚀各向异性的来源，而化学性过程则能确保较高的刻蚀速率，也给予了刻蚀过程一定的侧向刻蚀能力。平衡物理性过程和化学性过程也是干法刻蚀工艺调试的重要方向。在本实施例中，在采用氯气等离子体干法刻蚀硅衬底时，一方面，以所述刻蚀掩膜层102作为刻蚀掩膜，通过刻蚀形成所述沟槽105；另一方面，部分等离子体还会进入所述刻蚀掩膜层102下方的空隙槽104，进而对所述沟槽顶部区域105a进行刻蚀，使得所述沟槽顶部区域105a处形成圆滑的表面。除了氯气外，还可以采用含溴或氟的工艺气体进行刻蚀。需要指出的是，本实施例以氯气作为刻蚀工艺气体，相比其他气体，在刻蚀硅衬底时的化学性过程更为显著，更易在所述沟槽顶部区域105a处形成圆滑的表面。此外，即使本发明在所述沟槽顶部区域105a处没有形成理想的圆滑表面，但相比没有引入所述空隙槽104的现有沟槽结构，本实施例的沟槽顶部也以两个钝角形貌取代了现有沟槽结构顶部的直角形貌，这也已大幅减少了器件击穿失效的风险。

本实施例将沟槽刻蚀分为形成所述浅凹槽104a的各向同性刻蚀以及形成所述沟槽105的干法刻蚀。在形成所述浅凹槽104a的各向同性刻蚀过程中，通过侧向钻蚀暴露出所述沟槽顶部区域105a，以确保所述沟槽顶部区域105a在后续沟槽刻蚀过程中形成圆滑的表面；而在形成所述沟槽105的干法刻蚀过程中，由于所述刻蚀掩膜层102具有较高的刻蚀选择比，其边界及尺寸可以精确控制，这就使得由本实施例所得的沟槽结构不但具有圆滑的沟槽顶部区域，且沟槽结构的宽度尺寸及深度等参数也是能够严格控制的，这对于确保沟槽结构在晶圆面内的均匀性具有重要意义，进而提升了器件性能的均一性及产品良率。

实施例二

请参阅图6至图9，本实施例提供了一种沟槽刻蚀方法，与实施例一相比，本实施例的区别在于，在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成空隙槽的过程包括：

对所述开口图形两侧的所述多层介质层中最下层的所述介质层进行各向同性刻蚀，并在所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成所述空隙槽。

在本实施例中，所述刻蚀掩膜层由多层介质层自下而上叠置构成。具体地，是由二氧化硅层和氮化硅层自下而上依次叠置构成。

与实施例一相同，如图6至图7所示，在本实施例中，形成所述刻蚀掩膜层202的过程包括如下步骤：

在所述衬底201上沉积刻蚀掩膜材料层202a；

在所述刻蚀掩膜材料层202a上形成图形化的光刻胶层203；

以所述光刻胶层203作为刻蚀掩膜，对所述刻蚀掩膜材料层202a进行刻蚀，并形成图形化的刻蚀掩膜层202；

去除所述光刻胶层203。

如图6所示，所述刻蚀掩膜层202a包括自下而上依次叠置的二氧化硅层202b和氮化硅层202c。以所述光刻胶层203作为刻蚀掩膜，通过干法刻蚀工艺对所述刻蚀掩膜材料层202a进行刻蚀。如图7所示，去除所述光刻胶层203后，最终得到图形化的所述刻蚀掩膜层202，所述刻蚀掩膜层202由所述二氧化硅层202b和所述氮化硅层202c上下叠置构成。

本实施例与实施例一的区别在于，所述空隙槽204并非形成于所述衬底201中，而是形成于所述刻蚀掩膜层202中。

如图8所示，对所述开口图形两侧的所述多层介质层中最下层的所述介质层进行各向同性刻蚀，并在所述刻蚀掩膜层202与所述衬底201之间形成所述空隙槽204。具体地，本实施例中，所述刻蚀掩膜层202由所述二氧化硅层202b和所述氮化硅层202c上下叠置构成，通过对所述二氧化硅层202b进行各向同性刻蚀，形成所述空隙槽204。对所述二氧化硅层202b进行各向同性刻蚀的方法包括采用氢氟酸(hf)溶液作为刻蚀药液进行湿法刻蚀。氢氟酸溶液对于二氧化硅材料具有较高的刻蚀速率，同时，对于硅衬底及氮化硅材料具有较高的刻蚀选择比。这就确保了湿法刻蚀过程在刻蚀二氧化硅材料的同时，几乎不会刻蚀硅材料及氮化硅材料，从而在所述硅衬底201和所述氮化硅层202c之间形成所述空隙槽204。此外，除了氢氟酸溶液外，还可以采用其他可以刻蚀二氧化硅材料的湿法刻蚀药液。

如图9所示，以所述刻蚀掩膜层202作为刻蚀掩膜，对所述衬底201进行干法刻蚀，并形成沟槽205。本实施例中对于所述衬底201进行的干法刻蚀工艺过程与实施例一相同，也由于所述空隙槽204的存在，在对所述衬底201进行干法刻蚀并形成所述沟槽205时，在沟槽顶部区域205a处也会由于刻蚀作用而形成圆滑区域。

相比实施例一，本实施例中的所述空隙槽204形成于所述刻蚀掩膜层202中，而非所述衬底201中。因此，本实施例中所采用的沟槽刻蚀方法对于衬底的影响将大幅减少。而所述刻蚀掩膜层202原本就非器件组成部分，可以在刻蚀完成后去除。将所述空隙槽204设置于所述刻蚀掩膜层202中，可以排除引入所述空隙槽204对于半导体器件的影响。

本实施例所提供沟槽刻蚀方法的其他步骤与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例三

本实施例提供了一种沟槽刻蚀方法，与实施例一相比，本实施例的区别在于，采用各向异性的干法刻蚀形成所述沟槽时，还对所述干法刻蚀的参数分阶段进行调节。

例如，与实施例一相比，本实施例在刻蚀形成所述沟槽的过程中，可以将干法刻蚀过程分为两阶段。在第一阶段中，按照正常的沟槽刻蚀工艺调节干法刻蚀参数，以形成制程所需的所述沟槽；在第二阶段中，刻蚀过程主要对所述沟槽顶部区域进行圆滑化处理，以期使所述沟槽顶部区域的表面更为圆滑。例如，在第二阶段，可以减少刻蚀的偏置功率并适度增加刻蚀气体流量或腔室压力，促进所述沟槽顶部区域的刻蚀，使得该区域表面的圆滑程度进一步提升。相比实施例一，本实施例的干法刻蚀工艺在沟槽刻蚀的主体过程后额外增加了圆滑化处理过程，既不影响形成沟槽的主体刻蚀过程，也进一步增加了所述沟槽顶部区域的圆滑化程度。

本实施例所提供沟槽刻蚀方法的其他步骤与实施例一相同，此处不再赘述。

综上所述，本发明提供了一种沟槽刻蚀方法，包括如下步骤：提供一衬底；在所述衬底上形成具有开口图形的刻蚀掩膜层；在所述开口图形两侧的所述刻蚀掩膜层与所述衬底之间形成空隙槽；以所述刻蚀掩膜层作为刻蚀掩膜，对所述衬底进行干法刻蚀，并形成沟槽。本发明通过引入各向同性刻蚀形成的空隙槽，得到具有圆滑顶部的沟槽结构，且沟槽结构的宽度尺寸及深度等参数也得到精确控制，从而改善了器件的击穿特性，提升了产品良率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。