[发明专利]一种硅刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体微纳加工技术领域，尤其涉及一种硅刻蚀方法。

背景技术

在集成电路、微机电系统和光学器件制造领域，都希望能够实现 单晶硅和多晶硅高深宽比结构的干法刻蚀。所以等离子体刻蚀技术不 仅要具备一定的刻蚀速率、刻蚀选择比，还需要具备近乎完全可控的 各向异性侧壁刻蚀。目前，一般所采用的各向异性干法刻蚀由于不可 避免地存在侧壁上离子轰击所引发的横向刻蚀，而无法达到刻蚀高深 宽比结构所需的各向异性要求。因此，要获得高深宽比的结构，可以 在刻蚀过程中的侧壁表面上覆盖一层阻蚀性薄膜以保护侧壁不被横向 刻蚀，由此得到纵向的刻蚀结果。

一般的阻蚀层是在刻蚀过程中化学淀积生成的有机聚合物薄膜， 为此反应气体中需要引入C(碳)元素。引入CF类气体与刻蚀气体同 时产生等离子体进行刻蚀，不过由于有机聚合物的生成，受腔室内各 类物理和化学影响因素较多，要在刻蚀过程中实现足够厚度并稳定可 靠的聚合物阻蚀层非常困难，往往达不到侧壁质量较高的高深宽比结 构。针对这一点，研究人员研发出了Bosch刻蚀工艺，将聚合物阻蚀 层的淀积和对单晶硅的刻蚀分离为两个独立的加工过程并循环交替进 行，这样就避免了淀积和刻蚀之间的相互影响，保证了阻蚀质量的稳 定可靠，从而能够得到所需要的各向异性刻蚀，并具有较高的刻蚀速 率和选择比。

Bosch刻蚀工艺也有其应用的局限性，例如侧壁粗糙，有百纳米级 的侧钻凹槽，因此Bosch刻蚀工艺较适用于微米级以上尺寸的刻蚀。 如果要得到侧壁光滑的高深宽比的刻蚀结构，可以采用无机阻蚀层的 低温等离子体刻蚀方法。低温硅刻蚀的载片台温度一般为-150℃ ～-100℃，刻蚀气体选择F(氟)系气体，在氧的参与下生成SiF_xO_y， 在常温的腔体环境下易挥发，但在低温时呈固态。通过降低表面反应 生成物质的挥发性，提升阻蚀层的厚度和可靠性，以阻止刻蚀过程中 对侧壁的横向刻蚀，可达到较高的深宽比刻蚀图形，同时具有较高的 选择比。

尽管低温等离子体硅刻蚀工艺有如上所述的优点，但在实验中常 规的低温刻蚀中(下电极功率源的频率是13.56MHz，属于射频RF： RadioFrequency)，刻蚀纳米级的高深宽比的结构时，由于槽开口较窄， 活性化学反应物质扩散到深宽比较高的槽底相对比较困难，同时槽底 化学反应后所生成的挥发物也较难被抽离。也就是说，较窄槽开口附 近的反应物质浓度比槽底的反应物质浓度高，所以槽开口附近容易形 成内凹的侧钻现象，使得开口尺寸扩宽，最终使得整个槽的侧壁不是 所需的各向异性。如图1所示，图1中硅基片上的电子束胶的槽开口 宽度为100nm，经刻蚀后槽开口的宽度为145.8nm，展宽了45.8nm。 刻蚀后槽底部的基线与刻蚀槽边线的角度为92.6°，因此，刻蚀后的 槽底部窄了50nm，侧壁陡直度不高。

另外，如果采用SiO₂等绝缘材料作为掩膜，此绝缘层尖端的放电 效应会形成局部电场，此微电场对向下轰击的离子有偏转作用，导致 掩膜下方侧壁出现侧钻现象。所以在纳米级的刻蚀中，类似的侧钻现 象会大大降低各种器件的性能。

发明内容

基于现有技术的缺陷，本发明提供一种硅刻蚀方法，以解决现有 技术在硅刻蚀过程中出现的侧钻现象。

为此目的，本发明提供一种硅刻蚀方法，包括以下步骤：

(1)在硅基片上制作刻蚀掩膜图形；

(2)将制作好所述刻蚀掩膜图形的硅基片放置在刻蚀机中进行刻 蚀；所述刻蚀机的下电极功率由100～1000Hz的脉冲电源产生，所述刻 蚀机的载片台温度为-120℃～-100℃。

优选地，上述方法还包括以下步骤：

(3)对刻蚀后的硅基片进行过刻蚀。

优选地，所述步骤(3)中所述刻蚀机的载片台温度与所述步骤(2) 中所述刻蚀机的载片台温度相同。

优选地，在所述刻蚀过程中，所述脉冲电源的功率为3～30W，产 生的脉冲信号的占空比为10％～50％，所述刻蚀机的上电极功率为 200～1000W，所述刻蚀机的真空室压强为5～15mTorr，所述刻蚀机采用 的SF₆气体的流量为20～40sccm，所述刻蚀机采用的O₂气体的流量为 5～30sccm。