CN104465336B - 一种低频bosch深硅刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低频BOSCH深硅刻蚀方法，该方法将BOSCH工艺和低频LF工艺相结合，采用低频脉冲功率源作为刻蚀工艺的下电极功率输入。该方法包括：紫外光刻胶图形的制备；各向异性刻蚀；各向同性沉积；刻蚀与沉积步骤交替进行N个周期；去除光刻胶。本发明的低频刻蚀工艺，能稳定地应用于不同图形、不同面积的硅的深刻蚀，能很好地控制刻蚀关键尺寸、陡直度，不宜出现长草现象，具有较高的选择比。
Description
技术领域
本发明属于半导体微加工技术领域，尤其涉及一种低频BOSCH深硅刻蚀方法。
背景技术
在半导体材料的加工过程中，刻蚀是比较重要的加工手段，利用化学或物理的方法有选择性地从硅片表面去除不需要的部分。从工艺上区分，刻蚀可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀的特点是各向同性刻蚀；干法刻蚀是利用等离子体来进行各向异性刻蚀。目前干法刻蚀工艺在半导体的制造工艺中较常见。在半导体干法刻蚀工艺中，根据刻蚀材料的不同可分为硅刻蚀，介质刻蚀和金属刻蚀。硅刻蚀工艺又可分为BOSCH工艺、低温工艺、HBr工艺、混合工艺等。
目前，BOSCH工艺作为硅的深刻蚀，在微机电系统MEMS领域和PDMS生物仿生结构领域应用比较广泛。在Bosch工艺中，由于刻蚀步骤的各向同性很难控制侧壁形貌，所以加入沉积步骤在侧壁沉积一层聚合物来保护侧壁不受侵蚀，整个刻蚀过程为刻蚀步骤与沉积步骤的交替循环的过程。Bosch工艺刻蚀深度一般为几十微米甚至上百微米，为了刻蚀厚度为几十、上百微米的硅材料，所以BOSCH工艺具有刻蚀速率快、选择比高及深宽比大的特点。
尽管BOSCH工艺有如上所述的优点，但实验中常规的BOSCH工艺(下电极功率源的频率是13.56MHz，属于RF：Radio Frequency)侧壁垂直度在不同尺寸的图形刻蚀上偏差很大。另外，如果沉积过程中产生的聚合物没有完全刻蚀干净，经过多次沉积步骤和刻蚀步骤循环后，会形成微掩模出现长草现象，这种情况尤其容易出现在大面积的硅刻蚀面上。针对此问题目前的方法如CN103887164A公开的一种深硅刻蚀方法，加入了一步底部平滑工艺；还有CN103950887A公开了分几个阶段刻蚀增加下电极功率的方法，但其过程比较复杂。
发明内容
针对上述常规BOSCH工艺的侧壁垂直度在不同尺寸的图形刻蚀上偏差很大，以及易出现长草现象等问题，本发明提供了一种BOSCH工艺和低频(LF：Low Frequency)工艺相结合的深硅刻蚀方法，该方法中刻蚀机采用低频脉冲源作为下电极的轰击能量，与感应耦合等离子体上电极产生等离子体一起进行硅的刻蚀工艺。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种BOSCH深硅刻蚀方法，该方法采用频率为200～1000Hz的低频功率源作刻蚀系统的下电极电源。
其包括以下步骤：
(1)光刻胶图形的制备：在硅片上制备出所需光刻胶图形。
(2)各向同性沉积：将制备好光刻胶图形的硅片置于刻蚀机中进行沉积，其中上电极功率为500～900W，下电极功率为1～3W，下电极频率为200～500Hz；
具体的，上电极功率可为500W、550W、600W、650W、700W、750W、800W、850W或900W等，优选700W；
下电极功率可为1W、1.3W、1.5W、1.7W、2W、2.3W、2.5W、2.7W或3W等，优选1W；
下电极频率可为200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz、450Hz或500Hz等。
(3)各向异性刻蚀：沉积后的硅片在刻蚀机中进行刻蚀，其中上电极功率为500～900W，下电极功率为7～10W，下电极频率为200～500Hz；
具体的，上电极功率可为500W、550W、600W、650W、700W、750W、800W、850W或900W等，优选700W；
下电极功率可为7W、7.5W、8W、8.5W、9W、9.5W或10W等，优选8W；
下电极频率可为200Hz、250Hz、300Hz、350Hz、400Hz、450Hz或500Hz等。
(4)交替循环步骤(2)的沉积和步骤(3)的刻蚀过程，然后将刻蚀好的硅片去除光刻胶。
所述低频功率源为脉冲源，其占空比为10～50％，例如10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％等。
所述步骤(1)中光刻胶图形的厚度为1～6μm，例如1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、5μm或6μm等。
所述步骤(2)同性沉积过程中沉积气体为C4F8、C4F6、CHF3、CH2F2、C5F8或COS中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：C4F8和C4F6的组合，C4F6和CHF3的组合，CH2F2和C5F8的组合，C5F8和COS的组合，C4F8、C4F6和CHF3的组合，C4F6、CHF3、CH2F2和C5F8的组合，C4F8、C4F6、CHF3、CH2F2、C5F8和COS的组合等，优选C4F8。
所述步骤(2)同性沉积过程中沉积气体的流量为90～100sccm，例如90sccm、91sccm、92sccm、93sccm、94sccm、95sccm、96sccm、97sccm、98sccm、99sccm或100sccm等，优选100sccm。
所述步骤(2)同性沉积过程中沉积时间为4～7s，例如4s、4.5s、5s、5.5s、6s、6.5s或7s等，优选5s。
所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀气体为SF6和/或CF4，例如SF6和CF4的组合等，优选SF6。
所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀气体的流量为90～100sccm，例如90sccm、91sccm、92sccm、93sccm、94sccm、95sccm、96sccm、97sccm、98sccm、99sccm或100sccm等，优选100sccm。
所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀时间为8～13s，例如8s、9s、10s、11s、12s或13s等，优选12s。
所述刻蚀机为感应耦合等离子体刻蚀机。
所述刻蚀机的腔体压力为25～35mTorr，例如25mTorr、26mTorr、27mTorr、28mTorr、29mTorr、30mTorr、31mTorr、32mTorr、33mTorr、34mTorr或35mTorr等，优选30mTorr。
所述刻蚀机的下电极载片台温度为10～20℃，例如10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃、16℃、17℃、18℃、19℃或20℃等，优选15℃。
所述步骤(4)交替循环步骤(2)的沉积和步骤(3)的刻蚀过程50～200次，例如50次、60次、80次、100次、120次、140次、160次、180次或200次等。
所述步骤(4)去除光刻胶包括：将刻蚀好的硅片依次用丙酮溶剂和异丙醇溶剂进行超声清洗，然后再用超纯水清洗后用氮气吹干。
用丙酮溶剂超声清洗5～10min，例如5min、6min、7min、8min、9min或10min等。
用异丙醇溶剂超声清洗5～10min，例如5min、6min、7min、8min、9min或10min等。
有益效果：本发明采用BOSCH工艺和低频(LF：Low Frequency)工艺相结合的深硅刻蚀方法，刻蚀沉积步骤交替刻蚀一次性完成，工艺简单有效；在刻蚀底面不宜产生微掩模造成长草现象，如附图3中所示(其中左图为常规BOSCH工艺刻蚀结构图，右图为本发明低频BOSCH工艺刻蚀结果图)；本发明适用于各种结构(大尺寸、微米级小尺寸，大硅露面积、小硅露面积)同时刻蚀，侧壁陡直性可控；刻蚀硅材料底部不易沉积微掩模，具有很高的选择比。由于硅片刻蚀面积不同，导致刻蚀速率不同，所以选择比针对不同的图形有所变化，其范围在:50～80:1；能够有效减少关键尺寸偏差，刻蚀偏差小于1μm。例如，图形结构为302μm×262μm，刻蚀深度190μm，刻蚀后结构尺寸偏差小于1μm，如图6所示(其中左图为刻蚀前的掩膜图形尺寸，右图为刻蚀后的结果)。
附图说明
图1为常规BOSCH工艺刻蚀结果图；
图2为本发明实施例1所得低频BOSCH硅刻蚀的SEM图；
图3为常规BOSCH工艺和低频BOSCH工艺的结果对比图；
图4为本发明实施例2所得低频BOSCH硅刻蚀的SEM图；
图5为本发明实施例3所得低频BOSCH硅刻蚀的SEM图；
图6为本发明低频BOSCH硅刻蚀前后尺寸偏差对比图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行深硅刻蚀工艺：
(1)在500μm厚的4寸硅片上涂覆6μm正性光刻胶，光刻胶经过前烘、曝光、显影后，制备出正性光刻胶图形；
(2)各向同性沉积采用如下工艺条件：
腔室气体压力30mTorr，温度15℃；沉积气体C4F8流量100sccm；上电极功率700W，下电极功率1W，频率为333Hz，沉积时间5秒；
(3)各向异性刻蚀采用如下工艺条件：
腔室气体压力30mTorr，温度15℃；刻蚀气体SF6流量100sccm；上电极功率700W，下电极功率8W，频率为333Hz，刻蚀时间12秒；
(4)步骤(2)和步骤(3)交替循环进行，交替循环150次；去除光刻胶：将刻蚀好的硅片放入丙酮溶剂中超声5min后，放入异丙醇溶剂中超声5min，用超纯水冲洗干净，N2气吹干。
测试：
台阶仪测试为250μm深，用扫描电镜观察刻蚀形貌。
常规的BOSCH工艺的下电极射频源同上电极源的频率一致，同为13.56MHz，刻蚀中发现在侧壁和刻蚀表面容易产生沉积现象，如图1所示，用低频工艺使得等离子体与硅的反应生成物和沉积的聚合物有机会被抽离出硅表面，不宜形成沉积等长草现象，实施例1的SEM图如图2所示。低频BOSCH工艺较常规BOSCH工艺的结果有明显改善，如图3所示。
实施例2：
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行深硅刻蚀工艺：
(1)在400μm厚的4寸硅片上涂覆3μm正性光刻胶，光刻胶经过前烘、曝光、显影后，制备出正性光刻胶图形；
(2)各向同性沉积采用如下工艺条件：
腔室气体压力35mTorr，温度20℃；沉积气体C4F8流量90sccm；上电极功率800W，下电极功率3W，频率为500Hz，沉积时间4秒；
(3)各向异性刻蚀采用如下工艺条件：
腔室气体压力35mTorr，温度20℃；刻蚀气体SF6流量100sccm；上电极功率800W，下电极功率7W，频率为500Hz，刻蚀时间9秒；
(4)步骤(2)和步骤(3)交替循环进行，交替循环120次；去除光刻胶：将刻蚀好的硅片放入丙酮溶剂中超声5min后，放入异丙醇溶剂中超声5min，用超纯水冲洗干净，N2气吹干。
用扫描电镜观察刻蚀形貌，为70μm深，其SEM图如图4所示。
实施例3：
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行深硅刻蚀工艺：
(1)在500μm厚的4寸硅片上涂覆1μm正性光刻胶，光刻胶经过前烘、曝光、显影后，制备出正性光刻胶图形；
(2)各向同性沉积采用如下工艺条件：
腔室气体压力25mTorr，温度10℃；沉积气体C4F8流量100sccm；上电极功率600W，下电极功率1W，频率为250Hz，沉积时间5秒；
(3)各向异性刻蚀采用如下工艺条件：
腔室气体压力25mTorr，温度10℃；刻蚀气体SF6流量90sccm；上电极功率600W，下电极功率10W，频率为250Hz，刻蚀时间13秒；
(4)步骤(2)和步骤(3)交替循环进行，交替循环60次；去除光刻胶：将刻蚀好的硅片放入丙酮溶剂中超声5min后，放入异丙醇溶剂中超声5min，用超纯水冲洗干净，N2气吹干。
用扫描电镜观察刻蚀形貌，刻蚀40μm，其SEM图如图5所示。
实施例4：
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行深硅刻蚀工艺：
(1)与实施例1中步骤(1)相同；
(2)各向同性沉积采用如下工艺条件：
除沉积气体C4F6流量95sccm；上电极功率500W，下电极功率频率为200Hz，沉积时间7秒外，其他过程与实施例1中步骤(2)相同；
(3)各向异性刻蚀采用如下工艺条件：
除刻蚀气体CF4流量95sccm；上电极功率500W，下电极功率频率为200Hz外，其他过程与实施例1中步骤(3)相同；
(4)除交替循环50次，将刻蚀好的硅片放入丙酮溶剂中超声10min后，放入异丙醇溶剂中超声10min外，其他过程与实施例1中步骤(4)相同。
用台阶仪测试刻蚀深度，刻蚀70μm，扫描电镜观察形貌，侧壁陡直。
实施例5：
采用电感耦合等离子体刻蚀机进行深硅刻蚀工艺：
(1)与实施例1中步骤(1)相同；
(2)各向同性沉积采用如下工艺条件：
除沉积气体为CHF3；上电极功率900W，下电极功率频率为1000Hz外，其他过程与实施例1中步骤(2)相同；
(3)各向异性刻蚀采用如下工艺条件：
除刻蚀气体为SF6和CF4的组合；上电极功率900W，下电极功率频率为1000Hz，刻蚀时间8秒外，其他过程与实施例1中步骤(3)相同；
(4)除交替循环200次，将刻蚀好的硅片放入丙酮溶剂中超声8min后，放入异丙醇溶剂中超声8min外，其他过程与实施例1中步骤(4)相同。
用台阶仪测试刻蚀深度为400μm。
综上所述，本发明采用BOSCH工艺和低频(LF：Low Frequency)工艺相结合方法，交替刻蚀一次性完成，工艺简单有效；在刻蚀底面不宜产生微掩模造成长草现象，如附图3中所示，并适用于各种结构同时刻蚀，侧壁陡直性可控；相对于光刻胶掩模选择比高，能够有效减少关键尺寸偏差。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (29)
1.一种低频BOSCH深硅刻蚀方法，其特征在于，该方法采用频率为200～1000Hz的低频功率源作刻蚀系统的下电极电源，所述低频功率源为脉冲源，其占空比为10～50％；
其包括以下步骤：
(1)光刻胶图形的制备：在硅片上制备出所需光刻胶图形；
(2)各向同性沉积：将制备好光刻胶图形的硅片置于刻蚀机中进行沉积，其中上电极功率为500～900W，下电极功率为1～3W，下电极频率为200～500Hz；
(3)各向异性刻蚀：沉积后的硅片在刻蚀机中进行刻蚀，其中上电极功率为500～900W，下电极功率为7～10W，下电极频率为200～500Hz；
(4)交替循环步骤(2)的沉积和步骤(3)的刻蚀过程，然后将刻蚀好的硅片去除光刻胶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中光刻胶图形的制备包括在硅胶片上涂胶、曝光和显影。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中光刻胶图形的厚度为1～6μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)同性沉积过程中沉积气体为C4F8、C4F6、CHF3、CH2F2、C5F8或COS中任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)同性沉积过程中沉积气体为C4F8。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)同性沉积过程中沉积气体的流量为90～100sccm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)同性沉积过程中沉积气体的流量为100sccm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)同性沉积过程中沉积时间为4～7s。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)同性沉积过程中沉积时间为5s。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)上电极功率为700W。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)下电极功率1W。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀气体为SF6和/或CF4。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀气体为SF6。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀气体的流量为90～100sccm。
15.据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀气体的流量为100sccm。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀时间为8～13s。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)异性刻蚀过程中刻蚀时间为12s。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)上电极功率700W。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)下电极功率8W。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀机为感应耦合等离子体刻蚀机。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀机的腔体压力为25～35mTorr。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述刻蚀机的腔体压力为30mTorr。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀机的下电极载片台温度为10～20℃。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述刻蚀机的下电极载片台温度为15℃。
25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)交替循环步骤(2)的沉积和步骤(3)的刻蚀过程50～200次。
26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)去除光刻胶包括：将刻蚀好的硅片依次用丙酮溶剂和异丙醇溶剂进行超声清洗，然后再用超纯水清洗后用氮气吹干。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，用丙酮溶剂超声清洗5～10min。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，用异丙醇溶剂超声清洗5～10min。
29.根据权利要求1-28任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)光刻胶图形的制备：在硅胶片上涂胶、曝光和显影，制得光刻胶图形的厚度为1～6μm；
(2)各向同性沉积：将制备好光刻胶图形的硅片置于感应耦合等离子体刻蚀机中进行沉积，其中上电极功率为700W，下电极功率为1W，下电极频率为200～500Hz，沉积气体为C4F8，沉积气体的流量为100sccm，沉积时间为5s；
(3)各向异性刻蚀：沉积后的硅片在刻蚀机中进行刻蚀，其中上电极功率为700W，下电极功率为8W，下电极频率为200～500Hz，刻蚀气体为SF6，刻蚀气体的流量100sccm，刻蚀时间为12s；
(4)交替循环步骤(2)的沉积和步骤(3)的刻蚀过程，其中刻蚀机的腔体压力为30mTorr，下电极载片台温度为15℃，然后将刻蚀好的硅片用丙酮溶剂超声清洗5min和用异丙醇溶剂进行超声清洗5min，然后再用超纯水清洗后用氮气吹干。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |