半导体刻蚀工艺技术——ICP

1、半导体刻蚀工艺技术ICP摘要：ICP 技术是微纳加工中的常用技术之一，本文简单介绍了 ICP 刻蚀技术 (inductively coupled plasma)的基本原理和刻蚀设备的结构，对 ICP 工艺所涉及的化学、 物理过程做了简要分析。阐述了 ICP 刻蚀参数对刻蚀结果的影响以及干法刻蚀的生成物。 由于 ICP 技术在加工过程中可控性高，具有越来越重要的地位。以在硅基 MEMS 器件的 ICP 刻蚀为例，详细的介绍了在硅基 MEMS 制作过程中 ICP 刻蚀的反应过程，说明了在 ICP 刻蚀 过程中如何实现控制加工深度和角度。据近年来国内外 ICP 技术的发展现状和发展趋势,对 其在光电

2、子器件、半导体氧化物、一 V 族化合物等方面的应用作了一些简要介绍。关键词：ICP、刻蚀、参数、模型、等离子体Process technology of semiconductor etchingICPLIU Zhi Wei（Xian 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 int

3、roduces ICP etching technology (inductivelycoupled 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. Be

4、cause the ICP technology 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 realiz

5、e the control of machining 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 intro

6、duction.Key words：ICP、etching, parameter, model, plasma1 引言刻蚀是微细加工技术的一个重要组成部分,微电子学的快速发展推动其不断向前。从总体上来说,刻蚀技术可分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种,初期的刻蚀 以湿法刻蚀为主,但随着器件制作进入微米、亚微米时代,湿法刻蚀难以满足越 来越高的精度要求。干法刻蚀技术得以很大进展。干法刻蚀一般为通过物理和 化学两个方面相结合的办法来去除被刻蚀的薄膜,因此刻蚀具有各向异性,这就 可以从根本上改善湿法所固有的横向钻蚀问题,从而满足微细线条刻蚀的要求。 常用的干法刻蚀有很多，ICP 技术是其中的一种。ICP 刻蚀

7、技术具有刻速快、选 择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高 和刻蚀表面平整光滑等优点,并且 ICP 与 ECR 刻蚀设备相比,具有结构简单、外 形小、操作简便、便于自动控制、适合大面积基片刻蚀等一系列优点。近年来, ICP 刻蚀技术被广泛应用在硅、二氧化硅、-族化合物等材料的刻蚀上,取 得了很好的刻蚀效果,可以满足制作超大规模集成电路、MEMS、光电子器件等各 种微结构器件的要求。2ICP 刻蚀技术2.1 ICP 刻蚀技术的基本原理ICP 刻蚀过程中存在十分复杂的化学过程和物理过程，两者相互作用，共 同达到刻蚀的目的。ICP 刻蚀过程中存在十分复杂的化学过程和物理

8、过程.其中 化学过程主要包括两部分:其一是刻蚀气体通过电感辆合的方式辉光放电,产生 活性游离基、亚稳态粒子、原子等以及它们之间的化学相互作用;其二是这些活 性粒子与基片固体表面的相互作用。主要的物理过程是离子对基片表面的轰击.这里的物理轰击作用不等同于溅 射刻蚀中的纯物理过程,它对化学反应具有明显的辅助作用,它可以起到打断化 学键、引起晶格损伤、增加附着性、加速反应物的脱附、促进基片表面的化学 反应及去除基片表面的非挥发性残留物等重要作用。对于刻蚀过程中的三个阶 段:(1)刻蚀物质的吸附、(2)挥发性产物的形成和(3)产物的脱附,离子的轰击都 有重要影响。在不同情况下(不同的刻蚀气体及流量、工

9、作压强、离子能量等) 离子轰击对刻蚀的化学过程的加速机理可能有所不同。人们认为离子轰击机理主要有以下三种:一是化学增强物理溅射。例如,含 氟的等离子体在硅表面形成的 siFx 基与元素 si 相比,其键合能比较低,因而在 离子轰击时具有较高的溅射几率,所以刻蚀的加速是化学反应使得物理溅射作用 增强的结果;二是损伤诱导化学反应。离子轰击产生的晶格损伤使基片表面与气 体物质的反应速率增大;三是化学溅射.活性离子轰击引起一种化学反应,使其先 形成弱束缚的分子,然后从表面脱附。当利用 ICP 刻蚀技术,并以碳氟聚合物气体(例如 C4FS)作为主要刻蚀气体 刻蚀硅时,在稳定的刻蚀状态下硅表面会形成比较厚

10、(Znm、7nm)的聚合物薄层, 绝大部分离子不能直接轰击到硅表面上.在这种情况下,离子轰击主要有两方面 的作用:一是促进 F 离子在聚合物中的扩散,加快 F 离子和聚合物的反应速度;二是使聚合物薄层表面的聚合物分子断裂和脱离.以上两种作用都可以使得硅表面 的聚合物减薄,促进刻蚀速率的增加。对于不同的刻蚀材料，需要掩制膜以保证不需要刻蚀的地方被保护起来， 同时刻蚀需要采用不同的气体，对于硅的刻蚀而言，一般以 SF6 作为刻蚀气体。而对 GaAs/AlGaAs 的刻蚀采用以 SiCl4 为主的混合气体。2.2 ICP 刻蚀设备图 1 所示为电导耦合等离子刻蚀机(ICP)的构造。在反应器上方有一介

11、电层窗,其上方有螺旋缠绕的线圈,等离子体就是由该 感应线圈在介电层窗下产生的，此等离子产生的位置距离晶片只有几个平均自 由路径,故只有少量的等离子体密度损失,因而可获得高密度等离子体。常用的刻蚀设备有反应离子刻蚀机(UIE)、磁场强化反应离子刻蚀机(MEUIE)、 电子回旋共振式等离子刻蚀机(ECR)和电导祸合等离子刻蚀机(ICP)。3 ICP 刻蚀参数对刻蚀结果的影响目前在半导体工艺、微机械(MEMS)、光波导制造等领域中常见的刻蚀工艺 有硅刻蚀、二氧化硅刻蚀、氮化硅刻蚀、金属和合金刻蚀以及一 V 族刻蚀。 一般来讲,在干法刻蚀工艺中,有许多工艺控制参数制约这个工艺的好坏,使工艺 有很大的发

12、挥余地,也使干法刻蚀工艺比湿法复杂得多,以下给出了制约各种工 艺控制参数的因素。1 电学参数,包括电源、频率、电子偏压；2 环境参数,包括压力、温度、气体选用与分配、气体流量、磁场强度；3 设备参数,包括电极面积/形状、反应腔几何形状、反应腔材料、反应腔体 积、电极材料、气体配比设计。在实际反应过程中,这些因素都会有它积极的一面,也有负面影响的一面。如 何进行选择和配备就成了人们苦心钻研的课题。例如,干法刻蚀气体的搭配.其 次,反应生成物也是必须考虑的重要因素之一,因为固态生成物会导致刻蚀停止。下面列出干法刻蚀反应所生成的一些反应物。Silionc(硅): Si(s)+F(g) SiFx(g)

13、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):SiO2 (s)+F(g) SiFx(g)+O(g)SiO2 (s)+CFz(g) SiFx(g)+CO(g) Suicon Nitride(氮化硅):SisN(s)+F(g) SiFx(g)+N(g)Si3N4 (s)+CF(g) SiFx(g)+CN(g)(orNZ,HCN,CN-Si3N4 (s)+CI(g) SiClx(g)+N(g) Aluminnum(铝):AI(s)+F(g) AI F3 (s)AI(s)+CI

14、(g)or C12 (g) A12 C16 (g)AI(s)+ A12 C16 (g) Further ethcing Tungsten（钨）:W(s)+F(g) WFx(g)w(s)+CI(g)一 WClx (g) photoresist(光致抗蚀刻):Photoerssit+O(g)一 C02 (g)+ H2O (g)ICP 刻蚀技术作为一种商业化的技术,要求刻蚀效率和刻蚀稳定性高,刻蚀效 果的重复性好.而要达到这些要求,刻蚀腔室内壁的情况就显得十分重要.在刻蚀 的过程中,腔室的侧壁上难免会形成聚合物和/或反应生成物薄层.侧壁上的沉积 物会对活性离子和电子在侧壁上的碰撞、吸附和复合产生影响

15、,而且侧壁沉积物 一般会形成绝缘薄膜,从而影响电磁场,进而影响等离子体性质.这些沉积物达到 一定厚度时,甚至可能会形成颗粒污染,从而损坏刻蚀表面.在刻蚀过程中,腔室 侧壁上沉积物的离化再聚合会给刻蚀断面轮廓的控制带来不利影响.清除腔室侧 壁上的沉积物对于刻蚀稳定性和重复性的影响十分重要.利用物理方法清理腔室 的效率低,并对腔壁有损伤。利用合适的气体进行等离子体腔室清洁是比较好的 方法。刻蚀硅或者二氧化硅时,腔室内的沉积物主要可以分成两大类:一类是以由碳氟聚合物气体引入的碳氟聚合物为主的沉积物,这种情况下用 02 作为去除沉积物的气体可以取得很好的效果;另一类是以氯基、滨基以及其它刻蚀气体与 被

16、刻蚀材料的反应生成物为主的沉积物.用 SF6 或 SF6/0:作为去除沉积勿的刻 蚀气体可以取得较好的效果,但是需要注意的是必须对沉积物进行彻底的清除。 如果有残留,那么结合在沉积物中的 F 会在以后的刻蚀过程中释放出来,对刻蚀 的结果会产生不利的影响。在对腔室侧壁进行清洁后,采用一些方法让侧壁达到 比较稳定的状态,可以明显提高刻蚀效果的重复性。在一些情况下,侧壁留下的 残留物的去除则比较困难,需要使用等离子体化学去除方法才能达到满意的效果。4 ICP 刻蚀硅的基本过程硅基 MEMS 器件的 ICP 刻蚀采用 SF6 作为刻蚀剂，C4F8 作为钝化聚合物产生 剂。SF6 在电感辉光放电的作用下

17、，电离电子，带电离子，原子或者原子基团 等多种成分的混合体，这些粒子会和硅发生化学反应，粒子及反应非常复杂， 有人用探针止切寸发现会有数十种离子成分和相应的反应公式。在钝化过程中， 反应室里通入 C4F8 气体，在等离子体的作用下完成等离子聚合过程,该过程具 有高度的各向同性，因此会在硅片的表面和结构深槽内都均匀地覆盖一层聚合 物保护膜。在随后的刻蚀过程中，反应室内的活性气体转换成 SF6，并被分解 为 SF+和 SF 一，电场会对正离子加速，这样增加垂直方向的离子能量，使平行 于基片表面的聚合物区域被优先去除。随着这种高的定向性，在深槽底部的硅 表面优先暴露出来与 F 一反应生成 SiF4

18、从而被刻蚀。ICP 刻蚀硅的示意图如下 图所示：ICP 刻蚀技术具有较高的刻蚀速率及陡直度，适合于三维结构的 MEMS 器 件的制作。以硅基 MEMS 器件的制作来说明在 ICP 刻蚀过程中如何控制加工深度 和角度。在刻蚀过程中，可通过修改程序调整侧壁陡直度及粗糙度。在刻 蚀深度控制方面，通过增加工艺过程中的刻蚀功率及纵向偏压来实现。在 ICP 刻蚀过程中，各向异性是依靠反应离子在槽底表面的刻蚀作用和聚合物在侧壁 的抑止作用相结合实现的。图 2 为等离子体中的反应离子运动的示意图。反应 离子在横向电场作用下，会发生偏转，在相同功率下随着槽或孔刻蚀深度的增 加，等离子体中的反应离子难以达到刻蚀表面。因此随着刻蚀深度的增加，按 比例增加工艺过程中的刻蚀功率及纵向偏压，补偿横向电场偏转作用以实现深 槽刻蚀。在刻蚀角度控制方面，通过调整刻蚀及保护气体比例来实现。实 验发现影响刻蚀角度的主要因素是工艺气体的流量，通过调整交替通入两种气 体的流量比可以达到控制刻蚀角度的目的。图 3 是