CN101558477B - 间歇性蚀刻冷却 - Google Patents

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Abstract

在气相蚀刻的设备和方法中，被蚀刻的样品(S)被置于主腔(107)内，其中空气从该主腔中排出。蚀刻气体在第一时间段内被输入到主腔(107)内。随后，蚀刻气体从主腔(107)内排出，并且冷却/清除气体在第二时间段内被输入到主腔内。之后，该冷却/清除气体从主腔(107)中排出。期望地，重复以下步骤：在第一时间段内将蚀刻气体输入主腔(107)，将蚀刻气体排出主腔，在第二时间段内将冷却/清除气体输入主腔(107)，以及将冷却/清除气体排出主腔，直至样品被蚀刻到期望的程度。

Description

间歇性蚀刻冷却
技术领域
本发明涉及对样品的气相蚀刻，更具体地，涉及对半导体材料的气相蚀刻。
背景技术
半导体材料和/或衬底的气相蚀刻是利用气体(如二氟化氙)完成的。具体地，在二氟化氙蚀刻中，二氟化氙气体与诸如硅和钼的固体材料反应，以使得材料被转化为气相。这些材料的去除被公知为蚀刻。
典型地，利用气相蚀刻，特别是在二氟化氙蚀刻的情况下，该反应是放热的或者产生热量。此热量将使被蚀刻的部件升温。被蚀刻的部件被称为样品。提高的温度可影响关键参数，例如蚀刻率或蚀刻速度、以及选择性，即期望被蚀刻的材料相对于期望保留的材料之间的相对蚀刻比例。而且，提高的温度可导致诸如损坏敏感材料(例如聚合物)的问题。
二氟化氙蚀刻的一种普通方法是通过蚀刻的间歇方法。在此模式下，二氟化氙在被称为膨胀腔的中间腔中从固态升华到气态，然后可将二氟化氙与其他气体混合。然后，膨胀腔内的气体可流入蚀刻腔以对样品进行蚀刻，这被称为蚀刻步骤。接着，通过真空泵将主腔排空。包括蚀刻步骤的这个循环被称为蚀刻循环。如果需要，则重复该循环，以达到所期望的蚀刻量。
应当注意，在蚀刻的过程中产生的任何热量都将会使样品的温度升高。通过在蚀刻循环结束时简单地排空腔体并重复此循环，样品几乎没有机会回到其初始温度。这在一部分上是由于腔体的排空降低了腔体内气体的导热性，腔体的排空在定义上是减少腔体内的气体分子数目。因此，通常，每个蚀刻循环都将使样品连续地升温。已经观察到，升高的温度导致硅相对于低压化学气相沉积的氮化硅的选择性下降。氮化硅是半导体或微机电系统装置中非常的普通材料，而且，在大多数情况下，非常期望在对硅进行蚀刻时，对氮化硅的腐蚀降到最小。
硅相对于其他材料(包括氮化硅)的选择性的降低还是由蚀刻工艺的产物的出现所引起的。这些反应产物(例如四氟化物)腐蚀非硅材料，以使选择性降低。
发明内容
本发明减小或避免了由于连续的蚀刻循环引起的被蚀刻样品的持续温度变化，并周期性地从腔体中除掉反应产物。本发明包括在每个蚀刻步骤之间增加另一个步骤，该步骤用于增加样品和在其中对样品进行蚀刻的蚀刻腔之间的热传导。具体地，在每个蚀刻循环之后，蚀刻腔被充满冷却/清除气体以增加热传导。所述气体可以是任何惰性气体，例如而不限于，氦，氮，或氩。也可以预见使用这些惰性气体的混合物。如此处所用的，术语“惰性”气体是指与蚀刻化学物质发生最小程度的反应的任何气体。所述惰性气体在本文中被称为冷却/清除气体。已经观察到，在各蚀刻循环之间增加冷却/清除气体至400 torr比现有技术提高了硅相对于氮化硅蚀刻的选择性。
向用于蚀刻的气体添加惰性气体或最小程度反应气体已在第6,409,876号和第6,290,864号美国专利中描述。然而，与本发明不同，上述专利描述了在蚀刻循环中将蚀刻气体和另一种气体结合。然而，附加气体和蚀刻气体的混合将急剧地减小蚀刻率，如由Kirt ReedWilliams在其博士论文″Micromachined Hot-Filament Vacuum Devices(微机械热丝真空装置)″Ph.D.Dissertation，UC Berkeley，May 1997，p.396中所描述的。
在本发明中，在蚀刻循环中使用浓缩蚀刻气体、然后用冷却/清除气体冷却样品的分离步骤，降低或避免了被蚀刻样品内的温度持续升高。这将提高样品的蚀刻率，同时保持选择性，并降低可由较高的样品温度引起的其他可能形式的损害，例如有机膜损坏或非意愿的材料退火。
更具体地，本发明是一种气相蚀刻方法，包括以下步骤：(a)将要蚀刻的样品放入主腔内；(b)将所述主腔内的空气从中排出；(c)将蚀刻气体输入所述主腔；(d)将所述蚀刻气体从所述主腔中排出；(e)将冷却/清除气体输入所述主腔；并且(f)将所述冷却/清除气体从所述主腔中排出。
期望地，重复步骤(c)到步骤(f)，直至样品被蚀刻到期望的程度。
所述方法还可包括在每次进行步骤(c)之前将所述蚀刻气体输入膨胀腔，其中步骤(c)包括将所述膨胀腔中的所述蚀刻气体输入所述主腔。
所述方法在步骤(b)和第一次重复步骤(c)之间，还可包括以下步骤：(1)将冷却/清除气体输入所述主腔；(2)将所述冷却/清除气体从所述主腔中排出；并且(3)将步骤(1)和步骤(2)至少重复一次。
所述方法还可包括：在步骤(c)和(d)之间，将所述蚀刻气体在所述腔内保留第一时间段；并且在步骤(e)和(f)之间，将所述冷却/清除气体在所述腔内保留第二时间段。
所述第一时间段期望为小于10秒。所述第二时间段期望为小于20秒。
在步骤(b)、步骤(d)、步骤(f)的至少一个中，所述主腔被抽真空到0.01 torr与1.0torr之间的压强。在步骤(c)和步骤(e)的至少一个中，向所述主腔输入气体到1 torr与600 torr之间的压强。
本发明还是一种气相蚀刻系统，包括：主腔，用于支持被蚀刻的样品；蚀刻气体源，经由第一气体控制阀与所述主腔流体连通；冷却/清除气体源，经由第二气体控制阀与所述主腔流体连通；真空泵，经由第三气体控制阀与所述主腔流体连通；以及控制器，用于控制所述各气体控制阀，从而使蚀刻气体和冷却/清除气体多次被交替地输入所述主腔，并在交替输入之间被排出。
分别来自所述蚀刻气体源和所述冷却/清除气体源的蚀刻气体和冷却/清除气体可被交替地输入所述主腔，直至所述样品被蚀刻到期望的程度。
所述系统还可包括：膨胀腔，在所述第一气体控制阀和所述主腔之间流体连通；第四气体控制阀，在所述膨胀腔和所述主腔之间流体连通。所述控制器可用于控制所述第一气体阀和所述第四气体阀，从而使得在每次将蚀刻气体输入所述主腔之前，所述蚀刻气体被输入所述膨胀腔。
所述系统还可包括第五气体控制阀，其在所述膨胀腔和所述真空泵之间流体连通。所述控制器可用于控制所述各气体控制阀，从而使所述膨胀腔中的气体能够被所述真空泵直接地、独立地排出，或者与所述主腔中的气体同时排出。
最后，本发明是一种气相蚀刻系统，包括：主腔，用于支持被蚀刻的样品；蚀刻气体源；冷却/清除气体源；真空泵；多个气体控制阀，连接于所述主腔，并用于使得所述主腔能够选择性地：从所述蚀刻气体源接收蚀刻气体、由所述真空泵获得真空、并从所述冷却/清除气体源接收冷却/清除气体；以及控制器，用于控制所述气体控制阀，从而使所述主腔按顺序地：从所述蚀刻气体源接收蚀刻气体、由所述真空泵获得真空、从所述冷却/清除气体源接收冷却/清除气体、由所述真空泵获得真空。
所述主腔可多次按顺序地：从所述蚀刻气体源接收所述蚀刻气体、从所述真空泵获得真空、从所述冷却/清除气体源接收所述冷却/清除气体、从所述真空泵获得真空。
所述多个气体控制阀包括：第一气体控制阀，在所述蚀刻气体源和所述主腔之间流体连通；第二气体控制阀，在所述冷却/清除气体源和所述主腔之间流体连通；以及第三气体控制阀，在所述主腔和所述真空泵之间流体连通。
所述系统还可包括膨胀腔体。所述控制器可用于控制所述各气体控制阀，从而使所述主腔从所述蚀刻气体源、经由所述膨胀腔接收蚀刻气体，所述膨胀腔在所述主腔接收所述蚀刻气体之前接收并暂时地保留所述蚀刻气体。
可选择地，所述多个气体控制阀可包括：第一气体控制阀，在所述蚀刻气体源和所述膨胀腔之间流体连通；第二气体控制阀，在所述膨胀腔和所述主腔之间流体连通；第三气体控制阀，在所述冷却/清除气体源和所述主腔之间流体连通；以及第四气体控制阀，在所述主腔和所述真空泵之间流体连通。可设置在所述膨胀腔和所述真空泵之间流体连通的第五气体控制阀。
所述蚀刻气体可以是二氟化氙，二氟化氪或卤素氟化物。所述冷却/清除气体可以是氦，氮或氩。
附图说明
图1是根据本发明的气相蚀刻系统的示意图，其中可实现本发明的方法。
具体实施方式
参考图1，气相蚀刻气体源101(例如蚀刻气体(如二氟化氙)的罐)被连接到期望为气动操作阀的阀102。阀102连接于膨胀腔103，膨胀腔103作为用于调节每个循环中蚀刻气体的量的中间腔。在一个示例性实施方案中，膨胀腔103的容积为0.6升。然而，这不应被认为是对本发明的限制，因为膨胀腔103的容积可以是任意合适的和/或期望的容积，例如从0.1升到20升或更大。
可选地，膨胀腔103可通过阀110独立地排空，阀110期望为气动操作阀。期望地，压力传感器(P.S.)(例如，电容隔膜压力计)与膨胀腔103流体连通。另外，膨胀腔103可具有附加连接和附加阀(未示出)，并典型地具有针阀(未示出)，从而允许向膨胀腔103添加其他气体，例如惰性气体。膨胀腔103经由期望为气动操作阀的阀104连接于主真空腔107。主腔107还可具有与其流体连通的压力传感器(P.S.)，例如电容隔膜压力计。
冷却/清除气体源106(例如冷却/清除气体的罐)经由阀105连接到主腔107，阀105期望为气动操作阀。主腔107是要被蚀刻的样品所处的地方。腔107经由真空泵109和阀108排空，真空泵109期望为干式泵，阀108期望为气动操作阀。在一个示例性实施方式中，主腔107的容积为0.6升。然而，这不应被认为是对本发明的限制，因为主腔107的容积可以是任意合适的或期望的容积(本领域技术人员认为期望的和/或必需的容积)，例如从0.1升到20升或更大，从而适合其中被蚀刻样品的尺寸。
可以预见对上述系统设计的其他修改，例如在第6,887,337号美国专利中描述的，其通过引用并入本文。这些修改包括但不限于：容积可变的膨胀腔，多个膨胀腔，以及多个气体源。而且，在一些情况下，例如为了冷却而使用危险性气体，为了对主腔107进行清除和排放，可期望增加专用腔排放连接，而不是单独地使用阀105和冷却/清除气体源106。
另外，也考虑使用其他惰性氟化气体进行蚀刻，例如二氟化氪或卤素氟化物(如三氟化溴)。另外，也考虑这些气体的组合。
典型的蚀刻顺序是将样品S装入主腔107。然后，通过打开将真空泵109连接到主腔107的阀108，而使主腔107被排空。期望地，主腔107被降压或抽真空，例如达到小于1 torr(如大约0.3torr)，于是阀108关闭。通过打开阀105以使来自冷却/清除气体源106的冷却/清除气体流入主腔107至大约400 torr(尽管从1 torr到600 torr的任何值都是可用的)，而使主腔107可被进一步清除空气，在该压强下，阀105关闭且阀108打开，于是主腔107再次被降压或抽真空。典型地，这些清除和泵抽重复3次或更多次，以使主腔107内的湿气和不期望的空气气体降到最低，湿气和不期望的空气气体可与二氟化氙以及其他蚀刻气体反应，以形成氢氟酸，氢氟酸将会腐蚀许多非硅材料。
在适当的时刻，通过打开将真空泵109连接到膨胀腔103的阀110，使得膨胀腔103被排空。期望地，膨胀腔103被降压到例如小于1 torr(例如到大约0.3 torr)，于是阀110关闭。期望地，用真空泵109排空膨胀腔103是独立于用真空泵109排空主腔107进行的。然而，这不应被认为是对本发明的限制，因为可以预见，如果需要，膨胀腔103和主腔107的排空可以同时进行。
一旦主腔107被清除空气到足够的程度，通过打开阀102，气相蚀刻气体源101被连接到膨胀腔103。由于膨胀腔103已经被清除空气到足够的程度，例如大约0.3 torr或更低，所以蚀刻气体将从气相蚀刻气体源101流入膨胀腔103，直至膨胀腔103中的压强期望地达到1torr和10 torr之间(尽管从1 torr到600 torr之间的任何值也是可用的，其中，更高的压强通常需要对气体源进行加热)。然后，阀102关闭，随后，阀104打开，从而使膨胀腔103内的蚀刻气体流入主腔107，主腔107已经经由阀108被真空泵109抽至低于膨胀腔103的压强，例如0.01 torr到1 torr之间。响应于样品S被曝露于从膨胀腔103接收到主腔107内的蚀刻气体，开始在样品S上进行蚀刻。
在用于对样品S进行蚀刻的规定时间之后，阀108打开，该规定时间典型为数秒，即小于10秒，例如大约5秒。由于阀104和108打开且由于阀102、105和110关闭，所以，响应于真空泵109经由打开的阀104和108对膨胀腔103和主腔107的作用，主腔107和膨胀腔103的压强均下降。当主腔107内的压强降至0.01 torr至1 torr之间的设定点时，阀104和108关闭。现在通过打开阀105以使冷却/清除气体(例如氮气)从冷却/清除气体源106流入主腔107，而开始对样品S进行冷却，直至主腔107中的压强达到400 torr(从1 torr到600 torr的任意压强可以工作)，随后阀105关闭。在阀105关闭后，使得冷却/清除气体在主腔107内保留足够的时间(例如而不限于，小于20秒，如大约15秒)，以将样品S的温度降低到期望温度，例如接近其初始或开始温度。同时，可选地，膨胀腔103经由阀110被排空，直至达到大约0.3 torr。在为下一个蚀刻循环的准备中，膨胀腔103接着被重新充满(如上所述)。
一旦对于样品S过去了足够的冷却时间，通过打开阀108，使主腔107被排空，并且上述蚀刻和冷却的循环被重复，直至完成足够的蚀刻。一旦蚀刻完成，在排放步骤中，打开阀105，直至主腔压强达到大气压，然后通过利用与装载样品时所使用的相同的泵抽和清除顺序，可移走样品S。
可提供控制器(C)以自动地控制图1所示系统的运行。例如，控制器C可连接于每个空气传感器P.S.，以用于检测相应的腔103和/或107内的压强，并且控制器C可连接于每个阀102、104、105、108和110，以控制它们按照上述方式的顺序和运行。控制器C可以是任意合适的和期望的类型。
将氮气作为冷却/清除气体是为了方便而使用的。然而，可以相信，其他气体(单独或是组合地)可以产生改善。例如，使用氦气可以提供额外的好处，这是因为氦气比氮气具有更高的热导率。更高的热导率意味着每个循环所需的冷却时间可得到减少。
已经结合优选的实施方案描述了本发明。在阅读并理解上述说明后，还可以进行明显的修改和变化。当这些对本发明的修改和变化落入所附的权利要求或其等同物的范围内，则本发明覆盖了这些修改和变化。

Claims (12)

1.一种气相蚀刻方法，包括：
(a)将要蚀刻的样品放入主腔内；
(b)在步骤(a)之后，将所述主腔内的空气从中排出；
(c)在排空所述主腔之后，将蚀刻气体输入排空的主腔；
(d)在步骤(c)中将蚀刻气体输入排空的主腔之后，将所述蚀刻气体从所述主腔中排出；
(e)在步骤(d)中将所述蚀刻气体从所述主腔中排出之后，将冷却和/或清除气体输入所述主腔，从而在不将所述冷却和/或清除气体输入膨胀腔的情况下对所述样品进行冷却；
(f)在步骤(e)中将冷却和/或清除气体输入所述主腔之后，将所述冷却和/或清除气体独立地从所述主腔中排出；并且
(g)重复步骤(c)到步骤(f)，直至所述样品被蚀刻到期望的程度，
其中，所述气相蚀刻方法还包括在每次进行步骤(c)之前将所述蚀刻气体输入所述膨胀腔，并且步骤(c)包括将所述膨胀腔中的所述蚀刻气体输入所述主腔。
2.如权利要求1所述的方法，在步骤(b)和第一次重复步骤(c)之间，还包括：
(1)将冷却和/或清除气体输入排空的主腔；
(2)将所述冷却和/或清除气体从所述主腔中排出；并且
(3)将步骤(1)和步骤(2)至少重复一次。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
在步骤(c)和(d)之间，将所述蚀刻气体在所述腔内保留第一时间段；并且
在步骤(e)和(f)之间，将所述冷却和/或清除气体在所述腔内保留第二时间段。
4.如权利要求3所述的方法，其中：
所述第一时间段小于10秒；并且
所述第二时间段小于20秒。
5.如权利要求1所述的方法，其中：
在步骤(b)、步骤(d)、步骤(f)的至少一个中，所述主腔被抽真空到0.01torr与1.0torr之间的压强；并且
在步骤(c)和步骤(e)的至少一个中，向所述主腔输入气体到1torr与600torr之间的压强。
6.一种气相蚀刻系统，包括：
主腔，用于支持被蚀刻的样品；
蚀刻气体源，经由第一气体控制阀与所述主腔流体连通；
冷却和/或清除气体源，经由第二气体控制阀与所述主腔流体连通；
真空泵，经由第三气体控制阀与所述主腔流体连通；
控制器，用于控制所述各气体控制阀，从而使蚀刻气体和冷却和/或清除气体多次被交替地输入所述主腔，并在交替输入之间被排出，其中，在蚀刻气体被交替地输入所述主腔之间，使得输入所述主腔的冷却和/或清除气体在所述主腔内保留足够的时间，以将所述样品的温度降低到期望温度；
膨胀腔，在所述第一气体控制阀和所述主腔之间流体连通；
第四气体控制阀，在所述膨胀腔和所述主腔之间流体连通，其中所述控制器用于控制所述第一气体控制阀和所述第四气体控制阀，从而使得在每次将蚀刻气体输入所述主腔之前，所述蚀刻气体被输入所述膨胀腔；以及
第五气体控制阀，其在所述膨胀腔和所述真空泵之间流体连通，其中所述控制器用于控制所述各气体控制阀，从而使所述膨胀腔中的气体能够被所述真空泵直接地、独立地排出，或者与所述主腔中的气体同时排出。
7.如权利要求6所述的系统，其中分别来自所述蚀刻气体源和所述冷却和/或清除气体源的蚀刻气体和冷却和/或清除气体被交替地输入所述主腔，直至所述样品被蚀刻到期望的程度。
8.一种气相蚀刻系统，包括：
主腔，用于支持被蚀刻的样品；
蚀刻气体源；
冷却和/或清除气体源；
真空泵；
多个气体控制阀，连接于所述主腔，并用于使得所述主腔能够选择性地：从所述蚀刻气体源接收蚀刻气体、由所述真空泵获得真空、并从所述冷却和/或清除气体源接收冷却和/或清除气体；
控制器，用于控制所述气体控制阀，从而使所述主腔按顺序地：从所述蚀刻气体源接收蚀刻气体、由所述真空泵获得真空、从所述冷却和/或清除气体源接收冷却和/或清除气体、由所述真空泵获得真空，其中，在蚀刻气体被交替地输入所述主腔之间，使得输入所述主腔的冷却和/或清除气体在所述主腔内保留足够的时间，以将所述样品的温度降低到期望温度；以及
膨胀腔，其中所述控制器用于控制所述各气体控制阀，从而使所述主腔从所述蚀刻气体源、经由所述膨胀腔接收蚀刻气体，所述膨胀腔在所述主腔接收所述蚀刻气体之前接收并暂时地保留所述蚀刻气体，
其中所述多个气体控制阀包括：
第一气体控制阀，在所述蚀刻气体源和所述膨胀腔之间流体连通；
第二气体控制阀，在所述膨胀腔和所述主腔之间流体连通；
第三气体控制阀，在所述冷却和/或清除气体源和所述主腔之间流体连通；
第四气体控制阀，在所述主腔和所述真空泵之间流体连通；以及
第五气体控制阀，在所述膨胀腔和所述真空泵之间流体连通。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述主腔多次按顺序地：从所述蚀刻气体源接收所述蚀刻气体、从所述真空泵获得真空、从所述冷却和/或清除气体源接收所述冷却和/或清除气体、从所述真空泵获得真空。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述蚀刻气体是二氟化氙，二氟化氪或卤素氟化物。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述冷却和/或清除气体是氦，氮或氩。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述膨胀腔是容积可变的膨胀腔。
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