專利名稱:利用氟化氣體混合物進(jìn)行硅的等離子體蝕刻的制作方法
本發(fā)明涉及硅的等離子體蝕刻方面的問題，特別是半導(dǎo)體元件生產(chǎn)中硅的等離子蝕刻問題。
在使用單晶硅的半導(dǎo)體元件生產(chǎn)中，特別在生產(chǎn)高組裝密度的集成電路芯片時(shí)，經(jīng)常需要蝕刻硅基片的某些表面。在現(xiàn)有的工藝中，這是通過等離子體蝕刻完成的。在等離子體蝕刻過程中，首先將硅片涂一層光刻膠。在光刻膠上作出一些窗口，使光刻膠下面被選定的硅片區(qū)域暴露出來。然后把硅片放在蝕刻室中。室體是一個(gè)受控制的環(huán)繞物，包括用來把氣體導(dǎo)入室體的裝置以及由氣體產(chǎn)生等離子體的電極。典型的氯化氣體如Cl2、CCl4等用來形成等離子體以蝕刻硅。將這種氣體導(dǎo)入室體，施加射頻(RF)能量以產(chǎn)生等離子體。直到射頻能量去掉以后蝕刻才會(huì)終止，通過調(diào)整過程的計(jì)時(shí)、氣體壓力、射頻能量及氣體流速控制蝕刻深度。
用現(xiàn)有技術(shù)的方法蝕刻硅有幾個(gè)缺點(diǎn)。第一，使用的氯化氣體對(duì)人的生命有很大危險(xiǎn)。例如，CCl4對(duì)人體是有毒的，允許的暴露量僅為10PPm。在超過300PPm量級(jí)時(shí)，立即威脅人體生命。另外，CCl4是一種可疑的致癌物。氯氣(Cl2)本身就是有毒的，而且有腐蝕性，按職業(yè)防護(hù)與健康管理機(jī)構(gòu)(OSHA)規(guī)定，允許的暴露量極限僅為1PPm。從25PPm開始能立即危及生命。因此，必須采取昂貴的預(yù)防措施以防止那些能危及生命的氣體的泄漏。這些預(yù)防措施增加了蝕刻工序的費(fèi)用。
第二，氯氣具有強(qiáng)的腐蝕性，因此縮短了暴露在這種氣體中的部件的使用壽命。
第三，在硅的蝕刻過程中，氯氣損傷硅的表面，使其粗糙，從而對(duì)氧化層的形成有不利影響。這樣就產(chǎn)生不可靠的元件特性。這種損傷可以補(bǔ)救，只不過外加一次熱處理步驟。
最后，氯氣能各向同性地蝕刻硅，鉆蝕光刻膠層，因而為了得到合格的元件需要較大的設(shè)計(jì)窗口。
所以本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種蝕刻硅的方法，該方法不涉及有毒物質(zhì)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種蝕刻硅的方法，該方法不使用腐蝕性物質(zhì)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種蝕刻硅的方法，該方法不損傷硅表面。
本發(fā)明更進(jìn)一步的目的是提供一種定向蝕刻硅的方法，以消除對(duì)光刻膠層的鉆蝕。
本發(fā)明利用氟化氣體混合物形成等離子體以蝕刻硅。這種氣體混合物是由對(duì)人體無毒且無腐蝕性的CHF3和SF6組成。當(dāng)利用80%CHF3和20%SF6的混合物形成等離子體時(shí)，結(jié)果得到了基本上定向的硅蝕刻，消除了對(duì)光刻膠層的鉆蝕。這個(gè)氟化氣體混合物并不損傷硅表面，因而后面的氧化步驟是不受蝕刻影響的。不需要熱處理步驟以補(bǔ)救蝕刻的損傷。
圖1圖解說明，用現(xiàn)有技術(shù)的方法蝕刻的硅的剖面圖。
圖2圖解說明，上面有一層光刻膠的硅基片。
圖3圖解說明，在光刻膠上形成窗口以后的圖2所示的硅基片。
圖4圖解說明，蝕刻以后的圖3所示的硅基片。
圖5是一個(gè)曲線圖，表示了定向度與CHF3濃度的關(guān)系曲線。
圖6圖解說明，聚合物母體的作用。
這里敘述一個(gè)對(duì)等離子體蝕刻的有所改進(jìn)的方法。利用氟化氣體提供定向蝕刻。在下面的敘述中，要提出許多具體的細(xì)節(jié)，如氣體百分比、射頻功率等等，以便對(duì)本發(fā)明提供更徹底的理解。然而顯然對(duì)工藝熟練者來說，不需要這些具體細(xì)節(jié)也可以實(shí)踐本發(fā)明。另一方面，對(duì)于大家熟知的過程并未詳細(xì)敘述，以期突出本發(fā)明的要點(diǎn)。
在等離子體蝕刻時(shí)，將硅片放在蝕刻室里。這種類型之蝕刻室是平行金屬板反應(yīng)器。在這種反應(yīng)器里，上面和下面的平面電極是水平配置，而且互相平行的。上面的電極通常是“功率”電極，并與射頻發(fā)生器耦合。氣體通過與射頻發(fā)生器耦合的“噴頭”型的上面電極進(jìn)入。硅片放在蝕刻室內(nèi)的那個(gè)下面電極的上面，氣體進(jìn)入室體，射頻能量用來產(chǎn)生等離子體以進(jìn)行蝕刻。
蝕刻硅時(shí)，光刻掩膜用來確定蝕刻圖形。然而由于蝕刻的各向同性，造成了對(duì)光刻膠層的鉆蝕。這種情況的一個(gè)例子示于圖1。在硅層10中的光刻圖形是由光刻掩膜11確定的。如圖1所示，蝕刻區(qū)域的側(cè)壁擴(kuò)展到光刻膠下面，結(jié)果形成了檐12。由于這一現(xiàn)象，使用這種方法時(shí)，為實(shí)現(xiàn)所要求的蝕刻，為蝕刻圖形設(shè)計(jì)的窗口必須比實(shí)際的要大一些。這就限制了電路設(shè)計(jì)上所能達(dá)到的密集程度。當(dāng)前的技術(shù)水平要求在1微米寬的光刻膠上形成的圖形。然而，由于蝕刻是各向同性的，蝕刻窗口的最小寬度目前限制在1.5到2微米。
“利用SF6和氯氣的等離子體蝕刻”(M·Mieth和A·BarKer，半導(dǎo)體世界，1984年5月，222-227頁)一文中敘述了現(xiàn)有技術(shù)為減少等離子體的各向同性蝕刻的一個(gè)試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SF6和CHCl3混合以及SF6與純凈氯氣混合得到了部分的定向蝕刻。然而，這個(gè)方法存在的問題是有毒性，對(duì)設(shè)備有腐蝕作用，在工作場(chǎng)所需要貴重的氯氣探測(cè)器，而且需要不銹鋼管道系統(tǒng)傳送氣體。
另外，用于等離子蝕刻的氯化氣體損傷蝕刻過的硅表面，如圖1中區(qū)域13。例如，請(qǐng)看“硅的活性離子蝕刻”(Schwartz和Schaible，真空科學(xué)與技術(shù)雜志，1979年，3月/4月，410-413頁)和“對(duì)活性離子蝕刻過的硅表面上生長的氧化層的擊穿電場(chǎng)的研究表面氧化對(duì)擊穿極限的改善”(Lifshitz，電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志固體科學(xué)和技術(shù)，1983年7月，1549-1550頁)。
蝕刻以后，硅的表面含有細(xì)孔、尖峰和嚴(yán)重的微觀粗糙部位。其后生長的氧化層面臨著高電場(chǎng)失效率的威脅。解決這個(gè)問題的一個(gè)辦法是，產(chǎn)生幾次熱生“犧牲”氧化層，然后把它們除去。這個(gè)方法所需要的附加熱處理步驟，利用本發(fā)明的方法可以避免。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)先的實(shí)施方案中，利用SF6和CHF3混合物作到硅的等離子體蝕刻。氟化氣體無毒，無腐蝕性，在工作場(chǎng)所不需要?dú)怏w探測(cè)器。另外，如果需要的話，可用銅管或塑料管來傳輸這種氣體。
在圖2-4中，圖解說明了本發(fā)明的方法。在圖2中，在硅基片20上形成光刻膠層21。其后，如圖3所示，用眾所周知的光刻方法在光刻膠上確定窗口23。將CHF3和SF6的混合物導(dǎo)入蝕刻室，施加射頻功率以產(chǎn)生等離子體?？刂剖殷w壓力和氣體流速，使硅蝕刻到所要求的深度。如圖4所示，硅基片20基本上實(shí)現(xiàn)了定向蝕刻。如區(qū)域22所示，蝕刻窗口的側(cè)壁與光刻掩膜21是齊平的。其結(jié)果是，設(shè)計(jì)密度的極限僅只受到光刻掩膜的設(shè)計(jì)極限所限制。
據(jù)認(rèn)為，本發(fā)明的定向作用是由于在蝕刻步驟中，被蝕刻的窗口側(cè)壁形成了一種聚合物。CHF3在等離子體中分解為CF2、CF3和CHF，這些物質(zhì)作為聚合物母體，在被蝕刻的窗口側(cè)壁上形成聚合物層。在圖6中比較詳細(xì)地表示了這一過程。由于聚合物母體形成的聚合物覆蓋層25阻止氟被吸入側(cè)壁，其結(jié)果是，蝕刻變成為定向的了，蝕刻對(duì)準(zhǔn)掩膜圖形向硅層擴(kuò)展。由于離子轟擊作用，在被蝕刻的窗口底部不能形成聚合物層25，使得氟被吸收進(jìn)入硅層。由于氟被吸收進(jìn)入硅層的結(jié)果，便發(fā)生了蝕刻。
使用本發(fā)明的方法除了有衛(wèi)生和安全的優(yōu)點(diǎn)外，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不損傷被蝕刻的硅層表面。因此，當(dāng)使用本發(fā)明的方法時(shí)，可省去后面的熱氧化步驟及除去相應(yīng)的氧化層的步驟。
在本發(fā)明的一個(gè)較好的實(shí)施方案中，所使用的氣體混合物包括大約80%的CHF3和20%的SF6。氣體流速大約125SCCm。等離子體蝕刻發(fā)生在射頻功率約為600瓦、氣體壓力為500毫乇的狀態(tài)下，電極間隙為1厘米，電極溫度為15-17℃。雖然該實(shí)施方案打算使用的是平行板等離子體蝕刻室，但由于本發(fā)明特有的等離子體化學(xué)也可以為其他類型的等離子體蝕刻室所利用，以得到定向的硅蝕刻斷面。
另外，通過減少CHF3/SF6混合物中CHF3的百分比可以控制蝕刻定向度。圖5中的曲線表示對(duì)選定的射頻能量，定向度與CHF3濃度的關(guān)系曲線。以對(duì)光刻膠的鉆蝕除以蝕刻深度表示定向度。曲線28表示，在射頻能量為300瓦，CHF3濃度從52%到68%之間變化時(shí)兩者的關(guān)系。定向度的范圍從大約0.34變化到0.2。曲線29表示在射頻能量為600瓦，CHF3濃度從68%到80%之間變化時(shí)兩者的關(guān)系。在CHF3濃度為68%時(shí)，定向度小于0.1，在CHF3濃度高時(shí)，定向度趨于零。CHF3濃度在80%以上時(shí)效率降低，因?yàn)槲g刻速率將相當(dāng)大的慢下來了。必須存在一些SF6以便向下蝕刻。在較可取的實(shí)施方案中，使用的CHF3為80%。
于是，利用氟化氣體混合物蝕刻硅的方法已敘述完畢。所用的方法無毒、無腐蝕性，能得到硅的定向蝕刻，并對(duì)被蝕刻的硅表面無損傷。
權(quán)利要求
1.用氣體混合物形成的等離子體蝕刻硅方法的一種改進(jìn)，這種改進(jìn)包括由含有CHF3和SF6的二組份混合物形成等離子體，CHF3的含量大于SF6的含量，從而獲得了硅的定向蝕刻。
2.按照上述權(quán)利要求
1所述的改進(jìn)，其中CHF3含量大約為SF6含量的4倍。
3.按照上述權(quán)利要求
1所述的改進(jìn)，其中等離子體是在射頻能量約600瓦時(shí)形成的。
4.對(duì)硅的等離子體蝕刻的一個(gè)改進(jìn)的方法包括在上述硅表面形成一層光刻膠;在光刻膠上確定窗口以暴露出硅表面預(yù)先確定的區(qū)域;把SF6和CHF3氣體混合物引向硅片;把電能施加到氣體混合物上以形成等離子體;用上述等離子體蝕刻硅到所要求的深度;從而上述硅片便被定向蝕刻。
5.按權(quán)利要求
4敘述的方法，其中氣體混合物約含有80%CHF3和20%SF6。
6.按權(quán)利要求
4確定的方法，其中電能約有600瓦。
7.按權(quán)利要求
4確定的方法，其中氣體混合物以約125SCCm速率引向硅片。
8.按權(quán)利要求
4敘述的方法，其定向度依賴于氣體混合物中CHF3的百分比。
專利摘要
利用氟化氣體混合物進(jìn)行等離子體蝕刻硅的一個(gè)方法。在蝕刻室里，利用CHF
文檔編號(hào)H01L21/02GK86103233SQ86103233
公開日1987年2月18日 申請(qǐng)日期1986年5月9日
發(fā)明者曾志華 申請(qǐng)人:英特爾公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan