專利名稱：半導體裝置的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及MEMS(Micro Electrical Mechanical System微電子機械系統(tǒng))器件、MIST(Micro System Technology微系統(tǒng)技術)器件等半導體裝置的制造方法，特別涉及采用了用于在半導體襯底上形成三維結構體的干法蝕刻干法蝕刻技術的深雕刻溝槽加工后的溝槽側壁的處理。
背景技術：
近年來，采用應用了半導體微細加工技術的微細加工技術來制造大小為數百[μm]左右的非常微小結構體的技術備受關注。正在研究將這種微小結構體應用于各種傳感器或光通信領域的光開關、高頻(RF)部件等上。
一般地，由于這種應用微細加工的部件使用Si工藝制造，因此可在信號處理系統(tǒng)LSI和芯片上集成。其結果是可以將具有某一種功能的系統(tǒng)構筑在芯片上。具有這種功能的元件在美國稱為MEMS器件，在歐洲稱為MIST器件。
為了制造上述MEMS結構體，雖也根據目標結構不同而不同，但需要大約寬數十[μm]、深數百[μm]或以上(縱橫比(橫向尺寸寬÷縱向尺寸寬)為10或10以上)的加工。
這樣的尺寸從機電一體化部件的觀點看是非常微小的結構體，但從需要0.1[μm]以下的微細加工技術的近年來的超LSI制造工藝的觀點看，是以極大的圖形作為對象。例如，與柵極加工尺寸相比，相當于約千倍。
因此，出現(xiàn)了不能將近年來在半導體制造中使用的微細加工技術、特別是干法蝕刻技術直接用作MEMS結構體加工技術的情況。例如，當使用在常規(guī)超LSI的制造中使用的等離子蝕刻裝置進行這種縱橫比高、大尺寸的硅加工時，伴隨著蝕刻的進行，會發(fā)生蝕刻速度顯著降低，在某個深度的地方蝕刻完全停止的現(xiàn)象。
上述硅的蝕刻反應機理與下述基本的蝕刻反應機理密切相關一邊通過垂直入射至溝槽內的加速離子對被蝕刻面的碰撞進行誘發(fā)一邊進行。
上述蝕刻停止的機理，認為是下述(1)～(3)(1)當隨著蝕刻的進行溝槽的深度變深時，從溝槽底看到的開口部的進深角度變窄，離子的傾斜入射成分因遮蔽效應被遮蔽；(2)由于在掩膜部或溝槽底的充電(charge up)導致垂直入射離子的軌道變化；(3)由于在溝槽內部生成的反應生成物難以排到溝槽外而滯留，因此溝槽內壓力上升，結果由于與后續(xù)入射離子的碰撞散射幾率上升等因素，對蝕刻的進行起極為重要作用的垂直入射離子的流量(flux)降低。
特別是在超LSI的制造中使用的蝕刻工藝，一般是使用于進行蝕刻的鹵素類(例如Cl+、F+等加速離子、或F自由基、Cl自由基等)、和用于抑制側面蝕刻的具有表面堆積性(聚合性)的前體(例如CxFy自由基)同時在同一等離子體氣氛內存在的同時進行蝕刻。
上述CxFy自由基，不僅在溝槽側壁堆積，還在溝槽底的被蝕刻面堆積，作用于阻礙蝕刻的方向。因此，為了有效地進行蝕刻，需要一邊通過加速離子的碰撞而濺射去除這些阻礙層從而露出潔凈的被蝕刻面(硅表面)，一邊進行蝕刻反應。
可是，在上述MEMS結構體所要求的尺寸為寬數十[μm]、深數百[μm]的溝槽的底，由于上述原因，難以對被蝕刻面進行充分的離子碰撞，結果，不能充分去除溝槽底的蝕刻阻礙層，最終在某個深度的地方蝕刻停止。
作為其他的問題，有下述問題由于總的蝕刻時間非常長，因此在蝕刻過程中掩膜材料消耗，在得到最終目標的溝槽形狀之前，掩膜材料就消失了。
這是因為，為了一邊濺射去除蝕刻阻礙層一邊進行蝕刻，就必須入射具有某種程度大小能量的加速離子，因此難以取大的選擇比。
作為用于解決加工上述MEMS結構體時的問題的現(xiàn)有方法，有下述方法將通過鹵素自由基或者鹵離子與硅的蝕刻反應進行的蝕刻步驟、和用于抑制側壁部的側面蝕刻的側壁保護膜的堆積步驟分成不同的步驟，一邊交替地重復蝕刻步驟和堆積步驟，一邊進行溝槽加工處理(參照例如專利文獻1、2)。
在這樣交替重復蝕刻步驟和堆積步驟的方法中，例如，一邊交替地重復硅的蝕刻步驟和用于保護側壁的碳氟聚合膜的堆積步驟，一邊進行硅的溝槽加工處理，所述硅的蝕刻步驟，是使用感應耦合(ICP)方式的蝕刻裝置，利用由SF6氣體等離子體生成的F自由基及F+離子進行的，所述用于保護側壁的碳氟聚合膜的堆積步驟是利用在C4F8氣體等離子體中離解生成的CxFy成分(CxFy種)的表面吸附及聚合反應進行的。
在堆積步驟后的利用SF6等離子體進行的蝕刻步驟中，入射F+離子的主要作用是去除溝槽底部的硅表面的堆積膜，使硅表面露出。溝槽底部的硅表面露出后的主要蝕刻機理，對于在硅露出后吸附于表面的F自由基，雖通過離子對吸附層的碰撞而能夠在某種程度上促進蝕刻反應，但基本上是通過硅和F自由基的化學反應(各向同性的蝕刻反應)進行的。即使F自由基和硅本來沒有離子碰撞也會在室溫下自發(fā)地反應。
這樣，在交替地重復利用SF6等離子體進行的蝕刻步驟和利用C4F8等離子體進行的堆積步驟的方法中，由于在蝕刻步驟的時間帶，完全沒有從等離子體中擴散到表面的CxFy自由基導致的阻礙蝕刻的影響，因此，即使圖形縱橫比增大，在溝槽底部的蝕刻和堆積的平衡也難破壞，因此難以發(fā)生蝕刻停止，能夠構建穩(wěn)定性優(yōu)異的工藝。
而且，由于在蝕刻掩膜的表面，通過C4F8等離子體聚合形成了厚的保護膜，因此既使使用抗蝕劑掩膜也能實現(xiàn)100以上的極高的選擇比。其結果，不會伴有嚴重的掩膜消耗，能夠實現(xiàn)500[μm]以上的深的硅溝槽加工。
美國專利第5,501,893號[專利文獻2]日本特開2000-299310號公報發(fā)明內容在通過上述現(xiàn)有方法進行硅的深雕刻溝槽加工處理后，在溝槽側壁厚厚地堆積著在C4F8等離子體照射時形成的CxFy等離子體聚合膜。通常，該堆積膜當保持原樣時，在后續(xù)工序中不均勻地剝離，作為異物附著于溝槽的周邊。
特別是在附著的地方為MEMS結構體的可動部分時，會發(fā)生操作不良的嚴重問題。因此，溝槽側壁的等離子聚合膜在蝕刻加工后立即完全去除是極為重要的。
通常，C4F8氣體被用作超LSI制造工序中SiO2膜的蝕刻氣體的一部分，在蝕刻后的SiO2的圖形側壁或基底硅上堆積的CxFy等離子聚合膜可采用通常在超LSI制造工序中使用的氧等離子體灰化灰化容易地去除。
可是，本發(fā)明人的實驗表明，對上述采用ICP等離子蝕刻裝置進行深雕刻溝槽加工后的溝槽側壁，等離子灰化不能完全去除堆積的碳氟等離子聚合膜。作為其原因，可舉出上述ICP等離子蝕刻裝置的高密度ICP等離子體(等離子體密度＝1012[/cm3]左右)大大促進離解，此外，在堆積步驟中使用的氣體只是C4F8。
通過C4F8氣體在等離子體中高次地離解，形成含有大量鍵能強的C-C鍵的膜，其結果，使膜難以剝離。而且，反應生成物SiF4在等離子體中再離解，結果，Si在等離子體氣氛中游離，其再度進入膜中，由此成為含有無機成分的只用氧等離子體不能容易地剝離的牢固的膜。
本發(fā)明是為了解決通過使用氧等離子體的灰化不能去除在溝槽加工處理后堆積于溝槽側壁上的等離子聚合膜這一現(xiàn)有課題而完成的，其目的是提供一種堆積于溝槽側壁的等離子聚合膜的剝離性優(yōu)異的半導體裝置的制造方法。
本發(fā)明的半導體裝置的制造方法，是對半導體襯底進行溝槽加工的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該方法包括交替地重復對表面設有蝕刻掩膜的半導體襯底的露出表面進行干法蝕刻，形成溝槽結構的蝕刻步驟、和堆積用于抑制溝槽側壁蝕刻的保護膜的堆積步驟，由此對上述半導體襯底進行溝槽加工處理的工序；以及，在上述溝槽加工處理之后，在規(guī)定溫度下加熱處理上述半導體襯底的工序。
例如優(yōu)選在溝槽加工處理后立即在300～500[℃]的溫度范圍內進行加熱處理，然后進行等離子灰化灰化處理。
發(fā)明效果本發(fā)明具有如下效果在溝槽加工處理后到等離子灰化處理前，例如通過在300～500[℃]的溫度范圍內進行加熱處理，能夠提高溝槽側壁的聚合膜的剝離性。


圖1是說明本發(fā)明實施方式1的硅溝槽加工處理順序的圖。
圖2是說明在圖1的溝槽加工處理中工藝條件的變換順序(時間坐標)的圖。
圖3是表示照射了C4F8ICP等離子體的Si表面的碳氟聚合膜的光電子譜隨加熱溫度變化的圖。
圖4是表示圖3的Cls光電子譜的XPS峰面積變化的圖。
圖5是表示從照射了C4F8ICP等離子體的Si表面脫離的質量碎片(mass fragment)的溫度譜的圖。
具體實施例方式
實施方式1本發(fā)明實施方式1的MEMS器件制造方法的特征在于，在進行了硅的溝槽加工處理后，立即在300～500[℃]的溫度范圍內進行加熱處理，然后進行氧等離子灰化處理，去除堆積于溝槽側壁的碳氟等離子聚合膜。
溝槽加工處理圖1是說明本發(fā)明實施方式1的硅的溝槽加工處理順序的圖。作為一個例子，該圖1示出下述情形在半導體襯底(晶片)硅(Si-sub)1上形成例如光致抗蝕劑的蝕刻掩膜2，一邊交替地重復硅的蝕刻步驟(圖1的(a)、(c))、和用于保護側壁的碳氟聚合膜的堆積膜3的堆積步驟(圖1的(b)、(d))，一邊進行硅1的溝槽加工處理。所述硅的蝕刻步驟，是利用由SF6氣體等離子體生成的F自由基(F*)及F+離子進行的，所用于保護側壁的碳氟聚合膜的堆積膜3的堆積步驟，是利用在C4F8氣體等離子體中離解生成的CxFy成分的表面吸附及聚合反應進行的。
另外，圖2是說明在上述圖1的溝槽加工處理中工藝條件的變換順序(時間坐標)的圖。作為蝕刻條件，例如，使用感應耦合(ICP)方式的蝕刻裝置，將固定晶片的電極的溫度固定在10[℃]，在壓力＝3.5[Pa]、源功率＝1800[W]、偏置功率＝15[W]的條件下，SF6(設定流量＝300[sccm])的步驟時間為7[sec](圖2的蝕刻的時間帶)，C4F8(設定流量＝200[sccm])的步驟時間為2[sec](圖2的側壁保護的時間帶)，進行硅1的溝槽加工處理，由此能夠實現(xiàn)例如溝槽寬80[μm]、深500[μm]的垂直加工。
在圖1(c)的利用SF6等離子體進行的蝕刻步驟中，入射F+離子的主要作用是去除溝槽底部的硅1表面的堆積膜3(也去除蝕刻掩膜2表面的堆積膜3)，使硅1表面露出。溝槽底部的硅1表面露出后的主要蝕刻機理，基本上是通過硅1和F自由基(圖1的F*)的化學反應(各向同性的蝕刻反應)而進行。即使F自由基和硅1本來沒有離子碰撞也會在室溫下自發(fā)地反應。另外，相對于吸附在硅1表面的F自由基，通過離子對吸附層的碰撞，F(xiàn)+離子能夠促進蝕刻反應。
在上述條件的蝕刻中，雖然在溝槽側壁部的形狀中可看到顯示步驟變換時的痕跡的特征性凹凸，但是由于在蝕刻步驟的時間帶，完全沒有由從等離子體中擴散到表面的CxFy自由基導致的阻礙蝕刻的影響，因此，即使圖形縱橫比增大，在溝槽底部的蝕刻和堆積的平衡也難破壞，因此難以發(fā)生蝕刻停止，能夠構建穩(wěn)定性優(yōu)異的工藝。
而且，由于在蝕刻掩膜的表面部通過C4F8等離子體聚合形成了厚的保護膜，因此使用抗蝕劑掩膜也能實現(xiàn)100以上的極高的選擇比。其結果，不會伴有嚴重的掩膜消耗，能夠實現(xiàn)500[μm]以上的深的硅溝槽加工。
加熱處理接著，在進行了上述溝槽加工后，立即在300～500[℃]的溫度范圍進行加熱處理，由此使硅表面的碳氟等離子聚合膜部分地熱分解。
例如，在大氣壓的N2氣氛中以1[℃/sec]的升溫速度從室溫升溫到設定的最高溫度400[℃]，在該最高溫度400[℃]保持10分鐘進行加熱處理后，冷卻到室溫。
等離子灰化灰化處理然后，對上述加熱處理后的硅1進行氧等離子體灰化處理，去除堆積于溝槽側壁的碳氟聚合膜。
例如，當在進行了上述溝槽加工處理后，立即以1[℃/sec]的升溫速度從室溫升溫到設定的最高溫度400[℃]，在該最高溫度400[℃]保持10分鐘進行加熱處理，然后進行氧等離子體灰化處理時，與不進行加熱處理而只進行氧等離子體灰化處理的情況相比，溝槽側壁的等離子聚合膜的去除效果大幅提高。
采用上述ICP等離子蝕刻裝置，在上述條件下進行了硅的溝槽加工處理后，為了間接且詳細地研究通過上述加熱處理，側壁的碳氟聚合膜怎樣熱分解，進行了以下實驗(實驗結果參看圖3～圖5)。
聚合膜的堆積首先，為了模擬地再現(xiàn)堆積在圖形側壁上的碳氟聚合膜，在劈開的10[mm]×10[mm]的1個硅片樣品表面上，采用上述ICP等離子的堆積步驟照射C4F8等離子體1分鐘，使上述硅樣品表面堆積碳氟聚合膜。
加熱接著，為了模擬地再現(xiàn)堆積在溝槽側壁上的碳氟聚合膜的加熱分解(加熱導致的熱分解)，將堆積了上述碳氟聚合膜的硅樣品導入內部具備四極質譜(QMS)裝置的超高真空(真空度1×10-9[Torr])熱解吸分析(昇溫脫離ガス分析)(TDS)裝置的腔內，通過從外部照射紅外線，加熱使之以1[℃/sec]的升溫速度從室溫(20[℃])升溫到設定的多個最高溫度，在該最高溫度保持10分鐘后，冷卻到室溫。
加熱后的表面觀察為了研究堆積在溝槽側壁上的碳氟聚合膜的加熱分解效果，對于堆積了上述碳氟聚合膜的1個樣品，使上述超高真空熱解吸分析裝置腔內的上述升溫順序的最高溫度變化為180[℃]、340[℃]、500[℃]、700[℃]、及用于比較的沒有加熱的室溫(20[℃])，使該樣品的硅表面的碳氟聚合膜部分地熱分解之后，通過真空輸送導入超高真空XPS(X-ray Photoelectron SpectroscopyX射線光電子譜)裝置內，觀察該樣品的表面狀態(tài)，分別繪制了C1s(來源于碳原子內的電子軌道1s)光電子譜(參照圖3(a))、及F1s(來源于氟原子內的電子軌道1s)光電子譜(參照圖3(b))。也就是說，對于上述1個樣品，使最高溫度從低溫側梯度地變化至高溫側，進行多次加熱處理，圖3示出了每1次加熱處理后進行XPS分析的結果。
從圖3(a)所示的20[℃](室溫)下的C1s光電子譜可知，經ICP等離子照射形成的碳氟等離子聚合膜由CF3、CF2、CF、C-CFx組分構成。
另外，由圖3(a)、(b)中在各溫度下的圖譜變化可知，碳氟聚合膜在直到180[℃]為止的加熱處理中完全沒有變化，但在340[℃]時，CF3、CF2、CF、C-CFx各組分的峰面積減少。此時，由圖3(b)的結果可知，F(xiàn)1s光電子譜的峰強度也在減少。這種傾向在500[℃]時進一步加速，特別是由圖3(a)的結果可知，C-CFx鍵的鍵能向更低能量側的284[eV]附近的C-C鍵位移。這表示通過碳氟聚合膜的熱分解，F(xiàn)選擇性地脫離，變成富含C的膜。由以上的結果可以認為，碳氟聚合膜在180[℃]～340[℃]之間存在開始熱分解的閾值。
圖4是為了估算上述熱分解開始的閾值，而將上述圖3(a)中光電子譜C1s的各組分的XPS光電子信號強度的峰面積的溫度變化詳細地繪圖的結果。從該圖4可知，在300[℃]以上時，CF、CF2、CF3的各峰面積減少，C-CFx的峰面積增加。在此，C-CFx的增加認為是由于相鄰的C-C鍵的峰強度增加。因此圖4的結果表明，碳氟聚合膜在300[℃]以上開始熱分解，開始碳化(C-C鍵的增加)。在400[℃]以上CF鍵的峰增加認為是因為CF3、CF2熱分解，F(xiàn)選擇性地脫離而變成CF鍵。
加熱時的脫離成分(脫離種)的觀察另外，為了研究由于加熱處理而從硅表面脫離的分子成分，在上述加熱處理時，使用設置在上述超高真空熱解吸分析裝置腔內的四極質譜(QMS)裝置，研究了來自上述樣品表面的脫離成分的流量的溫度譜(參照圖5)。
圖5中示出了質量碎片M/e＝44(CO2+)、M/e＝28(CO+)、M/e＝85(SiF3+)、M/e＝69(CF3+)、M/e＝50(CF2+)、M/e＝38(F2+)、M/e＝19(F+)的溫度譜。
從圖5的溫度譜可知，上述等離子聚合膜從300[℃]附近開始分解，在約400[℃]激烈地分解，達到峰值，在500[℃]附近分解大致結束。另外，從圖5可知由于在500[℃]以上時，從表面脫離的CF2、CF3的質量碎片大致為零，因此碳氟聚合膜在500[℃]充分地熱分解，在其以上的溫度處理反而使其開始碳化，可能導致其后的去除工序中不能充分去除的不良情況，因此加熱處理的溫度上限以500[℃]為宜。
以上圖3～圖5所示的實驗結果表明通過在300～500[℃]的溫度范圍內進行加熱處理，能夠使聚合膜有效地熱分解。
使用了上述熱解吸分析(TDS)腔和XPS裝置的加熱實驗，是在進行表面分析所必需的超高真空裝置內進行的結果，與上述在大氣壓下的N2氣氛中的實際工藝相比，腔內氣氛或真空度不同，但結果與圖3～圖5所示的結果很一致。這表示在碳氟聚合膜的熱分解中，重要的因素不是真空度或氣體氣氛，而是溫度。
如上所述，根據實施方式1，通過在溝槽加工處理后立即在300～500[℃]的溫度范圍內進行加熱處理，與以往的只進行了氧等離子體灰化處理的情況相比，溝槽側壁的等離子聚合膜被大大地去除。
實施方式2在上述實施方式1中顯示通過在溝槽加工處理后立即進行加熱處理，硅溝槽側壁的碳氟聚合膜的剝離效果大幅提高?？墒牵逊e在溝槽側壁上的等離子體聚合膜的成分中不僅包含碳氟化合物類，還包含在等離子體中由反應生成物(SiF4等)的再離解而生成的含有Si的無機物。有時這些Si類無機成分只采用加熱處理去除是不夠的。
因此，本發(fā)明實施方式2的MEMS器件制造方法的特征在于，在上述實施方式1中，在上述加熱處理之后，進一步用酸進行處理，去除堆積在溝槽側壁上的Si類無機成分。
例如，可證實將上述加熱處理后的硅1(參照圖1)在乙酸/氟化銨/氟化氫銨的混合溶液中浸漬10分鐘，然后進行等離子灰化處理，由此剝離效果進一步提高。
如上所述，根據實施方式2，通過在上述實施方式1的加熱處理之后進一步用酸進行處理，能夠提高只采用加熱處理和等離子灰化處理并不足夠的溝槽側壁的碳氟聚合膜的去除效果。
在上述實施方式中，說明了MEMS(MIST)器件的制造方法，但本發(fā)明也適用于進行溝槽加工處理的其他半導體裝置的制造方法。
權利要求
1.一種半導體裝置的制造方法，其是對半導體襯底進行溝槽加工的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該方法包括交替地重復對表面設有蝕刻掩膜的半導體襯底的露出表面進行干法蝕刻，形成溝槽結構的蝕刻步驟、和堆積用于抑制溝槽側壁蝕刻的保護膜的堆積步驟，從而對上述半導體襯底進行溝槽加工處理的工序；以及，在上述溝槽加工處理之后，將上述半導體襯底在規(guī)定溫度下進行加熱處理的工序。
2.權利要求1所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，上述加熱處理的溫度在300～500[℃]的范圍。
3.權利要求1或2所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該方法進一步包括將上述加熱處理后的上述半導體襯底進行等離子灰化處理的工序。
4.權利要求1或2所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該方法進一步包括采用酸溶液將上述加熱處理后的上述半導體襯底進行濕處理的工序。
5.權利要求4所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該方法進一步包括將上述濕處理后的上述半導體襯底進行等離子灰化處理的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種堆積于溝槽側壁的等離子體聚合膜的剝離性優(yōu)異的半導體裝置的制造方法。本發(fā)明半導體裝置的制造方法是制造對半導體襯底進行溝槽加工的半導體裝置的方法，該方法包括交替地重復對表面設有蝕刻掩膜的半導體襯底的露出表面進行干法蝕刻，形成溝槽結構的蝕刻步驟、和堆積用于抑制溝槽側壁蝕刻的保護膜的堆積步驟，從而對上述半導體襯底進行溝槽加工處理的工序；以及，將進行了上述溝槽加工處理后的上述半導體襯底立即在規(guī)定溫度下加熱處理的工序。例如在溝槽加工處理后，立即在300～500℃的溫度范圍內加熱處理，然后進行等離子灰化灰化處理。
文檔編號H01L21/3065GK1855379SQ200610067369
公開日2006年11月1日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權日2005年3月30日
發(fā)明者池上尚克 申請人:沖電氣工業(yè)株式會社