專利名稱：間歇性蝕刻冷卻的制作方法
技術領域：
本發明涉及對樣品的氣相蝕刻，更具體地，涉及對半導體材料的 氣相蝕刻。
背景技術：
半導體材料和/或襯底的氣相蝕刻是利用氣體(如二氟化氛)完成 的。具體地，在二氟化氛蝕刻中，二氟化氙氣體與諸如硅和鉬的固體 材料反應，以使得材料被轉化為氣相。這些材料的去除被公知為蝕刻。 典型地，利用氣相蝕刻，特別是在二氟化氙蝕刻的情況下，該反 應是放熱的或者產生熱量。此熱量將使被蝕刻的部件升溫。被蝕刻的 部件被稱為樣品。提高的溫度可影響關鍵參數，例如蝕刻率或蝕刻速 度、以及選擇性，即期望被蝕刻的材料相對于期望保留的材料之間的 相對蝕刻比例。而且，提高的溫度可導致諸如損壞敏感材料(例如聚 合物)的問題。
二氟化氛蝕刻的 一種普通方法是通過蝕刻的間歇方法。在此模式 下，二氟化氙在被稱為膨脹腔的中間腔中從固態升華到氣態，然后可 將二氟化氙與其他氣體混合。然后，膨脹腔內的氣體可流入蝕刻腔以
對樣品進行蝕刻，這被稱為蝕刻步驟。接著，通過真空泵將主腔排空。 包括蝕刻步驟的這個循環被稱為蝕刻循環。如果需要，則重復該循環， 以達到所期望的蝕刻量。
應當注意，在蝕刻的過程中產生的任何熱量都將會使樣品的溫度 升高。通過在蝕刻循環結束時簡單地排空腔體并重復此循環，樣品幾 乎沒有機會回到其初始溫度。這在一部分上是由于腔體的排空降低了 腔體內氣體的導熱性，腔體的排空在定義上是減少腔體內的氣體分子 數目。因此，通常，每個蝕刻循環都將使樣品連續地升溫。已經觀察 到，升高的溫度導致硅相對于低壓化學氣相沉積的氮化硅的選擇性下降。氮化硅是半導體或微機電系統裝置中非常的普通材料，而且，在 大多數情況下，非常期望在對硅進行蝕刻時，對氮化硅的腐蝕降到最 小。
硅相對于其他材料(包括氮化硅)的選擇性的降低還是由蝕刻工 藝的產物的出現所引起的。這些反應產物(例如四氟化物)腐蝕非硅 材料，以使選擇性降低。

發明內容
本發明減小或避免了由于連續的蝕刻循環引起的被蝕刻樣品的持 續溫度變化，并周期性地從腔體中除掉反應產物。本發明包括在每個 蝕刻步驟之間增加另一個步驟，該步驟用于增加樣品和在其中對樣品 進行蝕刻的蝕刻腔之間的熱傳導。具體地，在每個蝕刻循環之后，蝕 刻腔被充滿冷卻/清除氣體以增加熱傳導。所述氣體可以是任何惰性氣 體，例如而不限于，氦，氮，或氬。也可以預見^f吏用這些惰性氣體的 混合物。如此處所用的，術語"惰性"氣體是指與蝕刻化學物質發生 最小程度的反應的任何氣體。所述惰性氣體在本文中被稱為冷卻/清除
氣體。已經觀察到，在各蝕刻循環之間增加冷卻/清除氣體至400 torr 比現有技術提高了硅相對于氮化硅蝕刻的選擇性。
向用于蝕刻的氣體添加惰性氣體或最小程度反應氣體已在第 6,409,876號和第6,290,864號美國專利中描述。然而，與本發明不同， 上述專利描述了在蝕刻循環中將蝕刻氣體和另一種氣體結合。然而， 附加氣體和蝕刻氣體的混合將急劇地減小蝕刻率，如由Kirt Reed Williams在其博士論文"Micromachined Hot-Filament Vacuum Devices (孩i才幾械熱絲真空裝置)"Ph.D. Dissertation, UC Berkeley, May 1997， p. 396中所描述的。
在本發明中，在蝕刻循環中使用濃縮蝕刻氣體、然后用冷卻/清除 氣體冷卻樣品的分離步驟，降低或避免了被蝕刻樣品內的溫度持續升 高。這將提高樣品的蝕刻率，同時保持選擇性，并降低可由較高的樣 品溫度引起的其他可能形式的損害，例如有機膜損壞或非意愿的材料 退火。更具體地，本發明是一種氣相蝕刻方法，包括以下步驟(a)將 要蝕刻的樣品放入主腔內；(b )將所述主腔內的空氣從中排出；(c ) 將蝕刻氣體輸入所述主腔；(d)將所述蝕刻氣體從所述主腔中排出； (e)將冷卻/清除氣體輸入所述主腔；并且(f)將所述冷卻/清除氣體 從所述主腔中排出。
期望地，重復步驟(c)到步驟(f)，直至樣品被蝕刻到期望的 程度。
所述方法還可包括在每次進行步驟(c )之前將所述蝕刻氣體輸入 膨脹腔，其中步驟(c)包括將所述膨脹腔中的所述蝕刻氣體輸入所述 主腔。
所述方法在步驟(b)和第一次重復步驟(c)之間，還可包括以 下步驟(1 )將冷卻/清除氣體輸入所述主腔；(2)將所述冷卻/清除 氣體從所述主腔中排出；并且(3)將步驟(1)和步驟(2)至少重復 一次。
所述方法還可包括在步驟(c)和(d)之間，將所述蝕刻氣體 在所述腔內保留第一時間段；并且在步驟(e)和(f)之間，將所述 冷卻/清除氣體在所述腔內保留第二時間段。
所述第一時間段期望為小于10秒。所述第二時間段期望為小于 20秒。
在步驟(b)、步驟(d)、步驟(f)的至少一個中，所述主腔被 抽真空到0.01 torr與1.0 torr之間的壓強。在步驟(c )和步驟(e )的 至少一個中，向所述主腔輸入氣體到1 torr與600torr之間的壓強。
本發明還是一種氣相蝕刻系統，包括主腔，用于支持被蝕刻的 樣品；蝕刻氣體源，經由第一氣體控制閥與所述主腔流體連通；冷卻/ 清除氣體源，經由第二氣體控制閥與所述主腔流體連通；真空泵，經 由第三氣體控制閥與所述主腔流體連通；以及控制器，用于控制所述 各氣體控制閥，從而使蝕刻氣體和冷卻/清除氣體多次被交替地輸入所 述主腔，并在交替輸入之間被排出。
分別來自所述蝕刻氣體源和所述冷卻/清除氣體源的蝕刻氣體和 冷卻/清除氣體可被交替地輸入所述主腔，直至所述樣品被蝕刻到期望的程度。
所述系統還可包括膨脹腔，在所述第一氣體控制閥和所述主腔 之間流體連通；第四氣體控制閥，在所述膨脹腔和所述主腔之間流體 連通。所述控制器可用于控制所述第一氣體閥和所述第四氣體閥，從 而使得在每次將蝕刻氣體輸入所述主腔之前，所述蝕刻氣體被輸入所 述膨脹腔。
所述系統還可包括第五氣體控制閥，其在所述膨脹腔和所述真空 泵之間流體連通。所述控制器可用于控制所述各氣體控制閥，從而使 所述膨脹腔中的氣體能夠被所述真空泵直接地、獨立地排出，或者與 所述主腔中的氣體同時排出。
最后，本發明是一種氣相蝕刻系統，包括主腔，用于支持被蝕 刻的樣品；蝕刻氣體源；冷卻/清除氣體源；真空泵；多個氣體控制閥， 連接于所述主腔，并用于使得所述主腔能夠選擇性地從所述蝕刻氣 體源接收蝕刻氣體、由所述真空泵獲得真空、并從所述冷卻/清除氣體 源接收冷卻/清除氣體；以及控制器，用于控制所述氣體控制閥，從而 使所述主腔按順序地從所述蝕刻氣體源接收蝕刻氣體、由所述真空 泵獲得真空、從所述冷卻/清除氣體源接收冷卻/清除氣體、由所述真空 泵獲得真空。
所述主腔可多次按順序地從所述蝕刻氣體源接收所述蝕刻氣體、 從所述真空泵獲得真空、從所述冷卻/清除氣體源接收所述冷卻/清除氣 體、從所述真空泵獲得真空。
所述多個氣體控制閥包括第一氣體控制閥，在所述蝕刻氣體源 和所述主腔之間流體連通；第二氣體控制閥，在所述冷卻/清除氣體源 和所述主腔之間流體連通；以及第三氣體控制閥，在所述主腔和所述 真空泵之間流體連通。
所述系統還可包括膨脹腔體。所述控制器可用于控制所述各氣體 控制閥，從而使所述主腔從所述蝕刻氣體源、經由所述膨脹腔接收蝕 刻氣體，所述膨脹腔在所述主腔接收所述蝕刻氣體之前接收并暫時地 保留所述蝕刻氣體。
可選擇地，所述多個氣體控制閥可包括第一氣體控制閥，在所述蝕刻氣體源和所述膨脹腔之間流體連通；第二氣體控制閥，在所述 膨脹腔和所述主腔之間流體連通；第三氣體控制閥，在所述冷卻/清除 氣體源和所述主腔之間流體連通；以及第四氣體控制閥，在所述主腔 和所述真空泵之間流體連通。可設置在所述膨脹腔和所述真空泵之間 流體連通的第五氣體控制閥。
所述蝕刻氣體可以是二氟化氙，二氟化氪或卣素氟化物。所述冷 卻/清除氣體可以是氦，氮或氬。


圖1是根據本發明的氣相蝕刻系統的示意圖，其中可實現本發明 的方法。
具體實施例方式
參考圖1，氣相蝕刻氣體源101 (例如蝕刻氣體(如二氟化氙)的 罐)被連接到期望為氣動操作閥的閥102。閥102連接于膨脹腔103， 膨脹腔103作為用于調節每個循環中蝕刻氣體的量的中間腔。在一個 示例性實施方案中，膨脹腔103的容積為0.6升。然而，這不應被認 為是對本發明的限制，因為膨脹腔103的容積可以是任意合適的和/ 或期望的容積，例如從O.l升到20升或更大。
可選地，膨力長腔103可通過閥IIO獨立地排空，閥110期望為氣 動操作閥。期望地，壓力傳感器(P.S.)(例如，電容隔膜壓力計) 與膨脹腔103流體連通。另外，膨脹腔103可具有附加連接和附加閥 (未示出)，并典型地具有針閥(未示出)，從而允許向膨脹腔103 添加其他氣體，例如惰性氣體。膨脹腔103經由期望為氣動操作閥的 閥104連接于主真空腔107。主腔107還可具有與其流體連通的壓力 傳感器(P.S.),例如電容隔膜壓力計。
冷卻/清除氣體源106(例如冷卻/清除氣體的罐)經由閥105連接 到主腔107，閥105期望為氣動操作閥。主腔107是要被蝕刻的樣品 所處的地方。腔107經由真空泵109和閥108排空，真空泵109期望 為干式泵，閥108期望為氣動操作閥。在一個示例性實施方式中，主腔107的容積為0.6升。然而，這不應被認為是對本發明的限制，因 為主腔107的容積可以是任意合適的或期望的容積(本領域技術人員 認為期望的和/或必需的容積)，例如從O.l升到20升或更大，從而適 合其中被蝕刻樣品的尺寸。
可以預見對上述系統設計的其他修改，例如在第6，887，337號美 國專利中描述的，其通過引用并入本文。這些修改包括但不限于容 積可變的膨脹腔，多個膨脹腔，以及多個氣體源。而且，在一些情況 下，例如為了冷卻而使用危險性氣體，為了對主腔107進行清除和排 放，可期望增加專用腔排放連接，而不是單獨地使用閥105和冷卻/ 清除氣體源106。
另外，也考慮使用其他惰性氟化氣體進行蝕刻，例如二氟化氪或 卣素氟化物(如三氟化溴)。另外，也考慮這些氣體的組合。
典型的蝕刻順序是將樣品S裝入主腔107。然后，通過打開將真 空泵109連接到主腔107的閥108，而使主腔107被排空。期望地， 主腔107被降壓或抽真空，例如達到小于1 torr (如大約0.3 torr)， 于是閥108關閉。通過打開閥105以使來自冷卻/清除氣體源106的冷 卻/清除氣體流入主腔107至大約400 torr (盡管從1 torr到600 torr的 任何值都是可用的)，而使主腔107可被進一步清除空氣，在該壓強 下，閥105關閉且閥108打開，于是主腔107再次-陂降壓或抽真空。 典型地，這些清除和泵抽重復3次或更多次，以使主腔107內的濕氣 和不期望的空氣氣體降到最低，濕氣和不期望的空氣氣體可與二氟化 氙以及其他蝕刻氣體反應，以形成氫氟酸，氫氟酸將會腐蝕許多非硅 材料。
在適當的時刻，通過打開將真空泵109連接到膨脹腔103的閥 110，使得膨脹腔103被排空。期望地，膨脹腔103被降壓到例如小于 1 torr (例如到大約0.3 torr)，于是閥110關閉。期望地，用真空泵 109排空膨脹腔103是獨立于用真空泵109排空主腔107進行的。然 而，這不應被認為是對本發明的限制，因為可以預見，如果需要，膨 脹腔103和主腔107的排空可以同時進行。
一旦主腔107被清除空氣到足夠的程度，通過打開閥102,氣相蝕刻氣體源101被連接到膨脹腔103。由于膨脹腔103已經被清除空 氣到足夠的程度，例如大約0.3torr或更低，所以蝕刻氣體將從氣相蝕 刻氣體源101流入膨脹腔103,直至膨脹腔103中的壓強期望地達到1 torr和10 torr之間(盡管從1 torr到600 torr之間的任何值也是可用的， 其中，更高的壓強通常需要對氣體源進行加熱)。然后，閥102關閉， 隨后，閥104打開，從而使膨脹腔103內的蝕刻氣體流入主腔107, 主腔107已經經由閥108被真空泵109抽至低于膨脹腔103的壓強， 例如0.01 torr到1 torr之間。響應于樣品S被曝露于從膨脹腔103接 收到主腔107內的蝕刻氣體，開始在樣品S上進行蝕刻。
在用于對樣品S進行蝕刻的規定時間之后，閥108打開，該規定 時間典型為凄史秒，即小于10秒，例如大約5秒。由于閥104和108 打開且由于閥102、 105和110關閉，所以，響應于真空泵109經由打 開的閥104和108對膨B長腔103和主腔107的作用，主腔107和膨月長 腔103的壓強均下降。當主腔107內的壓強降至0.01 torr至l torr之 間的設定點時，閥104和108關閉。現在通過打開閥105以使冷卻/ 清除氣體(例如氮氣),人冷卻/清除氣體源106流入主腔107，而開始 對樣品S進行冷卻，直至主腔107中的壓強達到400 torr (從1 torr到 600torr的任意壓強可以工作)，隨后閥105關閉。在閥105關閉后， 使得冷卻/清除氣體在主腔107內保留足夠的時間(例如而不限于，小 于20秒，如大約15秒)，以將樣品S的溫度降低到期望溫度，例如 接近其初始或開始溫度。同時，可選地，膨脹腔103經由閥IIO被排 空，直至達到大約0.3 torr。在為下一個蝕刻循環的準備中，膨脹腔103 接著被重新充滿(如上所述)。
一旦對于樣品S過去了足夠的冷卻時間，通過打開閥108,使主 腔107被排空，并且上述蝕刻和冷卻的循環被重復，直至完成足夠的 蝕刻。 一旦蝕刻完成，在排放步驟中，打開閥105,直至主腔壓強達 到大氣壓，然后通過利用與裝載樣品時所使用的相同的泵抽和清除順 序，可移走樣品S。
可提供控制器(C)以自動地控制圖1所示系統的運行。例如， 控制器C可連接于每個空氣傳感器P.S.，以用于檢測相應的腔103和/
12或107內的壓強，并且控制器C可連接于每個閥102、 104、 105、 108
和110，以控制它們按照上述方式的順序和運行。控制器c可以是任 意合適的和期望的類型。
將氮氣作為冷卻/清除氣體是為了方便而使用的。然而，可以相信， 其他氣體(單獨或是組合地)可以產生改善。例如，使用氦氣可以提 供額外的好處，這是因為氦氣比氮氣具有更高的熱導率。更高的熱導 率意味著每個循環所需的冷卻時間可得到減少。
已經結合優選的實施方案描述了本發明。在閱讀并理解上述說明 后，還可以進行明顯的修改和變化。當這些對本發明的修改和變化落 入所附的權利要求或其等同物的范圍內，則本發明覆蓋了這些修改和 變化。
權利要求
1.一種氣相蝕刻方法，包括(a)將要蝕刻的樣品放入主腔內；(b)將所述主腔內的空氣從中排出；(c)將蝕刻氣體輸入所述主腔；(d)將所述蝕刻氣體從所述主腔中排出；(e)將冷卻/清除氣體輸入所述主腔；并且(f)將所述冷卻/清除氣體從所述主腔中排出。
2. 如權利要求1所述的方法，還包括重復步驟(c)到步驟(f), 直至所述樣品被蝕刻到期望的程度。
3. 如權利要求2所述的方法，還包括在每次進行步驟(c)之前 將所述蝕刻氣體輸入膨脹腔，其中步驟(c)包括將所述膨脹腔中的所 述蝕刻氣體輸入所述主腔。
4. 如權利要求2所述的方法，在步驟(b)和第一次重復步驟(c) 之間，還包括(1 )將冷卻/清除氣體輸入所述主腔；(2) 將所述冷卻/清除氣體從所述主腔中排出；并且(3) 將步驟(1)和步驟(2)至少重復一次。
5. 如權利要求l所述的方法，還包括在步驟(c)和(d)之間，將所述蝕刻氣體在所述腔內保留第一 時間段；并且在步驟(e)和(f)之間，將所述冷卻/清除氣體在所述腔內保留 第二時間段。
6. 如權利要求5所述的方法，其中所述第一時間段小于IO秒；并且 所述第二時間段小于20秒。
7. 如權利要求l所述的方法，其中在步驟(b)、步驟(d)、步驟(f)的至少一個中，所述主腔被 抽真空到0.01 torr與1.0 torr之間的壓強；并且在步驟(c)和步驟(e)的至少一個中，向所述主腔輸入氣體到 1 torr與600 torr之間的壓強。
8. —種氣相蝕刻系統，包括 主腔，用于支持被蝕刻的樣品；蝕刻氣體源，經由第 一氣體控制閥與所述主腔流體連通； 冷卻/清除氣體源，經由第二氣體控制閥與所述主腔流體連通； 真空泵，經由第三氣體控制閥與所述主腔流體連通；以及 控制器，用于控制所述各氣體控制閥，從而使蝕刻氣體和冷卻/ 清除氣體多次被交替地輸入所述主腔，并在交替輸入之間被排出。
9. 如權利要求8所述的系統，其中分別來自所述蝕刻氣體源和所 述冷卻/清除氣體源的蝕刻氣體和冷卻/清除氣體被交替地輸入所述主 腔，直至所述樣品被蝕刻到期望的程度。
10. 如權利要求8所述的系統，還包括膨脹腔，在所述第一氣體控制閥和所述主腔之間流體連通；以及 第四氣體控制閥，在所述膨脹腔和所述主腔之間流體連通，其中所述控制器用于控制所述第一氣體閥和所述第四氣體閥，從而使得在 每次將蝕刻氣體輸入所述主腔之前，所述蝕刻氣體被輸入所述膨脹腔。
11. 如權利要求IO所述的系統，還包括第五氣體控制閥，其在所 述膨脹腔和所述真空泵之間流體連通，其中所述控制器用于控制所述 各氣體控制閥，從而使所述膨脹腔中的氣體能夠被所述真空泵直接地、獨立地排出，或者與所述主腔中的氣體同時排出。
12. —種氣相蝕刻系統，包括主腔，用于支持被蝕刻的樣品；蝕刻氣體源；冷卻/清除氣體源；真空泵；多個氣體控制閥，連接于所述主腔，并用于使得所述主腔能夠選擇性地從所述蝕刻氣體源接收蝕刻氣體、由所述真空泵獲得真空、并從所述冷卻/清除氣體源接收冷卻/清除氣體；以及控制器，用于控制所述氣體控制閥，從而使所述主腔按順序地從所述蝕刻氣體源接收蝕刻氣體、由所述真空泵獲得真空、從所述冷卻/清除氣體源接收冷卻/清除氣體、由所述真空泵獲得真空。
13. 如權利要求12所述的系統，其中所述主腔多次按順序地從所述蝕刻氣體源接收所迷蝕刻氣體、從所述真空泵獲得真空、從所述冷卻/清除氣體源接收所述冷卻/清除氣體、從所述真空泵獲得真空。
14. 如權利要求12所述的系統，其中所述多個氣體控制閥包括第 一氣體控制閥，在所述蝕刻氣體源和所述主腔之間流體連通；第二氣體控制閥，在所述冷卻/清除氣體源和所述主腔之間流體連通；以及第三氣體控制閥，在所述主腔和所述真空泵之間流體連通。
15. 如權利要求12所述的系統，還包括膨脹腔，其中所述控制器用于控制所述各氣體控制閥，從而使所述主腔從所述蝕刻氣體源、經由所述膨脹腔接收蝕刻氣體，所述膨脹腔在所述主腔接收所述蝕刻氣體之前接收并暫時地保留所述蝕刻氣體。
16. 如權利要求15所述系統，其中所述多個氣體控制閥包括第 一氣體控制閥，在所述蝕刻氣體源和所述膨脹腔之間流體連通；第二氣體控制閥，在所述膨脹腔和所述主腔之間流體連通；第三氣體控制閥，在所述冷卻/清除氣體源和所述主腔之間流體連通；以及第四氣體控制閥，在所述主腔和所述真空泵之間流體連通。
17. 如權利要求15所述的系統，其中所述多個氣體控制閥還包括在所述膨脹腔和所述真空泵之間流體連通的第五氣體控制閥。
18. 如權利要求12所述的系統，其中所述蝕刻氣體是二氟化氛，二氟化氪或卣素氟化物。
19. 如權利要求12所述的系統，其中所述冷卻/清除氣體是氦，氮或氬。
20. 如權利要求15所述的系統，其中所述膨脹腔是容積可變的膨脹腔。
全文摘要
在氣相蝕刻的設備和方法中，被蝕刻的樣品(S)被置于主腔(107)內，其中空氣從該主腔中排出。蝕刻氣體在第一時間段內被輸入到主腔(107)內。隨后，蝕刻氣體從主腔(107)內排出，并且冷卻/清除氣體在第二時間段內被輸入到主腔內。之后，該冷卻/清除氣體從主腔(107)中排出。期望地，重復以下步驟在第一時間段內將蝕刻氣體輸入主腔(107)，將蝕刻氣體排出主腔，在第二時間段內將冷卻/清除氣體輸入主腔(107)，以及將冷卻/清除氣體排出主腔，直至樣品被蝕刻到期望的程度。
文檔編號C03C15/00GK101558477SQ200680030901
公開日2009年10月14日 申請日期2006年8月23日 優先權日2005年8月23日
發明者凱爾·S·勒布伊茨, 大衛·L·斯伯英格爾 申請人:埃克提斯公司