專利名稱：精確刻蝕和去除薄膜的新裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及在例如半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或微電子器件的襯底上對材料薄層進(jìn)行刻蝕或去除的技術(shù)。具體地說，本發(fā)明涉及一種采用控制在待刻蝕材料薄層的表面上形成的薄膜的表面存留時(shí)間、組成及厚度的方法去除準(zhǔn)確數(shù)量的薄層的裝置和方法。
長期以來水溶性的刻蝕劑被用于從襯底上去除薄膜。然而，濕法刻蝕技術(shù)存在許多缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)在濕法清洗及刻蝕會造成微粒及其它污染的半導(dǎo)體工業(yè)中表現(xiàn)得尤其明顯。因此，采用氣相刻蝕的工藝比較好。
濕法和氣相刻蝕兩者均具有的另一個(gè)不希望有的特征是刻蝕為各向同性，而且未使用設(shè)計(jì)用于去除薄膜的可控刻蝕源。通常情況下，由于要保持一些特征不受損傷，因此僅應(yīng)刻蝕掉精確量的薄層。例如，當(dāng)待刻蝕的材料夾在兩層耐刻蝕的材料之間時(shí)，不可控的各向同性刻蝕將形成不需要的間隙(凹口)。例如如

圖1所示的，層1和襯底3是耐刻蝕的，層2是易于用各向同性的刻蝕工藝所刻蝕的。如在層1中形成一個(gè)開口1，則層2的各向同性刻蝕將在層1的開口下方處的層2中產(chǎn)生間隙4。因此，很明顯我們所需要的是一種可控制的刻蝕系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將所關(guān)心的薄層刻蝕去精確的厚度，而不至于造成過刻蝕和加重未刻蝕的薄層間的間隙。
半導(dǎo)體工業(yè)中最重要的清洗和刻蝕步驟之一是從硅表面去除自然氧化物。浸入含氟化氫的水溶液的氧化物刻蝕工藝可產(chǎn)生被由硅的懸空鏈構(gòu)成的氫原子終端化學(xué)鈍化了的純硅表面。化學(xué)鈍化可減少暴露在空氣中的硅的再氧化，但不會減少微粒或大的有機(jī)分子的污染。將濕法去除二氧化硅的工藝與設(shè)計(jì)成使微粒污染減至最小的抽真空的多室晶片加工工具結(jié)合在一起是困難的。因此，需要一種在低壓下于氣相(而不是液相)中進(jìn)行的工藝。
目前有幾種不用水溶液而是在反應(yīng)性分子或離子的中壓或低壓下進(jìn)行的方法可成功地用于從硅片表面刻蝕或去除二氧化硅。其例子包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，以及加熱硅片至攝氏900度以產(chǎn)生Si(s)+SiO2(s)＝SiO(g)4的反應(yīng)。然而，這些技術(shù)并不是通過將待刻蝕的材料層與含反應(yīng)性分子的凝結(jié)膜發(fā)生反應(yīng)來進(jìn)行刻蝕。因此，不把這些技術(shù)作為先有技術(shù)考慮，故不在此進(jìn)行討論。
先有技術(shù)一般關(guān)心的是在反應(yīng)期間表面上存在有膜的反應(yīng)。有的工藝技術(shù)并未考慮到表面上膜的存在。其它一些工藝技術(shù)雖然考慮到膜的存在以及它們在刻蝕中所起的作用，但未認(rèn)識到這些膜的重要性以及如何適當(dāng)?shù)乜刂扑鼈?。如本文以下要提到的那樣，?dāng)這些狀態(tài)間產(chǎn)生由于疏忽而引起的轉(zhuǎn)換時(shí)，在先有技術(shù)中常產(chǎn)生不準(zhǔn)確及缺乏控制的現(xiàn)象。
在二氧化硅的刻蝕中，先有技術(shù)已報(bào)導(dǎo)了對TEOS、熱二氧化硅及其它類型的二氧化硅的不同刻蝕速率。該速率為反應(yīng)物對二氧化硅的反應(yīng)性所限制。該反應(yīng)性隨二氧化硅的結(jié)構(gòu)和組成而變化。反應(yīng)物通過膜的速率不會限制它們與這些氧化物反應(yīng)的速率。
貝伊爾(Beyer)和凱索(Kastl)在美國專利4，264，374中揭示了一種采用氣相蒸氣從硅上去除其自然氧化層的方法。采取暴露于接近大氣壓的氟化氫、水及氮?dú)獾臍庀嗷旌衔镏械难趸锟涛g工藝在去除二氧化硅而不去除硅方面有極高的選擇性。隨著工藝過程中氣相壓力的增加，因微?；驓庀嚯s質(zhì)所引起的污染也隨之增加了。故需要一種低壓工藝方法。
由狄爾(Deal)等(J.Appl.Phys.363370，1965)及諾瓦克(Novak)等(Solid State Technology3139.1988)所描述的設(shè)備目前在市面上已可購得。上述設(shè)備設(shè)計(jì)成使用含氟化氫及水的氣相混合物來刻蝕氧化層。然而，上述設(shè)備不能控制刻蝕系統(tǒng)中凝結(jié)膜的表面存留時(shí)間、厚度及組成。隋性氣體通過裝在稱為起泡器的容器內(nèi)的水或氟化氫的水溶液來起泡。水蒸氣或氟化氫及隋性氣體所攜帶的水蒸氣的壓力等于在起泡器的溫度下的蒸氣壓。流量控制器調(diào)節(jié)氣體進(jìn)入放置襯底的未加熱的室中的量。起泡器及氣體管路是經(jīng)過加熱的。在上述狄爾等的設(shè)備中，可以加熱襯底，而且總壓力可通過改變系統(tǒng)的抽氣速率來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在該系統(tǒng)中沒有石英晶體微量天平，并且襯底無法冷卻?？涛g被限制于高的室內(nèi)壓力下進(jìn)行。這是一種無法將反應(yīng)室與真空泵隔離開來的流動系統(tǒng)。
另一種去除氧化物的方法是由西野(Nishino)等所敘述的(干法工藝研討會議記錄，Inst.of Elec.Eng.of Japan，東京，10月30日，1989，P.90)關(guān)于硅的微波放電清洗的報(bào)告中提出的。將覆蓋著自然氧化物的硅暴露于裝滿氟化銨的加熱容器的氣體中或暴露于氨與NF3氣體中進(jìn)行微波放電，然后升高硅的溫度，即可去除硅上的氧化物。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，氟化氫和硫酸是在先質(zhì)分子經(jīng)過放電活化后形成的。西野等并未涉及如圖1所舉例說明的那種類型的間隙問題，也未涉及因過刻蝕而引起的任何其它不需要的效應(yīng)。
總之，利用含反應(yīng)物的凝結(jié)源進(jìn)行刻蝕的先有的工藝設(shè)備不能控制膜的組成和存留時(shí)間。在先有的工藝設(shè)備中沒有以下的項(xiàng)目如微量天平等的薄膜監(jiān)測器，維持晶片于反應(yīng)室內(nèi)最低溫度點(diǎn)的裝置，氨和氟化氫的分立氣體源，氨、水和氟化氫的源，二氟化銨(氟化氫銨)的源，以及如瀉流元件等的低壓源或具有差壓抽氣區(qū)域的源。此外，在先有的工藝設(shè)備中，不能使室壁的溫度維持在任一反應(yīng)源溫度之上，該反應(yīng)源為凝結(jié)的液態(tài)或固態(tài)，真空泵無法與反應(yīng)室隔離，而且不能同時(shí)地打開/切斷各氣態(tài)源與反應(yīng)室之間的閥門。
先有技術(shù)的刻蝕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必定依賴于當(dāng)時(shí)所知道的裝置與工藝方法，這種設(shè)計(jì)可以通過考慮當(dāng)反應(yīng)物未凝結(jié)在表面時(shí)刻蝕表面所用的、可以買得到的刻蝕系統(tǒng)(如反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng))而了解到。反應(yīng)物撞擊到待刻蝕表面上的速率正比于反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)物的壓力。只要在襯底的溫度下反應(yīng)物壓力低于其蒸氣壓，則反應(yīng)物可在短時(shí)間內(nèi)吸附在襯底的表面上，但不能凝結(jié)形成多層結(jié)構(gòu)。反應(yīng)物的壓力以及反應(yīng)速率，可通過改變反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室的速率及反應(yīng)物從反應(yīng)室去除的速率(例如通過與室連接的泵)來改變。反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室的速率可通過流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)反應(yīng)物凝結(jié)于待刻蝕的襯底的表面上時(shí)，先有技術(shù)中也可用這類設(shè)備進(jìn)行反應(yīng)，即使凝結(jié)的反應(yīng)物膜形成在待刻蝕的表面上時(shí)的反應(yīng)的開始及控制是很不相同的。這方面的差別在下面要詳細(xì)談到。
在表面上形成凝結(jié)反應(yīng)膜的情況下，凝結(jié)膜的組成比氣相的組成更重要。因?yàn)闅庀喾磻?yīng)物并不與待刻蝕的表面直接接觸，故氣相中反應(yīng)物的分壓并沒有那么重要。相反地，由于凝結(jié)膜與表面接觸，因此凝結(jié)的反應(yīng)物膜的組成在決定表面刻蝕的快慢和要刻蝕多少表面等方面比周圍環(huán)境氣相的組成更重要。只有當(dāng)氣相反應(yīng)物通過凝結(jié)膜傳送到表面時(shí)，氣體組成才非直接地對反應(yīng)有所影響。一個(gè)主要問題是凝結(jié)的多層膜可能形成在待刻蝕的層以外的表面上，諸如比硅片表面更冷的室壁或硅片安裝器的區(qū)域上。在這些不相干的表面上形成的這些層可作為反應(yīng)物的源或匯點(diǎn)(Sink)，因此使進(jìn)入室內(nèi)的氣體的組成和時(shí)間與待刻蝕晶片表面上反應(yīng)層的組成和存留時(shí)間之間不再有確定的關(guān)系。
狄爾等人提到了在氣相刻蝕期間氧化物表面上存在著含水膜，但并未認(rèn)識到控制該膜的重要性。相反地，狄爾及諾瓦克所描述的系統(tǒng)使用流量計(jì)來控制進(jìn)入室內(nèi)的反應(yīng)物。參考慮圖2a，先有技術(shù)的設(shè)備的操作可作如下的描述來自儲氣罐A的氫氣通過質(zhì)量流量控制器B進(jìn)入含水的起泡器C或含氟化氫及水的混合物的起泡器D。在穿過起泡器后，氣體進(jìn)入反應(yīng)室E，其中硅片F(xiàn)安裝在處于室溫的固定器G上。在某些設(shè)備中，氣體及反應(yīng)產(chǎn)物在被抽離前從室E通過調(diào)節(jié)閥H排出。
雖然此系統(tǒng)適合于不含凝結(jié)反應(yīng)物層的刻蝕反應(yīng)，但此系統(tǒng)可能使在待刻蝕層的表面形成有凝結(jié)反應(yīng)物時(shí)發(fā)生的任何反應(yīng)都變得困難。當(dāng)流量計(jì)將進(jìn)入室內(nèi)的氣體控制在一個(gè)固定速率時(shí)，其壓力將緩慢上升直到該壓力高到與反應(yīng)室連接的真空泵能以與進(jìn)入反應(yīng)室相同的速率排除氣體。這種緩慢的壓力上升將造成不明確的開始凝結(jié)時(shí)間、不確定的薄膜厚度以及不明確的薄膜組成。
已知由氣相組分在表面上形成膜的過程可通過表面溫度及氣體組分的分壓來加以控制。一旦氣體組分的分壓升高到等于或大于蒸氣壓的值時(shí)，將形成凝結(jié)膜。若壓力升高得慢，則凝結(jié)的開始時(shí)間將不明確。一旦凝結(jié)開始，構(gòu)成膜的氣相組分的分壓將會維持等于該組分的蒸氣壓。因?yàn)橄到y(tǒng)的泵不能以與構(gòu)成膜的組分進(jìn)入反應(yīng)室的速率相同的速率將其去除。故凝結(jié)在繼續(xù)，膜的厚度增加。
因此，用狄爾及諾瓦克等人所描述的設(shè)備來控制膜的去除程度是相當(dāng)困難的。由于使用流量計(jì)，故在開始流動以后，反應(yīng)室內(nèi)的水與氟化氫的分壓緩慢地上升。因此，凝結(jié)發(fā)生和反應(yīng)開始的時(shí)間并不十分確定。而且膜的厚度是隨時(shí)間而增加的。由于在下述反應(yīng)(SiO2+4HF＝SiF4+2H2O)繼續(xù)時(shí)，氟化氫被消耗而水以副產(chǎn)品的形式產(chǎn)生，故膜上氣體的組成將隨著時(shí)間以復(fù)雜的形成改變。這樣，氧化物被刻蝕的表面區(qū)域可影響氣相的組成。最后，由于氣態(tài)的氟化氫將與室壁上凝結(jié)膜內(nèi)的氟化氫進(jìn)行交換，故室內(nèi)壁面上的凝結(jié)膜將成為附加的、不可預(yù)計(jì)的氟化氫源或匯點(diǎn)。
氣體內(nèi)的組分與凝結(jié)膜內(nèi)的組分的交換可通過參考圖2b而得到了解。該圖引自紐約州(N.Y)Wiley、Farrington Daniels及Robert Alberty于1966年所著的物理化學(xué)一書第3版第148頁。該圖顯示了苯和甲苯的二元混合物蒸氣的平衡組成如何作為溫度的函數(shù)而偏離液相的組成。所有包括氟化氫/水的二元混合物都具有類似的曲線。X軸表示混合物組成的比例，Y軸表示溫度。若進(jìn)入室內(nèi)的蒸氣具有b點(diǎn)的組成，則其將在低于約攝氏94度的物體上凝結(jié)。d點(diǎn)表示的蒸氣的組成與c點(diǎn)表示的液相的組成大為不同。換言之，一旦凝結(jié)發(fā)生，再蒸發(fā)將改變凝結(jié)膜及氣相的組成。
這些組成如何隨時(shí)間改變的精確細(xì)節(jié)與室壁上及襯底上凝結(jié)膜的絕對和相對數(shù)量、流率、絕對壓力等有著復(fù)雜的關(guān)系。室壁面及襯底上的凝結(jié)膜的絕對和相對數(shù)量也與環(huán)境溫度以及襯底和反應(yīng)室之間的溫差有關(guān)。氟化氫/水的二元混合物的實(shí)際曲線表示存在著一種共沸點(diǎn)混合物。共沸點(diǎn)混合物是二元混合物的某種比例的組成，在該種比例下，蒸氣和與該蒸氣相平衡的液體具有相同的組成。雖然狄爾等提到利用起泡器內(nèi)的共沸點(diǎn)混合物作為氟化氫和水的供應(yīng)源，但他們將該混合物與含水的起泡器進(jìn)行組合，因此在反應(yīng)室內(nèi)的氣相組成并不是共沸點(diǎn)混合物的組成。
西野等在美國專利5，030，319中提出了在將含有反應(yīng)物的薄膜用于刻蝕的刻蝕機(jī)理方面的認(rèn)識。然而，盡管對膜層有了較深的認(rèn)識，但在刻蝕裝置和方法的應(yīng)用方面仍然有一些困難。例如，用此流動系統(tǒng)提供氣體存在著上面提到的可能發(fā)生的所有問題。此外，反應(yīng)物是由等離子放電而激活的先質(zhì)分子的反應(yīng)所產(chǎn)生的，而不是直接引入的。因此，凝結(jié)的多層反應(yīng)物膜的形成不只與溫度、流率、抽氣速率等有關(guān)，而且與放電及激活的先質(zhì)分子的反應(yīng)有關(guān)。此外，氣相的反應(yīng)性自由基或分子可能消耗掉硅片或室壁上的膜，或與膜發(fā)生反應(yīng)或使其發(fā)生化學(xué)變化。
西野的專利教導(dǎo)氨及NF3的放電形成了可與氨結(jié)合成氟化銨層的氟化氫，此種氟化銨層與二氧化硅反應(yīng)形成六氟硅酸銨的產(chǎn)物。反應(yīng)也可通過上述產(chǎn)物層內(nèi)反應(yīng)物的溶解而發(fā)生。這些結(jié)果說明并不是所有進(jìn)行反應(yīng)的二氧化硅都會遺留下來成為氧化物表面上的薄膜。西野專利的圖2顯示了對10分鐘刻蝕時(shí)間的刻蝕速率及膜厚與氨和NF3之比的函數(shù)。約10～40埃/分的刻蝕速率相當(dāng)于刻去100～400埃的二氧化硅。若所有進(jìn)行反應(yīng)的二氧化硅都轉(zhuǎn)化為留在表面上的六氟硅酸銨產(chǎn)物，則其厚度約為300-1200埃，這比西野專利的圖2所示的膜厚要厚很多。有些來自參加反應(yīng)的二氧化硅的硅并未以六氟硅酸銨的形式殘留在表面上。當(dāng)產(chǎn)物層很薄時(shí)，此膜可能會“脫落”，但在連續(xù)刻蝕之后，該膜可能不再脫落，刻蝕也就終止了。西野專利的圖15中，刻蝕氧化物的終止厚度約為1000埃，該厚度較之避免本專利說明的圖1所示的鉆蝕所需厚度大得多。這樣，刻蝕效率的降低就成為一個(gè)問題，但此問題可通過交替進(jìn)行幾個(gè)短暫反應(yīng)和產(chǎn)物解吸循環(huán)而不是長時(shí)間地進(jìn)行刻蝕的方式來解決。
若在短短10分鐘的放電中形成一層薄膜，則該膜保持為可由反應(yīng)物滲透，如果在放電中用氫代替氨，則形成氟化氫，而且事實(shí)上該膜的存在增加了反應(yīng)速率。換言之，該膜不抑制上述反應(yīng)。
西野進(jìn)一步提到在放電中諸如氧和氟原子等的原子團(tuán)會用幾種方式影響該反應(yīng)。它們將影響對硅以及二氧化硅的刻蝕選擇性。當(dāng)放電時(shí)形成硫酸及氟化氫時(shí)，在厚的凝結(jié)膜中的氟原子被吸收，但在薄的凝結(jié)膜中氟原子則不被吸收。故當(dāng)膜薄時(shí)，硅會被刻蝕，當(dāng)膜厚時(shí)，硅不會被刻蝕。這些反應(yīng)使刻蝕的可控性變得復(fù)雜化。
進(jìn)一步值得注意的是任何使用溫度高于硅片表面的反應(yīng)物凝結(jié)源的裝置都可能造成狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化。若反應(yīng)物緩慢地進(jìn)入，由于此時(shí)不形成吸附膜，故開始時(shí)沒有反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)物壓力緩慢增加到接近硅片溫度下的蒸氣壓時(shí)，就能形成刻蝕表面的吸附膜。吸附膜的組成與室內(nèi)氣相的組成密切相關(guān)。當(dāng)壓力超過室內(nèi)材料的蒸氣壓時(shí)，則出現(xiàn)多層膜的凝結(jié)現(xiàn)象。此多層膜形成一個(gè)儲氣器，當(dāng)多層膜為液態(tài)時(shí)，尤其明顯。此時(shí)多層膜的組成不再與室內(nèi)氣體的組成有直接關(guān)系。沒有一種先有技術(shù)的工藝系統(tǒng)是以一層或不足一層的吸附膜負(fù)責(zé)刻蝕的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作的。
此外，應(yīng)用在先有技術(shù)中提到的設(shè)備由流量控制器按恒定的慢速將反應(yīng)物引入室內(nèi)不能進(jìn)行準(zhǔn)確的刻蝕或去除薄層，這是由于反應(yīng)物膜的組成和存留時(shí)間未得到控制。例如，形成在表面上反應(yīng)物的凝結(jié)膜的時(shí)間是不確定的，凝結(jié)膜殘留在表面上的持續(xù)時(shí)間是未知的，凝結(jié)膜可以形成在比晶片溫度低的那部分晶片安裝器或室壁上。進(jìn)入室的反應(yīng)物總量與最終發(fā)生凝結(jié)或反應(yīng)的反應(yīng)物的比值是未知的，襯底沒有冷卻到足以方便地使用低壓源，固態(tài)產(chǎn)物的自約束反應(yīng)的厚度是不確定的，晶片并未保持在或稍高于凝結(jié)反應(yīng)物的源的溫度以便反應(yīng)可在吸附膜的范圍內(nèi)發(fā)生，而激活后的自由基或分子的存在可使膜的組成復(fù)雜化。
從上述可清楚地了解先有技術(shù)的設(shè)備和方法有改進(jìn)的必要。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種工藝方法和一種裝置。該裝置包括控制凝結(jié)反應(yīng)膜的以下數(shù)項(xiàng)參數(shù)的裝置(1)厚度、(2)組成、(3)凝結(jié)膜的持續(xù)時(shí)間或表面存留時(shí)間，其目的是從襯底上準(zhǔn)確地刻蝕去一層所需的厚度。
該裝置由以下幾部分組成一個(gè)反應(yīng)室;
向反應(yīng)室提供反應(yīng)物的裝置;
襯底上的一種材料，該材料可被該反應(yīng)物刻蝕;
用于在反應(yīng)室內(nèi)支持所述襯底的裝置;
由形成在所述材料的表面上的所述反應(yīng)物組成的膜;
控制所述膜的性質(zhì)和持續(xù)時(shí)間的裝置;
其中，上述幾個(gè)部分是這樣安排的，當(dāng)將該反應(yīng)物供應(yīng)至反應(yīng)室時(shí)，所述反應(yīng)物在該材料的表面上形成膜，所述膜的性質(zhì)和持續(xù)時(shí)間由所述控制裝置控制，以便所述膜可導(dǎo)致去除所述襯底上的所述材料的準(zhǔn)確控制的量。
上述工藝方法包括以下步驟(a)在真空室中支撐一片具有待刻蝕材料的襯底;
(b)使含反應(yīng)物的氣體以足夠大的壓力引入所述反應(yīng)室，以在該材料的表面上形成反應(yīng)物的膜;
(c)控制該材料表面上所述膜的組成及存留時(shí)間以便從該襯底上刻蝕去準(zhǔn)確數(shù)量的所述材料;以及(d)從反應(yīng)室內(nèi)或該襯底的表面去除任何不需要的反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是在一較寬的反應(yīng)室壓力下進(jìn)行刻蝕。襯底上一薄層的刻蝕是通過在待刻蝕層上形成的凝結(jié)膜或分子團(tuán)(聚集物)中的反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行的。
本發(fā)明的一個(gè)重要特征是將應(yīng)用于刻蝕反應(yīng)的裝置和方法設(shè)計(jì)成對襯底的表面上形成的反應(yīng)物的凝聚膜或吸附膜進(jìn)行控制。相反地，如先有技術(shù)所描述的那樣，以固定速率將反應(yīng)物氣體引入室中就不能對膜的組成、厚度或表面存留時(shí)間進(jìn)行控制。
本發(fā)明首次對待刻蝕表面上的凝結(jié)反應(yīng)物膜的組成、厚度及表面存留時(shí)間提供了控制的手段，這樣就可以精確地控制刻蝕反應(yīng)的程度。
為了在寬范圍的總系統(tǒng)壓力內(nèi)以及用寬范圍的反應(yīng)物分子對凝結(jié)膜進(jìn)行控制，要考慮幾個(gè)方面的問題。如下面將更充分地討論的那樣，控制或消除反應(yīng)室表面上的凝結(jié)膜有助于對襯底上的凝結(jié)膜進(jìn)行控制。一種微量天平(即石英晶體微量天平，以下簡稱為QCM)、橢圓儀或本領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員所熟知的其它監(jiān)測裝置可在整個(gè)壓力范圍內(nèi)對反應(yīng)物的膜厚提供控制。把氣相反應(yīng)物迅速地傳送至襯底可建立反應(yīng)物膜起始凝聚的精確時(shí)間，并可使氣體濃度恒定。在低的總反應(yīng)室壓力下，經(jīng)冷卻的襯底及具有無碰撞或幾乎無碰撞的源的反應(yīng)物傳送有助于凝結(jié)反應(yīng)物膜的形成和控制。當(dāng)凝結(jié)膜包含形成共沸點(diǎn)混合物的多組分混合物時(shí)，按共沸點(diǎn)混合物的組成方式將各組分引入室中有助于吸附膜的形成和控制。
雖然本發(fā)明的幾個(gè)較佳實(shí)施例描述了本發(fā)明的不同的方面，但本發(fā)明的每個(gè)獨(dú)立的方面都增加了對凝結(jié)反應(yīng)物膜的控制程度，并且形成本發(fā)明獨(dú)特的特征。
在直接加入氨和氟化氫而不是在也能產(chǎn)生反應(yīng)性自由基的放電中合成形成時(shí)，申請人確實(shí)發(fā)現(xiàn)與西野相反的結(jié)果。在表面上的一層內(nèi)形成六氟硅酸銨的化學(xué)計(jì)量比的數(shù)量。該反應(yīng)是通過與西野的活化反應(yīng)物不同的模式來進(jìn)行自限制的，該反應(yīng)能使在反應(yīng)終止時(shí)不起任何作用的膜脫落。已發(fā)現(xiàn)小到足以使圖1所示的鉆蝕達(dá)到最小程度的終止厚度(室溫下低于200埃)。在低于西野所述的溫度下，被去除的二氧化硅的量有一個(gè)下降，這說明反應(yīng)物通過膜的擴(kuò)散被抑制，也說明終止厚度是可以控制的。
發(fā)明者也觀察到其它令人吃驚的結(jié)果。例如，TEOS、熱二氧化硅和其它主要是二氧化硅的氧化物的起始刻蝕以不同的速率發(fā)生，但由于反應(yīng)物通過產(chǎn)物層的擴(kuò)散速率受到限制，產(chǎn)物層厚度增加，而且刻蝕速率變得與反應(yīng)物的擴(kuò)散速率相似。因?yàn)橥ㄟ^產(chǎn)物層的擴(kuò)散是恒定的，故即使氟化氫對TEOS的固有的反應(yīng)性大于對熱氧化物的固有的反應(yīng)性，但其由擴(kuò)散所決定的終止厚度是相似的。二氟化銨在比氟化銨低得多的壓力下進(jìn)行刻蝕。在低于攝氏零下35度的溫度下，它可以在比先有技術(shù)中任何工藝都低幾個(gè)數(shù)量級的壓力下進(jìn)行操作，此時(shí)基本上每個(gè)撞擊表面的反應(yīng)物分子都粘在表面上而不至于再蒸發(fā)。
通過參考附圖對下述本發(fā)明的較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述，可更好地了解本發(fā)明前面提到的和其它的目的、方面和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是先有技術(shù)中半導(dǎo)體晶片經(jīng)過未經(jīng)控制的各向同性的刻蝕去一層后的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖2A是作薄層刻蝕用的先有技術(shù)設(shè)備的橫截面?zhèn)纫晥D。該設(shè)備使用了與流量計(jì)結(jié)合使用的氣相反應(yīng)物源。
圖2B表示二元液態(tài)混合物及該混合物之上的蒸氣壓的平衡組成。
圖3A是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D，該實(shí)施例通過控制凝結(jié)在表面上的膜進(jìn)行薄層的精確刻蝕。此裝置與反應(yīng)物源組合在一起，該反應(yīng)物源是一種當(dāng)反應(yīng)物分子從源至硅片襯底移動而經(jīng)歷有限次的碰撞時(shí)可在低的室壓下操作的瀉流元件。
圖3B是用氟化氫和氨的混合物對氧化物層進(jìn)行刻蝕時(shí)室內(nèi)出現(xiàn)的氣相混合物的質(zhì)量光譜。水也出現(xiàn)在質(zhì)量光譜上。
圖4是本發(fā)明用于薄層的精確刻蝕的一個(gè)實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。此儀器使用一種可迅速將反應(yīng)物傳送至硅片的氣相反應(yīng)物源。
圖5顯示了在覆蓋氧化層的硅表面上的氨和氟化氫的凝結(jié)膜的控制期間微量天平信號與時(shí)間的函數(shù)曲線。
圖6是一個(gè)熱解吸光譜，顯示了來自反應(yīng)性產(chǎn)物層的氣相分子質(zhì)量，此產(chǎn)物是在接近攝氏100度的溫度下解吸成氣相的。
圖7顯示了用反應(yīng)物吸附層進(jìn)行準(zhǔn)確刻蝕的儀器裝置的排列方式的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖8是硅片安裝器及溫控系統(tǒng)的詳細(xì)視圖。
圖9顯示了當(dāng)濺射的二氧化硅曝露于二氟化銨單元的蒸氣上時(shí)的產(chǎn)物形成速率與產(chǎn)物厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖10中比較了TEOS氧化物和熱二氧化硅在曝露于二氟化銨單元的蒸氣上時(shí)的刻蝕速率，該刻蝕速率為曝露時(shí)間的函數(shù)。
圖11代表了本發(fā)明的實(shí)施例中襯底上出現(xiàn)的膜和薄層的情況。最上一層是反應(yīng)物的凝結(jié)或吸附膜，或擴(kuò)散至凝結(jié)膜內(nèi)的反應(yīng)物。下面一層是四乙氧基硅烷(以下簡稱TEOS)二氧化硅，再下一層是熱二氧化硅，襯底是硅。當(dāng)然，其它類型的含砷、磷、硼等原子的二氧化硅也可取代以上的二氧化硅。
本發(fā)明的上述及許多其它目的和優(yōu)點(diǎn)是通過控制表面膜形成的儀器及方法來獲得的。本發(fā)明應(yīng)用了在實(shí)際反應(yīng)條件下對小于薄層厚度的膜進(jìn)行監(jiān)測和控制的裝置。這可通過使用石英晶體微量天平及嚴(yán)格定義的反應(yīng)物來完成，由此可有助于將此類反應(yīng)分為幾種狀態(tài)，并在很寬的、可工作的壓力和溫度的范圍內(nèi)確定本發(fā)明的較佳實(shí)施例。上述反應(yīng)的主要狀態(tài)是起源于(1)一層或不足一層的吸附膜，(2)凝結(jié)液態(tài)膜，(3)凝結(jié)固態(tài)膜的反應(yīng)。在第四種狀態(tài)內(nèi)，當(dāng)沒有表面膜時(shí)，就沒有反應(yīng)產(chǎn)生。
除非另外定義，否則本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有為一般熟悉本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所能理解的相同的意義。雖然任何類似于或等價(jià)于本文中所描述的方法及材料都可在本發(fā)明的實(shí)施例或試驗(yàn)中使用，但本文中所描述的方法和材料是較佳的。除非另外提及，否則本文中使用的或準(zhǔn)備使用的技術(shù)均為一般熟悉本工藝的人員所熟悉的方法。以下所述的材料、方法和實(shí)例僅為舉例說明，不作為對本發(fā)明的限制。
依照本發(fā)明，本文中所描述的是一種用于在選擇較高的襯底溫度的情況下快速傳送氨和氟化氫的儀器(圖4);一種用于快速傳送氟化氫和水的儀器(圖4);一種在低壓下進(jìn)行刻蝕的儀器，該儀器使用一種將蒸氣傳送至覆蓋二氧化硅的襯底上的例如瀉流元件或分子束的差壓泵源(圖3);以及微量天平與任何上述儀器的組合，用以控制刻蝕反應(yīng)。還描述了各種方法和結(jié)果，用以(1)區(qū)分某種反應(yīng)是由于反應(yīng)物的凝結(jié)而產(chǎn)生或由于在氣相中的曝露而產(chǎn)生;(2)顯示反應(yīng)是由凝結(jié)膜控制的。具體的系統(tǒng)還包括當(dāng)凝結(jié)膜是由氟化氫及氨的先質(zhì)氣體形成時(shí)的二氧化硅的刻蝕。
現(xiàn)在舉出本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。
1.將反應(yīng)物進(jìn)行快速傳送的儀器和方法現(xiàn)在參考附圖，具體地說是圖4，該圖顯示了通過控制襯底表面上的凝結(jié)膜進(jìn)行薄膜的精確刻蝕的一種較佳的排列方式。同時(shí)打開閥門10、11和(或)12以使反應(yīng)物或反應(yīng)物與催化劑迅速進(jìn)入室13內(nèi)。因?yàn)殚y門10，11，12的開口直徑比流量計(jì)內(nèi)的調(diào)節(jié)閥的直徑大得多，故氣體的進(jìn)入是很快的。緊接在氣體進(jìn)入后，進(jìn)入反應(yīng)室的氣體的壓力維持在高于襯底14的溫度下的凝結(jié)壓力。這就導(dǎo)致襯底14表面上凝結(jié)膜15的形成。應(yīng)注意的是，進(jìn)入氣體的壓力高于襯底14的溫度下的凝結(jié)壓力，但低于室13的溫度下的凝結(jié)壓力，這是由于通過加熱器16將室的溫度加熱到高于襯底的溫度。襯底可通過加熱器17進(jìn)行加熱，或通過在管18和19內(nèi)的流動冷卻劑進(jìn)行冷卻。將含有復(fù)蓋著與待刻蝕層相同的材料的晶體的石英晶體微量天平20與襯底14都與襯底安裝器21相連接。來自石英晶體微量天平20、儲氣罐壓力監(jiān)測器29、室壓力監(jiān)測器30、室溫度監(jiān)測器31，以及硅片/微量天平溫度監(jiān)測器32的信號都進(jìn)入控制器21a內(nèi)，該控制器確定并調(diào)節(jié)儲氣罐22、23和24的充填壓力。這些儲氣罐是由含水的反應(yīng)物34、含氯化氫的反應(yīng)物35及含氨的反應(yīng)物36的源分別通過閥門25、26、27加以充填的。另一種方式是，儲氣罐可裝入含氟化氫或氨的溶液，而讓非反應(yīng)性氣體通過溶液起泡。儲存罐可以只是一長條管和一個(gè)室。儲氣罐及室內(nèi)的壓力可通過控制器21a及閥門25、26、27、10、11、12及28間的連接加以調(diào)節(jié)。為了簡單起見，圖中并未顯示出所有的連接。所有連至反應(yīng)室的源、儲氣罐及管道均可加熱以獲得高于室溫(約攝氏22至23度)蒸氣壓的反應(yīng)物壓力。在氣體管路源及儲氣罐上示出了加熱罩37。來自溫度傳感器38的信號送至監(jiān)測和控制罩37的溫度控制器21a。為了使圖形較簡單，只對一條氣體管路示出了罩37和傳感器38。然而，所有的管路均可具有由21a控制的加熱罩和傳感器?？刂破?1a用傳感器監(jiān)測室13的溫度，并經(jīng)過與加熱器16的連接控制其溫度?？刂破?1a通過傳感器32監(jiān)測硅片14及微量天平20的溫度，并經(jīng)過與加熱器17及冷卻劑調(diào)節(jié)閥33的連接控制其溫度。按照連接至真空泵(未示出)的閥門28在反應(yīng)物進(jìn)入期間開關(guān)與否而有兩種操作模式。
2.氨及氟化氫的進(jìn)入現(xiàn)在描述第一種操作模式，其中連接到真空泵的閥門28在反應(yīng)物進(jìn)入期間是開著的。儲氣罐23是充填氟化氫的，而儲氣罐24則是充填氨的。然后，閥門11和12同時(shí)且迅速地打開。反應(yīng)物充滿反應(yīng)室，并且在當(dāng)氨及氟化氫的壓力大于硅片14溫度下的蒸氣壓時(shí)，反應(yīng)物在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)就迅速地凝結(jié)在硅片14、微量天平20及安裝器21上以形成凝結(jié)層而且開始與待刻蝕層表面的反應(yīng)。由于閥門28是開著的，當(dāng)在凝結(jié)膜蒸氣壓下的氟化氫及氨被抽出時(shí)，凝結(jié)膜15的厚度隨時(shí)間增長而減少。最后，所有未反應(yīng)的凝結(jié)氟化氫及氨將蒸發(fā)并被抽離。由于反應(yīng)物是在一很短的時(shí)間周期內(nèi)并在室內(nèi)很低的環(huán)境壓力下在表面凝結(jié)，因此，凝結(jié)膜的反應(yīng)物與氣相中的反應(yīng)物的交換可達(dá)到最小。被去除的刻蝕膜的數(shù)量與襯底溫度、反應(yīng)膜的組成及存留時(shí)間有關(guān)。影響去除數(shù)量的因素包括在襯底溫度下反應(yīng)物的蒸氣壓、進(jìn)入室內(nèi)的反應(yīng)物數(shù)量、抽氣速度以及反應(yīng)物與待刻蝕層之間的反應(yīng)速率，所有這些因素都可通過控制器加以調(diào)節(jié)。
當(dāng)需要高的氨及氟化氫的分壓時(shí)，分立的氣體源可使加熱的硅片溫度下的操作更簡單，而且還可改變氟化氫與氨的比率。
3.氟化氫/水的進(jìn)入在另一種操作模式中，在反應(yīng)物進(jìn)入的時(shí)間內(nèi)連接到泵的閥門是關(guān)閉的。儲氣罐22用水蒸氣充滿，而儲氣罐23充滿氟化氫，然后將閥門10及11打開使水蒸氣和HF充滿室13。反應(yīng)物凝結(jié)在硅片14及微量天平20上以形成凝結(jié)膜15，直到室內(nèi)壓力降至溫度等于硅片14的反應(yīng)物的蒸氣壓時(shí)為止。若凝結(jié)膜為液態(tài)，例如在硅片溫度高于攝氏0度并使氟化氫和水進(jìn)入的情況下，則反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行，直到凝結(jié)膜15內(nèi)所有反應(yīng)物均已發(fā)生反應(yīng)或打開閥門28且室13的內(nèi)含物均被抽出。在閥門28關(guān)閉的期間內(nèi)，室13內(nèi)的反應(yīng)物可與膜15內(nèi)的反應(yīng)物進(jìn)行交換。去除的被刻蝕膜的數(shù)量是由進(jìn)入室內(nèi)的氟化氫的量來決定的。一旦凝結(jié)膜在待刻蝕表面上形成，即可通過重新充填儲氣罐23及打開閥門11來增加額外的氟化氫，而不必打開閥門28。此反應(yīng)只是當(dāng)閥門28打開，且室13內(nèi)的內(nèi)含物均抽出時(shí)，或當(dāng)進(jìn)入室內(nèi)的氟化氫已完全反應(yīng)時(shí)方終止。
4.低壓刻蝕的儀器和方法現(xiàn)在參考附圖，具體地說參考圖3A。該圖顯示了在低壓下進(jìn)行準(zhǔn)確刻蝕的一個(gè)較佳結(jié)構(gòu)。其主要特征是一個(gè)反應(yīng)物蒸氣的差壓泵源，在低壓下工作的瀉流元件是一個(gè)特別需要的特征，因?yàn)檫@樣硅片就不會暴露于可能在高壓下出現(xiàn)的污染物中。另外，可以使用超聲波源。
反應(yīng)物源40是充填二氟化銨的，并以加熱器47加熱以使固體氣化。它通過開口41傳送反應(yīng)物。室42及室45的壓力是足夠低的，從而使反應(yīng)物分子通過開口41至襯底時(shí)，它們只經(jīng)受少量(約0至3次)的碰撞。可通過經(jīng)開口44和46分別對室42和室45抽氣而使低壓得到保證。當(dāng)進(jìn)入的反應(yīng)物撞擊已冷卻的襯底48或微量天平49時(shí)，它們會凝結(jié)而形成氟化氫和氨的凝結(jié)層50。襯底48及微量天平與安裝器51相連接。當(dāng)反應(yīng)物在低壓下出現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生凝結(jié)所需的襯底溫度低于當(dāng)反應(yīng)物在高壓下出現(xiàn)時(shí)所需的溫度。閥門52調(diào)節(jié)經(jīng)過管53及54的冷卻劑流量。由于室45的壓力低，因此氣相內(nèi)的反應(yīng)物與凝結(jié)在襯底表面上膜內(nèi)的反應(yīng)物之間很少有交換發(fā)生。圖3b的質(zhì)量光譜是在表面上反應(yīng)物凝結(jié)期間取得的。此圖顯示了蒸氣主要含有氨和氟化氫，并含有痕量的水。水可為室壁所解吸。反應(yīng)一完成，就可通過加熱器提高襯底溫度，從而促使多余的反應(yīng)物蒸發(fā)以及與待刻蝕的層反應(yīng)?？刂破?用傳感器56監(jiān)測硅片溫度，并用閥門52和加熱器55來進(jìn)行控制。同一個(gè)控制器也監(jiān)測微量天平49的信號，并可通過傳感器57監(jiān)測室40的溫度和控制加熱器47來改變室40內(nèi)反應(yīng)物的壓力。凝結(jié)膜50的厚度可通過擋板59進(jìn)行控制。
在另一種結(jié)構(gòu)中，可將氣體(而不是固體)傳送至室40，來自固體的蒸氣可承載于氣體中，室42及室45也可被加熱。
實(shí)例1現(xiàn)在描述刻蝕二氧化硅的一個(gè)具體的儀器及摻雜工藝。不銹鋼瀉流元件在空氣中用二氟化銨充滿，然后插入由鉭外罩屏蔽的鎢絲所構(gòu)成的輻射加熱器。來自二氟化銨的蒸氣通過蓋住瀉流元件的銅襯墊中央4.5毫米直徑的孔洞。上述組合物放置于由渦輪泵抽氣的小型室內(nèi)。此組合物安裝在以渦輪泵抽氣的硅片摻雜室上。瀉流元件加熱到攝氏75至95度，而且來自二氟化銨的蒸氣凝結(jié)在攝氏零下35度的硅片上約20分鐘。雖然二氟化銨是從瀉流元件蒸發(fā)的，但表面上凝結(jié)的反應(yīng)物的組成并未確定，而且可能不是化學(xué)計(jì)量比的NH5F2。將晶片在10分鐘內(nèi)加熱到攝氏5至15度，有時(shí)，晶片同時(shí)暴露在二氟化胺的蒸氣中。圖5中所示的石英晶體頻率的降低是由于反應(yīng)物的凝結(jié)所致。在加熱開始約1600秒之后，反應(yīng)物繼續(xù)凝結(jié)，直到約2000秒，此后，多余的反應(yīng)物迅速地被解吸。二氟化銨的凝結(jié)總計(jì)約30分鐘，其中10分鐘的加熱狀態(tài)的最后3分鐘是解吸。由于含二氧化硅反應(yīng)產(chǎn)物的一層于攝氏14度的樣品溫度下不會揮發(fā)，因此B點(diǎn)的頻率略低于A點(diǎn)的頻率。在反應(yīng)產(chǎn)物解吸后，C點(diǎn)的頻率高于A點(diǎn)，這是由于此時(shí)部分氧化物已被刻蝕。
在摻雜后，硅片可直接插入基本壓力為10-9乇的UHV表面分析室內(nèi)，而未暴露在大氣中。因此，低壓氧化物去除儀器可與其它真空系統(tǒng)組合在一起。
在吸附反應(yīng)物的狀態(tài)下刻蝕用的儀器和方法本實(shí)施例一個(gè)關(guān)鍵特征是凝聚反應(yīng)物的源的溫度保持在低于反應(yīng)室內(nèi)任何其它物體的表面溫度。在這些條件下，所有來自源的分子只能吸附在表面上，凝結(jié)不成多層膜。在此狀態(tài)內(nèi)，室內(nèi)氣體的組成及含有反應(yīng)物的表面膜組成間有直接的關(guān)系。若硅片安裝器的溫度低于凝結(jié)源的溫度，那么多層反應(yīng)膜可在安裝器上形成，該安裝器可持續(xù)解吸以及產(chǎn)生即使不再由凝結(jié)反應(yīng)物源有意識地加入反應(yīng)物之后仍吸附在硅片上的氣相反應(yīng)物。若硅片表面較凝結(jié)源更冷，則刻蝕的控制將很困難。隨后多層反應(yīng)膜可在硅片表面上形成，而且刻蝕將由吸附膜范圍而進(jìn)入凝結(jié)多層膜范圍。
現(xiàn)在參考圖7和圖8，圖7和圖8給出了在吸附反應(yīng)膜范圍內(nèi)用于準(zhǔn)確刻蝕的較佳的排列方式。二氟化銨固體放置在容器134內(nèi)，該容器的溫度維持等于或低于任何暴露在二氟化銨之上的蒸氣內(nèi)的其它表面的濃度。這一點(diǎn)可通過熱電偶138控制的溫度控制罩137及控制器121a來完成。另一種方式下，熱電導(dǎo)可與容器134連接。室113的壁面包含加熱器116以使壁面的溫度維持在大于或等于容器134的溫度。熱傳導(dǎo)將罩139的溫度及硅片安裝器部分121維持在高于容器134及硅片114表面的溫度。熱電偶131、132、138及控制器121a可保證適當(dāng)?shù)臏囟?。硅?14的表面上有二種不同的二氧化硅類型，例如TEOS氧化物及熱氧化物。在最簡單的操作模式中，硅片114、二氟化銨容器134及室113均處于室溫。此時(shí)室113處于抽真空狀態(tài)，通往真空泵的閥門128處于關(guān)閉狀態(tài)，而且調(diào)節(jié)閥125及隔離閥是打開的。來自二氟化銨容器134的氟化氫及氨充滿室113，在一分鐘內(nèi)上升至“終止壓力”，此壓力約等于室溫下由壓力監(jiān)測器130所測到的氟化氫銨的蒸氣壓。終止壓力約等于源內(nèi)凝結(jié)反應(yīng)物的蒸氣壓，并由源、硅片及室三者處于同一溫度這樣一種狀態(tài)而決定的。一旦“終止壓力”已經(jīng)決定，溫度及抽氣速率即可改變，而且只要室內(nèi)壓力等于或低于硅片溫度下的終止壓力(參見下面制造系統(tǒng)的描述)，反應(yīng)可繼續(xù)停留在吸附膜范圍。在閥門10打開后，含有反應(yīng)物的單層膜或厚度更小的膜115被吸附在硅片的表面114及復(fù)蓋著二氧化硅的石英晶體微量天平(QCM)的表面120上。當(dāng)一部分的水反應(yīng)物從產(chǎn)物層脫離至室內(nèi)環(huán)境氣體中時(shí)，室內(nèi)壓力會緩慢上升而超過終止壓力。當(dāng)產(chǎn)物層形成時(shí)，經(jīng)過復(fù)蓋的QCM120的質(zhì)量增加。閥門110和125在反應(yīng)期間維持于打開的狀態(tài)。已發(fā)現(xiàn)因反應(yīng)增加的質(zhì)量大約是二氧化硅的去除而減少的質(zhì)量的二倍。這個(gè)質(zhì)量的增加可直接用于控制被刻蝕二氧化硅的數(shù)量，這是由于單單將反應(yīng)產(chǎn)物暴露在氟化氫銨蒸氣下并未將任何反應(yīng)物去除(與西野的活化材料能去除膜的作用相反)，也是由于在反應(yīng)處于吸附膜范圍時(shí)使測量變得復(fù)雜的厚反應(yīng)層并未在襯底上形成。在控制器121a確定來自QCM的信號表明所需的二氧化硅的數(shù)量已被刻除后，將閥門110關(guān)閉，開啟閥門128并開始將室116抽成真空。壓力監(jiān)測器130用于通過反應(yīng)物膜解吸期間內(nèi)升高的壓力監(jiān)測任何室內(nèi)多層反應(yīng)物膜的形成。若在室內(nèi)某處形成不需要的多層反應(yīng)物膜，則當(dāng)反應(yīng)室開始抽真空時(shí)，室內(nèi)的壓力并不會馬上下降。更有甚者，若在任何不需要的凝結(jié)反應(yīng)物膜的解吸期間反應(yīng)物壓力升得足夠高的話，則將可能發(fā)生由QCM顯示的不需要的反應(yīng)的現(xiàn)象。為了加熱硅片114，使產(chǎn)物層解吸，將在同心圓管140內(nèi)循環(huán)的熱傳送液體的溫度升高至接近攝氏100度。在產(chǎn)物解吸期間，由監(jiān)測器130測得并送至控制器121a的壓力是上升的。當(dāng)此壓力下降時(shí)，解吸即完成，然后控制器121a將在同心圓管140內(nèi)循環(huán)的熱傳送流體的溫度降至室溫或稍高于室溫。將加工完的硅片拿掉，放上新的硅片，系統(tǒng)馬上可以重復(fù)氧化物的刻蝕工藝。
按如本文討論的方法可刻除相似數(shù)量的TEOS及熱二氧化硅。并可通過改變反應(yīng)溫度或改變氟化氫氨的比率，來控制反應(yīng)產(chǎn)物的厚度，因此也可控制被刻蝕的二氧化硅的數(shù)量?？刂破?21a通過降低同心圓管140內(nèi)循環(huán)的熱傳送流體的溫度可降低控制二氟化銨反應(yīng)物溫度的罩137的溫度，并可降低安裝在固定器121上硅片114的溫度。另一種方式中，此溫度亦可升高。因反應(yīng)物凝結(jié)源的溫度再一次維持于暴露在反應(yīng)物蒸氣的每一個(gè)其它表面的溫度之下，因此室內(nèi)無凝結(jié)多層膜形成。溫控系統(tǒng)將在下面敘述。氟化氫氨的比率可通過打開閥門112及用控制器121a調(diào)整閥門127以從容器136引入氟化氫氣體的方法逐步增加，直到壓力監(jiān)測器130測到所需的氣壓為止。氟化氫可在來自氟化氫銨容器的蒸氣進(jìn)入之前或之后來添加。
其它反應(yīng)物的凝結(jié)源也可取代凝結(jié)的二氟化銨。在本實(shí)施例的一種制作方案中，復(fù)蓋有二氧化硅的石英晶體微量天平未被包括進(jìn)去，盡管采用該種天平的方法是較佳的。在此方案中，只需臨時(shí)性地使用例如QCM的適當(dāng)?shù)谋∧けO(jiān)測器來校準(zhǔn)工藝中的參數(shù)，從而使操作維持在吸附反應(yīng)物的范圍內(nèi)。
在某些制造系統(tǒng)中，可能很難將閥門128完全關(guān)閉。此時(shí)讓加熱罩137、容器134、罩139及室116的溫度高于硅片114的溫度比較有利。若閥門128一直無法關(guān)閉，則壓力將會降至終止壓力以下。由于反應(yīng)物的最佳壓力接近于終止壓力，因此加熱反應(yīng)物源134將可使壓力升高到終止壓力。然而這樣一來本發(fā)明將會在低于終止壓力10倍至20倍以下的壓力下工作。反應(yīng)物將不斷地自源134流入室內(nèi)，并自閥門128流出。對閥門128可關(guān)閉的系統(tǒng)或具有未復(fù)蓋二氧化硅的QCM晶體的系統(tǒng)的測試可使制造系統(tǒng)的快速校準(zhǔn)成為可能，從而可在避免多層反應(yīng)物膜凝結(jié)的同時(shí)在最佳終止壓力下操作。
圖11表示的是本發(fā)明實(shí)施例襯底上的各層及膜。
溫度控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)最好將硅片表面維持于與反應(yīng)氣體接觸的最低溫的表面，以避免凝結(jié)多層膜將在硅片安裝器的任何其它部分上形成的可能性。溫度控制系統(tǒng)也應(yīng)提供一種便利的方式于攝氏-40度至100度之間對硅片進(jìn)行冷卻或加熱，從而可通過氟化氫及氨的處理來去除二氧化硅。圖8給出了這樣一種溶液，該溶液使用充滿熱傳導(dǎo)流體的同心圓管，該圓管的中央有冷卻的導(dǎo)入管，外側(cè)則為較熱的回流管。這樣，較熱的外側(cè)管與反應(yīng)氣體接觸。有二個(gè)溫度控制階段(phase)。在第一階段，晶片的溫度低于100℃，并發(fā)生氧化物層的反應(yīng)。在第二階段，將晶片加熱至攝氏100℃以去除產(chǎn)物層。來自溫控循環(huán)器150的流體冷卻至第一階段的低溫。流體按箭頭方向流動。閥門152是關(guān)閉的，以使流體流經(jīng)閥門151并進(jìn)入內(nèi)部同心圓管155。內(nèi)部管155傳送流體到硅片安裝器的內(nèi)側(cè)接近硅片114的背面。此流體按箭頭方向流動，并回到外部同心圓管140。它通過室壁157，并回到循環(huán)器150內(nèi)。在此種方式中，由于沒有流體流經(jīng)加熱器，因此通過控制器121a供應(yīng)至連線的加熱器154的能量變低。在第二種方式中，硅片114的溫度必須升高到接近熱電偶158所測得的攝氏100度?？刂破?21a將閥門151關(guān)閉并打開閥門152，以使流體必須流經(jīng)流量限制器153，然后流經(jīng)已連線的加熱器154。熱電偶156用來監(jiān)測離開加熱器154的流體溫度?？刂破?21a調(diào)整供應(yīng)至加熱器154的能量或通過流量限制器的流動速率，直到熱電偶156測得的溫度接近100度。
薄膜監(jiān)測器本發(fā)明使用二種膜監(jiān)測器。一種是監(jiān)測表面上的膜，另一種是監(jiān)測表面被氣相所解吸的膜。為了發(fā)揮其作用，表面膜監(jiān)測器必須能監(jiān)測厚度低于700埃的膜。石英晶體微量天平是較佳的，這是由于它的高靈敏度、膜絕對厚度可準(zhǔn)確校準(zhǔn)及使用的簡易，但橢圓儀及撞擊表面的紅外線束也可監(jiān)測表面膜并有助于其控制。也可使用其它的監(jiān)測裝置。有一種壓力監(jiān)測器可監(jiān)測解吸成氣相的膜。任何可監(jiān)測毫乇以下范圍的壓力傳感器是較佳的。然而，通過反應(yīng)室的紅外線束或質(zhì)量光譜儀亦可用于監(jiān)測室內(nèi)壓力的變化。
這些監(jiān)測器以多種方式有助于刻蝕的控制。例如，在吸附膜范圍內(nèi)以氨及氟化氫刻蝕二氧化硅時(shí)，產(chǎn)物膜的數(shù)量與被刻蝕的二氧化硅的數(shù)量成正比。此膜可在表面上通過監(jiān)測得知，而且反應(yīng)可通過控制器加以終止。在其它刻蝕系統(tǒng)中，可決定凝結(jié)的開始，且膜厚的改變也可通過監(jiān)測得知，因此反應(yīng)物的準(zhǔn)確數(shù)量及準(zhǔn)確的存留時(shí)間都可通過控制器得到確保。復(fù)蓋著二氧化硅的QCM可監(jiān)測二氧化硅的損耗。
通過解吸而進(jìn)入氣相的膜監(jiān)測器可決定不需要的膜是否凝結(jié)在室內(nèi)某處;若凝結(jié)，則控制器可改變溫度以消除此類膜。監(jiān)測器也可確保所有的產(chǎn)物膜都被解吸。
微量天平的使用石英晶體微量天平(QCM)的頻率用具有多通道定標(biāo)器的個(gè)人電腦記錄為時(shí)間的函數(shù)，該電腦與實(shí)施例中描述的控制器組合在一起。微量天平的振蕩器通過高頻扼流圈由恒溫器穩(wěn)定的5伏電源來供電。在電壓饋線上的振蕩信號是與多通道定標(biāo)器耦合的AC。
圖5顯示了到達(dá)二氧化硅的氟化氫和氨的混合物的反應(yīng)物層凝結(jié)期間的微量天平信號。例如用于確定圖5中A點(diǎn)與B點(diǎn)的頻率差的靜態(tài)頻率測量是在同一溫度下進(jìn)行的，以消除溫度對晶體共振頻率的微小影響。靜態(tài)頻率測量用較準(zhǔn)確的恒溫器穩(wěn)定的頻率計(jì)數(shù)器而不是多通道定標(biāo)器來進(jìn)行的。QCM頻率在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中可穩(wěn)定至數(shù)十分之一赫。
石英晶體微量天平用于決定吸附層、反應(yīng)層及被去除的二氧化硅的厚度。圖5中所示的測得的頻率必須轉(zhuǎn)化為厚度。一個(gè)關(guān)于晶體頻率及沉積厚度的米勒(Miller)及波爾夫(Bolef)方程式的簡化形式是T＝(Nqdq/dffc)｛(1/πZ)tan-1(Z tan[π(fq-fc)/fq])｝ (1)其中Nq對石英晶體而言是1.668×1013赫茲·埃，dq為石英密度，df是沉積膜的密度，fc是晶體所測得的共振頻率，fq為未復(fù)蓋晶體的共振頻率，而Z為石英晶體與沉積膜的聲阻抗比。由于石英晶體上的薄層主要是濺射的二氧化硅，因此在方程式(1)中對熔融硅而言用1.07的Z及2.2克/立方厘米的密度。對Z接近1的薄層而言，在本文描述的實(shí)驗(yàn)中，｛｝括號內(nèi)的表達(dá)式與(fq-fc)/fq并不會有太大的差距。二氟化銨或氟化氫銨的密度是1.5克/立方厘米。對于六氟硅酸銨產(chǎn)物12，其密度取二種已知晶體形態(tài)的密度的中間值，即2.08克/立方厘米。二氧化硅復(fù)蓋晶體與二氧化硅、二氟化銨與六氟硅酸銨間的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.565埃/赫茲、0.83埃/赫茲與0.6埃/赫茲。
“反應(yīng)物的凝結(jié)或解吸對反應(yīng)的發(fā)生是必須的”的證明本文所述的反應(yīng)類型的一個(gè)特點(diǎn)是隨溫度的升高反應(yīng)速率減少。在低溫下，反應(yīng)物可凝結(jié)形成厚的多層膜。隨著溫度上升到凝結(jié)溫度之上，多層膜不再形成，但分子在再蒸發(fā)之前將繼續(xù)在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)吸附在表面上。吸附反應(yīng)物的數(shù)量將隨溫度上升而下降。對復(fù)蓋與未復(fù)蓋的QCM晶體所作的實(shí)驗(yàn)肯定了在溫度很高以至于不能形成多層膜的凝結(jié)的情況下反應(yīng)仍繼續(xù)發(fā)生。使用瀉流元件為氨及氟化氫反應(yīng)物的低壓源并且將二氧化硅表面置于低溫中，本實(shí)驗(yàn)顯示了氣體反應(yīng)物不與表面直接反應(yīng)。
圖5中的摻雜曲線所示的QCM頻率的下降速率給出反應(yīng)物撞擊表面的通量約為7埃/秒的最低限度的估計(jì)。當(dāng)復(fù)蓋二氧化硅的QCM暴露在此反應(yīng)物通量中于攝氏18.3度下放置6分鐘或于攝氏100度下放置20分鐘時(shí)，頻率的變化將低于1赫茲或2赫茲。這說明表面上幾乎沒有反應(yīng)物凝結(jié)，以及與二氧化硅幾乎沒有反應(yīng)。
在不受任何特定的理論的限定情況下，對觀察到的在反應(yīng)物的凝結(jié)或吸附之后可進(jìn)行二氧化硅的去除這一現(xiàn)象有二種可能的解釋。一種解釋是凝結(jié)將使表面反應(yīng)物的濃度升高到氣相反應(yīng)物的好幾個(gè)數(shù)量級以上的程度。凝結(jié)在冷卻的QCM上的氨及氟化氫的濃度約26摩爾/升，而落在加熱的QCM上的氣相反應(yīng)物的通量估計(jì)其濃度約為10-10摩爾/升。反應(yīng)可以在比氣相更高的速率下在凝結(jié)相中發(fā)生的第二個(gè)原因是當(dāng)凝結(jié)時(shí)反應(yīng)物的形式會改變，具體來說，可形成離子。高介電常數(shù)的溶劑可有效地穩(wěn)定離子及具有離子特性的反應(yīng)過渡狀態(tài)。最高的介電常數(shù)溶劑是諸如水、氨及氟化氫等的氫鍵溶劑，這是由于極性氫鍵可在離子附近重新取向以提供額外的穩(wěn)定性。氟化氫在水中的溶液可導(dǎo)致氟化氫離子、HF2-的形成，此種離子與二氧化硅的反應(yīng)性5倍于氟化氫與二氧化硅的反應(yīng)性。紅外線光譜可監(jiān)測到含氨及氟化氫的凝結(jié)層內(nèi)的HF2-。HF2-與含氟化氫及氨的凝結(jié)膜內(nèi)氟化氫的相對反應(yīng)性則還不知道。
通過使用凝結(jié)固態(tài)層的刻蝕控制雖然已觀察到六氟硅酸銨是二氧化硅在含氟化氫的溶液或等離子體中反應(yīng)后的反應(yīng)產(chǎn)物，但我們發(fā)現(xiàn)六氟硅酸銨產(chǎn)物層可用于控制氟化氫與二氧化硅的反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)來自于當(dāng)已知厚度的產(chǎn)物層由氨及氟化氫氣體的前驅(qū)體形成在氧化物表面上時(shí)對二氧化硅反應(yīng)速率的測量。溶液中或在等離子體中反應(yīng)形成的產(chǎn)物可通過離子轟擊而溶解或去除，從而消除它們于控制反應(yīng)性方面的有效性。使用凝結(jié)層控制表面的反應(yīng)性的方法可應(yīng)用在非氟化氫及氨的凝結(jié)膜內(nèi)氟化氫與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)的系統(tǒng)中。
當(dāng)產(chǎn)物的固態(tài)層在表面上形成時(shí)，那么已去除的刻蝕層數(shù)量可由反應(yīng)膜于待刻蝕層材料的反應(yīng)速率及反應(yīng)物通過固態(tài)層的擴(kuò)散速率的組合來決定。由于產(chǎn)物的固態(tài)層已形成，因此必須在反應(yīng)終止后加熱襯底以去除已反應(yīng)的層。
表面上已反應(yīng)的層的出現(xiàn)可改善對氟化氫與二氧化硅層反應(yīng)的控制。氟化氫必須通過已反應(yīng)層以到達(dá)未反應(yīng)的二氧化硅。圖9顯示出氟化氫與二氧化硅的反應(yīng)速率在已反應(yīng)層的厚度增加時(shí)則隨時(shí)間推移而下降。在長時(shí)間的暴露中，氟化氫通過已反應(yīng)層的擴(kuò)散速率接近零，且反應(yīng)實(shí)質(zhì)上已終止。因此，去除的氧化物的數(shù)量更多地被氟化氫固有的擴(kuò)散通過已反應(yīng)層的能力而不是被它與氧化物表面的反應(yīng)性所控制。圖10比較了在二氧化硅表面與反應(yīng)物氟化氫銨源同處于攝氏25度時(shí)TEOS和熱氧化物的刻蝕情況。從圖10可很清楚地看到，在開始較短的時(shí)間內(nèi)，TEOS氧化物比熱氧化物較多地發(fā)生反應(yīng)，這是由于此時(shí)反應(yīng)速率是由氧化物固有的反應(yīng)性而不是由擴(kuò)散所控制。在約70埃的厚度發(fā)生反應(yīng)后，上述二種氧化物發(fā)生反應(yīng)的數(shù)量趨于相似，這是由于此時(shí)反應(yīng)物通過產(chǎn)物層的擴(kuò)散速率占了主要地位。由此可見，從不同類型的氧化物上刻去相似的數(shù)量可不必等待刻蝕到“自限厚度”。
用以限制反應(yīng)速率的反應(yīng)物擴(kuò)散所需的已反應(yīng)層厚度可通過改變反應(yīng)溫度而進(jìn)行控制。當(dāng)溫度降低時(shí)，擴(kuò)散速率也降低，則自限反應(yīng)厚度變薄。這一點(diǎn)可以從下面所述得到證明當(dāng)溫度為攝氏零下35度時(shí)，暴露在來自氟化氫銨的蒸氣下的數(shù)千凝結(jié)層經(jīng)數(shù)分鐘后僅去除幾十埃的二氧化硅。
另外，被刻蝕的二氧化硅的數(shù)量可通過改變二氧化硅表面上氣體內(nèi)氟化氫與氟的比率而進(jìn)行控制。純氟化氫刻蝕二氧化硅時(shí)沒有“自限”過程。需要氨以形成六氟硅酸胺產(chǎn)物。在純氟化氫的無限厚度與氟化氫銨(氟化氫氨＝2)所得厚度之間的刻蝕厚度可通過改變氧化物表面上的氣體內(nèi)氟化氫與氨的比率而獲得。
一種特別好的使圖1所示的鉆蝕最小的方法是采用產(chǎn)物層控制的方法。另外，可以選擇自限厚度以符合層2的厚度。
已反應(yīng)層的特性表征當(dāng)二氧化硅與凝結(jié)氟化氫銨接觸時(shí)，凝結(jié)氟化氫銨中的氟化氫與二氧化硅的反應(yīng)與其在水溶液中的反應(yīng)相似，即SiO4+4HF＝SiF4+2H2O。然而，產(chǎn)生的SiF4并未被釋放至溶液中，它被抓住且在凝結(jié)膜中反應(yīng)產(chǎn)生六氟硅酸銨，(NH4)2SiF6。六氟硅酸銨可在已反應(yīng)層的紅外線光譜中觀察到。微量天平的結(jié)果也顯示出已反應(yīng)層的出現(xiàn)。在氨與氟化氫凝結(jié)以后，因未反應(yīng)的多余物的解吸產(chǎn)生101赫茲的頻率下降，這相當(dāng)于數(shù)千埃厚的氨及氟化氫層剛開始凝結(jié)84埃的反應(yīng)。圖5中，接近2000秒點(diǎn)的最小頻率約相當(dāng)于8700埃的起始層。在加熱到攝氏100度以后，將會出現(xiàn)103赫茲的共振頻率的增加，相當(dāng)于去除58埃的二氧化硅。硅的含反應(yīng)產(chǎn)物分子的熱解吸光譜顯示于圖6中。在質(zhì)量47、85、33、48、86、49及47的峰值處的相同的與時(shí)間的關(guān)系表明它們是同時(shí)從已反應(yīng)層釋放的，而且上述質(zhì)量是SiF4的預(yù)期質(zhì)量。質(zhì)量85、86、87來自含有質(zhì)量為28、29、30硅同位素的SiF3+，質(zhì)量47、48、49來自SiF+，而且質(zhì)量33是SiF2++。這些熱解吸光譜是與六氟硅酸銨的已反應(yīng)層因熱分離而釋放的SiF4相一致的。從未反應(yīng)的二氧化硅層開始，來自完全由六氟硅酸銨所構(gòu)成的已反應(yīng)層的微量天平頻率的下降是因二氧化硅的去除而增加的頻率的兩倍。產(chǎn)物層亦可通過在諸如水之類的溶液中漂洗而去除。
某些應(yīng)用需要在低壓(10-3乇至10-10乇)的室內(nèi)或連接到低壓下操作的反應(yīng)室的室內(nèi)進(jìn)行刻蝕工藝。另外，反應(yīng)物的差壓泵源除了可進(jìn)行上述的低壓操作外，還提供了以下的優(yōu)點(diǎn)反應(yīng)物的傳送具有方向性以使鉆蝕最小或使硅片上的高縱橫比結(jié)構(gòu)滲透，而且可對襯底上沉積反應(yīng)物的數(shù)量，即被刻蝕層的數(shù)量，進(jìn)行簡單的控制。由于離開此類源并撞擊待刻蝕硅片表面的反應(yīng)物的通量隨時(shí)間是恒定的，而且受反應(yīng)室內(nèi)氣體分子間碰撞的影響不大，因此沉積數(shù)量可簡單地通過圖3所示的準(zhǔn)確定時(shí)的擋板59的開啟或可取代擋板的閥門來進(jìn)行控制。反應(yīng)物源可以是上面所述的在低壓下操作的瀉流源、超聲波分子束源或其它在源與硅片間幾乎沒有碰撞的情況下工作的源。
在不同的操作模式下有幾種不同的溫度狀態(tài)?，F(xiàn)在描述一些關(guān)于襯底、室及源的溫度的重要方面。
由于反應(yīng)物的蒸氣壓隨溫度而增加，所以上面描述的低壓操作需要相當(dāng)?shù)偷囊r底溫度。在上面所述的使用氨及氟化氫或氟化氫銨的實(shí)例中，必須降低溫度以方便反應(yīng)物凝結(jié)，然后升高溫度以方便反應(yīng)產(chǎn)物的蒸發(fā)。于固定溫度下操作是不可能的。襯底的冷卻和加熱都是需要的，雖然圖中所示為加熱線圈(如圖3中為加熱器55)，但是任何形式的加熱都是可以的，具有快速加熱的性能是最好的。加熱時(shí)間的范圍可以是從使用激光的數(shù)毫微秒一直到使用較常規(guī)方法的數(shù)秒。一些可能的加熱器包括來自激光或燈的脈沖光、阻抗加熱器、感應(yīng)加熱器或者電子或離子束加熱器等。
另一種需要的操作模式是不需要溫度循環(huán)的模式。在使用氣相氟化氫及氨去除氧化物的情況中，溫度必須固定在反應(yīng)產(chǎn)物解吸所需的值以上。圖6顯示最佳溫度數(shù)值在攝氏50度至150度的范圍內(nèi)。隨后讓氨及氟化氫的可控制的數(shù)量在選定溫度值下所發(fā)現(xiàn)的固態(tài)氟化銨或氟化氫銨的平衡壓力以上進(jìn)入，以使凝結(jié)或吸附在待刻蝕表面上形成。雖然對于采用凝聚的氨和氟化氫進(jìn)行二氧化硅的刻蝕來說，攝氏50度至100度并不比室溫高很多，但也會有需要使溫度遠(yuǎn)高于室溫的情況。例如，當(dāng)反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物并非很具揮發(fā)性時(shí)，讓反應(yīng)物源、待刻蝕襯底及室的濃度遠(yuǎn)高于室溫是有利的。當(dāng)硅片的溫度低于攝氏零下35度至零下40度時(shí)，來自氟化氫銨容器的蒸氣中的分子將粘著于它們撞擊硅片的位置上。由于蒸氣壓約低于10-8乇，因此可將再蒸發(fā)忽略，而且其固定系數(shù)相當(dāng)高。當(dāng)硅片處于比攝氏零下35度高的溫度時(shí)，其它較不揮發(fā)的反應(yīng)物將粘著在它們撞擊之處。較易揮發(fā)的反應(yīng)物將需要更低的硅片溫度。
雖然本文中討論的反應(yīng)被設(shè)計(jì)用于從硅上去除氧化物，但是其它的組合也是可以的。例如，一些通常與水溶液共用的不同化學(xué)過程也可使用于準(zhǔn)確刻蝕的本發(fā)明的裝置中。
某些具體的源包括來自固態(tài)二氟化銨的氣相蒸氣;氟化氫、氨及水的溶液;氟化氫、氨及水的分立的源;氟化氫及氨的分立的源;與氟化氫的氣相或溶液源相結(jié)合的氨/水溶液等。也可使用非水溶液，例如可用乙醇代替水?；诜瘹涞幕瘜W(xué)過程可用于從硅以外的襯底去除氧化物。例如，在許多硅化物上形成的二氧化硅可與含氟化氫的凝結(jié)層反應(yīng)。二氧化硅之外的其它氧化物可與含氟化氫及氨或水的凝結(jié)膜反應(yīng)。例如，實(shí)驗(yàn)表明包括來自二氟化銨固體的蒸氣的氟化氫蒸氣的化學(xué)過程可去除含鍺的氧化物，即使是純氧化鍺也會反應(yīng)。
應(yīng)注意的是，有一些低壓或高溫的化學(xué)過程使用一種含銨離子的固體源或含氨及一種酸的分立源。氨似乎是相當(dāng)獨(dú)特的，因?yàn)榘本哂懈哒魵鈮?，然而與酸反應(yīng)形成的含銨離子固體的揮發(fā)性又不很強(qiáng)。因此，可有許多刻蝕氧化物以外的薄膜的水溶液化學(xué)過程顯示出與在含氨的凝結(jié)膜內(nèi)相似的反應(yīng)。當(dāng)刻蝕材料時(shí)，并沒有必要去刻蝕大量的材料。例如，痕量的金屬污染的去除可通過本發(fā)明的儀器和方法來完成。
雖然較佳的實(shí)施例中使用的是穩(wěn)定性的分子，但反應(yīng)物供應(yīng)源可以是將來自源或室內(nèi)的前驅(qū)體進(jìn)行合成的放電源。
已用較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到在實(shí)踐本發(fā)明時(shí)可在后附的權(quán)利要求書的范圍的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行改動。例如，此裝置和方法可用于制備襯底表面上單層或局部層的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。即，以來自二氟化銨的蒸氣自硅上去除氧化物將留下含硅-氟的表面層。在用來自二氟化銨的蒸氣處理后接著用水處理將可去除硅-氟，并以其它的化學(xué)材料取代之。
應(yīng)注意的是，雖然較佳實(shí)施例描述的是反應(yīng)室內(nèi)的單個(gè)晶片，但是對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說可輕易地將本發(fā)明同時(shí)應(yīng)用在反應(yīng)室內(nèi)的多個(gè)晶片的處理上。
權(quán)利要求
1.一種刻蝕裝置，其特征在于包括下列組成一個(gè)反應(yīng)室；向反應(yīng)室提供反應(yīng)物的裝置；襯底上的一種材料，該材料可為該反應(yīng)物所刻蝕；用于在反應(yīng)室內(nèi)支撐所述襯底的裝置；由形成在該材料表面上的所述反應(yīng)物構(gòu)成的膜；控制該膜的性質(zhì)及持續(xù)時(shí)間的裝置；其中，這些組成的設(shè)置要使當(dāng)將該反應(yīng)物供應(yīng)至反應(yīng)室時(shí)，該反應(yīng)物在該材料的表面上形成膜，該膜的性質(zhì)及持續(xù)時(shí)間由所述控制裝置控制，以便所述膜可導(dǎo)致去除所述襯底上的所述材料的準(zhǔn)確控制的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是所述膜是反應(yīng)物分子的凝結(jié)層或吸附層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是用以控制該凝結(jié)膜的裝置包含一冷卻裝置以確保反應(yīng)室內(nèi)最冷點(diǎn)在襯底處。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是用以控制該凝結(jié)膜的裝置包含一連接在該室周圍壁面的加熱裝置，以使該壁面的溫度較反應(yīng)室內(nèi)任何凝結(jié)材料的溫度都高。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是用以控制該凝結(jié)膜的裝置包含一個(gè)放置于該供應(yīng)反應(yīng)物的裝置及該室之間的具有閥門的儲氣罐，從而當(dāng)該閥門迅速打開時(shí)，準(zhǔn)確數(shù)量的所述反應(yīng)物可迅速地從該儲氣罐進(jìn)入該室。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是還包括一個(gè)與室連接的真空泵。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是用以控制該凝結(jié)膜的裝置包含一個(gè)計(jì)算機(jī)以及使所述計(jì)算機(jī)能進(jìn)行預(yù)定操作的一個(gè)程序裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述反應(yīng)物包含單個(gè)的或多個(gè)的氣相分子。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是用以控制該凝結(jié)膜的裝置包含一個(gè)與支撐所述襯底的裝置相連接的加熱裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征是所述反應(yīng)物包含氟化氫、水、氨、二氟化銨的分子或其組合物。
11.一種用于刻蝕的方法，其特征在于包括以下步驟a)將具有待刻蝕材料的襯底支撐在真空室中;b)在足夠的壓力下讓含反應(yīng)物的氣體流入該室內(nèi)，以在該材料的表面上形成反應(yīng)物膜;c)控制該材料表面上該膜的組成及存留時(shí)間以刻蝕該襯底上準(zhǔn)確數(shù)量的該材料;以及d)自室內(nèi)或該襯底的表面將不需要的反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物去除。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征是該膜是反應(yīng)物分子的凝結(jié)或吸附層，而且該凝結(jié)或吸附膜的存留時(shí)間及組成的控制包括將該襯底的溫度維持于低于室內(nèi)任何其它表面溫度的溫度，以幾乎完全消除在任何該表面上該反應(yīng)物的凝結(jié)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征是該凝結(jié)膜的存留時(shí)間及組成的控制包括讓反應(yīng)物在足夠高的速率下進(jìn)入，以使該反應(yīng)物凝結(jié)的起始時(shí)間的不確定性為最小。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征是該凝結(jié)膜的該存留時(shí)間及組成的控制是使用微量天平以監(jiān)測反應(yīng)膜的出現(xiàn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征是該控制包括讓準(zhǔn)確數(shù)量的該反應(yīng)物進(jìn)入經(jīng)一個(gè)關(guān)閉的閥門與泵連接的反應(yīng)室內(nèi)，直到該室內(nèi)的反應(yīng)物與待刻蝕材料充分反應(yīng)，之后打開該閥門。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征是用于控制該膜的該裝置是石英晶體微量天平或橢圓儀。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征是供應(yīng)該反應(yīng)物的裝置是未加熱的固態(tài)氟化氫源，包括二氟化銨或氟化銨。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征是該膜的存留時(shí)間及組成的控制包括在維持一個(gè)凝結(jié)源的溫度在低于或等于襯底溫度的情況下將反應(yīng)室抽真空，打開源而且通過關(guān)閉隔離閥門讓室與泵隔離，這樣室內(nèi)的壓力將迅速上升至終止壓力，然后在所需的反應(yīng)程度已達(dá)到后將室關(guān)閉。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征是使用一個(gè)凝結(jié)源而不加入隋性氣體，這樣來保證有一個(gè)反應(yīng)物流，因?yàn)榧訜峒皩κ页檎婵帐强梢约右赃x擇的，因此可通過調(diào)整抽氣速度、源溫度以及反應(yīng)物講入室內(nèi)的流動速率以使進(jìn)入室內(nèi)的壓力維持在終止壓力或10倍的終止壓力內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過控制含反應(yīng)物的薄膜的表面存留時(shí)間、厚度及組成來進(jìn)行薄膜的精確刻蝕和去除的新的裝置和方法，并以應(yīng)用石英晶體微量天平在低壓下對二氧化硅的刻蝕為例作了說明。顯示了本發(fā)明在微電子器件制造中的實(shí)用性。
文檔編號H01L21/00GK1088272SQ9311447
公開日1994年6月22日 申請日期1993年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月9日
發(fā)明者靳舒金, 韋斯利·C·納特茲, 吳心帆 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司