[其他]利用氟化气体混合物进行硅的等离子体蚀刻

说明书

本发明涉及硅的等离子体蚀刻方面的问题，特别是半导体元件生产中硅的等离子蚀刻问题。

在使用单晶硅的半导体元件生产中，特别在生产高组装密度的集成电路芯片时，经常需要蚀刻硅基片的某些表面。在现有的工艺中，这是通过等离子体蚀刻完成的。在等离子体蚀刻过程中，首先将硅片涂一层光刻胶。在光刻胶上作出一些窗口，使光刻胶下面被选定的硅片区域暴露出来。然后把硅片放在蚀刻室中。室体是一个受控制的环绕物，包括用来把气体导入室体的装置以及由气体产生等离子体的电极。典型的氯化气体如Cl₂、CCl₄等用来形成等离子体以蚀刻硅。将这种气体导入室体，施加射频（RF）能量以产生等离子体。直到射频能量去掉以后蚀刻才会终止，通过调整过程的计时、气体压力、射频能量及气体流速控制蚀刻深度。

用现有技术的方法蚀刻硅有几个缺点。第一，使用的氯化气体对人的生命有很大危险。例如，CCl₄对人体是有毒的，允许的暴露量仅为10PPm。在超过300PPm量级时，立即威胁人体生命。另外，CCl₄是一种可疑的致癌物。氯气（Cl₂）本身就是有毒的，而且有腐蚀性，按职业防护与健康管理机构（OSHA）规定，允许的暴露量极限仅为1PPm。从25PPm开始能立即危及生命。因此，必须采取昂贵的预防措施以防止那些能危及生命的气体的泄漏。这些预防措施增加了蚀刻工序的费用。

第二，氯气具有强的腐蚀性，因此缩短了暴露在这种气体中的部件的使用寿命。

第三，在硅的蚀刻过程中，氯气损伤硅的表面，使其粗糙，从而

对氧化层的形成有不利影响。这样就产生不可靠的元件特性。这种损伤可以补救，只不过外加一次热处理步骤。

最后，氯气能各向同性地蚀刻硅，钻蚀光刻胶层，因而为了得到合格的元件需要较大的设计窗口。

所以本发明的一个目的是提供一种蚀刻硅的方法，该方法不涉及有毒物质。

本发明的进一步目的是提供一种蚀刻硅的方法，该方法不使用腐蚀性物质。

本发明还有一个目的是提供一种蚀刻硅的方法，该方法不损伤硅表面。

本发明更进一步的目的是提供一种定向蚀刻硅的方法，以消除对光刻胶层的钻蚀。

本发明利用氟化气体混合物形成等离子体以蚀刻硅。这种气体混合物是由对人体无毒且无腐蚀性的CHF₃和SF₆组成。当利用80%CHF₃和20%SF₆的混合物形成等离子体时，结果得到了基本上定向的硅蚀刻，消除了对光刻胶层的钻蚀。这个氟化气体混合物并不损伤硅表面，因而后面的氧化步骤是不受蚀刻影响的。不需要热处理步骤以补救蚀刻的损伤。

图1图解说明，用现有技术的方法蚀刻的硅的剖面图。

图2图解说明，上面有一层光刻胶的硅基片。

图3图解说明，在光刻胶上形成窗口以后的图2所示的硅基片。

图4图解说明，蚀刻以后的图3所示的硅基片。

图5是一个曲线图，表示了定向度与CHF₃浓度的关系曲线。

图6图解说明，聚合物母体的作用。

这里叙述一个对等离子体蚀刻的有所改进的方法。利用氟化气体提供定向蚀刻。在下面的叙述中，要提出许多具体的细节，如气体百分比、射频功率等等，以便对本发明提供更彻底的理解。然而显然对工艺熟练者来说，不需要这些具体细节也可以实践本发明。另一方面，对于大家熟知的过程并未详细叙述，以期突出本发明的要点。

在等离子体蚀刻时，将硅片放在蚀刻室里。这种类型之蚀刻室是平行金属板反应器。在这种反应器里，上面和下面的平面电极是水平配置，而且互相平行的。上面的电极通常是“功率”电极，并与射频发生器耦合。气体通过与射频发生器耦合的“喷头”型的上面电极进入。硅片放在蚀刻室内的那个下面电极的上面，气体进入室体，射频能量用来产生等离子体以进行蚀刻。

蚀刻硅时，光刻掩膜用来确定蚀刻图形。然而由于蚀刻的各向同性，造成了对光刻胶层的钻蚀。这种情况的一个例子示于图1。在硅层10中的光刻图形是由光刻掩膜11确定的。如图1所示，蚀刻区域的侧壁扩展到光刻胶下面，结果形成了檐12。由于这一现象，使用这种方法时，为实现所要求的蚀刻，为蚀刻图形设计的窗口必须比实际的要大一些。这就限制了电路设计上所能达到的密集程度。当前的技术水平要求在1微米宽的光刻胶上形成的图形。然而，由于蚀刻是各向同性的，蚀刻窗口的最小宽度目前限制在1.5到2微米。