用氟气气体混合物进行各向异性深反应离子刻蚀的装置和方法与流程

本发明涉及一种具有权利要求1的特征的使用氟气气体混合物的深反应离子刻蚀(drie)的方法，具有权利要求10的特征的这种氟气气体混合物在深反应离子刻蚀中的用途，以及具有权利要求12的特征的具有使用本发明的氟气气体混合物用于深反应离子刻蚀的反应器的装置。

背景技术：

为了制造半导体元件和mems(微机电结构)系统，基板是结构化的。为此，可以使用不同的刻蚀工艺。湿化学刻蚀方法和干刻蚀方法是已知的，后者分为化学方法和物理方法。

化学干刻蚀(cde)方法涉及中性粒子/分子(通常是自由基)与基板表面之间的化学反应，这导致基板被结构化。自由基在等离子体中产生，这就是化学干刻蚀方法通常被称为等离子体刻蚀方法的原因。化学干刻蚀方法通常表现出完全各向同性的刻蚀性能。

另一方面，物理干刻蚀方法显示出相当各向异性的刻蚀图案。这里，通过用离子、电子或光子轰击来刻蚀基板的表面。使基板结构化所涉及的过程类似于溅射中涉及的过程。然而，物理干刻蚀方法通常具有相对低的刻蚀速率，其进一步仅包括低的材料选择性。掩模的相关刻蚀导致圆形边缘。另外，刻蚀需要高能量，使得离子穿透材料到更大的深度。因此，刻蚀不仅在表面进行，而且深层也被损坏。另一个缺点是在基板和掩模或掩模边缘上的刻蚀颗粒的寄生沉积(再沉积)。

组合了化学干刻蚀和物理干刻蚀的优点的两种干刻蚀方法的混合形式是物理-化学干刻蚀方法(物理-化学干刻蚀)，通常称为等离子体-辅助刻蚀。离析物通常由等离子体进行活化或自由基化，然后通过离子加速引导到基板上。物理-化学干刻蚀方法的众所周知的代表是反应离子刻蚀(rie)和深反应离子刻蚀(drie)。深反应离子刻蚀(drie)也称为博施法(bosch-prozess)。

在所有上述刻蚀方法中，使用特殊气体或气体混合物作为刻蚀气体。各种刻蚀气体对于相应的刻蚀方法是特定的。特别是在气体混合物的情况下，相应气体组分的低至1％的偏差可能导致所选择的刻蚀方法不再可执行。

例如，因为sf6允许非常好的和可再现的方法控制，所以六氟化硫sf6用作深反应离子刻蚀的刻蚀气体。六氟化硫sf6也易于处理且相对无害。

然而，六氟化硫sf6对环境是极其有害的气体，其gwp值>22800(gwp＝全球变暖潜势)，并且对全球变暖(“气候杀手”)有很大贡献。此外，在连续运行中，刻蚀设备在反应器的真空泵管线中积聚大量部分反应的硫化合物。这在24小时运行中是不期望的并且导致相对高的维护成本。

技术实现要素：

本发明的目的是使得用于对基板的各向异性结构化的深反应离子刻蚀更环保，同时保持作为该方法特征的刻蚀特性。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的刻蚀方法解决。

本发明的刻蚀方法包括通过深反应离子刻蚀(drie)利用多个交替的连续刻蚀步骤和钝化步骤使基板各向异性地结构化。根据本发明，使用氟气气体混合物进行刻蚀，所述氟气气体混合物具有大于25％至40％且包括40％的比例的氟(25％<f2<＝40％)、1％至50％的比例的氮气(1％<＝n2<＝50％)和30％至60％且包括60％的比例的惰性气体(30％<＝惰性气体<＝60％)。本发明的氟气气体混合物的这种特殊组成非常适合于替代先前使用的sf6。本发明基于以下事实：根据已有的知识，f2氟气气体混合物具有强烈的各向同性刻蚀性能，即与含氟分子(例如cf4、chf3、c4f8等)相反，f2氟气气体混合物不适合于实现纳米范围内的精细结构，例如半导体组件，因为对侧壁具有相应高选择性的纯反应离子刻蚀(＝所产生结构的非常光滑的侧表面)用于此目的。因此，f2氟气气体混合物仅用于清洁cvd系统，其中cvd系统充满f2氟气气体混合物并且需要各向同性刻蚀性能。几乎所有使用光刻胶掩模使半导体或mems组件精细结构化的常规等离子体系统总是需要相应的掩模选择性以及连续的侧壁钝化，以避免不希望的“底切”(＝对待刻蚀的层进行钻蚀)。然而，这通常只能通过使用聚合气体(例如chf3)来实现。在这方面，f2-气体混合物不能用于此目的，或者只能在非常有限的程度上使用，因为具有高自由基密度的f2气体混合物在没有其它聚合气体时只能各向同性地刻蚀，即产生底切，因此不能考虑用于各向异性刻蚀。然而，对于根据本发明的气体组合物，与先前的假设相反，已经可以使用f2氟气气体混合物用于使基板各向异性地结构化。

如开头已经提到的，在drie刻蚀方法中，即使仅1％的范围内的气体组分的偏差也可能导致刻蚀速率和该方法的可行性的显著变化。在进行实验时，令人惊讶的是，具有35％至40％且包括40％的比例的氟气、1％至50％的比例的氮气和30％至59％且包括59％的比例的惰性气体的氟气气体混合物在刻蚀速率和工艺控制方面产生了明显好于该组合物的理论预期的结果。

可以想到的是，氟气气体混合物含有来自氩气、氖气、氪气、氦气、氡气和氙气的组的惰性气体。

根据实施方案，氟气气体混合物可以包含氩气作为唯一的惰性气体组分。已经表明，使用氩气与f2和n2的组合在采用本发明的方法的刻蚀中产生了特别好的结果。

根据另一实施方案，钝化步骤包括通过使用c4f6作为工艺气体将钝化层施加到基板上。到目前为止，聚合气体c4f8已用于已知drie方法中的钝化。然而，该聚合气体c4f8对环境非常有害，即其gwp指数为8700(全球变暖潜势)。然而，聚合气体c4f6更为环境友好，即该工艺气体的gwp指数为1。因此本发明的由c4f6取代c4f8进一步有助于解决本发明的潜在问题，即使得已知的drie方法更环境友好。

根据本发明的实施方案，该方法尤其包括在高频直接等离子体中产生反应离子。与所谓的远程等离子体相反，在直接等离子体中，等离子体直接在刻蚀室中产生。高频直接等离子体被理解为以3mhz至300ghz的激发频率产生的等离子体。

这里，可以想到的是该方法包括以3mhz至30mhz的频率范围内的短波频带中的激发频率在电感或电容耦合的高频直接等离子体中产生反应离子。优选的高频范围跨越10mhz至15mhz。例如，所选频率为13.56mhz。

根据本发明的另外的实施方案，该方法包括以在0.3ghz至3ghz的频率范围内的微波频率带中的激发频率在高频等离子体中产生反应离子。优选的高频范围跨越2ghz至3ghz。例如，所选频率为2.45ghz。在使用sf6作为刻蚀气体的已知drie方法中，不使用微波激发，由于微波激发(例如2.5ghz)不适用于重质气体(例如sf6)，因为为了将sf6离解成氟自由基所需的高频功率可能仅以极其复杂且不够高效的方式耦合。结合使用要求保护的f2氟气气体混合物作为刻蚀气体的本发明，微波激发的使用是协同地(synergistisch)非常有趣的。氟气气体混合物已经以相比之下低三倍的功率密度离解成氟自由基，因此即使在微波激发下也允许高的氟自由基密度。因此，微波等离子体以相对低的能量输入产生非常高的自由基密度，这导致相当高的氟自由基密度，特别是当使用氟气气体混合物时。

为了通过使用微波激发在相应的硅基板(直径200至300mm)上实现足够好的刻蚀均匀性，另一实施方案是使用几个单独控制的微波耦合源，这些微波耦合源以平面方式规则排列并且是能够通过最大频率功率控制来优化烧蚀速率的硅均匀性或掩模均匀性。

根据另外的实施方案，本发明的方法包括产生反应性氟离子和氟自由基，其中在第一时间段内产生的反应性氟离子比氟自由基多，其中在随后的第二时间段内产生的氟自由基比反应性氟离子多。需要反应性氟离子来破坏打开钝化层或聚合层。另一方面，自由基以高选择性刻蚀待结构化的基板。因此，根据本发明，在刻蚀步骤开始时(例如半秒)首先产生反应性氟离子，然后将其引导到基板上，以便破坏在先前钝化步骤中施加的钝化层。随后，产生氟自由基并将其引导到暴露的基板上，以刻蚀基板或使基板结构化。例如，可以通过连接到等离子体源的控制器来实现在特定时间窗口中产生自由基和反应离子，该控制器配置用于相应地控制等离子体源，使得等离子体源在不同的时间在等离子体内产生不同的氟自由基和氟离子的比例的分布。

本发明的另一方面是氟气气体混合物在通过深反应离子刻蚀(drie)利用多个交替的连续刻蚀步骤和钝化步骤使基板各向异性地结构化中的用途，其中氟气气体混合物具有大于25％至40％且包括40％的比例的氟(25％<f2<＝40％)、1％至50％的比例的氮气(1％<＝n2<＝50％)和30％至60％且包括60％的比例的惰性气体(30％<＝惰性气体<＝60％)。

本发明的另一方面涉及一种装置，其具有通过深反应离子刻蚀(drie)利用多个交替的连续刻蚀步骤和钝化步骤各向异性地使基板结构化的反应器，以及用于将刻蚀气进料给到反应器的气体入口，其中氟气气体混合物用作刻蚀气体，氟气气体混合物具有大于25％至40％且包括40％的比例的氟(25％<f2<＝40％)、1％至50％的比例的氮气(1％<＝n2<＝50％)和30％至60％且包括60％的比例的惰性气体(30％<＝惰性气体<＝60％)。

附图说明

随后对发明的实施方案进行解释并描述在附图中，其中：

图1示出了通过本发明方法结构化的基板的示意性剖视图，

图2示出了根据现有技术的使用sf6作为工艺气体的用于深反应离子刻蚀的常规等离子体系统，

图3示出了使用本发明的氟气气体混合物作为工艺气体的用于深反应离子刻蚀的本发明的等离子体系统。

具体实施方式

图1示意性地示出了使用本发明drie方法结构化的基板101的刻蚀图案。drie方法通常被称为博施法。

博施法的特性在于它在各向同性硅刻蚀和各向同性聚合之间有规律地变化，并且每个硅刻蚀步骤需要相对小的各向异性，主要是在每个硅刻蚀步骤的开始。尽管各个刻蚀步骤可以是各向同性的，但是由于交替的刻蚀和聚合步骤，刻蚀到基板101中的结构104表现出高的各向异性。

图1中示例性示出的硅基板101还具有钝化层(例如氧化物)102。上述的重复钝化步骤还导致在基板101上沉积另外的钝化层或聚合物层103。该聚合物层103还导致腔104内的底部钝化和侧壁钝化。

博施法涉及用于在硅基板101中产生深沟槽、腔或tsv(硅通孔)104的反应离子刻蚀和聚合物沉积的交替和重复组合。迄今为止，在根据现有技术的博施法中，气体c4f8用于聚合物沉积，刻蚀气体sf6用于实际的硅刻蚀。

常规的博施法主要由三个方法步骤组成：

a)通过f自由基(由sf6形成)的各向同性化学刻蚀

b)通过c4f8气体钝化表面，各向同性，无偏压rf

c)通过加速离子去除底部钝化(物理刻蚀)

现有技术中使用的刻蚀室均使用频率为13.56mhz的所谓的电感耦合等离子体激发，与同时施加的频率为13.56mhz或400khz的额外等离子体源配对，通过阴极产生所谓的dc偏压或加速电压。

在反应器顶部感应耦合的等离子体产生相对高密度的未取向(ungerichtet)的氟离子和氟自由基，90％各向同性地刻蚀硅，主要是由于产生的高自由基密度。叠加的第二等离子体源垂直地朝向晶片表面加速sfx离子，因此产生各向异性的刻蚀部分，第二等离子体源独立于感应源而被控制。

各向异性刻蚀部分仅需要破坏先前在待形成的沟槽104的底部处沉积的薄的特氟隆类聚合物层102(聚合物保留在沟槽104的侧壁上以防止底切，从而允许接下来用氟自由基进行各向同性硅刻蚀)。

仅以施加电感耦合的13.56mhz功率，而无偏压rf，通过点燃c4f8等离子体“沉积”薄的ptfe类层来实现聚合。

在常规博施法中使用的刻蚀气体sf6是对环境极其有害的气体，其gwp值>22800(gwp＝全球变暖潜势)，对全球变暖(“气候杀手”)有很大贡献。另外，在上述刻蚀设备的连续运行中，大量部分反应的硫化合物积聚在反应器的真空泵管线中。这在24小时运行中是不期望的并且导致相对高的维护成本。

因此，本发明尤其提供了用氟气气体混合物替换博施法中先前使用的刻蚀气体sf6，以便能够在基板(例如体硅(bulk-silizium))101上产生光刻地特定深的层结构104，纵横比远远超过系数20:1(纵横比＝深度比沟槽宽度)。

根据本发明，氟气气体混合物包含大于25％至40％且包括40％的比例的氟(25％<f2<＝40％)、1％至50％的比例的氮气(1％<＝n2<＝50％)和30％至60％且包括60％的比例的惰性气体(30％<＝惰性气体<＝60％)。氩气优选用作惰性气体。

使用含有35％至40％且包括40％的比例的氟气、1％至50％的比例的氮气和30％至59％且包括59％的比例的惰性气体的氟气气体混合物可以获得显著更好的结果。

氟气气体混合物也可以由在所要求限度内的浓度的f2/惰性气体(氦气、氩气、氖气、氪气、氙气)/n2组成，以便能够优化所需的选择性和各向异性刻蚀比例。

到目前为止，已知氟气气体混合物具有非常高的各向同性，即氟气气体混合物以很大程度上未取向的方式刻蚀。因此，氟气气体混合物非常适合作为例如用于清洁cvd室的清洁气体。氟气气体混合物充满cvd室并分布在室中的大面积上，例如，各向同性地刻蚀并从室壁去除残留物。因此，这种大的各向同性对于清洁是理想的。然而，根据一般的专业知识，由于这种大的各向同性，氟气气体混合物不适合于基板的定向结构化。

与其中f2气体混合物用于例如cvd反应器壁上的玻璃层或非晶硅层的完全表面去除的cvd清洁等离子体相比，本发明描述了将f2气体混合物首次用于产生结构和基板(例如硅晶片)，声明旨在由于环境原因能够替换先前专门使用的sf6气体，同时因为不会发生干扰硫沉积，能够提高刻蚀室和真空组件的使用寿命。

用环境友好的f2气体混合物替换光掩模结构化的硅的drie刻蚀中的sf6的方法还需要与cvd清洁方法相比的不同技术方法，其中将氟气气体混合物以未取向方式引入室中以便使室充满氟气气体混合物。除此之外，cvd清洁方法中使用的氟气气体混合物的各个气体组分的组成或百分比分布不同于根据本发明的氟气气体混合物的组成。这里应该提到的是，在氟气气体混合物的情况下，甚至1％的单一混合组分的偏差可能导致所需的方法不再是可执行的。

在drie刻蚀中，由于在破坏特氟隆类聚合物层时需要展示出对特氟隆类聚合物层所需的选择性以及最小的各向异性以便能够进行真正的si刻蚀，向f2气体混合物中加入n2和惰性气体(例如氩作为相当重的原子)是一种新的解决方案，以便能够获得再次打开先前聚合的沟槽底部所需的溅射能量。

出于安全原因，使用f2气体混合物代替100％的f2是有利的，因为100％的f2是自燃和高反应性的。另外，100％的f2不能实现对常规掩蔽层(例如光致抗蚀剂，硅玻璃或氮化硅)的硅的必要选择性，这是氟气气体混合物尚未用于反应离子刻蚀的另一个原因。

本发明的方法可以用常规的电感耦合等离子体(例如13.56mhz)或使用微波等离子体(例如2.45ghz)实现。

将本发明的氟气气体混合物与微波等离子体结合使用具有许多优点。

例如，与在较低频率下激发的等离子体相比，微波等离子体在相对较低的能耗下产生非常高的自由基密度，这导致相当高的氟自由基密度，特别是当使用氟气气体混合物时。

由于在使用微波形成f2自由基时不需要额外的匹配单元(机电高频调节单元)，因此本发明装置的优点在于它可以比目前与电感耦合等离子体(例如在13.56mhz下)一起使用的处理室更可靠地构建。

仍可使用聚合气体c4f8。然而，现有技术中用于钝化的c4f8和用于刻蚀的刻蚀气体sf6对环境是非常有害的。因此，根据本发明，意图使用c4f6或sf4作为c4f8和sf6的可能替代物。与c4f8(c4f8：gwp＝8700)相比，c4f6的gwp指数仅为1(c4f6：gwp＝1)。

只有最新设计的微波源通过陶瓷表面与陶瓷波导耦合，这些陶瓷波导彼此相邻排列几次，在整个晶片表面上产生所需的平面和均匀分布的自由基密度，以实现均匀的硅去除。

将几个可单独控制的微波源组合成矩阵状、规则分布的布置的更复杂方法允许进一步优化直径范围为200mm至300mm的硅基板的可实现的均匀性。每个耦合元件的可单独控制的微波功率调节使得可以以非常精确的方式在整个反应器表面上调节分布在刻蚀室的离子能量和分布在刻蚀室的自由基密度，以实现尽可能均匀的刻蚀烧蚀。

仅需要13.56mhz或400khz的第二rf发生器以能够在分别朝向阴极或晶片表面的聚合物开口处产生可调节且精细可控的离子加速(溅射刻蚀步骤)。本发明的氟气气体混合物非常容易解离，需要相对低的rf功率以产生与sf6相当的氟自由基密度，从而也具有高的硅刻蚀速率。

在本发明的方法中，有利的是氟离子可用于破坏打开钝化层或聚合层103，其中需要氟自由基来使基板101结构化(在打开钝化层或聚合层103之后)。

因此，根据本发明的实施方案，本发明的方法包括产生反应性氟离子和氟自由基，其中在第一时间段内产生比氟自由基更多的反应性氟离子，其中在随后的第二时间内产生比反应性氟离子更多的氟自由基子。

需要反应性氟离子来破坏打开钝化层或聚合层103。另一方面，氟自由基以高选择性刻蚀待结构化的基板101。因此，根据本发明，在刻蚀步骤开始时(例如半秒)首先产生反应性氟离子，然后将其引导到基板101上，以便破坏在先前钝化步骤中施加的钝化层或聚合层103。随后，产生氟自由基并将其引导到暴露的基板101上，以刻蚀基板101或使基板101结构化。

例如，可以通过连接到等离子体源的控制器来实现在特定时间窗口中产生自由基和反应离子，该控制器配置用于相应地控制等离子体源，使得等离子体源在不同的时间在等离子体内产生不同的氟自由基和氟离子的比例的分布。

例如，控制器可以被配置为根据时间增加用于产生等离子体的激发频率。在低于微波频率范围的高频下，即大约30mhz至300mhz的频率，在等离子体中形成自由基和反应离子。在微波频率范围内的频率下，即大约0.3ghz至3ghz的频率，离子可能不再跟随(folgen)这些高频，几乎仅在等离子体中形成自由基。

因此，控制器可以被配置为在第一时间段内产生第一激发频率的等离子体，在第二时间段内产生第二激发频率的等离子体，其中第一激发频率低于第二激发频率，其中第一激发频率优选地低于微波频率范围，即处于约30mhz至300mhz，第二激发频率在0.3ghz至3ghz的微波频率范围内。

图2示出了根据现有技术的用于深反应离子刻蚀的常规等离子体系统200。等离子体系统200包括处理室201，处理室201包含待结构化的基板202。等离子体系统200还包括具有等离子体源203的室，sf6可以经由气体入口205作为工艺气体204被引入室中。工艺气体204，这里是sf6，经由上游质量流量控制器206被引导到等离子体源203。

如图2所示，因为f2气体混合物是有毒的并且具有高度腐蚀性，所以先前使用的等离子体系统需要进行改进以使用本发明的氟气气体混合物，以便能够满足更高的安全性要求，或者需要设计新的反应器，以这种方式，可以在没有安全措施的情况下使用根据本发明的氟气气体混合物。

因此，如图3所示，提供了一种等离子体系统300，其具有用于质量流量控制器306(mfc)的抽吸设备307，其中质量流量控制器306将本发明的氟气气体混合物304输送到处理室或真空室301中。

图3示出了用于深反应离子刻蚀的本发明的等离子体系统300。等离子体系统300包括处理室301，处理室301包含待结构化的基板302。此外，等离子体系统300包括具有等离子体源303的室。与现有技术(图2)相比，用作工艺气体304的所要求保护的氟气气体混合物经由气体入口305被引导到本发明的等离子体系统300中。氟气气体混合物经由上游质量流量控制器306被引导到等离子体源303，其中另外提供前面提到的抽吸设备307。

两个等离子体系统200、300的共同之处在于，待结构化的基板202、302布置在电极208、308上，离子或气流209、309被引导到电极208、308上(高各向异性)。另外，等离子体系统200、300均具有用于真空泵的连接件210、310。