專利名稱：硅的各向異性濕式蝕刻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用堿性蝕刻劑選擇性并各向異性地蝕刻硅基底的濕式蝕刻。
背景技術(shù)：
已知對(duì)于這種濕式蝕刻，采用硅氧化物膜和硅氮化物膜的疊層(下文中稱為硅氮化物/硅氧化物疊層)作為蝕刻掩模，以防止堿性蝕刻劑的滲透(例如，參見(jiàn)日本專利公告第2000-114248號(hào))。
根據(jù)本發(fā)明人的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些情況下，當(dāng)通過(guò)形成透過(guò)硅氮化物/硅氧化物疊層的矩形掩模開(kāi)口實(shí)施濕式蝕刻的時(shí)候，被蝕刻的硅區(qū)不是矩形的或者在硅氮化物/硅氧化物疊層中形成裂紋。
圖9和圖10示出與發(fā)明者的研究相關(guān)的硅的濕式蝕刻的主要工藝。
在如圖9所示的工藝中，在由單晶硅制成的硅基底1的一個(gè)主表面上形成蝕刻掩模5。在基底1的另一個(gè)主表面上形成蝕刻阻止膜2。在形成蝕刻掩模5時(shí)，通過(guò)熱氧化作用在基底表面形成硅氧化物膜3之后，用化學(xué)氣相沉積(CVD)在硅氧化物膜3上沉積形成硅氮化物膜4。膜3和4的硅氮化物/硅氧化物疊層選擇性地被干式蝕刻、以便形成矩形掩模開(kāi)口4A、以形成由被留下的硅氮化物/硅氧化物疊層組成的蝕刻掩模5。例如，通過(guò)熱氧化作用形成由硅氧化物膜組成的蝕刻阻止膜2。如果蝕刻阻止膜用作隔膜或者類似結(jié)構(gòu)，就可以采用各種結(jié)構(gòu)的層，比如通過(guò)CVD在硅氧化物膜上沉積硅氮化物層。
在如圖10所示的工藝中，通過(guò)使用具有掩模開(kāi)口4A的蝕刻掩模5，利用堿蝕刻劑如四甲基氫氧化銨(TMAH)，基底1被選擇性并各向異性地蝕刻到蝕刻阻止膜2的表面，從而形成基底開(kāi)口1A。
圖11是如圖10所示的基底的頂部視圖，剖視10是沿著圖11所示的X-X′所取得的。由于蝕刻掩模5的膜應(yīng)力，掩模開(kāi)口4A的內(nèi)壁5a以內(nèi)凸起的形狀彎曲，或者由于施加到基底1上的膜應(yīng)力，基底開(kāi)口1A的內(nèi)壁1a以內(nèi)凸起的形狀彎曲，從而引起形狀異常B。當(dāng)膜應(yīng)力很大的時(shí)候，在蝕刻掩模5中形成裂縫(特別是硅氮化物膜4)從而引起裂紋異常A。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供能夠避免上述的異常A和B的新型的濕式蝕刻。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種濕式蝕刻方法，包括以下步驟在形成在硅基底的一個(gè)主表面上的硅氧化物膜上形成硅氮化物膜，硅氧化物膜的厚度TO和硅氮化物膜的厚度TN設(shè)定為具有1.25或者更大的膜厚比TO/TN；選擇性地蝕刻硅氧化物膜和硅氮化物膜的疊層以形成由疊層被留下的區(qū)域組成的蝕刻掩模；以及通過(guò)使用蝕刻掩模用堿性蝕刻劑選擇性并各向異性地蝕刻硅基底。
通過(guò)將疊層中硅氧化物膜的厚度TO比上硅氮化物膜的厚度TN的膜厚比TO/TN設(shè)定為1.25或者更大，疊層的膜應(yīng)力平衡變得良好，從而避免形狀異常和裂紋異常。特別優(yōu)選的是膜厚比TO/TN設(shè)定在1.60到3.21的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種濕式蝕刻方法，包括步驟在形成在硅基底的一個(gè)主表面上的硅氧化物膜上形成硅氮化物膜；選擇性地蝕刻硅氧化物膜和硅氮化物膜的疊層從而形成通過(guò)部分疊層區(qū)域的掩模開(kāi)口和形成由疊層被留下的區(qū)域組成的蝕刻掩模；在形成蝕刻掩模之后或者之前，部分地在硅氮化物膜中形成膜應(yīng)力釋放槽，膜應(yīng)力釋放槽釋放施加到掩模開(kāi)口的膜應(yīng)力；并且選擇性并且各向異性地利用蝕刻掩模用堿性蝕刻劑蝕刻硅基底。
當(dāng)膜應(yīng)力釋放槽在構(gòu)成蝕刻掩模的硅氮化物/硅氧化物疊層中的硅氮化物膜中部分地形成的時(shí)候，能夠釋放施加到掩模開(kāi)口和硅基底上的膜應(yīng)力，從而避免形狀異常和裂紋異常。特別優(yōu)選的是環(huán)繞著掩模開(kāi)口形成一個(gè)或者更多個(gè)的膜應(yīng)力釋放膜。
如上所述，當(dāng)用堿性蝕刻劑選擇性并且各向異性地蝕刻硅基底的時(shí)候，通過(guò)將疊層中硅氧化物膜的厚度TO比上硅氮化物膜的厚度TN的膜厚比TO/TN設(shè)置為1.25或者更大，或者通過(guò)在硅氮化物層中部分地形成膜應(yīng)力釋放槽，有可能抑制由于膜應(yīng)力引起的蝕刻形狀的變形或者在蝕刻掩模中的裂紋。


圖1為一剖視圖，示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，當(dāng)實(shí)施濕式蝕刻的時(shí)候使用的形成蝕刻掩模材料層的工藝；圖2為一剖視圖，示出緊跟著如圖1所示的工藝的膜應(yīng)力釋放槽形成工藝；圖3為一剖視圖，示出緊跟著如圖2所示的工藝的蝕刻掩模形成工藝；圖4為一剖視圖，示出緊跟著如圖3所示的工藝的蝕刻工藝；圖5為如圖4所示的基底的俯視圖；圖6為根據(jù)第一變型例的膜應(yīng)力釋放槽的俯視圖；圖7為根據(jù)第二變型例的膜應(yīng)力釋放槽的俯視圖；圖8為根據(jù)第三變型例的膜應(yīng)力釋放槽的俯視圖；圖9為一剖視圖，示出了相關(guān)于發(fā)明人的研究的蝕刻掩模形成工藝；圖10為一剖視圖，示出了緊跟著如圖9所示的工藝的蝕刻工藝；圖11為如圖10所示的基底的俯視圖。
具體實(shí)施例圖1到圖4為一剖視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例濕式蝕刻的主要工藝。
圖1所示的工藝中，在由單晶硅制成的硅基底10的一個(gè)主表面上，形成蝕刻掩模材料層，其是硅氧化物(SiO2)膜14和硅氮化物(SiN)膜16的疊層。在基底10的另一個(gè)主表面上，形成由例如SiN構(gòu)成的蝕刻阻止膜12，并在其兩者之間插入緩沖氧化物膜。例如，對(duì)于6英寸晶片該硅基底具有450至600微米的厚度，對(duì)于8英寸晶片該硅基底具有600至850微米的厚度。
在形成蝕刻掩模材料層的時(shí)候，形成SiO2膜14之后，通過(guò)熱氧化作用，利用低壓熱CVD在SiO2膜14上沉積SiN膜16。用于SiO2膜14的熱氧化工藝的條件可以是，例如
氣流速率N2/O2＝18/10[以升/分鐘為單位]基底溫度1025[攝氏度]用于SiN膜16的低壓熱CVD工藝的條件可以是，例如氣流速率SiH2Cl2/NH3(或者NH3+N2)＝0.05到6/0.5到6[升/分鐘]反應(yīng)室壓力60[Pa]基底溫度700到800[攝氏度]在如圖2所示的工藝中，利用抗蝕劑層18作為掩模實(shí)施選擇性干式蝕刻工藝，從而形成在SiN膜16中具有如圖5所示的平面圖形的膜應(yīng)力釋放槽16A。如圖5所示的槽16A的平面圖形示出整個(gè)圖形的大約一半，整個(gè)圖形是環(huán)繞預(yù)定矩形區(qū)的網(wǎng)格圖形。
用于平行板型等離子蝕刻的干式蝕刻工藝的條件可以是，例如氣體SF6/He反應(yīng)室壓力大約0.50[托]用于等離子垂直式(down-flow)蝕刻的干式蝕刻工藝的條件可以是，例如氣體SF6/He反應(yīng)室壓力大約0.20[托]干式蝕刻工藝之后，用公知的方法移除抗蝕劑層18。
在如圖3所示的工藝中，通過(guò)利用抗蝕劑層20作為掩模，選擇性地干式蝕刻SiO2膜14和SiN膜16的疊層(硅氮化物/硅氧化物疊層)，從而形成具有如圖5所示的矩形平面圖形的掩模開(kāi)口22，并留下由膜14和16的未蝕刻疊層構(gòu)成的蝕刻掩模24。掩模開(kāi)口22具有相應(yīng)于預(yù)期的隔膜形狀。例如，掩模開(kāi)口22具有4邊，平行于那些被槽16A環(huán)繞的矩形區(qū)。
用于平行板型等離子蝕刻的干式蝕刻工藝的條件可以是，例如氣體CF4/O2反應(yīng)室壓力大約1.0[托]用于磁控反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的干式蝕刻工藝的條件可以是，例如氣體CF4/CHF3/N2反應(yīng)室壓力大約0.25[托]用于窄間隙電極RIE的干式蝕刻工藝的條件可以是，例如氣體CF4/CHF3/He
反應(yīng)室壓力大約0.15[托]干式蝕刻工藝之后，用公知的方法移除抗蝕劑層20。可以優(yōu)先于如圖2所示的選擇性的干式蝕刻工藝施加如圖3所示的選擇性的干式蝕刻工藝。
在如圖4所示的工藝中，通過(guò)利用蝕刻掩模24，用堿性蝕刻劑選擇性并且各向異性地蝕刻基底10，從而形成基底開(kāi)口10A?；组_(kāi)口10A可以一直到蝕刻阻止膜12或者可以在蝕刻阻止膜12上留下具有用虛線10S表示的預(yù)定厚度的硅區(qū)。
堿性蝕刻劑可以是TMAH或者氫氧化鉀(KOH)，其濃度大約為25[％]，液體溫度大約為90[攝氏度]。濃度優(yōu)選的是略低一些，因?yàn)槿绻麧舛群芨?，被蝕刻的硅的表面會(huì)變得非常粗糙。然而，如果濃度太低，蝕刻速率會(huì)降低并且工藝時(shí)間要延長(zhǎng)。
下面的表1示出每個(gè)樣品在進(jìn)行如圖4所示的濕式蝕刻工藝之后，即用22[％]濃度和90[攝氏度]的液體溫度的TMAH作為蝕刻劑蝕刻15小時(shí)之后，是否具有異常A和B(參見(jiàn)圖11)。
表1

表1示出每個(gè)樣品的SiN膜16的厚度TN[納米]，SiO2膜14的厚度TO，總厚度T＝TO+TN以及膜厚比R＝TO/TN。環(huán)形標(biāo)記表示有異常，叉形標(biāo)記表示沒(méi)有異常而三角形標(biāo)記表示具有不會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生不利影響的程度的輕微異常。
從表1中可以明白的是，樣品#3、#5、#6、#8和#9既沒(méi)有異常A也沒(méi)有異常B，并且需要的膜厚比R為1.25或者更高。在R＝1.45時(shí)，盡管可以稍微辨認(rèn)出異常A，但是這種異常A發(fā)生在被蝕刻的區(qū)之外，從而不會(huì)引發(fā)任何器件性能問(wèn)題并且器件可以應(yīng)用于實(shí)踐。在從R＝1.60到3.21的范圍內(nèi)，沒(méi)有辨別出異常和不合格(rejection)。在R大于3.21時(shí)，形成SiO2膜14要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，結(jié)果導(dǎo)致成本上的不利。因此優(yōu)選的是設(shè)定R在范圍1.25(更優(yōu)選1.60)≤R≤3.21。
如果SiO2膜14的厚度TO很薄，那么假設(shè)TN為常數(shù)，比率R會(huì)變得很小。如果R變得小于1.25，將不再為優(yōu)選。如果TO很薄，可以認(rèn)為硅氮化物膜中的應(yīng)力很可能被施加到基底10上，并且在基底中的應(yīng)力釋放變得不足以產(chǎn)生異常B。如果TO很厚，膜形成時(shí)間延長(zhǎng)，結(jié)果導(dǎo)致成本上的不利。因此優(yōu)選的是設(shè)定TO在范圍300[納米]≤TO≤450[納米]中。
如果SiN膜16的厚度TN厚于300[納米](樣品#4)，可能發(fā)生異常A。因此厚度TN優(yōu)選為很薄。如果TN薄于140[納米]，有必要使得SiO2膜14更薄，目的是設(shè)定R為3.21或者更小。在這種情況下，可能產(chǎn)生以下問(wèn)題(a)當(dāng)SiO2膜的厚度太薄時(shí)，應(yīng)力釋放效應(yīng)不充分，使得產(chǎn)生異常B；(b)當(dāng)SiN膜的厚度太薄時(shí)，在處理晶片過(guò)程中該SiN膜可能受到損傷。由此，在濕式蝕刻過(guò)程中透過(guò)該損傷處該SiO2膜可能被蝕刻，使得產(chǎn)生異常A和B。因此優(yōu)選設(shè)定TN在范圍140[納米]≤TN≤300[納米]內(nèi)?？紤]到生產(chǎn)率和成本，優(yōu)選的是設(shè)定TN在范圍170[納米]≤TN≤280[納米]內(nèi)。
圖4和5示出沒(méi)有異常A和B的基底開(kāi)口10A和蝕刻掩模24。SiN膜16沒(méi)有裂紋異常A。在掩模開(kāi)口22的內(nèi)壁22a和基底開(kāi)口10A的內(nèi)壁10a上沒(méi)有形成具有向內(nèi)凸起彎曲形狀的形狀異常B。
在上面描述的實(shí)施例中，如果基底開(kāi)口10A的面積很小，則有很好的膜應(yīng)力平衡以至于可以省略膜應(yīng)力釋放槽16A。也就是，在實(shí)施圖1所示出的工藝之后，可以省略如圖2所示的工藝來(lái)實(shí)施如圖3所示的工藝。在這種情況下，僅僅通過(guò)設(shè)定SiO2膜14和SiN膜16的厚度，使得SiO2膜厚比上SiN膜16的厚度的比率R＝TO/TN成1.25或者更大，就可以消除異常A和B。
圖6到8示出膜應(yīng)力釋放槽的第一到第三變型例。在這些圖中，用相同的附圖標(biāo)記表示那些與圖1到5中相似的元件，并且省略對(duì)其的具體描述。
在圖6所示的樣品中，由劃線區(qū)26環(huán)繞的矩形硅芯片區(qū)中，形成矩形基底開(kāi)口10A。應(yīng)力很可能集中在矩形基底開(kāi)口10A的拐角處。在SiN膜16上形成矩形膜應(yīng)力釋放槽16A。矩形膜應(yīng)力釋放槽16A環(huán)繞著基底開(kāi)口10A，并且矩形膜應(yīng)力釋放槽16A的四邊并不平行于基底開(kāi)口10A的四邊，但是平行于基底開(kāi)口10A的對(duì)角線方向。槽16A的寬度W可以設(shè)定為10[微米]或者更寬，以及基底開(kāi)口10A的每一個(gè)角和槽16A的相應(yīng)邊之間的距離D可以設(shè)定為100[微米]或者更長(zhǎng)。
在圖7所示的樣品中，圓形環(huán)狀膜應(yīng)力釋放槽16A環(huán)繞基底開(kāi)口10A而形成。在圖8所示的實(shí)施例中，四個(gè)膜應(yīng)力釋放槽16A到16D環(huán)繞基底開(kāi)口10A并且相應(yīng)于基底開(kāi)口10A的四個(gè)角而形成。
在圖6到8示出的所有實(shí)施例中，由于膜應(yīng)力釋放槽接近基底開(kāi)口10A的四個(gè)角形成，能夠抑制在角位置的應(yīng)力集中。
結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已經(jīng)進(jìn)行了具體的描述。本發(fā)明沒(méi)有僅僅限定為上述的實(shí)施例。很顯然，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行其它的多種修改、改進(jìn)、組合等。
權(quán)利要求
1.一種濕式蝕刻方法，包括以下步驟在一硅基底的一主表面上形成一硅氧化物膜，然后在該硅氧化物膜上形成一硅氮化物膜，所述硅氧化物膜的厚度TO和所述硅氮化物膜的厚度TN設(shè)定為具有1.25或更大的膜厚比TO/TN；選擇性地蝕刻所述硅氧化物膜和硅氮化物膜的疊層，以由所述疊層的剩下的區(qū)域形成一蝕刻掩模；以及采用所述蝕刻掩模，以堿性蝕刻劑選擇性并各向異性地蝕刻所述硅基底。
2.如權(quán)利要求1所述的濕式蝕刻方法，其中所述膜厚比TO/TN設(shè)定在1.60到3.21的范圍內(nèi)。
3.一種濕式蝕刻方法，包括以下步驟在一硅基底的一主表面上形成一硅氧化物膜，并在該硅氧化物膜上形成一硅氮化物膜；選擇性地蝕刻所述硅氧化物膜和硅氮化物膜的疊層，以形成一穿過(guò)所述疊層的部分區(qū)域的掩模開(kāi)口并且由所述疊層的剩下的區(qū)域形成一蝕刻掩模；在形成所述蝕刻掩模之后或者之前，在所述硅氮化物膜中部分地形成至少一個(gè)膜應(yīng)力釋放槽，所述膜應(yīng)力釋放槽釋放施加到所述掩模開(kāi)口的膜應(yīng)力；以及采用所述蝕刻掩模，以堿性蝕刻劑選擇性并各向異性地蝕刻所述硅基底。
4.如權(quán)利要求3所述的濕式蝕刻方法，其中所述至少一個(gè)膜應(yīng)力釋放槽環(huán)繞所述掩模開(kāi)口形成。
全文摘要
通過(guò)熱氧化作用在硅基底的一個(gè)主表面上形成硅氧化物膜，之后，用CVD在硅氧化物膜上形成硅氮化物膜。選擇性地干式蝕刻硅氧化物膜和硅氮化物膜的疊層，以形成掩模開(kāi)口22并留下由疊層被留下的區(qū)域所組成的蝕刻掩模。通過(guò)利用蝕刻掩模用例如TMAH的堿性蝕刻劑選擇性并且各向異性地蝕刻基底，以形成基底開(kāi)口。通過(guò)設(shè)定硅氧化物膜的厚度與硅氮化物膜的厚度的比例為1.25或者更大，優(yōu)選地是1.60或者更大，則可能避免開(kāi)口內(nèi)壁蝕刻形狀的變形和蝕刻掩模中的裂紋。
文檔編號(hào)H01L21/306GK1534738SQ200410031450
公開(kāi)日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2004年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月10日
發(fā)明者青島知保 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社