MEMS/Sensor工藝中無定形碳應(yīng)用及干法蝕刻研究

伏廣才，倪 梁，汪新學

（中芯國際集成電路制造（上海）有限公司3D&IC技術(shù)研發(fā)中心，上海201203）

MEMS/Sensor工藝中無定形碳應(yīng)用及干法蝕刻研究

伏廣才，倪 梁，汪新學

（中芯國際集成電路制造（上海）有限公司3D&IC技術(shù)研發(fā)中心，上海201203）

提出一套新的無定型碳犧牲層蝕刻工藝，新工藝應(yīng)用于MEMS和Sensor犧牲材料工藝中，能夠很好地解決無定形碳蝕刻工藝中有機副產(chǎn)物問題。在無定形碳蝕刻工藝中添加低濃度的CF4蝕刻氣體（1%~5%），有助于去除在蝕刻過程中側(cè)壁形成的有機副產(chǎn)物。在無定形碳蝕刻工藝前添加一步光刻膠硬化步驟，和在無定形碳蝕刻工藝后添加一步有機副產(chǎn)物各項異性蝕刻步驟，有助于去除表面產(chǎn)生的有機副產(chǎn)物。并針對新工藝去除無定形碳蝕刻過程中形成的有機副產(chǎn)物反應(yīng)機制進行了詳盡闡述與討論。

無定形碳干法蝕刻；MEMS；Sensor；有機副產(chǎn)物去除

1 引言

微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，簡稱MEMS）是利用微細加工技術(shù)在芯片上集成傳感器、執(zhí)行器、處理控制電路的微型系統(tǒng)。隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，使用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)制作而成的MEMS器件十分引人注目[1]。

微機電系統(tǒng)中的傳感器能夠接收壓力、位置、速度、加速度、磁場、溫度或濕度等外部信息，并將所獲得的外部信息轉(zhuǎn)換成電信號，以便于在微機電系統(tǒng)中進行處理。在MEMS制備工藝中通常都會包含一道形成空腔的工藝步驟，傳統(tǒng)工藝是使用二氧化硅作為犧牲材料，用氟化氫蒸汽作為蝕刻氣體來形成MEMS所必需的空腔。然而，這種工藝需要特殊設(shè)備和氟化氫蒸汽，大大增加工業(yè)化制成的難度[2]。

無定形碳通常被用來作為硬掩模層材料來取代一部分光阻，這種工藝比較穩(wěn)定而且能很好地與現(xiàn)有工藝匹配，并且已被轉(zhuǎn)入商業(yè)化生產(chǎn)[3,4]。然而，把無定形碳作為犧牲材料用在MEMS/Sensor工藝形成空腔的工藝很少有報道。

在采用無定型碳（Amorphous carbon）作為犧牲層材料的現(xiàn)有工藝中，利用無定形碳和氧氣反應(yīng)后以形成二氧化碳等氣體，用以去除犧牲層無定形碳，形成所述空腔。然而，在無定形碳蝕刻過程中存在有機副產(chǎn)物難以去除的問題。

為此，在MEMS工藝中，如何改善蝕刻犧牲層工藝，避免形成過多的副產(chǎn)物是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。本文提出一套新的無定形碳犧牲層蝕刻工藝，很好地解決了采用無定形碳作為犧牲層蝕刻工藝中有機副產(chǎn)物難以去除的問題并實現(xiàn)工業(yè)級目標。

2 實驗

無定形碳的硬掩模層（氧化硅或氮化硅）采用AMAT E-max氧化硅介質(zhì)干法蝕刻系統(tǒng)進行圖形轉(zhuǎn)移，采用CF4、CHF3和Ar氣體作為蝕刻氣體進行蝕刻。無定形碳采用LAM Rearch exelan氧化硅介質(zhì)干法蝕刻系統(tǒng)進行圖形化轉(zhuǎn)移。采用O2、CF4、N2、CO和Ar或其中幾種氣體進行蝕刻。蝕刻后結(jié)果利用掃描電鏡（SEM）進行圖形化形貌表征。

3 結(jié)果討論

工藝條件（A）直接采用O2/Ar蝕刻氣體在LAM Rearch exelan氧化硅介質(zhì)蝕刻機臺上進行蝕刻形成圖形化，經(jīng)過清洗后。工藝條件（A）的實驗結(jié)果如圖1所示，在表面和側(cè)壁上都會形成一些蝕刻有機副產(chǎn)物，很難去除。這些副產(chǎn)物會影響后面的工藝制成，在經(jīng)過后續(xù)工藝制成后，這些副產(chǎn)物會脫落產(chǎn)生大量缺陷影響產(chǎn)品的良率。

圖1 工藝條件（A）掃描電鏡形貌表征

工藝條件（B），在工藝條件（A）的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，采用三步蝕刻方法進行蝕刻。工藝條件（B）在原有工藝條件（A）的基礎(chǔ)上引入CF4蝕刻氣體，并改變蝕刻工藝，多加一步光刻膠硬化步驟和有機副產(chǎn)物干法蝕刻步驟。第一步光刻膠硬化步驟采用O2/ Ar蝕刻氣體在低壓低功率條件下進行光刻膠硬化。第二步無定形碳蝕刻步驟在原有工藝條件下引入少量CF4蝕刻氣體（1%~5%）。第三步采用CF4/O2/Ar在低壓低功率條件下各向異性干法蝕刻去除無定形碳蝕刻工藝中形成的副產(chǎn)物。工藝條件（B）的實驗結(jié)果用掃描電鏡進行形貌表征，實驗結(jié)果如圖2所示，從掃描電鏡形貌上看優(yōu)化后的工藝條件（B）沒有蝕刻有機副產(chǎn)物殘留。

為了進一步說明新的工藝條件能夠解決無定形碳蝕刻過程中形成有機副產(chǎn)物的問題，我們設(shè)計了另外兩組工藝條件（C）和工藝條件（D）進行實驗。并分別對這兩組工藝條件結(jié)果用掃描電鏡進行形貌表征。工藝條件（C）在工藝條件（B）的基礎(chǔ)上減少第二步無定形碳的蝕刻時間，其他工藝參數(shù)不變。工藝條件（C）實驗結(jié)果如圖3所示，從掃描電鏡的結(jié)果看側(cè)壁的有機副產(chǎn)物很難去除，仍然有一層很厚的副產(chǎn)物。表面的副產(chǎn)物可以去除掉。

圖2 工藝條件（B）掃描電鏡形貌表征

圖3 工藝條件（C）掃描電鏡形貌表征

工藝條件（D）是在工藝條件（C）的基礎(chǔ)上增加第三步蝕刻干法去除有機副產(chǎn)物的時間，其他工藝條件不變，實驗結(jié)果如圖4所示。從掃描電鏡的結(jié)果看側(cè)壁的有機副產(chǎn)物很難去除，仍然有一層很厚的副產(chǎn)物。表面的副產(chǎn)物可以去除掉。

圖4 工藝條件（D）掃描電鏡形貌表征

為了解釋上述的實驗結(jié)果，有必要考察一下無定形碳的蝕刻機制。無定形碳反應(yīng)蝕刻機理如下：

上述的一些反應(yīng)產(chǎn)物會在離子電漿的作用下產(chǎn)生一些離子自由基“-CO-”。在蝕刻過程中，還存在光刻膠，光刻膠也會在蝕刻的過程中形成一些有機副產(chǎn)物。這些有機副產(chǎn)物會結(jié)合上述無定形碳蝕刻過程中產(chǎn)生的自由基“-CO-”，再次生成很難揮發(fā)的有機副產(chǎn)物。這些副產(chǎn)物會沿著側(cè)壁生長，并有少量會脫落散落在表面，最終形成如圖1所示結(jié)果：在表面散落一部分有機副產(chǎn)物和在側(cè)壁形成很厚的一層副產(chǎn)物。

當我們優(yōu)化蝕刻工藝后，如工藝條件（B），添加一步光刻膠硬化步驟，當光刻膠硬化后，在蝕刻過程中，光刻膠的蝕刻速率會增加。在第二步無定形碳蝕刻過程中也會蝕刻光刻膠，在總的無定形碳蝕刻時間不改變的情況下，當我們增加一步光刻膠硬化步驟后，無定形碳步驟中對光刻膠的有效蝕刻時間會增加，這也會減少產(chǎn)生有機副產(chǎn)物的幾率。在蝕刻無定形碳的過程中加入少量的CF4蝕刻氣體（1%~5%）后，CF4蝕刻氣體在離子電漿的作用下電離產(chǎn)生CFx+離子，CFx+離子與上述無定型碳蝕刻過程中所形成的非揮發(fā)性有機副產(chǎn)物結(jié)合形成揮發(fā)性的COxFy，這些揮發(fā)性物質(zhì)隨著蝕刻的進行會在低壓的作用下被抽走。如圖2工藝條件（B）所示，在蝕刻完成后會形成側(cè)壁光滑的表面。

從工藝條件（C）和工藝條件（D）的結(jié)果看，當我們減少無定型碳的蝕刻時間，即使增加第三步干法蝕刻有機副產(chǎn)物的時間，側(cè)壁的有機副產(chǎn)物也不會減少。因此，無定形碳蝕刻步驟工藝對側(cè)壁產(chǎn)生的有機副產(chǎn)物起決定性作用。

關(guān)于新工藝條件（B）中添加一步各向同性干法蝕刻去除無定形碳過程中形成的有機副產(chǎn)物，我們給出的反應(yīng)機理如下：我們認為CF4反應(yīng)氣體起到重要作用，是CF4蝕刻氣體電離產(chǎn)生CFx+離子，與水平表面鈍化層SiOxFy反應(yīng)生成揮發(fā)性的COxFy或SOxFy，并參與對無定形碳硬掩模層的（氧化硅或氮化硅）水平表面的轟擊過程，進而去除氧化硅或氮化硅表面的氧化層或鈍化層，從而一并去除表面形成的有機副產(chǎn)物。 從實驗工藝條件（B）、（C）、（D）的實驗結(jié)果都能看出，再添加一步各向異性干法蝕刻去除有機副產(chǎn)物的步驟，掃描電鏡的表征樣品表面都沒有發(fā)現(xiàn)像舊的工藝條件（A）表面的一些有機副產(chǎn)物。

因此，要去除側(cè)壁的有機副產(chǎn)物行之有效的方法是改變無定形碳蝕刻步驟工藝。要去除表面的有機副產(chǎn)物行之有效的方法是調(diào)節(jié)第三步干法各向同性蝕刻有機副產(chǎn)物步驟工藝。

4 總結(jié)

本文提出一套新的無定型碳犧牲層蝕刻工藝，并將此工藝應(yīng)用于MEMS和Sensor工藝中。討論并給出了無定形碳蝕刻過程中形成的有機副產(chǎn)物反應(yīng)機制。在無定形碳蝕刻工藝中添加低濃度的CF4蝕刻氣體（1%~5%），有助于去除在蝕刻過程中側(cè)壁形成的有機副產(chǎn)物。在無定形碳蝕刻工藝前添加一步光刻膠硬化步驟，和在無定形碳蝕刻工藝后添加一步有機副產(chǎn)物各向異性蝕刻步驟，有助于去除表面產(chǎn)生的有機副產(chǎn)物。把新的工藝條件應(yīng)用在MEMS/ Sensor工藝中，能與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝很好地匹配，有望達成工業(yè)生產(chǎn)級目標。

致謝

感謝中芯國際集成電路制造（上海）有限公司3D&IC技術(shù)研發(fā)中心提供資源與信息技術(shù)支持。

[1] Josep Montanyà i Silvestre, Juan José Valle Fraga, Laura Barrachina Saralegui, Daniel Fernández Martínez. MEMS Device and Sensors [C]. Standard CMOS Process Transducers. Barcelona, SPAIN, 2013, 714-717.

[2] T Fujimori, H Takano, S Machida, Y Goto. Tiny（0.72 mm2）Pressure Sensor Integrating MEMS and CMOS LSI With Back-End-of Line [C]. MEMS Platform Transducers. Denver, CO, USA, 2009, 1924-1927.

[3] Kim Jong Kyu, Cho Sung Il, Kim, Nam Gun, Jhon Myung S, Min Kyung Suk, Kim Chan Kyu, Yeom Geun Young. Study on the etching characteristics of amorphous carbon layer in oxygen plasma with carbonyl sulf i de [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2013, 31（2）: 021301- 021307.

[4] Hong J, Jeon J S, Kim Y B, Min G J, Ahn T H. Novel technique to enhance etch selectivity of carbon antiref l ective coating over photoresist based on O2/CHF3/ Ar gas chemistry [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2001, 19（4）: 1379 -1383.

更 正

2014年3月刊（第14卷第3期）《基于PCB差分功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計》（作者王勝源、徐利兵、彭艷）一文中有一處錯誤，經(jīng)作者確認，現(xiàn)更正如下：

第27頁右欄，圖8上圖縱坐標“dB(S(2,1))”應(yīng)為“dB(S(1,1))”。

由于我們的工作疏漏給大家造成不便，敬請諒解。

《電子與封裝》編輯部

The Application and the Research on the Process of Amorphous Carbon Dry Etch in MEMS/Sensor

FU Guangcai, NI Liang, WANG Xinxue
（Semiconductor Manufacturing International（Shanghai）Corp., 3D&IC Technology Research&Development,Shanghai201203,China）

A new amorphous carbon（A-C）dry etching process is developed and applied in the fabrication of MEMS and sensor in order to achieve more eff i cient release for sacrif i cial layer. With the new process, it can solve the polymer remaining issue during the amorphous carbon dry etching process. By adding a small amount of CF4gas（1%~5%）, it can help to remove the polymer residue on the sidewall. An extra PR harden step will be added before the A-C main etching, and then an anisotropic polymer dry etching step will be followed to remove the surface polymer residue. The mechanism of polymer formation during the amorphous carbon dry etching process is illustrated and discussed in details in the paper.

amorphous carbon dry etch; MEMS; senor; polymer remove

TN305

A

1681-1070（2014）09-0040-04

伏廣才（1979—），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要研究方向為探索新型MEMS和Sensor器件的新工藝及其應(yīng)用的新方向。

2014-06-09