CN1644483A - 蚀刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种蚀刻方法，其允许从微细蚀刻孔中以足够的速率蚀刻并除去牺牲层，由此可形成具有大中空部分或复杂构造的空间部分的结构，以及具有高纵横比且具有优异形状准确性、并不使表面状态变差的结构。在蚀刻方法中，使工件暴露于含有蚀刻反应物的处理流体中，且处理流体保持在其相对于工件流动的状态。这种状态下，在工件表面上，照射光间歇地照射以间歇地加热工件。由此，工件附近的处理流体被间歇地加热，从而膨胀或收缩以蚀刻。作为处理流体，可优选使用含有蚀刻反应物的物质和处于超临界状态的物质。

Description

蚀刻方法
技术领域
本发明涉及蚀刻方法，特别涉及应用于半导体器件或微电机的制造中的蚀刻方法，一种牺牲层(sacrificing layer)被选择性地蚀刻并除去以形成精细的三维结构。
背景技术
随着微型化技术的发展，微电机(微型电动机械系统：MEMS)和其中装配有微电机的小器件引起了人们的注意。微电机是电气地和机械地组合了由诸如硅基板或玻璃基板的基板上形成的三维结构而制得的移动部分和控制对移动部分的驱动的半导体集成电路等的元件，并构成共振器元件等如光学元件和FBAR(膜本体声共振器(Film Bulk Acoustic Resonator))。
迄今为止，在这种微电机和半导体领域中，一种方法以这样的方式进行：在基板上预先形成牺牲层，在牺牲层之上形成结构层，然后进行图案化(pattern)，随后选择性地蚀刻并除去牺牲层，由此形成在图案化结构层的下面布置有中空部分的三维结构或者具有高纵横比的三维结构。作为牺牲层，使用二氧化硅(SiO2)或硅(Si)，且当牺牲层被蚀刻并除去时，使用可迅速地且选择性地蚀刻牺牲层的蚀刻剂来进行蚀刻。例如，对于由二氧化硅形成的牺牲层，用含氟(F)蚀刻液体来进行蚀刻，而对于由硅形成的牺牲层，用蚀刻气体如气态氟化氙(XeF2)或者氟化溴(BrF3)来进行蚀刻。
此外，例如，对于在结构层之下形成有中空部分的三维结构，首先，如图6A中所示，在基板1上部将牺牲层2图案化，且形成结构层3以便覆盖在基板1和牺牲层2上。其次，根据所需将结构层3图案化成一种形状，且在结构层3中形成到达牺牲层2的蚀刻孔3a。随后，如图6B中所示，通过蚀刻孔3a蚀刻且除去牺牲层。由此，可得到在结构层3之下具有中空部分a的三维结构。
此外，对于制造半导体器件时形成圆柱形电容器的下部电极而言，首先如图7A中所示，在基板1上，形成第一牺牲层2，接下来对其配置孔图案2a，此外沉积下部电极层5覆盖孔图案2a的内壁。随后，为了填充孔图案2a的内部，在下部电极层5上进一步沉积第二牺牲层6，接下来抛光并除去牺牲层6的顶端部分和其下的下部电极层5，由此形成圆柱形的下部电极层5。此后，如图7B中所示，选择性地蚀刻并除去牺牲层2和6，且由此在基板1上作为三维结构而形成圆柱形下部电极5a。
对于用化学液体作蚀刻剂的上述蚀刻方法而言，在其干燥处理过程中，有时，蚀刻形成的结构(如下部电极)由于漂洗液体的表面张力而损坏。作为对此问题的阻止方法，已提议一种方法，其中在用结合了气体扩散性和液体溶解性的超临界流体替换漂洗液体之后，使该超临界流体汽化。特别地，对于浸透图案的漂洗液体而言，在用液体二氧化碳替换漂洗液体之后，对其上形成图案的基板进行加热，从而将图案加热到高于填充液体二氧化碳的容器内部温度的温度，图案中残留的漂洗液体可快速释放到外面(JP-A NO.2002-313773)。
此外，还提出了一种方法，其中当用超临界流体中包含蚀刻反应物(etching reaction species)的处理液体进行蚀刻时，干燥处理可以是不必要的。
然而，这样的蚀刻方法具有下述的问题。例如，在形成具有图6A和图6B所示中空部分a的三维结构时，因为根据蚀刻形成的中空部分a变得比蚀刻孔3a更大，这使得难以通过蚀刻除去牺牲层2。此外，在如图7A和7B所示的三维结构(圆柱形电容器的下部电极)中，因为圆柱形状的纵横比变得更大，使得难以蚀刻并除去牺牲层2和6。
这是因为下面所述的蚀刻机制。也就是说，随着蚀刻牺牲层2和6的进行，包含于蚀刻剂中的蚀刻反应物被消耗。因此，为了进一步进行蚀刻，有必要从蚀刻孔中除去含有被减活化的蚀刻反应物的蚀刻剂，并从蚀刻孔中供应新的蚀刻剂。然而，随着蚀刻的进行，中空部分a变得更大且圆柱形状的纵横比变得更高；因此，这使得难以通过微细的蚀刻孔交换蚀刻剂，且蚀刻剂对被蚀刻部分的替换效率变低。结果，随着蚀刻的进行，对牺牲层2和6的蚀刻速率明显降低，且这使得难于蚀刻并除去牺牲层2和6。
如上所述，在牺牲层2和6变得难以完全蚀刻且除去，从而产生牺牲层2和6的残余物的情况下，蚀刻的形状准确性，即，三维结构的形状准确性降低。因此，具有三维结构的微电机或者半导体器件的操作性能变差。
此外，由于上述的蚀刻速率降低，蚀刻时间在整体上延长了；因此，即使对结构层的表面，也施加了蚀刻的影响，从而，有时拥有三维结构的微电机的性能变差。例如，在光调制微电机中，结构层的表面由光反射层如铝膜等形成。这种情况下，当铝膜表面受到蚀刻的影响时，难以获得原来的反射性能。
发明内容
在这种情况下，本发明旨在提供一种蚀刻方法，其允许以足够的速率从微细蚀刻孔中蚀刻且除去牺牲层，由此可形成具有大中空部分或者具有复杂构造的空间的结构，以及具有高纵横比并具有优异的形状准确性且不使表面状态变差的高纵横比的结构。
在为达到这一目的的根据本发明的蚀刻方法中，使工件(work)暴露于含有蚀刻反应物的处理流体中，将光间歇地照射在工件的表面上以进行加热。由此，工件附近的处理流体被间歇地加热，从而膨胀或收缩。此时，将处理流体保持在相对于工件流动的状态。
在这样的蚀刻方法中，用光间歇地照射工件的表面，由此工件附近的处理流体由于来自工件的热传导而被间接地加热。因此，处理流体从与工件接触的那一侧被有效地加热并膨胀。由于这种膨胀，工件附近的处理流体的密度降低。因此，即使当工件在其表面侧上具有中空部分时，或者即使当工件具有孔或槽时，中空部分、孔或槽中的处理流体也从与处理流体接触的工件表面受热并膨胀，并由此从中空部分、孔或槽排空。此外，由于热是间歇地施加的，在两次加热之间，工件的热量被工件自身和相对于工件流动的处理流体所消散。热消散之后，中空部分、孔或槽中的处理流体冷却且收缩，流动地供应到工件表面、且含有新的蚀刻反应物的处理流体被强制引入到中空部分、孔或槽中，以替换处理流体。因此，由于因光照射而导致的间歇加热，重复且有效地进行对处理流体的上述强制替换。结果，可保持中空部分、孔或槽中的蚀刻速率。
因而，根据本发明的蚀刻方法，可进行蚀刻而不在具有复杂形状或者比蚀刻孔大的中空部分中、以及此外的具有高纵横比的孔或槽中留下牺牲层。由此，可获得对蚀刻形状精度的改善，且由于可以缩短蚀刻时间，所以可以表面性质因蚀刻而变差。结果，例如，可改善拥有三维结构部分的微电机或半导体器件的操作性能。
附图说明
图1是用于根据实施例的蚀刻方法中的加工装置的构造图。
图2是示出了根据实施例的蚀刻方法的流程图。
图3是示出了根据实施例的蚀刻方法中照射光的间歇照射的曲线图。
图4A和4B是说明根据实施例的蚀刻方法的效果的图。
图5是示出了根据实施例的蚀刻方法的效果的曲线图。
图6A和6B是说明现有的蚀刻方法的示例的截面图。
图7A和7B是说明现有的蚀刻方法的另一示例的截面图。
具体实施方式
在下文中，将说明根据本发明的蚀刻方法的实施例。在说明蚀刻方法的实施例之前，先说明优选用于蚀刻器件中的加工装置的构造的实施例。
(加工装置)
图1是示出了用于本发明蚀刻方法中加工装置的一个例子的示意构造图。加工装置具有在那里进行蚀刻的处理室11。在处理室11中，可容纳作为工件的基板S，且其内部的温度可保持在预定值。此外，在面对容纳于处理室11中的基板S表面(即要被蚀刻的表面)的位置上，放置有传送照射在基板S上的照射光(如激光或灯光)h的光学窗口12。对于光学窗口12，可优选使用已知的合成石英或萤石。
此外，通过阀b，排气管13和流体供应管14连接到处理室11，由此形成处理室11的内部，以便保持预定的压强气氛。其中，通过泵15，二氧化碳(CO2)罐16连接到流体供应管14，以在预定压强下将CO2供应到处理室11的内部。此外，与泵15和流体供应管14之间的连接管17平行，通过阀b连接混合罐18。通过阀b，供应夹带剂(entrainer)如蚀刻反应物(如氢氟酸蒸汽和水蒸汽)或溶解性试剂的供应源19连接到混合罐18，且混合罐18中在预定温度和压强下存储有其中夹带剂以预定浓度散布(溶解)于CO2中的处理流体L。
此外，对该加工装置，放置以脉冲形式振荡出照射光h的光源21。在从光源21照射的照射光h的光路上，从光源21的一侧依次放置衰减器22、准直仪23和两个可自由移动的镜子24和25。由于这两个镜子24和25，以脉冲形式从光源21振荡出的照射光h传送到光学窗口12，并照射到容纳于处理室11中的基板S的表面上，而且由于这两个镜子24和25的驱动，照射光h扫描基板S的整个表面区域。此外，通过使用衰减器22和准直仪23，将照射到基板S上的照射光h的能量密度控制到预定值。
根据这样的加工装置，不含有杂质如夹带剂的CO2、或者具有以预定浓度散布于CO2中的夹带剂如氢氟酸蒸汽或水蒸汽并保持在预定温度和压强下的处理流体L可供应到保持在预定温度和预定压强的处理室11中。由此，处理室11中，CO2也可保持在超临界状态。而且，以脉冲形式振荡出的照射光h可以预定的能量密度照射到暴露于处理室11的预定气体中的基板S上。
上述加工装置的构造完全只是一个例子，根据用作处理流体L的物质，CO2罐16可改变为另一气体罐，也可适当选择从供应源19供应的夹带剂。
此外，当从光源21以脉冲形式振荡出的照射光h可被扫描到基板S的整个表面时，可用光纤代替镜子24和25。此外，作为以脉冲形式振荡出照射光h的光源21，可使用其中以脉冲形式振荡出波长在UV区域内的光的激光光源或者灯。然而，在根据本发明蚀刻方法中所用的加工装置中，只要照射光h可间歇地照射到容纳于处理室11中的基板S上，就不限制于使用以脉冲形式振荡出照射光h的光源21。例如，即使当使用像介电势垒放电灯一样连续发光的光源21时，当在光源21和光学窗口12之间放置能以预定周期自由开关的屏蔽板时，照射光h仍可间歇地照射到基板S上；因此也可使用具有这样构造的加工装置。
(第一实施例)
接下来，参考图1，基于图2所示流程图，说明利用具有这样构造的加工装置的蚀刻方法的第一个实施例。本文中，假定在基板S的前表面侧，从微细的蚀刻孔选择性地蚀刻并除去牺牲层，下面说明蚀刻方法的实施例。
首先，在第一步骤S1中，将作为工件的基板S容纳且置于处理室11中，并且关闭基板S的置入(carry-in)端，以密闭地密封在处理室11的内部。
随后，在第二步骤32中，将不含有夹带剂或者其它物质的纯净CO2从流体供应管14供应到处理室11中。这里，同时排空处理室11。这样，继续排空处理室11的内部，并供应CO2，直到处理室11的内部完全被CO2替换。
随后，在第三步骤S3中，随着处理室11内部的排空的停止，继续将CO2供应到处理室11中，并控制处理室11内部的温度，从而使处理室11内部的压强为CO2的临界压强或更高，且温度为临界温度或更高。由此，处理室11充满了CO2的超临界流体。
接下来，在第四步骤S4中，将其中蚀刻反应物散布(或溶解)于CO2中的处理流体L持续供应到处理室11中。这个时刻，将在混合罐18中预加热和预加压后的处理流体L从流体供应管14供应到处理室11中。此外，处理室11的内部被适当地排空，从而使得处理室11内部的压强和温度保持在第三步骤S3的状态。在处理流体L中，随着需求上升，蚀刻反应物可以溶解，以与溶解性试剂混合。此外，在超临界流体CO2清洗过程中，作为除了蚀刻反应物和溶解性试剂之外的夹带剂，可在处理流体L中加入已知的化学物质如甲醇、己烷、辛烷或者它们的混合物。
随后，在第五步骤S5中，与在第4步骤S4中相同，随着处理流体L持续供应到处理室11中，从光源21以脉冲形式振荡出的照射光h通过光学窗口12照射到处理室11中的基板S上。此时，如图3中的实线所示，预定波长的照射光h以预定的照射时间A和预定的振荡周期(oscillation period)B重复照射基板S的各个部分。
这里，确定照射光h的波长和照射时间A意在仅加热基板S的最外表面，而避免对基板S的热损坏。特别地，为了将由照射光h导致的加热区域限制在浅于距基板S的表面直到100nm的深度的范围内，优选将照射光h的波长设定在UV区域内，而将照射光h的照射时间A设定在100纳秒(nsec)或更少。例如，对于由硅基片形成的基板S，优选用Nd:YAG激光的第三谐波(波长：355nm)作为照射光h，从而将照射光h的吸收深度限制在大致10nm，也就是说，基板S的加热范围仅限于最表层(very surface)。
此外，将照射光h的振荡周期B设定到使被照射光h加热的基板S的表面温度降低到与基板S的内部温度平衡的程度所需的时间，或更长，例如0.1秒或更长。
重复如上所述的照射光h对基板S的各个部分的间歇照射达预定数目的周期，直到完全除去要通过蚀刻而除去的牺牲层，且所述数目是根据实验而预先确定的。此外，为了使照射光h对基板S各个部分的间歇照射可实施到基板S表面的全部区域，驱动镜子24和25以扫描照射位置。这时，为了使照射光h以均匀的能量密度照射在基板S的整个表面区域，照射光h被扫描。
对于诸如图7所示蚀刻的下部电极层5的具有高纵横比的孔图案或者槽图案的内部和外部的牺牲层，为了使照射光h可以照射到由于蚀刻而逐渐暴露的孔图案或者槽图案的侧壁上，优选照射光h的照射角度是可控制的。
之后，如上所述，照射光h间歇地照射到基板S上，在第六步骤S6中，将其中没有混合蚀刻反应物的纯净CO2从流体供应管14引入到处理室11中，从而用CO2替换处理室11的内部。这时，处理室11的内部保持在使CO2保持在超临界状态的预定温度和压强下。
随后，在第七步骤S7中，处理室11的内部被排空，以使它基本上减压到大气压。这时，为了防止第五步骤S5的蚀刻步骤中形成的结构被破坏，在控制其温度的情况下使处理室11的内部减压、并由此使处理室11内部的CO2从超临界状态直接转变为气相状态是重要的。然后，在处理室11的内部基本上减压到大气压之后，将处理室11内部的温度基本上降低到室温。
以上步骤之后，在第八步骤S8中，将基板S从处理室11中取出，由此蚀刻步骤序列完成。
根据上述蚀刻方法，在第五步骤S5中，照射光h间歇地照射到基板S的表面上，由此基板S的表面层被间歇地加热。因而，基板S表面附近的处理流体L由于从受热基板S表面层的热传导而被间接加热。由此，如图3中的双点划线的部分(1)所示，处理流体L从与基板S接触的那一侧被有效地加热而膨胀。从照射光h的照射时间A延迟地发生处理流体L的这样的体积膨胀，所述体积膨胀为从通过照射光而被加热的基板S的热耗散而致的间接体积膨胀。然后，由于处理流体L的这样的体积膨胀，如图4A所示，即使对于在其表面上具有中空部分a的基板S，如附图中的箭头标记所示，中空部分a中的处理流体L膨胀，并被强制从中空部分a的内部除去。这种情况下，当结构3的表面由于照射光h的间歇照射而被加热时，热量迅速地通过该结构传播，并对中空部分a的侧面上的处理流体L进行加热。
从而，将含有因蚀刻而减活化的蚀刻反应物以及反应产物的处理流体L从中空部分a中排出去。此外，处理流体L流动地供应到处理室11中；因此，随着处理流体L的流动，将从中空部分a的内部排出的处理流体L从处理室11的内部排空。
现在，由于基板S的表面层这样被间歇地加热，在两次加热之间，基板S的热量耗散到基板S自身和处理流体L，由此基板S冷却。因此，如图3的双点划线曲线图的部分(2)所示，处理流体L开始冷却并收缩。然后，如图4B所示，处理流体L被强制流入中空部分a中。这种情况下，处理流体L被流动地供应到处理室11中；因而，含有新蚀刻反应物的处理流体L流入到中空部分a中。由此，中空部分a中的处理流体L被替换，且由于新流入的处理流体L，牺牲层2进一步被蚀刻。即使在蚀刻微细孔图案或者槽图案中的牺牲层的情况下，也可以类似地进行处理流体L的这种替换，而不受中空部分a的限制。
因此，由于上述的间歇加热，处理流体的上述强制替换被重复进行；结果，在中空部分a(孔和槽)的内部可保持蚀刻速率。
如图5的曲线图中所示，与现有蚀刻方法中的蚀刻深度(实线)不同，如图中虚线所示，随着光照射的重复次数增加，蚀刻深度可以加深，由此通过重复预定次数，可获得所需要的蚀刻深度。这里的蚀刻深度是到蚀刻孔的距离。
此外，由于可以确保蚀刻速率，蚀刻时间整体上可以缩短。由此，可以缩短工件的外表面和蚀刻早期阶段在表面上出现的部分对处理流体的曝光时间，导致降低不利效应如腐蚀和蚀刻。
从上述内容，根据第一实施例的蚀刻方法，由于通过微细蚀刻孔的蚀刻，可以形成形状复杂的中空部分或者比蚀刻孔大的中空部分、还有具有高纵横比的孔和槽的内部，而不会残留蚀刻残余物，并具有优异的形状准确性，而不会使表面状态变差。结果，例如，可以改善拥有三维结构部分的微电机和半导体器件的操作性能。
(第二实施例)
接下来，将说明根据第二实施例的蚀刻方法。根据第二实施例的蚀刻方法是这样一种方法，其中只将照射光h照射在基板S上通过掩模图案选择的部分上，而步骤序列类似于参考图2的流程图说明的根据第一实施例的步骤序列。
这种情况下，在图1所示的加工装置中，将其中形成有限制照射光h照射范围的图案的掩模置于照射光h在光源21与基板S之间的光路上，以进行第五步骤S5。
由此，在照射光h照射的一次发射的区域内，可形成照射光h的亮度分布。因此，例如，对于如图4A和4B所示的因蚀刻牺牲层2而在结构层3之下形成的中空部分a，当照射光h不照射复杂结构层3的蚀刻孔3a附近，而仅照射中空部分a的远离蚀刻孔3a的部分时，在已经形成的中空部分a的内部可局部产生处理流体L的对流。因此，在已经形成的中空部分a中处理流体L的替换效率可进一步改善。
在上述的第一和第二实施例中，显示了用在超临界流体(CO2超临界流体)中包含蚀刻反应物的处理流体L进行蚀刻的例子。然而，不受使用具有这样形式的处理流体的蚀刻方法的限制，根据本发明的蚀刻方法，可以为使用气态或液态处理流体的蚀刻方法。此外，在蚀刻反应物自身为流体的情况下，可以根据需要而使用其它超临界流体或气体，以及另外的载流流体如液体。

Claims (6)

1.一种蚀刻方法，包括：
当工件暴露于含有蚀刻反应物的处理流体中时，在工件表面上间歇地照射光以加热，并由此间歇地加热工件附近的处理流体，以膨胀或收缩；以及
同时，使处理流体保持在其相对于工件流动的状态。
2.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中处理流体在超临界状态的物质中含有蚀刻反应物。
3.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中照射光通过掩模图案照射在工件表面上的选定位置上。
4.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中通过使用灯光或者激光的脉冲振荡来实现照射光。
5.如权利要求4所述的蚀刻方法，其中通过使用照射时间为100纳秒或更短的脉冲振荡来实现照射光。
6.如权利要求1所述的蚀刻方法，其中照射在工件表面上的光是UV光。
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