半導(dǎo)體刻蝕工藝技術(shù)——ICP

1、半導(dǎo)體刻蝕工藝技術(shù)ICP摘要：ICP技術(shù)是微納加工中的常用技術(shù)之一，本文簡單介紹了ICP刻蝕技術(shù)(inductively coupled plasma)的基本原理和刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)，對ICP工藝所涉及的化學、物理過程做了簡要分析。闡述了ICP刻蝕參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響以及干法刻蝕的生成物。由于ICP技術(shù)在加工過程中可控性高，具有越來越重要的地位。以在硅基MEMS器件的ICP刻蝕為例，詳細的介紹了在硅基MEMS制作過程中ICP刻蝕的反應(yīng)過程，說明了在ICP刻蝕過程中如何實現(xiàn)控制加工深度和角度。據(jù)近年來國內(nèi)外ICP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,對其在光電子器件、半導(dǎo)體氧化物、一V族化合物等方面的應(yīng)用作了一

2、些簡要介紹。關(guān)鍵詞：ICP、刻蝕、參數(shù)、模型、等離子體Process technology of semiconductor etchingICPLIU Zhi Wei（Xi'an Electronic and Science University, School of Microelectronics.1411122908）Abstract：ICP technology is one of the commonly used in micro nano processing technology，This paper simply introduces ICP etching tec

3、hnology (inductively coupled plasma) structure and the basic principles of etching equipment,To do a brief analysis on the ICP process involved in chemical, physical process.Describes the effects of ICP etching parameters on the etching results and the resultant dry etching. Because the ICP technolo

4、gy in the process of processing high controllability, plays a more and more important role. Using ICP etching in silicon MEMS device as an example, describes in detail in the reaction process of silicon based MEMS in the production process of ICP etching, explains how to realize the control of machi

5、ning depth and angle in the ICP etching process. According to the development status and development trend at home and abroad in recent years of ICP technology, its application in optoelectronic devices and semiconductor oxide, III a group V compound as well as some brief introduction.Key words：ICP、

6、etching, parameter, model, plasma1引言 刻蝕是微細加工技術(shù)的一個重要組成部分,微電子學的快速發(fā)展推動其不斷向前。從總體上來說,刻蝕技術(shù)可分為干法刻蝕和濕法刻蝕兩種,初期的刻蝕以濕法刻蝕為主,但隨著器件制作進入微米、亞微米時代,濕法刻蝕難以滿足越來越高的精度要求。干法刻蝕技術(shù)得以很大進展。干法刻蝕一般為通過物理和化學兩個方面相結(jié)合的辦法來去除被刻蝕的薄膜,因此刻蝕具有各向異性,這就可以從根本上改善濕法所固有的橫向鉆蝕問題,從而滿足微細線條刻蝕的要求。常用的干法刻蝕有很多，ICP技術(shù)是其中的一種。ICP刻蝕技術(shù)具有刻速快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均

7、勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點,并且ICP與ECR刻蝕設(shè)備相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、外形小、操作簡便、便于自動控制、適合大面積基片刻蝕等一系列優(yōu)點。近年來,ICP刻蝕技術(shù)被廣泛應(yīng)用在硅、二氧化硅、-族化合物等材料的刻蝕上,取得了很好的刻蝕效果,可以滿足制作超大規(guī)模集成電路、MEMS、光電子器件等各種微結(jié)構(gòu)器件的要求。2ICP刻蝕技術(shù) 2.1 ICP刻蝕技術(shù)的基本原理 ICP刻蝕過程中存在十分復(fù)雜的化學過程和物理過程，兩者相互作用，共同達到刻蝕的目的。ICP刻蝕過程中存在十分復(fù)雜的化學過程和物理過程.其中化學過程主要包括兩部分:其一是刻蝕氣體通過電感輛合的方式輝光放電,產(chǎn)生活性游

8、離基、亞穩(wěn)態(tài)粒子、原子等以及它們之間的化學相互作用;其二是這些活性粒子與基片固體表面的相互作用。主要的物理過程是離子對基片表面的轟擊.這里的物理轟擊作用不等同于濺射刻蝕中的純物理過程,它對化學反應(yīng)具有明顯的輔助作用,它可以起到打斷化學鍵、引起晶格損傷、增加附著性、加速反應(yīng)物的脫附、促進基片表面的化學反應(yīng)及去除基片表面的非揮發(fā)性殘留物等重要作用。對于刻蝕過程中的三個階段:(1)刻蝕物質(zhì)的吸附、(2)揮發(fā)性產(chǎn)物的形成和(3)產(chǎn)物的脫附,離子的轟擊都有重要影響。在不同情況下(不同的刻蝕氣體及流量、工作壓強、離子能量等)離子轟擊對刻蝕的化學過程的加速機理可能有所不同。人們認為離子轟擊機理主要有以下三種

9、:一是化學增強物理濺射。例如,含氟的等離子體在硅表面形成的siFx基與元素si相比,其鍵合能比較低,因而在離子轟擊時具有較高的濺射幾率,所以刻蝕的加速是化學反應(yīng)使得物理濺射作用增強的結(jié)果;二是損傷誘導(dǎo)化學反應(yīng)。離子轟擊產(chǎn)生的晶格損傷使基片表面與氣體物質(zhì)的反應(yīng)速率增大;三是化學濺射.活性離子轟擊引起一種化學反應(yīng),使其先形成弱束縛的分子,然后從表面脫附。當利用ICP刻蝕技術(shù),并以碳氟聚合物氣體(例如C4FS)作為主要刻蝕氣體刻蝕硅時,在穩(wěn)定的刻蝕狀態(tài)下硅表面會形成比較厚(Znm、7nm)的聚合物薄層,絕大部分離子不能直接轟擊到硅表面上.在這種情況下,離子轟擊主要有兩方面的作用:一是促進F離子在聚合

10、物中的擴散,加快F離子和聚合物的反應(yīng)速度;二是使聚合物薄層表面的聚合物分子斷裂和脫離.以上兩種作用都可以使得硅表面的聚合物減薄,促進刻蝕速率的增加。 對于不同的刻蝕材料，需要掩制膜以保證不需要刻蝕的地方被保護起來，同時刻蝕需要采用不同的氣體，對于硅的刻蝕而言，一般以作為刻蝕氣體。而對GaAs/AlGaAs的刻蝕采用以為主的混合氣體。2.2 ICP刻蝕設(shè)備圖1所示為電導(dǎo)耦合等離子刻蝕機(ICP)的構(gòu)造。 在反應(yīng)器上方有一介電層窗,其上方有螺旋纏繞的線圈,等離子體就是由該感應(yīng)線圈在介電層窗下產(chǎn)生的，此等離子產(chǎn)生的位置距離晶片只有幾個平均自由路徑,故只有少量的等離子體密度損失,因而可獲得高密度等離子

11、體。 常用的刻蝕設(shè)備有反應(yīng)離子刻蝕機(UIE)、磁場強化反應(yīng)離子刻蝕機(MEUIE)、電子回旋共振式等離子刻蝕機(ECR)和電導(dǎo)禍合等離子刻蝕機(ICP)。3 ICP刻蝕參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響 目前在半導(dǎo)體工藝、微機械(MEMS)、光波導(dǎo)制造等領(lǐng)域中常見的刻蝕工藝有硅刻蝕、二氧化硅刻蝕、氮化硅刻蝕、金屬和合金刻蝕以及一V族刻蝕。一般來講,在干法刻蝕工藝中,有許多工藝控制參數(shù)制約這個工藝的好壞,使工藝有很大的發(fā)揮余地,也使干法刻蝕工藝比濕法復(fù)雜得多,以下給出了制約各種工藝控制參數(shù)的因素。1電學參數(shù),包括電源、頻率、電子偏壓；2環(huán)境參數(shù),包括壓力、溫度、氣體選用與分配、氣體流量、磁場強度；3設(shè)備參數(shù)

12、,包括電極面積/形狀、反應(yīng)腔幾何形狀、反應(yīng)腔材料、反 應(yīng)腔體積、電極材料、氣體配比設(shè)計。 在實際反應(yīng)過程中,這些因素都會有它積極的一面,也有負面影響的一面。如何進行選擇和配備就成了人們苦心鉆研的課題。例如,干法刻蝕氣體的搭配.其次,反應(yīng)生成物也是必須考慮的重要因素之一,因為固態(tài)生成物會導(dǎo)致刻蝕停止。下面列出干法刻蝕反應(yīng)所生成的一些反應(yīng)物。Silionc(硅): Si(s)+F(g)SiFx(g) Si(s)+CFz(g)SIFx(g)+C(s) Si(s)+CI(g)SiCI(g) Si(s)+Br(g)SiBxr(g)Silicon Dixode(二氧化硅): (s)+F(g)SiFx(g)

13、+O(g) (s)+CFz(g)SiFx(g)+CO(g)Suicon Nitride(氮化硅): SisN(s)+F(g)SiFx(g)+N(g) (s)+CF(g)SiFx(g)+CN(g)(orNZ,HCN,CN- (s)+CI(g)SiClx(g)+N(g)Aluminnum(鋁): AI(s)+F(g)AI(s) AI(s)+CI(g)or(g)(g) AI(s)+(g)Further ethcingTungsten（鎢）: W(s)+F(g)WFx(g) w(s)+CI(g)一(g)photoresist(光致抗蝕刻): Photoerssit+O(g)一(g)+(g) ICP刻蝕

14、技術(shù)作為一種商業(yè)化的技術(shù),要求刻蝕效率和刻蝕穩(wěn)定性高,刻蝕效果的重復(fù)性好.而要達到這些要求,刻蝕腔室內(nèi)壁的情況就顯得十分重要.在刻蝕的過程中,腔室的側(cè)壁上難免會形成聚合物和/或反應(yīng)生成物薄層.側(cè)壁上的沉積物會對活性離子和電子在側(cè)壁上的碰撞、吸附和復(fù)合產(chǎn)生影響,而且側(cè)壁沉積物一般會形成絕緣薄膜,從而影響電磁場,進而影響等離子體性質(zhì).這些沉積物達到一定厚度時,甚至可能會形成顆粒污染,從而損壞刻蝕表面.在刻蝕過程中,腔室側(cè)壁上沉積物的離化再聚合會給刻蝕斷面輪廓的控制帶來不利影響.清除腔室側(cè)壁上的沉積物對于刻蝕穩(wěn)定性和重復(fù)性的影響十分重要.利用物理方法清理腔室的效率低,并對腔壁有損傷。利用合適的氣體進

15、行等離子體腔室清潔是比較好的方法?？涛g硅或者二氧化硅時,腔室內(nèi)的沉積物主要可以分成兩大類:一類是以由碳氟聚合物氣體引入的碳氟聚合物為主的沉積物,這種情況下用作為去除沉積物的氣體可以取得很好的效果;另一類是以氯基、濱基以及其它刻蝕氣體與被刻蝕材料的反應(yīng)生成物為主的沉積物.用SF6或SF6/0:作為去除沉積勿的刻蝕氣體可以取得較好的效果,但是需要注意的是必須對沉積物進行徹底的清除。如果有殘留,那么結(jié)合在沉積物中的F會在以后的刻蝕過程中釋放出來,對刻蝕的結(jié)果會產(chǎn)生不利的影響。在對腔室側(cè)壁進行清潔后,采用一些方法讓側(cè)壁達到比較穩(wěn)定的狀態(tài),可以明顯提高刻蝕效果的重復(fù)性。在一些情況下,側(cè)壁留下的殘留物的去

16、除則比較困難,需要使用等離子體化學去除方法才能達到滿意的效果。 4 ICP刻蝕硅的基本過程 硅基MEMS器件的ICP刻蝕采用SF6作為刻蝕劑，C4F8作為鈍化聚合物產(chǎn)生劑。SF6在電感輝光放電的作用下，電離電子，帶電離子，原子或者原子基團等多種成分的混合體，這些粒子會和硅發(fā)生化學反應(yīng)，粒子及反應(yīng)非常復(fù)雜，有人用探針止切寸發(fā)現(xiàn)會有數(shù)十種離子成分和相應(yīng)的反應(yīng)公式。在鈍化過程中，反應(yīng)室里通入C4F8氣體，在等離子體的作用下完成等離子聚合過程,該過程具有高度的各向同性，因此會在硅片的表面和結(jié)構(gòu)深槽內(nèi)都均勻地覆蓋一層聚合物保護膜。在隨后的刻蝕過程中，反應(yīng)室內(nèi)的活性氣體轉(zhuǎn)換成SF6，并被分解為SF+和SF

17、一，電場會對正離子加速，這樣增加垂直方向的離子能量，使平行于基片表面的聚合物區(qū)域被優(yōu)先去除。隨著這種高的定向性，在深槽底部的硅表面優(yōu)先暴露出來與F一反應(yīng)生成SiF4從而被刻蝕。ICP刻蝕硅的示意圖如下圖所示： ICP刻蝕技術(shù)具有較高的刻蝕速率及陡直度，適合于三維結(jié)構(gòu)的MEMS器件的制作。以硅基MEMS器件的制作來說明在ICP刻蝕過程中如何控制加工深度和角度。 在刻蝕過程中，可通過修改程序調(diào)整側(cè)壁陡直度及粗糙度。在刻蝕深度控制方面，通過增加工藝過程中的刻蝕功率及縱向偏壓來實現(xiàn)。在ICP刻蝕過程中，各向異性是依靠反應(yīng)離子在槽底表面的刻蝕作用和聚合物在側(cè)壁的抑止作用相結(jié)合實現(xiàn)的。圖2為等離子體中的反

18、應(yīng)離子運動的示意圖。反應(yīng)離子在橫向電場作用下，會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在相同功率下隨著槽或孔刻蝕深度的增加，等離子體中的反應(yīng)離子難以達到刻蝕表面。因此隨著刻蝕深度的增加，按比例增加工藝過程中的刻蝕功率及縱向偏壓，補償橫向電場偏轉(zhuǎn)作用以實現(xiàn)深槽刻蝕。 在刻蝕角度控制方面，通過調(diào)整刻蝕及保護氣體比例來實現(xiàn)。實驗發(fā)現(xiàn)影響刻蝕角度的主要因素是工藝氣體的流量，通過調(diào)整交替通入兩種氣體的流量比可以達到控制刻蝕角度的目的。圖3是兩種氣體對刻蝕角度的影響，減小流量并增加流量，可以實現(xiàn)正V形通孔，此類型通孔易于實現(xiàn)側(cè)壁金屬化并具有小的開口尺寸。5總結(jié) 干法刻蝕技術(shù)在30年來的發(fā)展過程中,大大促進了微電子學的發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn),近20年來在光電子器件和量子器件、MEMS的制作中也起到了重要的作用.近年來,ICP刻蝕技術(shù)作為一種新興的高密度等離子體刻蝕技術(shù),在對硅、二氧化硅材料、一V族化合物等材料的刻蝕方面獲得了很好的效果,已被廣泛應(yīng)用到了各種器件的制作工藝中。隨著對ICP刻蝕機理的進一步了解和設(shè)備的進一步完善,ICP刻蝕技術(shù)會更加適應(yīng)刻蝕多樣化的要求,從而被越來越多地應(yīng)