[发明专利]一种基于终点检测的SOI衬底刻蚀方法

说明书

【技术领域】

本发明是关于半导体制程领域，特别是关于一种进行浅沟槽基于终点检测的SOI衬底刻蚀方法。

【背景技术】

半导体晶圆制备工艺中，浅槽隔离(STI)的刻蚀通常是通过设定刻蚀时间(By Time)来控制单晶硅的刻蚀深度。这一方法对于传统体硅衬底的刻蚀，是较为成熟且唯一的方式。

现有的SOI衬底STI的刻蚀方式是By Time，即根据Top Silicon厚度及刻蚀速率计算出刻蚀时间，将该时间设定为主刻蚀时间，在一定的过刻蚀(OE)去除可能的Si残留后完成STI刻蚀过程。但该方法提出两个苛刻的要求：准确的SOI厚度和稳定的刻蚀速率；这对SOI衬底供应商和刻蚀设备都是较大的挑战。若刻蚀速率稳定，但不同批次不同片号的SOI厚度不一致，相同的刻蚀时间可能会导致Si侧向过刻蚀或Si残留；若SOI厚度一致，但由于不同产品Clear Ratio不同或设备腔体环境不同引起的刻蚀速率差异，也会导致Si侧向过刻蚀或Si残留。

其中过刻蚀是SOI衬底STI刻蚀过程中，在刻蚀时间未到设定值但刻蚀气体接触到BOX时，刻蚀过程不会停止，此时由于气体刻蚀Si的速率相对于SiO₂选择比较高，会向STI底部两侧横向刻蚀，导致STI底部Si凹陷，后续HDP填充后在该凹陷处会形成空洞。同时，过量的刻蚀会将STI顶部圆滑的界面再次变得尖锐，导致该拐角处栅氧厚度不均匀，器件输入曲线出现hump现象。此外，过量的刻蚀损伤STI侧壁，对器件的可靠性及漏电特性有潜在的风险。

其中Si残留是SOI衬底STI刻蚀过程中，在刻蚀时间已到设定值但顶层硅未被完全刻蚀时，刻蚀过程自动停止，此时STI底部会有Si残留导致器件隔离不完全。针对Si残留的问题，目前的解决方案是每批产品STI刻蚀前分出一片作为先行批pi-run，根据深度测量值的可信指数(GOI)判断，但该方法对于较密(Dense)区域仍无法可靠监控。此外，这一方式量产不可行且效率低下，成本叠加。对于可能存在的Si过刻蚀损伤风险，目前尚无有效监控手段。

因此，对于绝缘层上硅(SOI)衬底，由于掩埋氧化硅（BOX）的存在，常规的By time方式由于存在可能的刻蚀速率变化或顶层硅厚度变化等引起的侧向过刻蚀风险，将不再适用，需要寻求一种新的监控方式来控制刻蚀深度。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于终点检测的SOI衬底刻蚀方法。

为达成前述目的，本发明一种基于终点检测的SOI衬底刻蚀方法，其包括：

采用刻蚀气体对SOI衬底的顶层硅进行刻蚀；

在刻蚀过程中，通过刻蚀腔体内的分光光度计检测对应于反应产物的光发射谱的强度来判断反应产物的浓度；

当顶层硅被刻蚀完毕刻蚀气体接触到下层掩埋氧化层时，反应产物的浓度会迅速降低，当所判断的反应产物的浓度降低到设定值时自动停止刻蚀过程；

选用混合气体对SOI衬底进行过刻蚀，保证浅槽隔离底部无硅残留并对底部拐角处进行平滑处理。

根据本发明的一个实施例，对顶层硅进行刻蚀采用的气体为氯气，所述反应产物为四氯化硅。

根据本发明的一个实施例，对顶层硅进行刻蚀采用的气体为氟基、溴基及其混合气体。

根据本发明的一个实施例，在对顶层硅进行刻蚀时刻蚀气体中包含氧气。

根据本发明的一个实施例，所述过刻蚀采用的混合气体为碳氟化合物的混合气体。

根据本发明的一个实施例，所述过刻蚀采用的混合气体的混合比例为体积比CF₄：CHF₃=3：1。

根据本发明的一个实施例，所述采用混合气体进行过刻蚀的时间为15s。

本发明的方法当刻蚀气体接触到下层掩埋氧化层时，主刻蚀过程及时停止，避免了对SOI的侧向过刻蚀。因为是直到刻蚀到下层掩埋氧化层才停止主刻蚀，所以对于不同顶层硅厚度的SOI衬底，只需一个刻蚀菜单就可以保证浅槽隔离底部没有硅残留。

【附图说明】

图1是绝缘层上硅的结构示意图；

图2是本发明的方法的刻蚀方法的流程图。

【具体实施方式】

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。