單晶硅蝕刻方法及所獲得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和一種單晶硅蝕刻方法。所述方法包括提供其中具有至少一個(gè)溝槽的單晶硅襯底。將所述襯底暴露至緩沖氟化物蝕刻溶液，所述溶液底切硅以在沿<100>方向圖案化時(shí)提供橫向承架。當(dāng)沿<100>方向圖案化時(shí)，所獲得的結(jié)構(gòu)包括底切特征?？墒褂帽景l(fā)明來制作先前認(rèn)為過于昂貴、復(fù)雜及/或良率不佳的裝置。
【專利說明】單晶硅蝕刻方法及所獲得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2007年5月31日，申請(qǐng)?zhí)枮?00780020525.X、發(fā)明名稱為“適用于在硅(SI)中產(chǎn)生方形切口的濕式蝕刻及所獲得的結(jié)構(gòu)”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體來說涉及使用濕式蝕刻劑來底切單晶硅的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及用于在單晶硅中產(chǎn)生方形底切的方法及所獲得的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平:半導(dǎo)體組件的更高效能、更低成本、更加小型化及集成電路的更大封裝密度正成為計(jì)算機(jī)行業(yè)的當(dāng)前目標(biāo)。一種降低半導(dǎo)體組件總成本的方法是降低此組件的制造成本。降低制造成本可通過加快生產(chǎn)速度以及減少制作半導(dǎo)體組件的材料用量來實(shí)現(xiàn)。近年來，半導(dǎo)體行業(yè)已將其重點(diǎn)大力擴(kuò)展到開發(fā)及生產(chǎn)光電組件，例如電荷耦合裝置(CXD)及最近的CMOS成像儀。如同其它半導(dǎo)體組件一樣，存在一種旨在以不斷降低的成本獲得更高效能參數(shù)及更大良率的持續(xù)努力。
[0004]微機(jī)電系統(tǒng)("MEMS")是另一種在諸多行業(yè)(包括電子行業(yè))中受到廣泛關(guān)注的技術(shù)。MEMS使用微制作技術(shù)將超小型電組件及機(jī)械組件整合于同一襯底(例如，娃襯底)上以形成極小的設(shè)備。電組件可使用集成電路制作("IC")工藝來制作，而機(jī)械組件可使用與集成電路制作工藝相容的微機(jī)加工工藝來制作。在很多情況下，多種方法的此種組合使得使用常規(guī)制造工藝在芯片上制作完整超小型系統(tǒng)成為可能。然而，現(xiàn)有制作技術(shù)中仍存在諸多缺點(diǎn)，從而限制了可制作的MEMS組件及總成的類型及尺寸。
[0005]當(dāng)前對(duì)(100)硅實(shí)施用于DRAM、微處理器等的常規(guī)IC處理。氫氧化鉀及TMAH可用于通過下述方式在(110)硅中產(chǎn)生垂直蝕刻:使用(110)襯底晶片或使襯底晶片的表面再結(jié)晶以具有(110)晶體定向。然而，所獲得的結(jié)構(gòu)并非始終是合意的且可能將增加成本的額外處理步驟及程序引入至制作過程及產(chǎn)生低效能裝置。
[0006]各種常規(guī)化學(xué)品已用來蝕刻硅。例如，單晶硅及多晶硅二者通常在硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)的混合物中進(jìn)行濕式蝕刻。在使用此等蝕刻劑的情況下，蝕刻通常為各向同性。所述反應(yīng)由HNO3引發(fā)，從而在硅上形成二氧化硅層，而HF用于將氧化硅溶解掉。在某些情形中，使用水來稀釋蝕刻劑，其中乙酸(CH3COOH)是一種優(yōu)選緩沖劑。
[0007]在某些應(yīng)用中，沿一個(gè)或多個(gè)晶面的硅蝕刻相對(duì)于其它晶面而言更快是有用的。例如，在硅的菱形晶格中，(111)平面通常比(100)平面更密實(shí)，且因此(111)定向表面的蝕刻速率預(yù)期低于具有(100)定向的那些表面。不同平面的鍵合定向還會(huì)造成蝕刻劑對(duì)暴露平面的選擇性。一種展示此等定向相依性蝕刻特性的蝕刻劑由KOH與異丙醇的混合物組成。例如，此種混合物沿(100)平面比沿(111)平面的蝕刻可快約一百(100)倍。
[0008]可使用氫氧化物蝕刻劑及TMAH在(100)硅中產(chǎn)生垂直底切。圖1及2顯示借助不同的蝕刻劑溶液以標(biāo)準(zhǔn)硅定向(圖1A及圖2A)及45°旋轉(zhuǎn)方向(圖1B及圖2B) 二者實(shí)施的硅蝕刻。在標(biāo)準(zhǔn)定向中，掩模沿〈110〉方向?qū)?zhǔn)。{111}平面界定自(100)表面平面傾斜的側(cè)壁。對(duì)于45°旋轉(zhuǎn)，掩模沿〈100〉方向?qū)?zhǔn)。在圖1中，蝕刻劑是在26°C下施用的稀釋NH4OH,而在圖2中，蝕刻劑是在26°C下施用的稀釋TMAH。盡管兩種蝕刻劑顯示不同的選擇性，但二者皆可底切硅10并產(chǎn)生斜切邊緣或切角12。斜切邊緣對(duì)于某些應(yīng)用來說并非是合意的且可能會(huì)限制組件在集成電路上的間隔。
[0009]因此，合意的情形是在(100)硅中產(chǎn)生無(wú)斜切邊緣或切角的方形底切及/或可操縱底切的形狀。此外，合意的情形是使用濕蝕刻化學(xué)品在(100)硅中產(chǎn)生橫向承架。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]如本文中
【發(fā)明者】所認(rèn)識(shí)到，業(yè)內(nèi)需要使用濕式蝕刻化學(xué)品來底切(100)硅。當(dāng)初始圖案沿〈100〉方向定向時(shí)，可使用緩沖氟化物蝕刻溶液在(100)硅中產(chǎn)生方形拐角及橫向承架，而不會(huì)產(chǎn)生用氫氧化物蝕刻時(shí)產(chǎn)生的典型斜切?？墒褂帽景l(fā)明的濕式蝕刻化學(xué)品來制作先前認(rèn)為過于昂貴、復(fù)雜及/或良率不佳的裝置。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步包括采用蝕刻劑溶液以操縱在單晶硅下面的溝槽的空腔形狀的方法。蝕刻化學(xué)品對(duì)晶體定向具有高選擇性，當(dāng)使用(100)晶面定向及沿〈100〉方向圖案化時(shí)，可達(dá)成不含斜切拐角且包括橫向承架的空腔形狀。本發(fā)明進(jìn)一步包括一種蝕刻(100)晶體硅平面比(110)及(111)硅平面慢2-3倍的方法。在低溫下的稀釋蝕刻劑中，(100)硅的蝕刻速率可約為5-10,000 人/min且優(yōu)選為10-500 人/min。所述方法可包括將硅暴露至本發(fā)明的緩沖氟化物蝕刻溶液。所述方法可進(jìn)一步包括比(100)硅蝕刻慢的同步氧化物及/或氮化物蝕刻。
[0012]在本發(fā)明進(jìn)一步包括，通過下述步驟在單晶硅中產(chǎn)生方形底切:提供其中包括至少一個(gè)溝槽的單晶硅；沿〈100〉方向圖案化單晶硅及將單晶硅暴露至包括氟化物組份、氧化劑及無(wú)機(jī)酸的溶液。
[0013]在本發(fā)明進(jìn)一步包括，通過將單晶硅暴露至各向異性蝕刻劑且隨后至緩沖氟化物蝕刻溶液而產(chǎn)生橫向承架。或者，可通過將單晶硅暴露至第一各向同性蝕刻劑以產(chǎn)生溝槽來產(chǎn)生橫向承架?？墒┯酶飨虍愋晕g刻劑來底切硅并可施用緩沖氟化物蝕刻溶液以使底切空腔的拐角成方形。應(yīng)了解，在不具有第一各向異性蝕刻劑的情形下，可在溝槽中使用緩沖氟化物蝕刻溶液，其可在不同的暴露平面中以不同的速率蝕刻硅。
[0014]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可包括具有方形底切特征的單晶硅。所述底切特征包括平滑表面。
[0015]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可包括具有橫向承架的單晶硅。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下圖繪示了當(dāng)前被視為實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，圖式中:
[0017]圖1A是沿〈110〉方向遮掩并借助在26°C施用的NH4OH底切的單晶硅的剖視圖。圖1B顯示沿〈100〉方向遮掩并借助在26°C施用的NH4OH底切的單晶硅。
[0018]圖2A是沿〈110〉方向遮掩并借助在26°C施用的稀釋TMAH底切的單晶硅的剖視圖。圖2B顯示沿〈100〉方向遮掩并借助在26°C施用的稀釋TMAH底切的單晶硅。
[0019]圖3A是沿〈110〉方向遮掩并借助在23°C施用的本發(fā)明緩沖氟化物蝕刻溶液底切的單晶硅的剖視圖。圖3B顯示沿〈100〉方向遮掩并借助在23°C施用的本發(fā)明緩沖氟化物蝕刻溶液底切的單晶硅。
[0020]圖4-11顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例處于制作過程各階段的單晶硅晶片。圖4A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖4B是沿圖4A中的線-4B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。
[0021]圖5A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖5B是沿圖5A中的線-5B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。
[0022]圖6A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖6B是沿圖6A中的線-6B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。
[0023]圖7A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖7B是沿圖7A中的線-7B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。
[0024]圖8A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖8B是沿圖8A中的線-8B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。
[0025]圖9A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖9B是沿圖9A中的線-9B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。
[0026]圖1OA是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖1OB是沿圖1OA中的線-10B-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。圖1OC是沿圖1OA中的線-10C-截取的圖1OA單晶硅晶片的剖視圖。
[0027]圖1lA是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的單晶硅晶片的平面圖。圖1lB是沿圖1lA中的線-1lB-截取的同一單晶硅晶片的剖視圖。圖1lC是沿圖1lA中的線-1lC-截取的圖1lA單晶硅晶片的剖視圖。圖1lD是沿圖1lA中的線-1lD-截取的圖1lA單晶硅晶片的剖視圖。
[0028]圖12A-E顯示使用本發(fā)明的緩沖氟化物蝕刻溶液對(duì)單晶硅的逐步底切蝕刻。(100)硅上的溝槽沿〈100〉方向。
[0029]圖13A-D顯示在暴露至NH4OH后使用本發(fā)明的緩沖氟化物蝕刻溶液對(duì)單晶硅的逐步底切蝕刻。(100)硅上的溝槽沿〈100〉方向。
[0030]圖14A-B顯示集成PSOI DRAM存取結(jié)構(gòu)的穿透式電子顯微照片(TEM)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下文將參照附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，所述附圖形成本發(fā)明的一部分且其中以圖解方式示出了可實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施例。在附圖中，類似的編號(hào)代表各視圖中大致相似的組件。所述實(shí)施例的說明極其詳細(xì)，以使熟悉此項(xiàng)技術(shù)者能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。熟悉此項(xiàng)技術(shù)者也可利用其它實(shí)施例并可在不背離本發(fā)明范疇的前提下對(duì)本發(fā)明作出結(jié)構(gòu)、邏輯及電方面的改動(dòng)。
[0032]下文說明中所使用的術(shù)語(yǔ)"晶片"及"襯底"包括任何具有用以形成本發(fā)明集成電路(IC)結(jié)構(gòu)的暴露表面的結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)襯底應(yīng)理解為包括半導(dǎo)體晶片。術(shù)語(yǔ)襯底還用于指代處理期間的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并可包括已制作于其上的其它層。晶片及襯底二者包括經(jīng)摻雜及未摻雜的半導(dǎo)體、由基底半導(dǎo)體或絕緣體支撐的磊晶半導(dǎo)體層、以及為熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員已知的其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)"導(dǎo)體"應(yīng)理解為包括半導(dǎo)體，且術(shù)語(yǔ)"絕緣體"定義為包括導(dǎo)電性低于稱作導(dǎo)體的材料的任何材料。因此，下文的詳細(xì)說明不應(yīng)視為具有限定性意義，且本發(fā)明的范疇僅由隨附權(quán)利要求書及歸屬于所述權(quán)利要求書的等效內(nèi)容的全部范疇界定。
[0033]本申請(qǐng)案中所使用的措詞"水平"定義為一平面平行于晶片或襯底的常規(guī)平面或表面，而無(wú)論所述晶片或襯底的定向如何。措詞"垂直"指垂直于以上所定義的水平方向的方向。諸如“在...上(on)”、“側(cè)(side)”(如在“側(cè)壁(sidewall)”中)、“更高(higher) ”、“更低(lower) ”、“在...上面(over) ”及“在...下面(under) ”等介詞皆相對(duì)于位于晶片或基板頂表面上的常規(guī)平面或表面而定義，而無(wú)論該晶片或基板的定向如何。
[0034]如本文中
【發(fā)明者】所認(rèn)識(shí)到，業(yè)內(nèi)需要使用濕式蝕刻化學(xué)品來底切(100)硅。當(dāng)初始圖案沿〈100〉方向定向時(shí)，可使用緩沖氟化物蝕刻溶液在(100)硅中產(chǎn)生方形拐角及橫向承架，而不會(huì)產(chǎn)生用氫氧化物蝕刻時(shí)產(chǎn)生的典型斜切?？墒褂帽景l(fā)明的濕式蝕刻化學(xué)品來制作先前認(rèn)為過于昂貴、復(fù)雜及/或良率不佳的裝置。
[0035]本發(fā)明的一實(shí)施例進(jìn)一步包括采用蝕刻劑溶液以操縱在單晶硅下面的溝槽的空腔形狀的方法。蝕刻化學(xué)品對(duì)晶體定向具有高選擇性，當(dāng)使用(100)晶面定向及沿〈100〉方向圖案化時(shí)，可達(dá)成不含斜切拐角且包括橫向承架的空腔形狀。
[0036]本發(fā)明的一實(shí)施例包括一種蝕刻(100)晶體硅平面比(110)及(111)硅平面慢2-3倍的方法。在低溫下的稀釋蝕刻劑中，(100)硅的蝕刻速率可約為5-丨0,000人/min且優(yōu)選為10-500人/min。所述方法可包括將硅暴露至本發(fā)明的緩沖氟化物蝕刻溶液。所述方法可進(jìn)一步包括比(100)硅蝕刻慢的同步氧化物及/或氮化物蝕刻。
[0037]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，可通過下述步驟在單晶硅中產(chǎn)生方形底切:提供其中包括至少一個(gè)溝槽的單晶硅；沿〈100〉方向圖案化單晶硅及將單晶硅暴露至包括氟化物組份、氧化劑及無(wú)機(jī)酸的溶液。
[0038]在本發(fā)明的一實(shí)施例中，可通過將單晶硅暴露至各向異性蝕刻劑且隨后至緩沖氟化物蝕刻溶液而產(chǎn)生橫向承架?；蛘?，可通過將單晶硅暴露至第一各向同性蝕刻劑以產(chǎn)生溝槽來產(chǎn)生橫向承架?？墒┯酶飨虍愋晕g刻劑來底切硅并可施用緩沖氟化物蝕刻溶液以使底切空腔的拐角成方形。應(yīng)了解，在不具有第一各向異性蝕刻劑的情形下，可在溝槽中使用緩沖氟化物蝕刻溶液，其可在不同的暴露平面中以不同的速率蝕刻硅。
[0039]本發(fā)明的一實(shí)施例所包括的半導(dǎo)體裝置包括具有方形底切特征的單晶硅。所述底切特征包括平滑表面。本發(fā)明的一實(shí)施例所包括的半導(dǎo)體裝置包括具有橫向承架的單晶硅。
[0040]下文將大體闡述用于使硅氧化并蝕刻二氧化硅以形成所期望本發(fā)明結(jié)構(gòu)的蝕刻組合物。根據(jù)下文所提供的說明，熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員將易于明了本文中所述的緩沖氟化物蝕刻組合物可用于各種應(yīng)用中。換言之，可在實(shí)施硅蝕刻且其中需要方形底切或橫向承架時(shí)使用所述緩沖氟化物蝕刻組合物。例如，可使用本發(fā)明來形成用于制作集成電路的隔離結(jié)構(gòu)。此外，例如，本發(fā)明可有益于制作晶體管結(jié)構(gòu)，例如假絕緣體上硅裝置(包括DRAM、SRAM、閃存、成像儀、PCRAM、MRAM、CAM等)、FinFet (鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、環(huán)繞柵極晶體管、以及微機(jī)電系統(tǒng)("MEMS")及光電組件。
[0041 ] 在一實(shí)施例中，用于底切單晶硅以形成橫向承架的緩沖氟化物蝕刻組合物通常包括氟化物組份、無(wú)機(jī)酸及氧化劑。氟化物組份可為(但不限于)HF、HF2-、NH4F、或四甲基氟化銨(TMAF)。氟化銨可由氫氧化銨與HF的混合物形成。氟化物組份或溶液應(yīng)能使得當(dāng)蝕刻組合物與硅反應(yīng)形成二氧化硅時(shí)，氟化物組份或溶液溶解掉由此形成的二氧化硅。氟化物組份可以0.5-50重量％的量存在。
[0042]緩沖氟化物蝕刻組合物的氧化劑可為任何氧化劑，例如(諸如)過氧化氫或臭氧。一種當(dāng)前優(yōu)選的氧化劑是過氧化氫。
[0043]無(wú)機(jī)酸組份可包括至少一種選自氫氟酸(HF)、磷酸(Η3Ρ04)、硫酸(H2S04)、硝酸(HNO3)、鹽酸(HCl)、碳酸(H2CO3)的酸，或任何其它合適的無(wú)機(jī)酸。當(dāng)前優(yōu)選的無(wú)機(jī)酸為H3PO4或&0)3。市售無(wú)機(jī)酸通常呈濃溶液(X)形式，隨后可將其稀釋至期望的濃度(H2O: X)。例如，市售濃酸可呈以下形式:HC1以37重量％存于去離子水中；HN03以70重量％存于去離子水中；H2S04W96重量％存于去離子水中；且H3PO4W 85重量％存于去離子水中。本文所述蝕刻組合物的濃度根據(jù)市售溶液而給出。例如，如果蝕刻組合物具有30%HCl濃度，則所述溶液包括30重量％的市售HCl溶液。過氧化氫(H2O2)也作為存于去離子水中的約29重量％濃溶液形式市售。此外，氟化銨也作為存于去離子水中的約40重量％濃溶液形式市售。此外，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所述溶液的多種組份可由市售溶液提供。例如，可從Olin微電子材料公司(Olin Microelectronics Materials (Newalk, Conn.))購(gòu)得的 QEII 提供NH4F(?39.4w%)及無(wú)機(jī)酸(即H3PO4?0.6w% ) 二者，所述無(wú)機(jī)酸可用于調(diào)節(jié)溶液的pH。
[0044]其它適合的實(shí)例性蝕刻劑揭示于美國(guó)專利第7，166, 539號(hào)及美國(guó)專利第6，391，793號(hào)中。緩沖氟化物蝕刻劑溶液優(yōu)選具有介于約5.0至約9.0范圍內(nèi)的pH。更佳地，緩沖氟化物蝕刻組合物具有約7.8的pH。優(yōu)選地，緩沖氟化物蝕刻組合物包括:氟化物組份，其占緩沖氟化物蝕刻組合物的約0.5重量％至約50重量氧化劑，其占緩沖氟化物蝕刻組合物的約0.5重量％至約30重量％;及無(wú)機(jī)酸，其占約0.1-2重量％。例如，緩沖氟化物蝕刻組合物優(yōu)選可包括體積比約為4: 2: 3的NH4F: QEII: H202。
[0045]此外，優(yōu)選地，緩沖氟化物蝕刻組合物的離子強(qiáng)度大于I ;更優(yōu)選地，所述離子強(qiáng)度介于約5至約20的范圍內(nèi)。如本文中所使用，離子強(qiáng)度指組合物中離子間平均靜電相互作用的量度，其等于通過將每一離子的重量摩爾濃度乘以其化合價(jià)所獲得各項(xiàng)的和的一半。再進(jìn)一步，優(yōu)選地，蝕刻組合物的氧化還原電位介于約-0.5至約+0.7或更高的范圍內(nèi)(與標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)相比)。如本文中所使用，氧化還原電位是蝕刻組合物作為氧化劑的有效性的量度，即，蝕刻組合物使硅氧化以供蝕刻組合物的HF組份移除的能力。
[0046]緩沖氟化物蝕刻溶液的上述范圍特別適用于使用氟化銨及過氧化氫，但似乎同樣適用于具有上述組份的其它組合的緩沖氟化物蝕刻組合物，例如當(dāng)氟化銨由氫氧化銨及氫氟酸提供時(shí)。換言之，可混合適合量的氫氧化銨與氫氟酸以提供充足量的氟化銨。當(dāng)將臭氧用作氧化劑時(shí)，臭氧優(yōu)選以約百萬(wàn)分之一(PPm)至約50ppm的范圍存在。
[0047]緩沖氟化物蝕刻溶液可呈現(xiàn)較暴露至同一蝕刻組合物的氧化物的蝕刻速率大3倍的硅蝕刻速率，即，硅與氧化物之間的選擇性大于3。更優(yōu)選地，與〈100〉硅蝕刻速率相比，使用所述蝕刻組合物時(shí)，硅與氧化物之間的選擇性大于6。
[0048]此外，為了達(dá)成所期望的晶片通量，使用蝕刻組合物的硅蝕刻速率優(yōu)選大于約5人/min。更優(yōu)選地，硅蝕刻速率大于18 A/min。甚至更優(yōu)選地,硅蝕刻速率大于每分鐘30-50 A。
[0049]優(yōu)選地，所述蝕刻組合物應(yīng)能使得在使用所述蝕刻組合物移除硅之后，硅表面具有適于供隨后處理的合意表面粗糙度。優(yōu)選地，硅表面在蝕刻后的粗糙度介于約1.25A RMS至約1.30 A RMS的范圍內(nèi)。在移除多于180 A的硅后，硅表面可合意地位于此一
粗糙度范圍內(nèi)。通常，粗糙度可由例如原子力顯微鏡檢查法(AFM)來確定，通過原子力顯微鏡檢查法掃描約I μ m2的表面積并給出跨越此I μ m2表面積的平均峰谷測(cè)量值rms。
[0050]優(yōu)選地，上述對(duì)氧化物的高選擇性是對(duì)熱氧化物的高選擇性。例如，此熱氧化物可通過熱氧化(例如使用濕或干爐氧化)來形成。然而，此選擇性也可適用于通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的氧化物，例如通常用于隔離過程(例如，淺溝槽隔離)中的高密度等離子體氧化物。
[0051]一般而言,可使用任何已知方法將硅暴露至緩沖氟化物蝕刻溶液。例如,可將硅浸入緩沖氟化物蝕刻溶液罐中。亦可將溶液噴灑于欲蝕刻的晶片上或可以任何其它方式(例如滴注、噴灑、氣化等)引入溶液以與晶片接觸。蝕刻過程可在介于約10°c至約90°C范圍內(nèi)的溫度下實(shí)施。優(yōu)選地，蝕刻過程發(fā)生在介于21°C至約30°C之間且更佳地介于約22°C與25 °C之間的溫度下。
[0052]如本文先前所述，圖1及2顯示當(dāng)使用NH4OH或TMAH來底切硅時(shí)，實(shí)質(zhì)上未形成橫向承架。當(dāng)以45°旋轉(zhuǎn)(即，沿〈100〉方向圖案化)實(shí)施時(shí)，底切結(jié)構(gòu)的拐角具有切角12(圖1B及圖2B)。所獲得的這些結(jié)構(gòu)對(duì)于許多制造過程而言是不期望的。參見圖3，根據(jù)本發(fā)明，使用26°C下的緩沖氟化物蝕刻溶液(10升NH4F+5升QEII+7.5升H2O2)在(100)硅中以標(biāo)準(zhǔn)硅定向(即，沿〈110〉方向圖案化)及45°旋轉(zhuǎn)來實(shí)施硅10底切。圖3中所用緩沖氟化物蝕刻溶液表明(100)硅平面是慢蝕刻平面，當(dāng)圖案沿〈100〉方向?qū)?zhǔn)時(shí)，此可允許產(chǎn)生方形底切。在典型的基于 氫氧化物的蝕刻中，(111)平面是慢蝕刻平面；因此，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)濕式蝕刻包括(100)硅中的慢平面蝕刻。
[0053]緩沖氟化物蝕刻溶液可對(duì)(100)硅提供極有用的選擇性、平滑表面及可控制蝕亥|J。參見圖3B，橫向承架14及不含斜切拐角使得在其上容易形成電裝置，例如，制造于
(100)硅上的標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶片中的FinFElMg SOI或RAD缽。使用緩沖氟化物蝕刻溶液還可產(chǎn)生不包括橫向間隔物的方形凹角，此對(duì)于薄片硅指狀件(其具有與未受到材料蝕刻的毗鄰材料迥然不同的特性)中的電子特性是合意的。圖3B中所繪示的方形凹角也可用于在制作MEMS時(shí)分別改變裝置機(jī)械及光學(xué)特性。(100)硅中的凹角還允許CMOS裝置中的簡(jiǎn)單整合并使MEMS機(jī)械及光學(xué)結(jié)構(gòu)更容易地與CMOS處理整合在一起。
[0054]緩沖氟化物蝕刻溶液的蝕刻速率及選擇性取決于兩種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制-硅的氧化及氧化物的蝕刻速率。此可繪示于以下簡(jiǎn)化反應(yīng)中:
[0055]Si+2H202 = H2Si03+H20 = Si02+2H20 (I)
[0056]半電池還原/氧化反應(yīng):
[0057]
H2O2 +2 H+ + 2e 一 2 H2O= +1.77 V(2)
[0058]
Sis + 2 OH- 一 = Si(OH) 2 + 26-(3)
[0059]
H2SiO3 +6 HF η H2SiF6 + 3 H2O(4)[0060](100)硅晶體定向與熱氧化物之間的典型選擇性約為6。(110)方向蝕刻比(100)硅蝕刻約高2.5倍。
[0061]雖然緩沖氟化物蝕刻溶液可用于各種應(yīng)用中，但圖4-11繪示根據(jù)本發(fā)明一方法用于產(chǎn)生假SOI結(jié)構(gòu)的部分過程。在圖4-11的每一者中，A部分顯示所述結(jié)構(gòu)的平面圖而B部分顯示沿-B-截取的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖4A及B繪示單晶硅襯底100。氮化硅襯層112形成于所述襯底上。在氮化硅襯層112上形成此項(xiàng)技術(shù)中已知的掩模層128(例如，光致抗蝕劑)。掩模層128可經(jīng)圖案化以形成至少一個(gè)溝槽掩模開口 132。本發(fā)明也涵蓋常規(guī)光刻法或其它光刻或非光刻方法，無(wú)論是否存在掩模層128。
[0062]參見圖5A及5B，氮化硅襯層112及單晶硅襯底100經(jīng)蝕刻穿過掩模開口 132以在單晶硅襯底100中形成至少一個(gè)溝槽116。該蝕刻可利用包括例如氨及至少一種碳氟化合物的干式各向異性化學(xué)品(其可包括或不包括等離子體)來實(shí)施。在蝕刻至單晶硅襯底100中時(shí)，掩模層128可保留或被移除。雖然已揭示了一種形成溝槽116的具體方法，但熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員應(yīng)了解，可利用任何方法形成溝槽116。
[0063]參見圖6A及6B，氮化物層可沉積于氮化硅襯層112及溝槽116上，隨后進(jìn)行蝕刻以從溝槽116的底部126移除氮化物，但在溝槽116的側(cè)壁130上產(chǎn)生氮化物間隔物118。Si3N4襯層可通過常規(guī)技術(shù)形成。
[0064]然后，可施加本發(fā)明的緩沖氟化物蝕刻溶液來底切單晶硅襯底10。優(yōu)選地，所述緩沖氟化物蝕刻溶液可在約23°C下施加約5分鐘，此取決于橫向承架114的期望尺寸。如圖7A及7B中所示，所述緩沖氟化物蝕刻溶液沿平行于單晶硅襯底100的方向的蝕刻快于穿過溝槽116的底部126的垂直蝕刻。如圖7B中所示，可形成具有約450 A至550 A厚度的橫向承架114。
[0065]若需要，如圖8A及B中所示，可在溝槽116的底部126及側(cè)壁130上沉積氮化物襯層120并隨后以氧化物材料122(例如，旋涂電介質(zhì)(SOD))來填充溝槽116。
[0066]在氮化硅襯層112及氧化物材料122上沉積掩模124并實(shí)施圖案化?？扇鐖D9A、B及10A、B、C中所示來實(shí)施對(duì)氧化物具有一定選擇性的常規(guī)硅蝕刻。
[0067]如圖11A、B、C及D中所示，可沉積可選氮化物襯層136及實(shí)施SOD充填。在圖11中所繪示的SOD充填后，結(jié)構(gòu)150可經(jīng)受進(jìn)一步處理以在其上形成(例如)晶體管、電容器及數(shù)字線來完成假SOI結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)150包括具有約500 A (+/-10% )的厚度的橫向承架114。
[0068]包括任何晶體管(例如，陣列晶體管或存取晶體管)、疊加結(jié)構(gòu)150的所獲得結(jié)構(gòu)因硅下面存在氧化物材料122而具有明顯降低的泄漏(參見例如圖11B)。應(yīng)了解，結(jié)構(gòu)150并不局限于作為中間假SOI結(jié)構(gòu)?？山Y(jié)合本發(fā)明實(shí)施任何數(shù)量的額外制作步驟以形成任何合意的裝置。
[0069]圖12A-E繪示使用NH4F、QEII及H2O2的溶液(以4: 2: 3的比率提供)的硅氧化及蝕刻。將襯底浸入23°C下的NH4F、QEII及H2O2的滯流浴中。圖12A繪示在添加本發(fā)明的緩沖氟化物蝕刻溶液前單晶硅300中具有氮化物襯層320的溝槽310。所述單晶硅的頂表面312代表(100)平面。溝槽310是(100)平面上的〈110〉。在暴露至約23°C下的緩沖氟化物蝕刻溶液達(dá)16分鐘后，可見到具有橫向承架314的底切輪廓。(圖12B)。如圖12C、D及E中所示，在分別暴露22分鐘、25分鐘及28分鐘后，所述蝕刻沿垂直于(100)方向(即，垂直于STI側(cè)壁)的進(jìn)程快于沿(100)方向(即，垂直于晶片表面)。如圖12A-E中所看到，下面的硅支腿或支柱350的寬度隨著至緩沖氟化物蝕刻溶液的暴露的增加而減小。
[0070]緩沖氟化物蝕刻溶液可結(jié)合圖案角度與其它組份相結(jié)合以便以各種方式來制造垂直壁。圖13A-D繪示在23°C下的5分鐘各向異性NH4OH蝕刻后，單晶硅400在暴露至NH4F, QEII及H2O2溶液(緩沖氟化物蝕刻溶液)O分鐘(圖13A)、3分鐘(圖13B)、6分鐘(圖13C)及9分鐘(圖13D)時(shí)的蝕刻進(jìn)程。暴露是使用滯流浴達(dá)成的。所述單晶硅的頂表面412代表(100)平面。溝槽410是(100)平面上的〈110〉。增加緩沖氟化物蝕刻溶液的蝕刻時(shí)間可形成硅有效面積的承架底切而不會(huì)明顯增加溝槽深度。此外，可看到，單晶硅400下面的硅支腿或支柱450隨著蝕刻進(jìn)程而變得越來越窄。因此，應(yīng)了解，結(jié)合本發(fā)明的蝕刻劑溶液使用適宜的圖案角度可制造具有各種特征的裝置。通過操縱蝕刻時(shí)間及蝕刻劑組合，可達(dá)成不同的底切輪廓。例如，所述緩沖氟化物蝕刻溶液可結(jié)合氫氧化物、NH4OH,NH4F, TMAH或其組合。
[0071]通過以下非限制性實(shí)例可進(jìn)一步理解本發(fā)明。
[0072]實(shí)例I
[0073]圖14A及B繪示集成PSOI DRAM存取結(jié)構(gòu)的兩個(gè)TEM。所述輪廓通過在25°C下進(jìn)行4分36秒的TMAH(100: I)蝕刻而產(chǎn)生。使用緩沖氟化物蝕刻溶液(以4: 2: 3的比率提供的NH4F、QEII及H2O2)在25°C下進(jìn)行6分鐘的第二蝕刻。常規(guī)氧化物間隔物用于該兩次濕式蝕刻并在空腔產(chǎn)生后被移除。在將存取晶體管及位線連同多晶硅引腳整合于晶體管柵極之間后，沿〈100〉方向顯示影像。
[0074]本文引用的所有文獻(xiàn)均完整地并入本文中，仿佛每一文獻(xiàn)單獨(dú)地并入本文中一樣。文中已參照示例性實(shí)施例闡述了本發(fā)明，但并非意欲理解為具有限定意義。如先前所述，熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員將認(rèn)識(shí)到，各種其它示例性應(yīng)用可利用本文中所述的蝕刻組合物。參考本說明，熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員將了解對(duì)本文示例性實(shí)施例的各種修改以及本發(fā)明的其它實(shí)施例。雖然本文中闡述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本發(fā)明由本文中的權(quán)利要求書所界定且不受上文說明中所闡述的具體細(xì)節(jié)的限制，因?yàn)楸景l(fā)明可具有諸多顯而易見的變化形式，且此并不背離本發(fā)明的精神或范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其包括: 在單晶硅中至少一個(gè)溝槽且包含在所述單晶硅中由方形凹角界定的底切特征；及 延伸至所述底切特征中的所述單晶硅的至少一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)溝槽是在所述單晶硅的(100)平面。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述底切特征包括與所述單晶硅的上表面垂直的第一溝槽壁及與所述單晶硅的所述上表面平行的第二溝槽壁。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二溝槽壁在所述單晶硅的一部分之下延伸。
5.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中延伸至所述底切區(qū)域中的所述單晶硅襯底的所述至少一部分與所述第一溝槽壁平行延伸。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述單晶硅中的所述至少一個(gè)溝槽包括無(wú)斜切邊緣的至少一個(gè)方形底切特征。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述底切特征由在所述單晶硅的一部分之下延伸的至少一個(gè)表面界定。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中延伸至所述底切特征中的所述單晶硅的所述至少一部分沿垂直所述單晶硅的表面的方向突出至所述底切特征。
9.一種蝕刻單晶硅的方法，所述方法包括: 在單晶硅上形成至少一個(gè)溝槽；及 移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅以形成所述單晶硅的支柱，每個(gè)支柱在其一部分中包括底切。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在單晶硅中形成至少一個(gè)溝槽包括:沿所述單晶硅的〈100〉方向形成所述至少一個(gè)溝槽。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在單晶硅中形成至少一個(gè)溝槽包括:形成包括與所述單晶硅的表面垂直的第一溝槽壁及與所述單晶硅的所述表面平行的第二溝槽壁的所述至少一個(gè)溝槽。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅包括:移除沿平行所述單晶硅方向的所述額外單晶硅。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅包括:以比移除在(110)硅平面和(111)硅平面的所述額外單晶硅更慢的速度移除在(100)硅平面的所述額外單晶硅。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅以形成所述單晶硅的支柱包括:在每個(gè)支柱的中間部分形成所述底切。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅以形成所述單晶硅的支柱包括:形成在所述底切包括減小的寬度的所述支柱。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其中移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅以形成所述單晶硅的支柱包括:將所述額外單晶硅暴露于各向異性蝕刻劑。
17.如權(quán)利要求9所述的方法，其中移除所述至少一個(gè)溝槽兩側(cè)和下方的額外單晶硅以形成所述單晶硅的支柱包括:將所述額外單晶硅與包括氟化銨、過氧化氫和磷酸的溶液接觸
【文檔編號(hào)】H01L21/306GK103956321SQ201410209104
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2006年6月2日
【發(fā)明者】李宏奇, 亞諾什·富克斯科, 戴維·H·韋爾斯 申請(qǐng)人:美光科技公司