TWI283887B - Etching process - Google Patents

Description

1283887 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種蝕刻方法，尤其關於一種在半導體裝 置及微機械等之製造過程中，藉由選擇性蝕刻除去犧牲層 而形成微小的3次元構造體之情形所使用之姓刻方法。 【先前技術】 隨著微細技術之進展，微機電系統（Micr() Electro Mechanical Systems，MEMS)以及、組裝有微機械的小型機 器頗受矚目。微機械係將包含形成於石夕基板、玻璃基板等 基板上之3次元構造體而構成之可動部，以及進行該可動 部的願動控制之半導體積體電路等加以電性/機械化結合 而成之元件，例如可構成光學元件或FBAR(Film Bulk

Acoustic Resonat〇r，薄膜型聲波共振器）等之共振器元件 等。 ° 先則，在此種微機械領域及半導體領域中，預先於基板 上形成犧牲層，於該犧牲層上形成構造體層並形成圖案 後，藉由選擇性蝕刻除去犧牲層，藉此進行於圖案化的構 造體層之下方設有中空部之3次元構造體或高深寬比之3次 元構造體之形成工序。作為犧牲層所使用的是氧化矽 (Si〇2)或矽（Si)，於蝕刻除去犧牲層之際，使用能夠對犧牲 層進行高速選擇性蝕刻之蝕刻劑來進行蝕刻。例如，以氧 化矽形成犧牲層之情形，使用氟（F)系的蝕刻液進行蝕 刻；而於以矽形成犧牲層之情形，使用氣態的氟化氙 (XeF2)或氟化溴（BrFs)等鍅刻氣體進行姓刻。 95171.doc 1283887 卜例如，形成於構造體層之下方具有中空部之3次元 構迈體之^形時，首先如圖6(丨）所示，於基板1上部圖案化 形成犧牲層2,以覆蓋於基板丨及犧牲層2之狀態形成構造 體層3。其次，將構造體層3圖案化形成實際需要的形狀， 並於構造體層3形成到達犧牲層2之蝕刻開口 3a。其後，如 圖6(2)所示，介以蝕刻開口“將犧牲層2蝕刻除去。藉此， 可付到於構造體層3之下方設有中空部&之3次元構造體。 又例如，於半導體裝置之製造過程中形成圓柱形電容器 之下邠私極之情形，首先如圖7(丨）所示，於基板1之上方形 成第1犧牲層2並其於中設有孔圖案2a，進而以覆蓋孔圖案 2a之内壁的狀態形成下部電極層$。其次，以埋入孔圖案 2a内的方式，於下部電極層5上進一步形成第2犧牲層6， 後除去犧牲層6與其下層之下部電極層5之上部，藉此將 下"卩電極層5形成為圓柱形。其後，如圖7(2)所示，藉由選 擇性蝕刻除去犧牲層2、6，而於基板丨上形成作為3次元構 造體之圓柱形下部電極5a。 ^而’於上述餘刻過程中使用藥液作為餘刻劑之情形， 於其乾燥工序中，藉由蝕刻所形成之構造體（例如下部電 極）可能會因洗淨液之表面張力而遭到破壞。作為防止此 月幵y之手法，已有提出一種將洗淨液更換為兼具氣體之 擴散性與液體之溶解性之超臨界溶液後，使超臨界流體氣 化之方法。且尤其於使圖案浸潰於洗淨液中之情形，將洗 爭液更換為液化二氧化碳後，藉由加熱已形成圖案之基 板’將圖案加熱至超過填充有液化二氧化碳的容器内部之 95171.doc 1283887 溫度，可使殘存於圖案中之洗淨液迅速釋放至外部（以上 參照下述專利文獻1)。 此外，亦有提案藉由使用使超臨界流體中含有蝕刻反應 物之處理流體而省去乾燥工序之方法。 專利文獻1日本專利特開2002-3 13773號公報 然而，於該種蝕刻方法中，存在著如下之問題。例如， 於利用圖6說明之具有中空部…次元構造體之形成過程 中，由於藉由蝕刻所形成之中空部a大於蝕刻開口 h，故 難以將犧牲層2蝕刻除去。再者，於利用圖7說明之3次元 構造體（圓柱形電容器之下部電極）中，由於圓柱形之深寬 比值較高，故難以將犧牲層2、6蝕刻除去。 此係由於如下之蝕刻機制所造成。即，隨著犧牲層2、6 之蝕刻之進行，蝕刻劑中所含之反應物會逐漸消耗。因 此，要持續進行省虫刻，必須從姓刻^ 口排出含有失去活性 的蝕刻反應物之蝕刻劑，並從蝕刻開口供給新的蝕刻劑。 f是，中空部a會隨著韻刻進行而變大，此外當圓柱形之 深寬比-旦變高，則難以介以微細的韻刻開口來進行钱刻 劑之替換，使得㈣部分之㈣劑更換效率低落。因此， 犧牲層2、6之韻刻速率會隨著钱刻之進行而極度低落，導 致難以將犧牲層2、6蝕刻除去。 且如上述’因難以完全將犧牲層2、6钱刻除去而產生犧 牲層2、6殘留的情形時，會造成蝕刻的形狀精度劣化，亦 即3次元構造體之形狀精度劣化。此亦造成具有該3次元構 造體之微機械或半導體裝置之動作特性劣化之主要原因。 95171.doc 1283887 ，…L之蝕刻迷率低落致使整體性的蝕刻時間 :長’進而使蚀刻的影響亦波及構造體層之表面，而可能 ¥致具有3次讀造體之微機械之特性劣化。例如，在光 調變用的微機械中，構造體層之表面是以㈣等之光反射 膜所構成，然於此情況下，银刻的影響若波及銘膜之表 面’則無法得到原本之反射特性。 於是本發明之目的在於提供-種㈣方法，其能夠以相 當快速度將犧牲層從微細的钱刻開口中除去，藉此能夠形 成包含較大中空部或構造複雜的空間部之構造體、乃至於 南深寬比之構造體，使其形狀精度良好且表面狀態 化。 【發明内容】 命為達成上述目的，本發明之㈣方法係於將被處理物曝 露於含有㈣反應物之處理流體之狀態下，藉由光照射該 被處理物之表面而進行斷續加熱。藉此，將被處理物附近 之處理流體斷續加熱而使其膨脹、收縮。此時，使處理流 體對被處理物保持流動狀態。 如此之蝕刻方法係藉由光照射被處理物之表面而進行斷 續加熱，使被處理物附近之處理流體藉由被處理物之熱傳 導而^:到二次加熱。藉此，處理流體會從與被處理物相接 之側開始有效加熱而膨脹。在其膨脹下，會使得被處理物 附近之處理流體之密度降低。由此，即使當被處理物於其 表面側具有中空部之情況下，或者當被處理物具有孔或凹 槽之情況下，中空部或孔及溝内的處理流體也會因為與該 95171.doc 1283887 處理流體相接之被處理物的表面加熱而膨脹，而從中空部 或孔及凹槽内排除。此外，由於是斷續性的加熱，因此加 熱與加熱之間，被處理物的熱能會對被處理物本身以及對 被處理物保持流動狀態之處理流體放熱。而該放熱會使上 述之中空部或孔及凹槽内之處理流體冷卻收縮，使得流動 供給至被處理物的表面之含有新的蝕刻反應物之處理流體 被強制導入中空部或孔及凹槽内而進行處理流體之更換。 因此，稭由利用上述光照射進行之斷續加熱，可重複而有 效進行上述處理流體之強制更換，而能夠持續維持中空部 或孔及凹槽内之蝕刻速率。 [發明之效果] 由此，根據本發明之蝕刻方法，能於蝕刻時不會在形狀 複雜之中空部或大於蝕刻開口之中空部、乃至於高深寬比 之孔及凹槽内不殘留犧牲層，而可望提升㈣形狀之精 度，且能夠縮短钱刻日夺間並防止钱刻造成表面性狀之劣 化。其結果可望提升例如具有3次元構造體部分之微機械 及半導體裝置之動作特性， 【實施方式】 以下㈣本發明之餘刻方法之實施形態。又，於說明餘 刻方法之實施形態之前，先說明適合使用於本㈣裝 處理裝置之一構成例。 <處理裝置> 圖1表7F本發明之餘刻方法中使用的處理裝置之 概略構成圖。 該處理裝置具有進行蝕刻之處理室u 一例之 。於該 95171.doc 1283887 處理室11内，可收納作為被處理物之基板s，並能將内部 ·6 保持在特定溫度。此外，在與收納於處理室1 1内之基板S · 之表面（作為蝕刻對象之面）相對向的位置設有光學窗丨2， 以便透過對基板S照射之照射光（例如雷射光或燈光）h。該 光學窗12較佳使用公知所使用之合成石英或螢石等。 再者，處理室11介以閥門b而連接有排氣管13及流體供 給管14，設計成使處理室11之内部保持在特定的壓力環境 氣體之構造。其中，流體供給管14介以幫浦15而連接有二 _ 氧化碳（C〇2)氣瓶16，設計成以特定壓力對處理室11内供 給c〇2之構造。更且，與幫浦15及流體供給管14之間的連 接管17並聯、介以閥門b而連接有混合槽18。該混合槽18 介以閥門b而連接有供給源19，用以供給蝕刻反應物（例如 氫氣酸蒸汽’水蒸汽等）及混合溶劑等之蝕刻劑；該混合 槽18没計成以特定溫度、壓力貯存已使特定濃度之蝕刻劑 分散（溶解）至C〇2之處理流體l之構造。 再者，該處理裝置上設有使照射產生脈衝振盪之光 籲 源21。此外，於該光源21所照射的照射光h之光路上，從 光源21側依序配置有衰減器22、準直器23以及可活動自如 的2片鏡子24、25 ’其構造係藉由2片鏡子24、25 ,將從光 源21進行脈衝振盪之照射透過光學窗12對收納於處理 至11内之基板S表面進行照射，進而藉由該等2片鏡子24、 25之驅動對基板S表面之全域進行照射光11掃描。此外，照 射於基板s之照射光h之能量密度係藉由衰減器22及準直器 23調整為特定值。 95171.doc -10- 1283887 梠據如上述之處理裝置，能夠使觸媒劑等不含雜質等之 c〇2或氫鼠酸水蒸汽等觸媒劑以特定濃度分散至c〇2，而 將保持在特定溫度、壓力的處理流體L供給至保持在特定 壓力、特定溫度之處理室_。因此，可於處理室n内將 C〇2保持在超臨界狀態。此外，能夠以特定的能量密度對 曝露於處理室Η内的特定環境氣體中之基板s照射脈衝振 盪的照射光h。 又，上述之處理裝置之構成僅為例舉，應依據使用作為 處理流體L之物質將C〇2氣瓶16更換為其他氣體氣瓶，並 適當選擇由供給源19供給之觸媒劑。 此外，只要使由光源21發出的脈衝振盪之照射光h對基 板S的表面全域進行掃描，則亦可使用光纖來代替鏡子 24、25。再者，作為發出脈衝振盪的照射光h之光源21， 可使用能使發出雷射光源或紫外光域的波長之光線之燈光 產生脈衝振盪者。但是，在本發明的蝕刻方法所使用的處 理裝置中，只要能夠對收納於處理室丨丨内的基板S照射斷 續之照射光h，則不限於使用發出脈衝振盪的照射光h之光 源21。例如，即使於使用介電體屏障放電燈之類的連續發 光之光源21之情形下，利用於光源21與光學窗12之間配置 依特定週期開關自如的遮蔽板之構造，即可對基板S照射 斷續之照射光h，故亦可使用如此構成之處理裝置。 <第1實施形態>

以下根據圖2之流程圖並參照圖1，說明採用上述構成之 處理裝置之蝕刻方法之第1實施形態。在此，假設於基板S 95171.doc -11 - 1283887 之表面側以選擇性餘刻除去微細開口中的犧牲層之情形， 說明蚀刻方法之實施形態。 首先，於第1步驟S1中，將作為被處理物之基板s收納配 置於處理室11内，然後遮蔽基板8之導入口而使處理室u 内密閉。 其久，於弟2步驟S 2中，從流體供給管14對處理室11内 供給不含觸媒劑或其他物質之純c〇2。此處並同時進行處 理室11内之排氣，持續進行處理室u内的排氣及c〇2供 給，直到處理室11的内部完全更換為c〇2為止。 其後，於第3步驟S3中，在處理室U内的排氣停止之狀 態下，持續對處理室11内供給C〇2，並進一步調整處理室 11内的溫度，令處理室u内超出c〇2的臨界壓力及臨界溫 度。由此，使C〇2超臨界流體充滿於處理室u内。 其次，於第4步驟S4中，對處理室u内連續供給已使蝕 刻反應物分散（或溶解）於C〇2之處理流體L。此時，於混合 槽18中，將預備加熱、加壓後之處理流体L從流體供給管 14供給至處理室"内。此外’藉由適當進行處理室"内之 排氣，將處理室丨丨内的壓力及溫度持續保持在第3步驟Μ 的狀態。X，亦可視需要’在與相溶劑混合之狀態下，使 蝕刻反應物溶解於處理流體1中。此外，於超臨界流體 C02洗淨過程中公知使用之？醇、己烧或辛院等藥液及該 等之混合物’亦可添加於處理流體L中作為㈣反應物或 相溶劑之其他觸媒劑。 其次，於第5步驟S5中 在如第4步驟S4對處理室11内 95171.doc -12- 1283887 持續供給處理流體L之狀態下，將光源21發出之脈衝振盪 之照射光h介以光學窗12對處理室11内的基板s進行照 . 射。此時，如圖3的實線圖形所示，以特定的照射時間a 及特定的振盪週期B，對基板S之各部重複照射特定波長之 照射光h。 此處，照射光h之波長及照射時間A，係以一方面防止基 板S熱損傷、而僅加熱基板s之最表面為目的予以設定。具 體而§，較佳是將照射光h之加熱領域控制在從基板s表面 籲 到100 nm的深度以内之範圍，照射光11之波長宜設定在紫 外線區域，且照射光h之照射時間A宜設定在ι〇〇 η秒以 下例如，基板s以石夕基板構成之情形，較佳使用: YAG田射光之第二次咼諧波（波長355 作為照射光匕， 藉此將妝射光h之吸收深度控制在丨〇 nm，並將基板s的加 熱範圍控制在僅針對極表面加熱。 此外知、射光h之振盪週期B係設定在經由照射光h加熱 後之基板S表面溫料低至與基板s内部溫度平衡的程度戶斤 φ 需之時間以上，例如設定在〇1秒以上。 而如以上對基板S各部進行之照射光h之斷續照射，係重 複執行特定的週期數直到應藉由姓刻除去之犧牲層完全除 去為止，透㈣先進行的實驗求得。此外，藉由鏡子24、 25的驅動掃描照射位置，使對基板S各部照射之斷續照射 光h對基板S的表面全域進行照射。此時，以使照射光h以 均一、的能量密度對基板S的表面全域照射之方式，使_ 95171.doc -13- 1283887 又如利用圖7說明之下部電極層5，要對高深寬比的孔圖 案或凹槽圖案内外之犧牲層進行韻刻之情形時，較佳調整 照射光h之照射角度，裨使照射光匕照射到藉由蝕刻逐漸露 出的孔圖案或凹槽圖案之側壁。 如以上所述，對基板S進行照射光h之斷續照射後，於接 下來的第6步驟S6中，從流體供給管14將未混入蝕刻反應 物的純C〇2導入處理室丨丨内，將處理室丨丨内的環境氣體更 換為純c〇2。此時，處理室u内保持在c〇2處於超臨界狀 _ 態之特定溫度、壓力。 其後，於第7步驟S7中，藉由進行處理室u内之排氣， 將處理室11内減壓至常壓附近。此時很重要的一點是，為 防止於第5步驟S5之蝕刻工序中形成之構造體遭破壞，一 邊調整處理至1 1内的溫度並進行減壓，使處理室1 1内從 C〇2之超臨界狀怨直接轉移至氣體狀態。然後，將處理室 11内減壓至常壓附近後，使處理室i i内的溫度降低至常溫 附近。 _ 以上之後，於第8步驟S8中，從處理室11内取出基板S， 即結束一連串的蝕刻處理。 根據以上說明之蝕刻方法，於第5步驟S5中，藉由對基 板s表面進订照射光h之斷續照射，而斷續加熱基板S之表 面層。藉此，基板S表面附近之處理流體L·會透過來自加熱 之基板S表面層的熱傳導而受到二次加熱。而如圖3的雙點 虛線圖形⑴部分所示，從處理流體L與基板S相接之側開· 始有效加熱而膨脹。又，此種處理流體L之體積膨脹由於 95171.doc -14- 1283887 是受到以光照射進行加熱之基板S所傳來的放熱而二次加 熱者’故其發生時間晚於照射光h之照射時間A。而藉由此 種處理流體L之體積膨脹，如圖4(1)所示，即使在基板s於 其表面側具有中空部a之情形時，亦如圖中箭頭所示，中 空部a内之處理流體L會膨脹而從中空部a内強制排除。 又，該情形下，當照射光h之斷續照射使得構造體3之表面 加熱時，其熱會於構造體内高速傳遞而加熱中空部a側之 處理流體L。 藉此，包含因#刻而失去活性的姓刻反應物或反應生成 物之處理流體L即可從中空部a内排除。此外，由於處理室 11内流動供給有處理流體L，故從中空部a内排除之處理流 體L會隨著處理流體l之流動而從處理室11内排放出去。 而由於此種基板S表面層之加熱係斷續進行，故於加熱 與加熱之間，基板S的熱會向基板s本身及處理流體乙放 熱，使基板S冷卻。藉此，如圖3的雙點虛線圖形之（2)部 分所示，處理流體L亦轉為冷卻而開始收縮。而如圖4(2) 所示，處理流體L會強制流入上述之中空部&内。該情形 時，由於處理室11内流動供給有處理流體^，故含有新的 蝕刻反應物之處理流體L會流入中空部&内。由此進行中空 部a内之處理流體L之更換，而藉由新流入的處理流體1進 而對犧牲層2進行㈣。又，如以上之處理流體[之更換不 限於中空部a，對於蝕刻微細孔圖案或凹槽圖案内之犧牲 層之情形亦同。 因此’藉由上述斷續加熱’重複進行上述處理流體之強 95171.doc -15- 1283887 制更換此夠持續維持中空部a(孔及凹槽）内之蝕刻速率。 而如圖5之圖形所示，相較於先前之蝕刻方法中之蝕刻 :度（實線）’能夠隨著每次增加重複進行圖中虛線所示之 光照射之次數而加深蝕刻深度，故能夠藉由重複進行特定 -人數進仃蝕刻而達到所需之蝕刻深度。又，此處所謂的蝕 刻深度是指從蝕刻開口算起之距離。 此外由於能夠確保蝕刻速率，故亦可縮短整體的蝕刻時 間。藉此，可縮短被處理物之外表面或因早期蝕刻而顯現 在表面的部分曝露於處理流體之時間，而能夠減輕腐蝕及 Μ刻等之影響。 由以上可知’根據上述第1實施形態之蝕刻方法，藉由 透過微細的蝕刻開口進行蝕刻，對於形狀複雜或具有大於 蝕刻開口部之中空部、乃至於高深寬比之孔及凹槽内進行 蝕刻時，能夠形成良好之形狀精度而無蝕刻殘留，且表面 狀態不致劣化。其結果可望提升例如具有3次元構造體部 分之微機械及半導體裝置之動作特性。 <第2實施形態> 其次說明第2實施形態之蝕刻方法。本第2實施形態之钱 刻方法係介以光罩圖案而僅對基板s之選定部位進行照射 光h照射之方法，其一連串之工序順序均如同利用圖2之流 程圖說明之第1實施形態之工序順序。 該情形下，於利用圖1說明之處理裝置中，在於光源2 i 與基板S之間的照射光h之光路上配置有光罩之狀態下進行 第5步驟S5 ;該光罩形成有限制照射光h的照射範圍之圖 95171.doc -16- 1283887 案。 藉此，能夠於照射光h所照射之1次照射之區域内，形成 照射光h之強度分布。因此’例如圖4所示之、於構造體層 3之下方藉由犧牲層2之触刻而形成中空部α之情形，不對 多個構造體層3之蝕刻開口 3a附近進行照射光h照射，而僅 將照射光h照射在距钱刻開口 3 a較遠的中空部a位置，藉此 月包夠於既已形成之中空部a内產生局部性的處理流體l之對 流。因此，能夠進一步提升既已形成之中空部a中之處理 流體L之更換效率。 又於上述第1實施形態及第2實施形態中，乃舉例揭示使 用超臨界狀態之流體（C〇2超臨界流體）中含有蝕刻反應物 之處理流體L之钱刻。然而本發明之餘刻方法不限於使用 該種形態的處理流體L之蝕刻，亦可使用氣體狀或液體狀 之處理流體。此外，當#刻反應物本身為流體狀之情形， 可視需要使用其他超臨界狀態之流體或氣體、乃至於液體 等之載子流體。 【圖式簡單說明】 圖1係實施形態之触刻方法中使用之處理裝置之構成 圖。 圖2係表示實施形態之蝕刻方法之流程圖。 圖3係表示實施形態之蝕刻方法令照射光之斷續照射之 圖。 圖4(1)、（2)係說明實施形態之蝕刻方法的效果之圖。 圖5係表示實施形態之蝕刻方法的效果之圖。 95171.doc -17- 1283887 圖6(1)、（2)係用以說明先前的蝕刻方法之一例之剖面 圖。 圖7(1)、（2)係用以說明先前的蝕刻方法之其他例之剖面 圖。 【主要元件符號說明】 L 處理流體 S 基板（被處理物） 95171.doc -18 -

Claims (1)

1283887 十、申請專利範圍： 1 · 一種钱刻方法，其特徵係於將被處理物曝露於含有餘到 反應物之處理流體之狀態下，藉由以光照射對該被處理 物之表面斷續地加熱，使該被處理物附近之前述處理流 體受到斷續地加熱而膨脹、收縮；且 使前述處理流體對前述被處理物保持流動狀態。 2·如請求項1之蝕刻方法，其中前述處理流體係使超臨界 狀態之物質中含有蝕刻反應物而成者。 3·如請求項1之蝕刻方法，其中前述光照射係介以光罩圖 案而照射於前述被處理物之表面之選定部位。 4·如睛求項1之蝕刻方法，其中前述光照射係藉由燈光或 者雷射光之脈衝振盪而成。 5.如明求項4之蝕刻方法，其中前述光照射係藉由照射時 間100 η秒以下之脈衝振盪而成。 s求員1之蝕刻方法，其中照射於前述被處理物之表 面之光線係紫外光。 95171.doc