TW544443B - Method for reducing reactive ion etching (RIE) lag in deep trench etching process - Google Patents

Description

544443 五、發明說明（1) ' —] 【發明領域】 本發明為一種解決反應離子蝕刻延遲之方法，特別是 一種針對矽深蝕刻之反應離子蝕刻延遲之解決方法。 【發明背景】 矽餘刻技術是半導體蝕刻製程中的一種，其中的石夕深 (deep ΐ renches )银刻更為微機電領域之一重要技術。— 般若使用反應性離子#刻進行石夕深#刻時，常會發生餘^ 延遲的現象，這也是蝕刻製程中常遭遇的問題。由於延遲 會影響到蝕刻之均勻性，並降低蝕刻之尺寸準確度，因此 常形成半導體或微機電製程之瓶頸。請參閱「第1 A圖」， 此圖係使用一般独刻技術之石夕深餘刻延遲現象，由圖可 知，若敍刻溝槽愈細，則钱刻速度愈慢；而「第1 B圖」戶斤 示係為一般蝕刻時，溝槽大小與餘刻速率之比例。 關於石夕深触刻技術的重大突破是從L a e r m e r及 Sch i 1 p ( B osch公司）提出石夕非均向性姓刻專利（美國專利第 5，5 01，8 9 3號）開始，此專利是利用蝕刻過程不斷切換 (switch i ng)姓刻氣體和保護氣體的供給’達到高非均向 性、高選擇比、高深寬比、南姓刻速率及南钱刻深度的效 果，對種支機電（Micro Electro Mechanical System, ME MS)的應用可說是非常廣泛’不過Bosch技術到此並未解 決反應離子蝕刻延遲的問題。其後’ STS(Surf ace Techno 1 〇 gy Systems )公司以Bosch專利之基本原理為基 礎，進一步研究出先進矽餘刻（Advanced Silicon Etch, ASE)技術。

544443 五、發明說明（2) 對於矽深蝕亥，J之研究，雖有不同學者探討其成因，並 發現延遲形成原因和幾何形狀與製程條件有密切的關係， 但還是缺乏有效解決之方法。其中，延遲受六氤化硫 (S F 6)蚀刻氣體傳輸速度的影響最大，而一般所提出之解 決方式是利用低製程氣體壓力，或高SF疯量來改善矽深 蝕刻反應性離子名虫刻延遲現象，但此法僅能些許控制延 遲，並無法完全解決此一問題，面對這種情形，實在非常 需要一種有效的方法來解決此一問題。 【發明之目的及概述】 有鑑於此，本發明乃為解決上述問題而提出一種矽深 蝕刻反應離子蝕刻延遲的解決方法，目的在於消除反應性 離子蝕刻之延遲現象，並提高製程的均勻性。本發明係採 用光微影技術在石夕基板表面上形成數個等面積溝狀開孔， 並透過增加反應性離子蝕刻製程之氣體壓力，以超過一般 製程之氣體壓力來達到上述目的。 本發明包含下列步驟： 提供具有一平面之一石夕基板；在此平面上形成一具有 複數個等面積開？L之圖案；於蝕刻腔體内通入一蝕刻氣體 與一保護氣體以進行反應性離子蝕刻（此蝕刻氣體可為 SF6(或四氟化碳（CF4)、三氟化氮（NF3))+氧（02)(或氬 (Ai〇);保護氣體可為.八氟化四碳（C4F8)(或C4F8+Ar));再 於該複數個等面積開孔進行反應性離子蝕刻以形成複數個 蝕刻槽。 在本發明之較佳實施例中，係利用在矽基板表面形成

第5頁 544443 五、發明說明（3) 具有複數個等面積溝狀開孔的圖案，此複數個溝狀開孔各 具有不同的形狀、長度與寬度，但每一個溝狀開孔之總面 積皆相等，而溝狀開孔的寬度範圍設定為1微米（// m)至 1 0 〇// m之間，長度範圍訂為1 # m至1 〇 〇 〇// m之間，總氣體 流量為60每分鐘標準立方公分（standard cubic centimeter per minute， seem)至 200sccm，ϋ 刻腔體之 氣體壓力為1 5亳托耳（m τ o r r )以上。 有關本發明之詳細内容及概念，茲就配合圖式說明如 後。 【發明之詳細說明】 本發明係採 I CP )進行；5夕深蝕 體壓力來探討石夕 方擴散速度愈慢 刻槽愈窄此效應 現象，而影響到 直由1 9 9 0年左右 刻製成的因素， !，增加或減少 離子ϋ刻延遲， 低製程氣體壓力 知技術增加總製 化矽材料而非矽 刻之延遲，所以 用STS公司所發展之設備（STS Multiplex 刻的研究，本發明先採用幾何與製程之氣 的蝕刻，發現反應氣體在蝕刻槽愈深的地 反應元成的產物要擴散出去也愈久。名虫 愈明顯，所以在蝕刻過程中會產生延遲的 麵刻的均勻性。有關延遲的相關探討，一 才開始，其中有些氧化矽研究探討影響蝕 重子改善手^又钟有很大不同，利用不同氣 氣體壓力皆有；而針對矽深蝕刻之反應性 有些學者提出的方式是採用較高流量或較 (小於lOmTorr)來進行部分改善（注意：習 ，氣體壓力改善反應離子钱刻延遲是對氧 1料）。不過，這都未能進一步解決硬钕 此種問題依然存在。本發明經多次實驗並

544443 五、發明說明（4) 推導證實後，提出一種利用幾何形狀及製程條件來消除矽 深I虫刻延遲的解決方法。 本發明以一較佳實施例說明本發明所提出方法之可行 性。為了更深入研究幾何形狀對反應性離子#刻延遲現象 的影響，本發明設計各種不同幾何形狀尺寸圖案，包含等 寬度、等長度、等面積的矩形或圓形（如「第2圖」所示之 等面積圖案光罩）。在製程條件的控制上，本發明將蝕刻 設備（STS Mult ip lex ICP)定頻為 13. 56百萬赫（MHz)，電 功率（power)為大於40 0瓦（W)，射頻偏壓（rf bias)為 5W〜20W之間，蝕刻氣體為SF6(或CF4、NF3) + 02(或Ar)，保護 氣體為C J 8(或C 4F 8+A r )，在這些條件下，控制不同製程氣 體壓力（自動氣壓控制（Automatic Pressure Control， 八？〇 = 30%〜75%)，以進行個別分析及比較。 首先，本發明在一平面之矽基板上形成多個等面積開 孔，用以進行反應性離子蝕刻，這些等面積開孔寬度及長 度各自不同，但每一個溝狀開孔之總面積皆相等。其中， 溝狀開孔的寬度範圍設定為1A m至1 0 〇 // m之間，長度範圍 訂為1/z m至1 0 0 0以m之間，總氣體流量為6〇每分鐘標準立 方公分（standard cubic centimeter per minute, seem) 至2 0 0 s c cm，蝕刻腔體之氣體壓力為i 5mTorr以上。 請參閱「第3A圖」，此圖為本發明於SF氨體流量 1 20sccm，C4F氣體流量85sccm，蝕刻時間3 0分鐘，及APC 值50%的條件下，不同實驗結果之顯影，為寬度等於2、 3、4、5及6// m ’長度為20毫米（_)時之溝槽蝕刻截面

544443 五、發明說明（5) 圖；「第3B圖」為寬度等於7、8及9// m，長度為20mm時之 溝槽蝕刻截面圖；「第3 C圖」則為多個開孔為等長（2 0 mm ) 不等寬（2〜10 〇// m )溝槽蝕刻後之深度比例圖，顯示蝕刻深 度與溝槽寬度的關係。由「第3A圖」〜「第3C圖」可知， 反應性離子蝕刻延遲現象發生在蝕刻過程，且線寬愈細， 延遲愈明顯。 請參閱「第4 A圖」，此圖同樣為本發明實驗結果之顯 影，為等寬（25// m)不等長（1 00〜5 0 0// m)溝槽蝕刻截面 圖；「第4B圖」所示為等寬（5及10// m)不等長（100〜5 0 0// m)溝槽独刻深度圖；「第4C圖」則為多個開孔為等寬不等 長之溝槽蝕刻結果，不同長寬比的等寬溝槽可得相同深 度。由「第4A圖」〜「第4C圖」可清楚得知，寬度為影響 反應性離子蝕刻延遲之主要因素。 「第5圖」所示為等寬（5// m)不等長（半徑2-半徑 1 =35-3 0，25-2 0， 15-10// m)之環型溝槽蝕刻深度圖，不 同之蝕刻面積會得到不同之蝕刻深度，面積愈大深度也愈 大，由此圖可知，面積為影響反應性離子蝕刻延遲之次要 因素。「第6A圖」與「第6B圖」為等寬（100/z m)不同長寬 比（0. 5〜1 0 )之溝槽蝕刻截面圖；「第6 C圖」則為多個開孔 為等寬不同長寬比之溝槽蝕刻深度比例圖。 比對「第3 A圖」〜「第6 C圖」可知，若保持其餘條件 不變，可發現寬度為一極重要之影響因素，長度反而不是 主要因素（由測出之深度發現僅有些許影響），但長度確與 面積有關，因為長度仍可繞成一圓形，若幾何形狀為圓

544443 五、發明說明⑹ 形’則可發現愈外圍蝕刻深度愈深，即代表面積會有影 響’面積愈小則餘刻速率愈慢。不過，面積因素又會隨形 狀而改變，若一矩形之長寬比在4以上，則蝕刻深度幾乎 都一樣，沒有什麼影響（如「第6 C圖」所示）。基於以上幾 何形狀對蝕刻延遲之影響結果，本發明利用固定幾何形狀 影響的次要因素，再由製程壓力條件來改善幾何寬度對蝕 刻延遲之影響。 請參閱「第7 A圖」及「第7B圖」，此兩圖分別表示等 面積（10 Ox 100// m 2)矩形溝漕在不同氣體壓力之姓刻深 度，「第7 A圖」為A P C值3 0 % (蝕刻步驟氣體壓力2 0 m T 〇 r r / 鈍化步驟氣體壓力13mTorr)之低氣體壓力製程，最左邊10 // m寬（X 1 〇〇〇# m長）溝漕有明顯的蝕刻延遲存在，「第7B 圖」為八卩(：值70%(蝕刻步驟氣體壓力4〇1111[〇1^/純化步驟氣 體壓力23mT〇rr)之高氣體壓力製程，最左邊1〇// m寬溝漕 與最右邊10 〇// m見溝漕等高，觀察此圖可知各線寬之蝕刻 深度相同，無延遲存在。顯示本發明提出之等面積圖案設 計與較大製程氣體壓力可完全消除蝕刻延遲之象，血習 知使用較低製程氣體壓力改善蝕刻延遲現 /、 一般使用較低製程氣體壓力改盖 :同。 主要因素是由於蝕刻氣體比保護氣體:虱肢蝕刻延遲之 也就是蝕刻氣體受擴散機制影響比^1产刻延遲影響大， 明正妤相反，C 蘇護氣體受擴散〜氣體大；而在本發 大，在增加製程氣體壓力時，C 4Ϊ? ^ =影響比SF斜刻氣體 寬圖案形成保護膜較弱，以致4，體在純化步驟對小線 F疯體在钱刻步，驟氣體可

544443 五、發明言兒明（7) 加速小矣^寬圖案敍刻速率，進而改善钱刻延遲之問題。當 製程氣體壓力過大時，小線寬圖加速蝕刻速率太大就會產 生反延遲（reverse RIE lag)現象，如「第8圖」所示，為 APC值7 5%(蝕刻步驟氣體壓力54mTorr/鈍化步驟氣體壓力 3 2mT〇 r r )之高氣體壓力製程，小線寬蝕刻速率比大線寬 快。 透過上述對本發明之技術方案的分析，可得到如下之 重要結果： 丨 1.反應氣體對反應性離子蝕刻延遲的影響：C4F保護 氣體比SF #虫刻氣體大（因為較高氣體壓力改善延遲 現^象）； 2 .光罩圖案影響會反應性離子蝕刻之延遲，面積愈大 儀刻速率愈快，其中寬度為主要因素，面積與長寬 t匕為次要因素； 3 ·可利用等面積圖案設計與較大製程氣體壓力來消除 及改善反應性離子蝕刻之延遲現象； 4 ·可提高製程均勻性及尺寸準確度，以應用在各種半 導體或微機電蝕刻製程。 因此，本發明之矽深蝕刻之反應性離子蝕刻 （R I E )方 法，即禾J用等面積圖案設計與較大製程氣體壓力來消除此 反應性離子蝕刻延遲現象，並依照一定之步驟違到蝕刻製 程的控制，其具體步驟如下所述：首先，提供一平面之矽 基板，再使用光微影技術於此矽基板之表面形成數個等面 積溝狀開孔，接著將此矽基板置入一蝕刻腔體内，並於此

第10頁 544443 五、發明言兒明（8) 蝕刻腔避中通入蝕刻氣體與保護氣體（此蝕刻氣體可為 5?6(或四氟化碳（〇?4)、三氟化氮（評3))+氧（02)(或氬 (Ar));保護氣體可為八氟化四碳（C4F8)(或C4F8+Ar))，通 入氣體後則開始於於本發明所提出之製程條件下將這些等 面積開孑L進行反應性離子蝕刻，並透過增加反應性離子蝕 刻製程之氣體壓力，以形成深度相等之蝕刻槽。 事實上，本發明可單獨藉由等面積圖案設計來改善矽 深蝕刻之延遲現象，但若配合較大製程氣體壓力則可得到 更佳之效果，或完全消除矽深蝕刻之延遲，提高製程之均 勻性及尺寸準確度。 雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

第11頁 544443 圖式簡單彭己明 第 1 A圖為一般矽溝槽蝕刻深度圖； 第 1 B圖為一般溝槽蝕刻之溝槽大小與蝕刻速率比例 圖； 第2圖為等面積圖案光罩示意圖； 第 3 A圖為等長（20ππη)不等寬（2、3、4、5及6// m)之溝 槽蝕刻深度圖； 第3B圖為等長（20mm)不等寬（7、8及9// m)之溝槽蝕刻 深度圖； 第3 C圖為等長不等寬之溝槽蝕刻比例圖； 第4A圖為等寬（25/z m)不等長（100〜5 0 0/z m)之溝槽蝕 刻深度圖； 第為等寬（5及10// m)不等長（100〜5 0 0// m)之溝槽 蝕刻深度圖； 第4 C圖為等寬不等長之溝槽蝕刻比例圖； 第5圖為等寬不等面積之環型溝槽蝕刻深度圖； 第6 A圖為等寬（100// m)不同長寬比（0· 5〜10)之溝槽蝕 刻深度圖一； 第6 B圖為等寬（1 〇 〇// m )不同長寬比（0 · 5〜1 0 )之溝槽蝕 刻深度圖二； 第6 C圖為等寬不同長寬比之溝槽蝕刻比例圖； 第7 A圖為A P C為3 0 %之蝕刻延遲現象； 第7 B圖為AP C為7 0 %之無蝕刻延遲現象；及 第8圖為APC為7 5 %反延遲現象蝕刻圖案。

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Claims (1)

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   ❺專利範圍 1 ·種碎深蝕刻反應離子蝕列 延遲的解決方法，包含下^ ^ actlve Ion Etch，RiE) y ^ 匕3下列步驟： 提供具有一平面之—矽基板； ϊΐ!:形ΐ —具有複數個等面積開孔之圖宰；及 複數個固寺面積開孔進行反應性離子峰形成 應之複數個心_ 2 Ι ΐΐ 等面積開孔係具有相對 钱數個見度以及複數個長度。 3·如申請專利範圍第2項 ^ 遲的解決方法，其中該複數之個夕二 1〇〇〆m。 、又係為1微米（# m)至 4·如申請專利範圍第2項所述 遲的解丰古i ^ ^ 心y，衣蝕刻反應離子蝕刻延 2。解决方去，其中該複數個長度係為^歧1〇〇〇 5 ·如申請專利範圍第1項所述 遲的解+ tΐ ^ 刻反應離子蝕刻延 ί !Γ:Γ去，，中進行反應性離子钱刻時，更包含通 入一姓刻氣體的步驟。 叉匕a ι 6 ·如申請專利範圍第5項所述之矽 遲的解、'表古i 钱刻反應離子钱刻延 四氣Γ其中細氣體係可由六氣化硫 c 6)四氣化碳（CF4)、三氟化氮（NF )、 (Ar)的組合中任意擇一。 見（評3)虱（〇2)及風 7 ·如申請專利範圖# 遲的解決方法，並中、^石木蝕刻反應離子蝕刻延 其中進灯反應性離子蝕刻時，更包含通

   第13頁 544443 六、申請專利範圍 -- 入一韻刻氣體與.一保護氣體的步驟。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之矽深蝕刻反應離子鍅刻延 遲的解決方法，其中該蝕刻氣體係可由六氟化硫 (SF6)、四氟化碳（Cf4)、三氟化氮（評3)、氧（〇2)及氬 (Ar)的組合中任意擇一。 9 ·如申請專利範圍第7項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻延 遲的解決方法’其中該保護氣體係可由八氟化四碳 (C^F 8)及氬（Ar)的組合中任意擇一。 1 0 ·如申請專利範圍第5或7項所述之矽深蝕刻反應離子蝕 刻延遲的解決方法，其中通入之總氣體流量係為6 0每 刀益里才示準立方公分（standard cubic centimeter per minute， seem)至 2 0 0 sccm。 1 1 ·如申請專利範圍第5或7項所述之矽深蝕刻反應離子蝕 刻延遲的解決方法，其中通入之總氣體壓力係為丨5毫 托耳（mT〇rr)以上〇 12·種石夕珠姓刻反應離子蝕刻（Reactive i〇n Etch，RIE) 延遲的解決方法，包含下列步驟： 提供岔封之一反應性離子蝕刻腔體； 提供具有一平面之一矽基板； 於該平面形成一具有複數個等面積開孔之圖案； 將孩矽基板置入該反應性離子敍刻腔體；及 ， 於該反應性離子蝕刻腔體通入一蝕刻氣體與一保 瘦氣體進行反應性離子钱刻。

   544443 六、申請專利範圍 延遲的解決方法，其中該複數個等面積開孔係具有 相對應之複數個寬度以及複數個長度。 1 4 ·如令請專利範圍第1 3項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻 延遲的解決方法，其中該複數個寬度係為1// m至1 〇 〇 // m之間。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻 延遲的解決方法，其中該複數個長度係為1// m至1 〇 〇 〇 β πΚ 間。 1 6.如申請專利範圍第1 2項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻 延遲的解決方法，其中該蝕刻氣體係可由六氟化硫 (SF 6)、四氟化碳（CI?4)、三氟化氮（NF3)、氧（02)及氬 (A r )的組合中任意擇一。 1 7·如申請專利範圍第1 2項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻 延遲的解^方法，其中該保護氣體係可由八氟化四碳 (C 4F 8)及氬（A r )的組合中任意擇一。 18·如申請專利範圍第12項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻 延遲的解決方法，其中通入之總氣體流量係為6 〇每分 鐘標準立方公分（standard cubic centimeter per minute，seem)至 200sccm。 1 9.如申請專利範圍第丨2項所述之矽深蝕刻反應離子蝕刻 延遲的解決方法，其中通入之總氣體壓力係為15mT〇u 以上 〇

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