從襯底表面選擇性去除材料的方法,用於晶片的掩蓋材料和帶有掩蓋材料的晶片的製作方法
2023-10-21 02:08:22 3
專利名稱：從襯底表面選擇性去除材料的方法,用於晶片的掩蓋材料和帶有掩蓋材料的晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種去除方法和用於襯底的掩蓋材料，如按獨立權利要求的前述部分所述的晶片和襯底或帶有這種掩蓋材料的晶片。
從襯底表面上的選擇性去除材料可通過掩蓋不應去除的表面區並使留下的自由表面經蝕刻劑作用來實現。基於未經掩蓋的區域，可從襯底上按深度去除材料。但會出現下列各種問題·該蝕刻劑不僅蝕刻自由表面區，也蝕刻掩蓋材料。按作用時間的長短會導致掩蓋層的減薄或完全去除，並由此導致本來要保護的襯底表面的去除。
·可導致底蝕，即從已產生的凹穴邊壁在掩模下面發生橫向蝕刻，以使在掩蓋層下的邊緣出現受損和非確定性。此外所形成的凹穴的壁也呈不光滑。
·在襯底上的單一凹穴內的和/或多個凹穴內的不均勻蝕刻導致不確定深度。
·蝕刻掉的材料會發生不希望的再沉積。蝕刻掉的襯底材料和/或掩蓋材料可呈有害的方式或在襯底上和/或蝕刻設備上的不利部位沉積，導致不適用的結果或導致蝕刻設備失效。
·在製備深凹穴(深度T＞200μm)時該蝕刻速度太低，達不到經濟效果。
蝕刻工藝可以是各向同性的(即在所有方向上有相同效果)或各向異性的(在某些空間方向比另一些空間方向更有效)。通常溼蝕刻是各向同性的蝕刻過程，但比較慢，不適於如在矽晶片中蝕刻深凹穴。幹蝕刻有較高的蝕刻率(單位時間的去除量)。在此情況下產生蝕刻等離子體(如SF6)，為起作用將其放在要蝕刻的部位。術語「等離子體」這裡也意指高電離化(不完全電離化)的聚集態。也稱為RIE(「反應性離子蝕刻」)。只要是製備深的凹穴，如應用幹蝕刻則稱為DRIE(「深的反應性離子蝕刻」)。這裡特別需要蝕刻過程的均勻性和掩蓋材料的耐受性。採用ICP-蝕刻可達到更高的蝕刻速度。這時通過感應能量耦合產生高電離等離子體(ICP＝感應耦合等離子體)。該蝕刻率是如此之高，以致在使用通常的由聚合物或氧化物製成的掩蓋層時，在掩蓋層隨襯底被蝕刻掉前僅可達小的凹穴深度。
另一方面已知應用含金屬或完全(＞98重量％)由金屬特別是鋁材料製成的掩蓋材料。該掩蓋材料的特性是甚至在薄掩蓋層的情況下也可對ICP-蝕刻有如此的耐受性，以致在掩蓋層被去除前可製備深的凹穴。但仍然也會從掩蓋層蝕刻掉材料。該材料特別沉積在蝕刻設備中，在帶有應感耦合器的管上或管中沉積有該材料。由此這些管呈金屬導電性，以使該感應耦合和由此使蝕刻率一開始就惡化並最後失效。其結果是要對設備進行昂貴和耗時的清潔處理。
可通過在US 5501893中已知的方法避免掩蓋層的欠蝕刻(Untertzen)。簡而言之是向要蝕刻的表面交替(幾秒鐘的周期)送入蝕刻氣體和鈍化氣體。採用合適的布局，在鈍化氣中的鈍化劑沉積在該凹穴的側壁上，以致蝕刻氣體僅蝕刻凹穴的底部，由此避免欠蝕刻和產生近似垂直的壁。
本發明的目的在於提供一種蝕刻方法，該方法能以高蝕刻率形成深凹穴。
該目的是通過獨立權利要求的特徵部分達到的。從屬權利要求是針對本發明的優選實施方案。
本發明特別涉及在矽或鍺或通常在半導體或適用於半導體襯底的村料中的深結構。為此應用幹蝕刻方法。掩蓋去除可完全或部分由金屬材料，優選鋁或特定的合金來實現。最後採取措施以防止蝕刻掉的掩蓋材料(金屬)的再沉積，特別是防止在蝕刻設備中再沉積。優選在蝕刻中將感應能量耦合到蝕刻介質中(ICP)。防止在敏感性設備部件上的再沉積可通過將襯底保持在離感應耦合器足夠遠來解決。該距離可至少是8cm，優選至少10cm，更優選至少13cm。該距離也可是等離子原子平均自由程的至少兩倍，優選至少三倍。所製備的凹穴深度優選為至少80μm，還優選至少150μm，更優選至少300μm。也可經蝕刻完全透過晶片(或直到在晶片另一面上形蝕刻停止層)。
下面參考附圖描述本發明的實施方案。
附圖簡介
圖1示出在蝕刻過程中的狀況的側視圖，圖2示出經部分蝕刻的晶片的截面圖，
圖3示出經掩蓋的晶片(截面)的頂視圖，圖4示出在通過晶片的貫穿蝕刻的狀況。
圖1示出在蝕刻過程中的狀況。室8表示在蝕刻過程中經抽真空的真空容器。蝕刻時的壓力優選為低於5Pa，更優選為低於3Pa。設置有開口8a以能夠送入或再取出其上帶有掩蓋層1的晶片10。帶有掩蓋層1的晶片10置於桌上，這裡該桌示為電容器的板2a，其對置板2b位於室8的上部。蝕刻時在電容器上施加優選為20-100V的直流電壓5和交流電壓6(頻率例如為13.56MHz)。11是氣體入口，它一方面在電容器板2a、2b之間引入蝕刻氣體，另一方面任選地也引入鈍化氣體。為此設置流量控制器12，它交替地將一種氣體或另一種氣體從相應的貯罐13和14提供給出口11。
該感應能量耦合是通過帶幾圈繞線(圈數n＜6，優選＜4)的線圈3實現。該線圈是安裝在例如管狀的載體4上，該載體可由如氧化鋁、氮化鋁、石英、硬質玻璃、石英玻璃或帶有一種或多種這類材料的混合物的電氣材料製成，在線圈上通以頻率如也為13.56MHz或通常為4-41MHz，功率為2-5KW的交流電壓。蝕刻率宜大於1μm/min，優選大於2μm/min。
該載體4可直接置於電容器的板2b上或其下。它可安裝有多根永久磁鐵，該磁鐵可呈順序排列，以使北極和南極交替。多根永久磁鐵(未示出)優選按規則分布在周邊並優選安裝在載體4的外部。通過永久磁鐵產生的磁場的磁極可在載體4的軸向間隔配置。該永久磁鐵可呈縱向並沿載體4的軸或氣流的方向延伸。這裡該磁鐵可經周邊分布呈交替相對平行排列(N-S，然後S-N，然後再N-S，…)。永久磁鐵的目的是使對離子和電子的感應作用更均勻，並減少晶片上的電子溫度的絕對值。
9是真空容器8內部的另一部件，如自動操作裝置等。控制器或調節器15控制或調節各部件。在運行時用於使容器產生真空的泵在此未示出。
晶片10的掩蓋層1含金屬材料或合金，優選含鋁，或完全(＞98重量％)由其組成。在待蝕刻表面與線圈載體4或線圈3本身的下邊緣之間的距離A至少為8cm，優選至少為10cm，更優選至少為12cm，或至少兩倍於蝕刻原子的平均自由程，優選至少三倍於平均自由程。由此確保蝕刻掉的鋁不在線圈載體4的內壁上再沉積。結果線圈載體4不會呈導電性，並因此不會阻斷耦合的磁場。
代替鋁或與鋁一起，該掩蓋也可含Cr或Ni或Pt或Au或Fe作為主成分(＞90重量％，優選＞96重量％)。也可應用鋁合金或鎳合金，如AlCu、AlSi、AlTi、NiFe、NiCr、或鉻合金CrAu。特別可考慮用下列合金作為掩蓋材料AlNiFe，如11-13Al、21-23Ni、其餘Fe，「AlNi090」，AlNiFe，如13-15Al、27-29Ni、其餘Fe，「AlNi120」，AlNiCo，如9-11Al、19-21Ni、14-16Co、＞1CuTi、其餘優選Fe，「AlNiCo160」，AlNiCo，如11-13Al、18-20Ni、14-16Co、3-5Cu、其餘優選Fe，「AlNiCo190」，AlCu，如0.5-2Cu、其餘Al，AlSi，如0.5-2Si、其餘Al，AlTi，如最大3，優選最大1.5Ti、其餘Al，NiFe，如35-37Ni、其餘Fe，「Hyperm 36M」，NiFe，如49-51Ni、其餘Fe，「Hyperm 52」，kNiCr，如78-82Ni、其餘Cr，CrAu，如45-55Ni、其餘Au。
上述無量綱的數字為重量百分數或體積百分數。特別優選是各數字範圍的平均值。
圖2示出品片10的截面放大圖。在晶片10上施加有掩蓋層1。該掩蓋層1含金屬或合金或與金屬的複合材料或完全由其組成。優選材料是鋁或鋁合金。該合金可含至少90重量％的金屬或鋁。25表示已經形成的凹穴，它經蝕刻到晶片中一定深度。現在的深度以T表示。該晶片的厚度D為幾百μm，如150-600μm。掩蓋層厚H小於1μm，優選小於500nm。該壁近於垂直。一個壁或所有壁對底的角度α為85-95°。如果需要也可小於90°。該凹穴向下擴展，並在凹穴之間保留向下的薄分離壁，這對例如要貫穿蝕刻和以在凹穴25之間的間隔來隔熱保持傳感器(特別是紅外探測器)的膜時是有利的。
在ICP-蝕刻進晶片的凹穴中時，可交替送入蝕刻氣體和鈍化氣體。可通過流量控制器12需要時通過置於其上的控制器15的配量實現。該氣體由蝕刻氣貯罐13和鈍化氣體貯罐14提供。各相可分別有幾秒的時間(特別是各小於10秒，優選小於6秒)，並是直接相互交替。抽真空可連續進行。
圖3示出晶片截面的頂視圖。該圖示出凹穴的重複圖形，該圖形的各實例是沿行35和列34排列。該虛線僅為了可視性，實際上並不存在。每個圖形均可看到不同的凹穴31、32和33。其相應在掩模36中的去除，該掩模優選完全地和也可優選在晶片10的(垂直)周邊上掩蓋其餘晶片面積。以這種方法可在晶片上以一個製備步驟同時製備多個同樣的凹穴圖形，其在凹穴形成後再相互分開。待蝕刻的面積可為襯底面積的至少8％，優選至少20％，更優選大於35％。該襯底可以是板形的晶片本身，如基本呈圓形且直徑至少為10cm，優選至少15cm。晶片本身可含矽或完全由矽組成。優選該晶片是結晶矽。
圖4示出襯底或晶片10的貫穿蝕刻的狀況。該圖表明該晶片已幾乎完全從上到下經貫穿蝕刻。在另一襯底表面(圖4下部)上，在本實施方案中在蝕刻過程前已在孔的貫穿區提供有阻止蝕刻層48，在該阻止蝕刻層上塗有薄膜49，在該膜上可其後(或也可同時)形成要隔熱保持的電子部件47。上述的蝕刻導致的結果是，在凹穴25的中心已貫穿蝕刻到有較光滑的表面43的阻止蝕刻層48，而在角部還保留具有較粗糙表面的襯底材料的區域42。有時通過掩模顆粒1』的再沉積會形成針形物44。
圖4所示的狀況可通過凹穴傳感器45、46探測。例如其為光源，特別是雷射光源45，該光源優選輻照凹穴25的中間(離邊緣距離E＞20％，優選＞40％的截面尺寸Q(直徑或邊緣長))。傳感器46用於分析反射光。光學路徑以虛線表示。只要雷射從還待蝕刻掉的襯底(圖中以42表示)的較粗糙的表面反射，則該反射是非定向的並由此在傳感器46上接受的反射光是弱的。與此相反，如果該阻止蝕刻層48的暴露通常在凹穴25的中間開始，則來自較光滑表面43的反射是更為定向，則增加在傳感器46上所接受的強度。
因此例如可基於閾值讀出所接受的反射光。也可讀出基於閾值的一階導數(接受信號的變化)。該一階導數可以時間間隔形成。通常該深度可通過分析反射光測定。
當阻止蝕刻層48已部分暴露時，可轉換成另一種蝕刻過程，優選採用各向同性蝕刻過程，以一方面保護阻止蝕刻層48，另一方面可蝕刻掉在角區域42的材料和針形物44。這可如前藉助ICP來進行。但可升高氣壓和/或降低所施加的偏壓。通過提高壓力降低了自由程，並且在施加直流電壓場的場力線處的離子的運動方向的定向較不嚴格，以致蝕刻過程成為各向同性。通過降低所施加的直流電壓也可產生類似的過程或各向同性蝕刻過程。
在第二蝕刻過程之後，最後可轉換到第三蝕刻過程，在該過程中所施加的偏壓優選為零。此外可再次進行幹的和/或用感應能量耦合等離子體來蝕刻。該第三蝕刻過程優選是各向同性過程。
蝕刻過程結束後，去除掩模1。這可以溼蝕刻來進行。之前可將在掩模上沉積的鈍化劑殘餘物(聚合物殘餘物)去除。這例如可以氧等離子體來實現。掩模本身的去除可以TMAH(四甲基銨氫氧化物，優選其水溶液-TMAHW)來進行。
由其上要去除材料的材料優選是直徑至少為10cm，優選至少15cm的圓形結晶晶片。
該掩模材料優選含鋁作為主成分(含量＞90重量％，優選＞95重量％)。此外，還可加入其它成合金元素，如銅(含量0.5-2重量％，優選小於1重量％)和/或矽(含量0.5-2重量％)和/或鈦(含量小於3重量％，優選小於1.5重量％)。該掩蓋材料認為是本發明的獨立部分。其上以這種掩蓋村料完全或部分敷蓋的晶片也認為是本發明的獨立部分。
本發明通常可用於微型機加工的襯底深結構化中，例如用於製備帶有要保持隔熱的可移動物料或IR-傳感器的增速傳感器。
權利要求
1.用於從含矽的襯底的表面選擇性去除材料以形成凹穴的方法，其具有下列步驟·按所需選擇性去除的要求將掩模施加到襯底的表面上，·對襯底進行幹蝕刻，和·在幹蝕刻期間將能量感應耦合進蝕刻劑中，其特徵在於，應用金屬，優選鋁來形成掩模，該襯底離感應耦合器的距離保持為至少兩倍於，優選至少三倍於等離子體原子的平均自由程或至少為8cm。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，該襯底離感應耦合器的距離保持為至少10cm。
3.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，蝕刻時的壓力低於15Pa，優選低於10Pa，和/或高於1Pa，優選高於2Pa。
4.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，在凹穴的側壁上實施交替的蝕刻步驟和鈍化步驟。
5.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，去除深度達至少80μm，優選至少300μm。
6.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，該材料去除達到襯底的另一面。
7.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，形成厚度為1.5μm，優選0.6μm的掩膜。
8.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，該襯底經掩蓋至邊緣。
9.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，施加掩模情況下蒸鍍或噴鍍金屬，優選是鋁。
10.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，施加掩模情況下按所需的選擇性去除規定蝕刻金屬層。
11.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，所應用的金屬含至少90重量％的Al。
12.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，重複確定在深度方向的蝕刻位置(T)，在達到一定位置時結束蝕刻或轉換成第二蝕刻過程，該第二蝕刻過程以在質量方面不同於前面的蝕刻過程或以與前面的蝕刻過程不同的參數運行。
13.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，以雷射測定深度，其特性按從底部的反射來分析，特別是以所獲信號的一階導數來分析。
14.權利要求12或13的方法，其特徵在於，在第二蝕刻過程中以感應能量耦合等離子體進行幹蝕刻，其中氣體壓力較高和/或施加的偏壓較低。
15.權利要求12-14之一或多個的方法，其特徵在於，在第二蝕刻過程後轉換為第三蝕刻過程，該第三蝕刻過程以在質量方面不同於前面的蝕刻過程或以與前面的蝕刻過程不同的參數運行。
16.權利要求15的方法，其特徵在於，在第三蝕刻過程中以感應能量耦合等離子體進行各向同性幹蝕刻，其中所施加的偏壓為零。
17.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，在優選通過溼蝕刻去除掩模前，提供掩模上聚合物殘餘物的灰化步驟。
18.權利要求17的方法，其特徵在於，灰化是通過氧等離子體來進行的。
19.權利要求17或18的方法，其特徵在於，灰化後用四甲基銨氫氧化物進行處理。
20.上述權利要求之一或多個的方法，其特徵在於，具有下列之一或多個特徵·從大於8％，優選大於20％的襯底表面去除材料。·該襯底是直徑至少為10cm，優選至少為15cm的板形晶片。
21.鋁或含至少90重量％Al的鋁合金或含至少90重量％Al的複合材料作為襯底的掩蓋材料的應用，該襯底經感應能量耦合等離子體幹深蝕刻。
22.用於掩蓋待蝕刻的晶片的含鋁的掩模材料，其特徵在於，鋁含量大於90重量％，優選大於95重量％，銅的含量為0.5-2重量％，優選低於1重量％，和/或矽含量為0.5-2重量％，和/或鈦含量為0.2-3重量％，優選低於1.5重量％。
23.具有含權利要求22的掩模材料的掩蓋層的晶片。
全文摘要
本發明涉及一種用於從襯底表面選擇性去除材料以形成凹穴的方法，其包括下列步驟按所需選擇性去除的要求將掩模施加到襯底表面，對襯底進行幹蝕刻，其中應用金屬，優選鋁作為掩模材料。可將能量感應耦合進等離子體中。
文檔編號H01L21/3065GK1675749SQ03819251
公開日2005年9月28日 申請日期2003年8月14日 優先權日2002年8月14日
發明者M·豪斯納 申請人:珀金埃爾默光電子兩合公司