一種硅刻蝕方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及半導體微納加工技術領域，尤其涉及一種硅刻蝕方法。
【背景技術】
[0002]在集成電路、微機電系統和光學器件制造領域，都希望能夠實現單晶硅和多晶硅高深寬比結構的干法刻蝕。所以等離子體刻蝕技術不僅要具備一定的刻蝕速率、刻蝕選擇比，還需要具備近乎完全可控的各向異性側壁刻蝕。目前，一般所采用的各向異性干法刻蝕由于不可避免地存在側壁上離子轟擊所引發的橫向刻蝕，而無法達到刻蝕高深寬比結構所需的各向異性要求。因此，要獲得高深寬比的結構，可以在刻蝕過程中的側壁表面上覆蓋一層阻蝕性薄膜以保護側壁不被橫向刻蝕，由此得到縱向的刻蝕結果。
[0003]—般的阻蝕層是在刻蝕過程中化學淀積生成的有機聚合物薄膜，為此反應氣體中需要引入C(碳)元素。引入CF類氣體與刻蝕氣體同時產生等離子體進行刻蝕，不過由于有機聚合物的生成，受腔室內各類物理和化學影響因素較多，要在刻蝕過程中實現足夠厚度并穩定可靠的聚合物阻蝕層非常困難，往往達不到側壁質量較高的高深寬比結構。針對這一點，研究人員研發出了Bosch刻蝕工藝，將聚合物阻蝕層的淀積和對單晶硅的刻蝕分離為兩個獨立的加工過程并循環交替進行，這樣就避免了淀積和刻蝕之間的相互影響，保證了阻蝕質量的穩定可靠，從而能夠得到所需要的各向異性刻蝕，并具有較高的刻蝕速率和選擇比。
[0004]Bosch刻蝕工藝也有其應用的局限性，例如側壁粗糙，有百納米級的側鉆凹槽，因此Bosch刻蝕工藝較適用于微米級以上尺寸的刻蝕。如果要得到側壁光滑的高深寬比的刻蝕結構，可以采用無機阻蝕層的低溫等離子體刻蝕方法。低溫硅刻蝕的載片臺溫度一般為_150°C?-100°C，刻蝕氣體選擇F(氟)系氣體，在氧的參與下生成SiFxOy,在常溫的腔體環境下易揮發，但在低溫時呈固態。通過降低表面反應生成物質的揮發性，提升阻蝕層的厚度和可靠性，以阻止刻蝕過程中對側壁的橫向刻蝕，可達到較高的深寬比刻蝕圖形，同時具有較尚的選擇比。
[0005]盡管低溫等離子體硅刻蝕工藝有如上所述的優點，但在實驗中常規的低溫刻蝕中(下電極功率源的頻率是13.56MHz，屬于射頻RF:Rad1 Frequency)，刻蝕納米級的高深寬比的結構時，由于槽開口較窄，活性化學反應物質擴散到深寬比較高的槽底相對比較困難，同時槽底化學反應后所生成的揮發物也較難被抽離。也就是說，較窄槽開口附近的反應物質濃度比槽底的反應物質濃度高，所以槽開口附近容易形成內凹的側鉆現象，使得開口尺寸擴寬，最終使得整個槽的側壁不是所需的各向異性。如圖1所示，圖1中硅基片上的電子束膠的槽開口寬度為10nm，經刻蝕后槽開口的寬度為145.8nm，展寬了45.8nm。刻蝕后槽底部的基線與刻蝕槽邊線的角度為92.6°，因此，刻蝕后的槽底部窄了50nm，側壁陡直度不高。
[0006]另外，如果采用S12等絕緣材料作為掩膜，此絕緣層尖端的放電效應會形成局部電場，此微電場對向下轟擊的離子有偏轉作用，導致掩膜下方側壁出現側鉆現象。所以在納米級的刻蝕中，類似的側鉆現象會大大降低各種器件的性能。
【發明內容】
[0007]基于現有技術的缺陷，本發明提供一種硅刻蝕方法，以解決現有技術在硅刻蝕過程中出現的側鉆現象。
[0008]為此目的，本發明提供一種硅刻蝕方法，包括以下步驟:
[0009](I)在硅基片上制作刻蝕掩膜圖形；
[0010](2)將制作好所述刻蝕掩膜圖形的硅基片放置在刻蝕機中進行刻蝕;所述刻蝕機的下電極功率由100?1000Hz的脈沖電源產生，所述刻蝕機的載片臺溫度為-120°C?-100Γ。
[0011]優選地，上述方法還包括以下步驟:
[0012](3)對刻蝕后的硅基片進行過刻蝕。
[0013]優選地，所述步驟(3)中所述刻蝕機的載片臺溫度與所述步驟(2)中所述刻蝕機的載片臺溫度相同。
[0014]優選地，在所述刻蝕過程中，所述脈沖電源的功率為3?30W，產生的脈沖信號的占空比為10%?50%，所述刻蝕機的上電極功率為200?1000W，所述刻蝕機的真空室壓強為5?15mTorr，所述刻蝕機采用的SF6氣體的流量為20?40sccm，所述刻蝕機采用的02氣體的流量為5?30sccm。
[0015]優選地，在所述刻蝕過程中，所述脈沖電源的功率為5W，所述脈沖電源的頻率為500Hz，所述脈沖電源產生的脈沖信號占空比為35% ;所述刻蝕機的上電極功率為400W，所述刻蝕機的真空室壓強為5mTorr，所述刻蝕機采用的SF6氣體的流量為20sccm，所述刻蝕機采用的O2氣體的流量為5SCCm，所述刻蝕機的載片臺溫度為-120 °C。
[0016]優選地，在所述刻蝕過程中，所述脈沖電源的功率為5W，所述脈沖電源的頻率為300Hz，所述脈沖電源產生的脈沖信號占空比設為35% ;所述刻蝕機的上電極功率為400W，所述刻蝕機的真空室壓強為9mTorr，所述刻蝕機采用的SF6氣體的流量為30sccm，所述刻蝕機采用的02氣體的流量為9sccm，所述刻蝕機的載片臺溫度為-110 °C。
[0017]優選地，在所述刻蝕過程中，所述脈沖電源的功率為30W，所述脈沖電源的頻率為100Hz，所述脈沖電源產生的脈沖信號占空比為50 % ;所述刻蝕機的上電極功率為1000W，所述刻蝕機的真空室壓強為15mTor;r，所述刻蝕機采用的SF6氣體的流量為40sccm，所述刻蝕機采用的02氣體的流量為20 sccm，所述刻蝕機的載片臺溫度為-100 °C。
[0018]優選地，在所述過刻蝕過程中，所述脈沖電源的功率為3W，所述脈沖電源的頻率為500Hz，所述脈沖電源產生的脈沖信號占空比設為1 % ;所述刻蝕機的上電極功率為400W，所述刻蝕機的真空室壓強為7mTorr，所述刻蝕機采用的SF6氣體的流量為20sccm，所述刻蝕機采用的02氣體的流量為15 sccm，所述刻蝕機的載片臺溫度為-110 °C。
[0019]優選地，所述電子束膠為正膠或者負膠。
[0020]優選地，所述步驟(I)中在硅基片上制作刻蝕掩膜圖形，包括:
[0021]在硅基片上涂覆電子束膠、電子束曝光及電子束顯影。
[0022]由上述技術方案可知，本發明的硅刻蝕方法，通過將低溫硅刻蝕工藝和低頻工藝結合，使用低頻脈沖電源作為刻蝕機的下電極電源，設置載片臺的溫度在一定的低溫范圍內，能夠很好的控制在硅刻蝕過程中產生的側鉆現象，適用于高深寬比的納米級硅刻蝕。
【附圖說明】
[0023]圖1為現有技術刻蝕納米硅的剖面掃描電子顯微鏡得到的圖像；
[0024]圖2為本發明一實施例提供的硅刻蝕方法的流程示意圖；
[0025]圖3為本發明一實施例提供的硅刻蝕方法刻蝕納米硅的剖面掃描電子顯微鏡得到的圖像；
[0026]圖4為本發明另一實施例提供的硅刻蝕方法刻蝕納米硅的剖面掃描電子顯微鏡得到的圖像；
[0027]圖5為本發明另一實施例提供的硅刻蝕方法刻蝕納米硅的剖面掃描電子顯微鏡得到不同圖形陣列的圖像；
[0028]圖6為本發明另一實施例提供的硅刻蝕方法刻蝕多晶硅的剖面掃描電子顯微鏡得到的圖像。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0030]圖2示出了本發明一實施例提供的硅刻蝕方法的流程示意圖。如圖2所示，本實施例的硅刻蝕方法包括步驟(I)和步驟(2)。
[0031 ] (I)在硅基片上制作刻蝕掩膜圖形；
[0032](2)將制作好所述刻蝕掩膜圖形的硅基片放置在刻蝕機中進行刻蝕。
[0033]其中，所述刻蝕機的下電極功率由100?1000Hz的脈沖電源產生，所述刻蝕機的載片臺溫度為-120 °C?-100 °C。
[0034]本實施例的硅刻蝕方法，將低頻脈沖技術與低溫刻蝕技術相結合，得到的刻蝕槽垂直度好，無側鉆現象。
[0035]圖3示出了本發明一實施例提供的硅刻蝕方法刻蝕納米硅的剖面掃描電子顯微鏡得到的圖像。本實施例的硅刻蝕方法如下:
[0036](I)在硅基片上涂覆電子束正膠ZEP520，經過前烘、電子束曝光、顯影后，制備出正性光刻膠圖形。
[0037](2)將硅基片置于電感耦合等離子體刻蝕機中進行刻蝕。
[0038]其中，脈沖電源的功率設為5W，頻率設為500Hz，脈沖電源產生的脈沖信號占空比設為35%。電感耦合等離子體刻蝕機的上電極功率設為400W，真空室的壓強設為5mTorr，SF6氣體的流量為20sCCm，02氣體的流量為5sCCm，載片臺溫度設為-120°C。
[0039]將刻蝕后的硅片沿刻蝕槽方向剖開，利用掃描電子顯微鏡SEM觀察刻蝕槽的剖面，得到的SEM圖如圖3所示。由圖3可知，本實施例的硅基片上的電子束膠的槽開口寬度為lOOnm，經刻蝕后槽開口的寬度為104.4nm，展寬了 4.4nm。刻蝕后槽底部的基線與刻蝕槽邊線的角度為89.7°，刻蝕槽的深度為1.46μπι，因此，刻蝕槽的深寬比達到14:1，槽開口寬度與膠開口寬度保持一致，開口處無側鉆現象，刻蝕后的刻蝕槽邊線與基線幾乎垂直，刻蝕槽陡直度高，側壁光滑。
[0040]本實施例的硅刻蝕方法，利用電子束正膠作為刻蝕掩膜，通過低頻脈沖電源，以及低溫載片臺，