基于ICP的硅高深寬比溝槽刻蝕技術(shù)

展明浩，宋同晶，皇 華，王文婧，陳 博

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中國兵器工業(yè)第214所工藝1部，安徽蚌埠 233042)

基于ICP的硅高深寬比溝槽刻蝕技術(shù)

展明浩1，宋同晶1，皇 華1，王文婧2，陳 博2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中國兵器工業(yè)第214所工藝1部，安徽蚌埠 233042)

介紹了電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術(shù)的基本概念。結(jié)合英國STS公司的STS multiplex ICP system刻蝕機(jī)，介紹了刻蝕機(jī)原理及刻蝕過程。對硅深槽刻蝕技術(shù)進(jìn)行了分析，對其中Footing效應(yīng)、Lag效應(yīng)和側(cè)壁光滑問題提出了優(yōu)化方案，最后在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出了能夠刻蝕出高質(zhì)量硅深溝槽的刻蝕參數(shù)。

ICP刻蝕;Footing效應(yīng);Lag效應(yīng);側(cè)壁光滑度;高深寬比

微機(jī)電系統(tǒng)是一門多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)，主要使用半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將微機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路集成到一起，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)［1］。高深寬比溝槽是制備MEMS器件的關(guān)鍵步驟。由于ICP(Intemet Content Provider)刻蝕技術(shù)控制具有精度高、大面積刻蝕均勻性好、污染少等優(yōu)點(diǎn)，在微機(jī)電系統(tǒng)中經(jīng)常用于加工高深寬比的垂直形貌［2］。浙江大學(xué)的Wang Tao，Yu Bin等人使用ICP刻蝕技術(shù)的基礎(chǔ)上通過自限制的氧化方式制備出垂直堆疊的單結(jié)晶硅納米線［3］。University of Dayton 的 Lirong Sun 和 Andrew Sarangan也是在ICP刻蝕的基礎(chǔ)上制備出可用于硅微光學(xué)結(jié)構(gòu)的傾斜側(cè)壁［4］。

1 ICP刻蝕技術(shù)

在生產(chǎn)中刻蝕工藝主要分為濕法化學(xué)刻蝕工藝和干法刻蝕工藝兩種。濕法化學(xué)刻蝕是將樣品浸沒在化學(xué)溶劑中，該溶劑與基底產(chǎn)生反應(yīng)，形成可以溶解的副產(chǎn)品。但濕法化學(xué)腐蝕工藝較難控制，無法避免溶劑微粒的對器件的污染而導(dǎo)致較高的缺陷水平，而且會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液。與濕法化學(xué)刻蝕相比，干法刻蝕則具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。等離子氣體的反應(yīng)可以方便地開始和結(jié)束。而且，等離子對樣品表面溫度的微小變化不敏感。這些優(yōu)點(diǎn)使得干法刻蝕比濕法化學(xué)刻蝕更容易重復(fù)進(jìn)行。干法刻蝕技術(shù)具有較高的各向異性，這對于加工高深寬比溝槽特別重要。相比液體溶劑，干法刻蝕產(chǎn)生的廢氣更易于處理。

ICP刻蝕技術(shù)的前身是反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Eeching，RIE)，其刻蝕過程包括復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)。物理反應(yīng)過程是反映墻體內(nèi)的離子對樣品表面進(jìn)行轟擊，打斷化學(xué)鍵，增加表面的黏附性，同時(shí)促進(jìn)表面生成非揮發(fā)性的殘留物等?；瘜W(xué)反應(yīng)是刻蝕氣體通過輝光放電，使腔體內(nèi)的各種離子、原子和活性游離基等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，這些粒子也會(huì)和基片表面材料反應(yīng)生成氣體，產(chǎn)生刻蝕溝槽。

2 ICP設(shè)備結(jié)構(gòu)與原理

圖1為STS ICP system刻蝕機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖［5］。刻蝕氣體從腔室上方進(jìn)入，其流量由質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)分別由兩個(gè)獨(dú)立的射頻功率源，一路連接到真空反應(yīng)腔室外的電感線圈上，用于反應(yīng)氣體的電離。另一路連接到反應(yīng)腔室內(nèi)防止硅片的平臺(tái)上，作用是調(diào)節(jié)電離的例子能量，使其達(dá)到硅片表面，達(dá)到一定的刻蝕速率和各向異性的刻蝕效果。在刻蝕過程中，關(guān)鍵是控制影響刻蝕與淀積的各個(gè)因素，以達(dá)到理想的刻蝕效果。腔室內(nèi)使用射頻電源箱控技術(shù)使離子源電源和偏壓電源的相位同步，以確保粒子密度和偏壓同步進(jìn)行增減，提高刻蝕效率。

圖1 STS Multiplex ICP system刻蝕機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

3 使用氟基氣體進(jìn)行高深寬比刻蝕

硅基ICP的刻蝕過程主要包括鈍化和刻蝕兩個(gè)步驟依次交替進(jìn)行。如圖2所示。

圖2 Bosch刻蝕過程

步驟1 鈍化(沉積側(cè)壁保護(hù)膜)。

ICP刻蝕時(shí)加入反應(yīng)氣體CF4(或C4F8)，這些氣體在反應(yīng)腔體內(nèi)電離成離子態(tài)的CF2基與活性氟基，其中CF2基于硅表面反應(yīng)，形成(CF2)n高分子態(tài)鈍化膜，附著在硅表面形成一層保護(hù)膜。這種保護(hù)膜在下一步的刻蝕過程中可以起到保護(hù)側(cè)壁的作用。

沉積保護(hù)膜的反應(yīng)式為

步驟2 刻蝕。

通入反應(yīng)氣體SF6，在增大氟離子濃度的同時(shí)，提高了化學(xué)性刻蝕的速率。在刻蝕過程中，附著在側(cè)壁的(CF2)n高分子聚合物在受到非垂直離子碰撞側(cè)壁的影響下，脫離側(cè)壁移動(dòng)，重新在更深的側(cè)壁上附著形成聚合物薄膜。

硅刻蝕的反應(yīng)式為

4 ICP刻蝕中常見的效應(yīng)

4.1 Footing效應(yīng)

在刻蝕SOI硅片的時(shí)候，由于頂層硅和襯底之間引入了一層氧化層，在深槽刻蝕時(shí)經(jīng)常在絕緣層附近出現(xiàn)過刻蝕。也就是當(dāng)刻蝕到停止層時(shí)，會(huì)在界面附近繼續(xù)橫向刻蝕，出現(xiàn)圖3的形狀，這就是所謂的Footing效應(yīng)。

圖3 Footing效應(yīng)SEM圖片

減小Footing效應(yīng)，一般的做法是使用低頻偏壓刻蝕，在刻蝕到絕緣層表面時(shí)，由于刻蝕偏壓較低，轟擊到絕緣層的離子反彈較弱，可以減輕Footing效應(yīng)。

4.2 Lag效應(yīng)

硅的刻蝕速率隨著深寬比的增加而下降，稱為(Lag)效應(yīng)，如圖4所示。Lag效應(yīng)不僅存在于不同深寬比刻蝕，固定結(jié)構(gòu)刻蝕也普遍存在。一般認(rèn)為Lag效應(yīng)的產(chǎn)生與反應(yīng)物和生成物輸運(yùn)受阻有關(guān)系。更大的深寬比會(huì)影響氣流的通暢度，在導(dǎo)致離子到達(dá)反應(yīng)表面時(shí)功率減小，刻蝕速率降低。同時(shí)側(cè)壁會(huì)吸收更多的離子，使到達(dá)反應(yīng)表面的反應(yīng)離子變少。如上種種原因?qū)е铝丝涛g速率隨著深寬比的增加而降低。

圖4 Lag效應(yīng)SEM圖片

目前對Lag效應(yīng)的研究在數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)中，基本都是通過改變刻蝕圖形的深寬比來進(jìn)行［6］。實(shí)踐中，是通過設(shè)備的刻蝕參數(shù)和改變刻蝕各過程的時(shí)間，使各個(gè)溝槽的深度處于同一水平。但僅改變圖形寬度是無法獲得理想的刻蝕溝槽。

4.3 刻蝕溝槽的側(cè)壁光滑度問題

傳統(tǒng)的Bosch技術(shù)刻蝕出的溝槽往往會(huì)在側(cè)壁上出現(xiàn)波浪狀起伏，這是由于Bosch刻蝕的刻蝕機(jī)理所致，無法避免。然而可以通過改變刻蝕過程中氣體的成分和流量、縮短刻蝕時(shí)間和沉積時(shí)間，使刻蝕出的溝槽滿足器件的要求。

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)所得，在刻蝕周期加入少量的C4F8氣體，可以減小Bosch過程中刻蝕周期的橫向鉆蝕，在側(cè)壁上的效果就是使起伏波浪的波谷變淺。同時(shí)，添加少量的O2，可以顯著增加刻蝕速率。裸露出來的硅槽側(cè)壁還可以被高活性的氧離子氧化，形成一層SiO2薄膜，對側(cè)壁起到保護(hù)作用。這樣就在淀積周期到來之前，已經(jīng)在側(cè)壁上形成了一層保護(hù)膜，再加上淀積周期中的CFx聚合物，刻蝕過程中側(cè)壁受到了雙層保護(hù)。而且在刻蝕過程中的高活性氧離子還會(huì)氧化側(cè)壁上波浪起伏的“波峰”，減其鋒芒，在一定程度上降低側(cè)壁的粗糙度。

5 刻蝕實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過多次刻蝕實(shí)驗(yàn)，得出優(yōu)化刻蝕方案，如表1所示。使用0.1 μm厚的鉻作為掩膜層，在STS Multiplex ICP system刻蝕機(jī)進(jìn)行了刻蝕實(shí)驗(yàn)。最終得到了側(cè)壁光滑，深寬比接近30∶1的硅深溝槽。而且在保持高深寬比的同時(shí)，側(cè)壁陡直度與光滑度良好，如圖5所示。

表1 優(yōu)化的刻蝕參數(shù)

圖5 深寬比接近30∶1的硅深溝槽SEM圖片

6 結(jié)束語

基于ICP刻蝕技術(shù)，討論了在刻蝕硅深溝槽中出現(xiàn)的Lag效應(yīng)和Footing效應(yīng)，闡述了其產(chǎn)生的原理，針對這些效應(yīng)提出了優(yōu)化的參數(shù)方案。并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了深寬比接近30∶1，側(cè)壁光滑且陡直度良好的硅深溝槽。

［1］鄭志霞，馮勇健，張春權(quán).ICP刻蝕技術(shù)研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，43(8):365 －368.

［2］AYON A A，ZHANG X，KHANNA R.Anisotropic silicon trenches 300 ～500 μm deep employing EMDE ［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2001，91(3):381 －385.

［3］HYNES A M，ASHRAF H，BHARDWAJ J K，et al.Recent advances in silicon etching for MEMS using the ASETMprocess［J］.Sensors and Actuators A:Physical，1999，74(1－3):13－17.

［4］LIRONG S，SARANGAN A.Fabrication of sloped sidewalls by inductively coupled plasma etching for silicon micro－optic structures［J］.Journal of Microlithography，Microfabrication，and Microsystems，2011，10(2):56 －62.

［5］WANG Tao，YU Bin，LIU Yan，et al.Fabrication of vertically stacked single－crystalline Si nanowires using self－limiting oxidation［J］.Nanotechnology，2012，23(1):0153 －0160.

［6］THUY T Q，JOHNSTON S，LINDQUIST R.Contact Etch in the LAM 4520XL using standard CF4/CHF3chemistry［C］.IEEE:Advanced Semiconductor Manufacturing Conference and Workshop，1996:12－14.

Study of High Aspect Ratio Silicon Trench Etching Based on ICP

ZHAN Minghao1，SONG Tongjing1，HUANG Hua1，WANG Wenjing2，CHEN Bo2
(1.School of Electronic Science and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.First Department of Techniques，No.214 Institute of Chinese Ordnance Industry，Bengbu 233042，China)

This paper introduces the basic concepts of the inductively coupled plasma(ICP)etching technique.On the basis of the STS multiplex ICP system etching machine，it describes the principle of the etching machine and the etching process.The silicon deep trench etching technology is analyzed.An optimization scheme is presented for such problems as footing effect，lag effect and sidewalls roughness.With lots of experiments，we have obtained the etching conditions for etching high aspect ratio silicon deep trench.

ICP etching;Footing effect;Lag effect;sidewall roughness;high aspect ratio

TN305.7

A

1007－7820(2012)08－077－03

2012-03-08

展明浩(1966—)，男，研究員。研究方向:MEMS傳感器。宋同晶(1988—)，男，碩士研究生。研究方向:ICP刻蝕技術(shù)。