ICP刻蚀技术及其在光电子器件制作中的应用

  收稿日期:2003Ο03Ο04;修订日期:2003Ο03Ο15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(69896260,69990540);973资助项目(G20000366) 作者简介:樊中朝(1976-),男,河北省行唐县人,在读博士生,主要是做Si基光电子与半导体光电子集 成方面的研究。 文章编号:1003Ο8213(2003)02Ο0021Ο08 ICP刻蚀技术及其在光电子器件制作中的应用 樊中朝,余金中,陈少武 (中国科学院半导体研究所,北京100083) 摘要:粗略地介绍了ICP(inductivelycoupledplasma)刻蚀设备的结构和刻蚀机理,报道 了ICP刻蚀硅、二氧化硅和Ⅲ-Ⅴ族材料的一些最新进展,重点介绍ICP刻蚀技术 在光电子器件制作方面的进展和应用前景。 关键词:刻蚀;电感耦合等离子体;光电子器件 中图分类号:TN305.7文献标识码:A 1引言 刻蚀是微细加工技术的一个重要组成部 分,在微电子学的推动下,它与其它微细加工 技术一样,取得了迅速的发展。从总体上来 说,刻蚀(有掩模刻蚀)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 蚀由于其本身固有的缺点,越来越不能满足 科研和生产的需要,同时干法刻蚀技术取得 了很大进展,所以湿法刻蚀逐渐被以等离子 体技术为基础的干法刻蚀取代。 不同于以化学方法去除不需要部分薄膜 的湿法刻蚀,干法刻蚀一般为通过物理作用和 化学作用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。在干法刻蚀技术三十多年 的发展过程中,随着对刻蚀机理的研究和经验 积累,先后出现了各种机理和结构的刻蚀设 备,但大多数都是在等离子体刻蚀(PE)和离 子束刻蚀(IBE)的基础上发展起来的,比较常 用的至少有十几种。干法刻蚀技术发展到今 天,各种高密度等离子体(HDP)刻蚀技术已 被大范围的应用,其中ICP刻蚀技术具有刻速快、 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,具有结构相对比较简单、外形小、操作简单便捷、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刻蚀技术被大范围的应用在硅、二氧 化硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物等材料的刻蚀上,取得 了很好的刻蚀效果,能够完全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 ICP刻蚀技术能获得良好的刻蚀效果, 第2期 2003年6月 微细加工技术 MICROFABRICATIONTECHNOLOGY №.2 Jun.2003 是与其等离子体产生机制、刻蚀设备、刻蚀机 理以及对刻蚀参数的优化分不开的。 2.1ICP刻蚀设备的结构及其特点 如图1所示为Alcatel公司的ICP刻蚀设 图1ICP刻蚀设备典型结构示意图 备结构示意图。刻蚀气体在基片的上方被引 入等离子体源腔室,其流量由流量控制阀来 控制,控制阀可以自动快速地调节气体流量。 设备配有通过自动匹配网络控制的两套独立 的射频电源,第一套射频电源通过电感耦合 的方式使刻蚀气体辉光放电,产生高密度的 等离子体(Ar等离子体密度

  10 11 /cm 3 );在 第二套射频电源作用下产生对基片的定向物 理溅射轰击。两套电源可以独立自动控制, 所以等离子体密度和轰击离子的能量可以单 独调控。刻蚀腔壁上装配有永久磁铁,磁铁 产生的磁场使等离子体在腔室侧壁上的损耗 降低,并且变得更均匀稳定。高效率的涡 轮分子泵和前级泵可以迅速地把废气和挥发 性刻蚀产物抽走,保持腔室内所需要的低工 作气压。工作气压在气体流量一定的情况 下,能够最终靠一个抽速控制阀,在一些范围内 进行调节。基片温控系统能对基片的温度 来控制,满足多种基片温度下刻蚀的需要, 另一套温控系统能对腔室的侧壁温度进行 控制。基片和等离子体源的距离可以在一定 范围内调节。双腔室的结构和自动送片装 置使得反应刻蚀腔室不直接暴露在大气压 下,避免了水汽等有害化学气体进入刻蚀腔。 ICP刻蚀设备用分立的射频电源控制等 离子体密度和离子轰击能量,为优化刻蚀工 艺参数创造了条件;高效率的电感耦合等离 子体产生模式能够得到高密度的活性粒子, 为得到高刻蚀速率奠定了基础;设备能在 低气压下维持稳定的辉光放电,这保证了离 子轰击的方向性和刻蚀的均匀性。这些对于 大面积亚微米陡直刻蚀十分有利。通过自动 匹配网络调控射频电源和对抽速以及流量的 自动控制,能轻松实现刻蚀过程的自动化控制。 2.2ICP刻蚀的基本机理 ICP刻蚀过程中存在十分复杂的化学过 程和物理过程。其中化学过程最重要的包含两部 分:其一是刻蚀气体通过电感耦合的方式辉 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,它对化学反应有着非常明显的辅助作 用,它能够更好的起到打断化学键、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 留物等及其重要的作用。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;(3)产物的脱附,离子的轰击对任何一个 过程都有重要影响。在不一样的情况下(不同的 刻蚀气体及流量、工作压强、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(Chemicalen2 hancedphysicalsputtering)。例如,含氟的等 离子体在硅表明产生的SiF x 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(damage-inducedchemicalre2 22微细加工技术2003年 action)。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(chemicalsputtering)。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,以碳氟聚合物气 体(例如C 4 F 8 )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 (2nm～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; 二是离子轰击使聚合物薄层表 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 [ 1 ] 。 2. 3 ICP 刻蚀参数对刻蚀结果的影响 影响 ICP 刻蚀结果的因素有很多,其中 直接工艺因素有刻蚀气体、气体流量、工作气 压、射频功率和偏压、电极位置、温度等,而刻 蚀腔室的内壁情况对于刻蚀的结果和重复性 有很重要的影响。在 ICP 刻蚀中,影响结果 以及过程的因素和条件复杂多变,并且相互 制约牵连,在不同的刻蚀系统和条件下会有 不完全一样的作用机理和解释。 在 ICP 刻蚀技术中,通过电感耦合的方 式产生高密度等离子体,为获得高刻蚀速率 奠定了基础; 根据掩模材料与被刻蚀材料刻 蚀机理的不同,选用合适的刻蚀混合气体,并 合理调节物理轰击作用的强弱,能够得到高 选择性;合理规划利用离子的定向轰击对于化学 反应的增强作用和侧壁钝化层抑制等离子体 刻蚀的各向同性,能够获得高各向异性;合理 调节轰击离子的能量,保持较高的刻蚀速率 以减少被刻蚀材料暴露在等离子体中的时 间,可以使得刻蚀对材料造成的损伤减到最 小;均匀分布的、稳定的高密度等离子体,保 证了大面积刻蚀下的均匀性。为满足不同 器件的制作对于刻蚀的要求不同,可以合理 调节刻蚀参数,根据具体需要在各向异性、选 择性、表面损伤和刻蚀速率等方面做到综合 权衡,得到最佳的刻蚀效果。 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 生成物的薄层。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,并且侧壁沉积物一般会形成绝缘薄膜, 进而影响电磁场, 进而影响等离子体性 质 [ 2 ] 。当这些沉积物达到一定厚度时,甚至 可能形成颗粒污染,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降低侧壁情况对于刻蚀 稳定性和重复性的影响十分重要。 利用物理方法来清理腔室,效率低,并对 腔壁有损伤,利用合适的气体来进行等离子 体清洁腔室是比较好的方法。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:一类是以碳氟聚合物气体引入的碳氟 聚合物为主的沉积物, 这样的一种情况下用 O 2 作 为去除沉积物的气体能取得很好的效 果 [ 3 ] ;另一类是以氯基、溴基以及其它刻蚀 气体与被刻蚀材料的反应生成物为主的沉积 物。用 SF 6 或 SF 6 / O 2 作为去除沉积物的刻 蚀气体能取得较好的效果,但要注意 的是必须对沉积物进行彻底的清除,如有残 留,那么结合在沉积物中的 F 会在以后的刻 蚀过程中释放开来,对于刻蚀的结果会产生 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较为稳定的状态,可 以显著提升刻蚀效果的重复性 [ 2 ,4 ] 。在一些 情况下侧壁留下的残留物的去除则比较困 难,在大多数情况下要等离子体化学去除结合物理去 3 2 第2 期 樊中朝等: ICP 刻蚀技术及其在光电子器件制作中的应用 除才能够达到满意的效果。 3 ICP 刻蚀硅、二氧化硅和 Ⅲ- Ⅴ族化合物 ICP 刻蚀技术与 RIE、MRIE、IBE、ECR、 CAIBE 等刻蚀方式比较,具有不一样程度的优 势,在对很多材料的刻蚀中更容易获得好的 刻蚀效果。 在 ICP 刻蚀技术中对于硅的刻蚀已经 是很成熟的技术。常温下对硅的刻蚀,可 以采用钝化、刻蚀同步进行的单步工艺,也可 以采用钝化、刻蚀分开的多步工艺—Bosch 工艺,刻蚀常用 SF 6 ( O 2 ) 气体, 钝化气体是 C 4 F 8 。在深刻蚀时,采用多步刻蚀工艺,可以 在获得高刻蚀速率(～13μm/ min) 、高纵横 刻蚀比、高选择比的同时保持侧壁陡直,刻蚀 深度可以大于600μm(刻穿基片) ,这种刻蚀 工艺被大范围的应用于各种深刻蚀,例如 MEMS 制作中。多步刻蚀工艺与传统的刻蚀工艺相 比具有更大的自由度,但是在这种刻蚀工艺 下,除了刻蚀表面上会有碳氟聚合物外,由于 采用刻蚀钝化交替进行的方法,在侧壁上不 可避免的有连续的扇状起伏(

  50 nm) 。通 过缩小交替周期和增加钝化时间,在侧壁上 形成较厚的聚合物薄层,能减小这种起伏 的尺寸(20 nm～25 nm) ,但是并不能完全消 除 [ 5 ] 。如果把刻蚀和钝化之间的转换改进 为一个渐变过程,则能更加进一步改善侧壁的 粗糙度(