ICP 深硅刻蝕工藝掩模的研究*

李丹丹，梁 庭，李賽男，姚 宗，熊繼軍

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

感應(yīng)耦合等離子體(inductive coupled plasma，ICP)［1，2］對半導(dǎo)體材料的刻蝕工藝是超大規(guī)模集成電路(very large scale integration，VLSI)［3］、特大規(guī)模集成電路(ultra large scale integration，ULSI)［4］及新興微機電系統(tǒng)(micro-electromechanical system，MEMS)［5］加工中的一項重要技術(shù)。在大規(guī)模集成電路制造中，常用的反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching，RIE)［6］對 于 加 工200 mm 以 上 直 徑 的 芯 片 和0.25 μm的線寬及孔洞其能力已達到極限，低氣壓高密度等離子體刻蝕［7］設(shè)備的出現(xiàn)解決了這一問題，實現(xiàn)了低損傷和高刻蝕速率。ICP 深硅刻蝕技術(shù)［8～10］是一種高密度等離子體的刻蝕，刻蝕過程是物理作用和化學(xué)作用的結(jié)合，具有精度高、大面積刻蝕均勻性好、刻蝕損傷小、污染少、刻蝕垂直度好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點［11］。ICP 深硅刻蝕技術(shù)這些優(yōu)點，使之成為高深寬比硅槽的有效加工手段。Chen Q 和Larsen K P 等人已經(jīng)使用ICP 加工各項同性的形貌［12，13］。

本文以ICP 刻蝕為基礎(chǔ)，分別討論了金屬掩模材料和光刻膠掩模材料對深硅刻蝕表面形貌、刻蝕選擇比和刻蝕速率的影響。

1 ICP 刻蝕原理

硅刻蝕是體加工中重要的一步，在硅表面光刻圖形后，通過刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下邊的層上。通常硅刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕，ICP 屬于干法刻蝕，其刻蝕系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 ICP 刻蝕系統(tǒng)示意圖Fig 1 Diagram of ICP etching system

硅的干法刻蝕一般有幾種方式，因為SiF4，SiCl4，SiBr4都是易氣化的物質(zhì)，所以，一般采用F，Cl，Br 基作為刻蝕氣體，本文選用F 基作為實驗例子，ICP 干法刻蝕過程如圖2。

F 基最常用的氣體是SF6，因為最多可以電離出6 個F離子(自由基)，SF6與Si 的反應(yīng)如下

如果想得到較為垂直的刻蝕形貌，一般需要加入一些物理作用或者在刻蝕的同時加入一些保護側(cè)壁的氣體，一般選擇C4F8，反應(yīng)如下

其中，(CF2)n為聚合物，可以起到保護側(cè)壁的作用。

再次進行刻蝕步驟，離子轟擊去除碳氟化合物沉積物，反應(yīng)如下

圖2 ICP 干法刻蝕過程Fig 2 Dry etching process of ICP

2 ICP 刻蝕實驗

本實驗使用的是北方微電子公司的DSE200 系列深硅等離子刻蝕機，分別采用金屬鋁和光刻膠AZ4620 作為刻蝕掩模，研究不同的掩模材料對深硅刻蝕的影響。對同樣的圖形進行硅的深刻蝕，刻蝕結(jié)構(gòu)大小為1 050 μm×1050μm，深度為400 μm，如圖3 所示。

首先選擇2 片同樣的4in(1in=2.54 cm)N 型硅片，使用3 號液(H2SO4︰H2O2=3︰1)清洗干凈，然后分別進行實驗，工藝流程如圖4。

圖3 刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3 Diagram of etching structure

圖4 不同掩模工藝流程Fig 4 Different masking process

圖4 (a)使用光刻膠AZ4620 做掩模，光刻后如圖5(a)所示，再分別經(jīng)過前烘，曝光，后烘，形成圖形。圖4(b)利用金屬鋁做掩模，通過電子束蒸發(fā)在硅片上濺射2μm 的金屬鋁，光刻后如圖5(b)所示，然后使用濃硝酸腐蝕金屬鋁，形成圖形，用丙酮去膠，形成最終圖形。

圖5 光刻后示意圖Fig 5 Diagram after photolithography

然后，對兩種硅片在同條件下進行深硅刻蝕，設(shè)定腔室壓強為7 mTorr，源功率為1 000 W，射頻電極功率為300 W，SF6流量為100 mL/min，C4F8流量為20 mL/min，刻蝕過程如下:

1)預(yù)沉積，反應(yīng)氣體為C4F8，時間為1 s;

2)沉積，反應(yīng)氣體為C4F8，時間為2 s;

3)刻蝕沉積保護層，反應(yīng)氣體為SF6，時間為1.5 s;

4)硅刻蝕，反應(yīng)氣體為SF6，時間為3.2 s;

5)重復(fù)上述工藝，總時間為40 min 左右。

3 刻蝕結(jié)果與分析

對兩種掩模材料下的深硅刻蝕槽進行三維掃描，形貌如圖6、圖7 所示。

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)掃描下的刻蝕形貌如圖8 所示。

圖6 刻蝕硅杯槽底三維掃描圖Fig 6 3D scanning figure of etching silicon groove bottom

圖7 硅杯槽底俯視圖Fig 7 Top view of silicon groove bottom

圖8 深硅刻蝕SEM 示意圖Fig 8 SEM of deep silicon etching

同樣圖形的深硅刻蝕中，光刻膠掩模和金屬鋁掩模下的總刻蝕時間分別為40，42 min，刻蝕速率分別為9.84，9.52 μm/min，光刻膠掩模下的刻蝕速率比金屬鋁掩模稍快，刻蝕垂直度分別為92.3°，91.8°，刻蝕選擇比分別為60.45，400。從SEM 圖中可以清晰地看出，光刻膠作為刻蝕掩模時，刻蝕角度雖然沒有金屬鋁作掩模時陡直，但是側(cè)壁光滑，硅杯底部平整，金屬鋁掩模下的側(cè)壁底部出現(xiàn)了長草現(xiàn)象。

實驗結(jié)果研究表明:使用光刻膠做掩模，雖然刻蝕選擇比較低，但是刻蝕過程中無濺射，硅杯的側(cè)壁與底部無污染，平整光滑;使用金屬做掩模，在刻蝕過程中，反應(yīng)氣體會與金屬掩模反應(yīng)，發(fā)生迸濺，形成金屬微掩模，所以，造成硅杯的底部出現(xiàn)長草現(xiàn)象，并且在深硅刻蝕過程中，容易產(chǎn)生污染，對設(shè)備造成損壞，影響設(shè)備功能。

4 結(jié) 論

深硅刻蝕對刻蝕條件有較高的要求，除了需要滿足一定的刻蝕速率和較高的選擇比之外，還對刻蝕形貌有嚴格的控制，刻蝕時使用的掩模對刻蝕速率、垂直度、選擇刻蝕比都有一定的影響。實驗結(jié)果表明:光刻膠作為掩模，刻蝕速率、垂直度與金屬鋁相當，但是刻蝕選擇比要比金屬鋁小很多。同時，由于金屬鋁作為掩模時，會與刻蝕氣體反應(yīng)，發(fā)生濺射，反應(yīng)物濺射到深槽底部形成刻蝕過程中的微掩模，造成深硅刻蝕側(cè)壁的長草現(xiàn)象。

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