硅的反應(yīng)離子刻蝕實(shí)驗(yàn)研究

彭明發(fā)，何小蝶，吳海華

(蘇州大學(xué) a.功能納米與軟物質(zhì)研究院;b.納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

硅的反應(yīng)離子刻蝕實(shí)驗(yàn)研究

彭明發(fā)a，b，何小蝶a，b，吳海華a，b

(蘇州大學(xué) a.功能納米與軟物質(zhì)研究院;b.納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

反應(yīng)離子刻蝕；硅；刻蝕速率；選擇比；均勻性

硅(Si)是一種物理和化學(xué)性能都非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，隨著科技的發(fā)展，硅材料在半導(dǎo)體科技中的作用越來越重要[1]。而硅刻蝕在微納米加工技術(shù)中是處于光刻之后的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，可將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到功能材料表面。而在各種半導(dǎo)體功能材料表面形成微納米圖形結(jié)構(gòu)的技術(shù)即是刻蝕技術(shù)[2-3]。

目前，刻蝕的方法包含濕化學(xué)法刻蝕、等離子體干法刻蝕及其他物理和化學(xué)刻蝕技術(shù)。由于干法刻蝕具有各向異性的優(yōu)點(diǎn)，且容易實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形的轉(zhuǎn)移，因此，在微納米半導(dǎo)體工藝技術(shù)中已經(jīng)取代濕法刻蝕成為最主要的刻蝕技術(shù)[4-5]。反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching, RIE)是一種物理和化學(xué)作用相結(jié)合的干法刻蝕方法[6-8]。因?yàn)榫哂休^高的刻蝕速度，大的選擇比和良好的方向性等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，使其在硅刻蝕技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。

1 硅的反應(yīng)離子刻蝕原理

RIE是在一定壓力下，刻蝕氣體在高頻電場的作用下，使氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，對被刻蝕物進(jìn)行離子轟擊和化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性氣體形成刻蝕的一種刻蝕方法。

圖1 反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備簡圖

圖1是反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備簡圖，上電極(陽極)接地，下電極(陰極)接射頻電源，射頻電源的頻率為13.56 MHz。要刻蝕的硅片放在下電極上，通入反應(yīng)腔室中的氣體在高頻電場的作用下輝光放電，產(chǎn)生等離子體。等離子體中包含有離子、電子及游離的自由基。在電場的作用下，電子被加速，與氣體分子或原子進(jìn)行碰撞，當(dāng)電子能量大到一定程度時(shí)，碰撞變成非彈性碰撞，產(chǎn)生二次電子，它們又進(jìn)一步與氣體分子碰撞，不斷使氣體分子電離。由于非彈性碰撞產(chǎn)生的等離子體具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，可與被刻蝕物質(zhì)表面起化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，從而達(dá)到刻蝕的目的。同時(shí)，高能離子在電場作用下對樣品表面進(jìn)行物理轟擊，使得反應(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性。

反應(yīng)離子刻蝕硅通常使用帶氟或者帶氯的活性基團(tuán)的氣體，如SF6、CHF3、CF4等。本實(shí)驗(yàn)采用SF6和O2對硅進(jìn)行刻蝕，其中O2作為稀釋性氣體，容易實(shí)現(xiàn)反應(yīng)氣體輝光放電，產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，能更好地調(diào)節(jié)刻蝕的選擇性，實(shí)現(xiàn)對硅的各向異性刻蝕。當(dāng)反應(yīng)腔室中通入SF6時(shí)，輝光放電發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：SF6——SF5++ F*(自由基) + e-；生成的F*自由基到達(dá)Si表面時(shí)，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：Si+ F*——SiF4，其中，SiF4為揮發(fā)性氣體，可以被泵抽走，從而實(shí)現(xiàn)對硅的反應(yīng)離子刻蝕。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)中所用的反應(yīng)離子刻蝕機(jī)為英國Oxford公司生產(chǎn)的Plasmalab 80plus RIE。為了實(shí)現(xiàn)對硅的各向異性刻蝕，本實(shí)驗(yàn)使用了SF6和O2兩種工藝氣體，反應(yīng)壓力為275 m(torr)(1 torr=133.322Pa)，通過油冷和水冷體系控制反應(yīng)腔體的溫度為20 ℃，基片底部以5 Torr的He氣冷卻硅片。通過調(diào)節(jié)射頻功率及反應(yīng)氣體的流量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對硅刻蝕的影響，并優(yōu)化了刻蝕條件，得出刻蝕速率、對氧化物的選擇比及均勻性等關(guān)鍵性刻蝕參數(shù)。

2.1 射頻功率對刻蝕的影響

在保持反應(yīng)壓力為275 m(torr)，SF6與O2的流量恒定在24 cm3/s和4 cm3/s時(shí)，在刻蝕相同時(shí)間5 min后，發(fā)現(xiàn)隨著射頻功率的增大，對硅的刻蝕速率增加。當(dāng)射頻功率為120 W時(shí)，對硅的刻蝕速率為752 nm/min，對氧化物的選擇比為35.2；當(dāng)射頻功率增加到125 W時(shí)，對硅的刻蝕速率為1 020 nm/min，對氧化物的選擇比卻降低為29.6。通過刻蝕實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，隨著射頻功率的增加，對硅的刻蝕速率會增大，但對氧化物的選擇比卻會降低。接下來，我們需要找到一個(gè)較好的刻蝕參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對刻蝕速率、對氧化物的選擇比及均勻性等參數(shù)的最優(yōu)化條件。

2.2 反應(yīng)氣體流量對刻蝕工藝的影響

在保持反應(yīng)壓力為275 m(torr)，射頻功率為120 W時(shí)，在刻蝕相同時(shí)間5 min后，通過改變反應(yīng)氣體的流量來研究對硅刻蝕工藝的影響。工藝參數(shù)的更改是在保證刻蝕各向異性的前提下進(jìn)行的，并且刻蝕結(jié)果在掃描電鏡中能觀察到較好的坡面圖。當(dāng)SF6與O2的流量為24 cm3/s和4 cm3/s時(shí)，刻蝕速率為752 nm/min，對氧化物的選擇比為29.6；當(dāng)SF6與O2的比例不變，流量為36 cm3/s和6 cm3/s時(shí)，刻蝕速率為1 036 nm/min，對氧化物的選擇比為56.6。通過對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在保持SF6與O2比例在6∶1不變的情況下，增加兩種氣體的流量，對硅的刻蝕速率增加，同時(shí)，對氧化物的選擇比也有較大的增加。

2.3 優(yōu)化刻蝕工藝條件

通過一系列刻蝕實(shí)驗(yàn)，探索出了Oxford公司生產(chǎn)的Plasmalab 80plus RIE對硅刻蝕的最佳工藝條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)定反應(yīng)壓力為275 mTorr的條件下，射頻功率為120 W，SF6與O2的流量為36 cm3/s和6 cm3/s，是本實(shí)驗(yàn)的最佳刻蝕工藝參數(shù)。在該工藝條件下，得出硅的刻蝕速率、對氧化物的選擇比及刻蝕的均勻性等關(guān)鍵性刻蝕指標(biāo)的結(jié)果，如表1所示。

表1 對硅的刻蝕最優(yōu)化刻蝕工藝條件

其中，硅的刻蝕速度(etch rate)定義為掃描電鏡觀察的對硅的刻蝕深度與刻蝕時(shí)間的比值(etch rate=etch depth/time)；對氧化物的選擇比(selectivity)定義為在相同刻蝕時(shí)間內(nèi)對硅的刻蝕深度與對氧化物的刻蝕深度的比值；均勻性(uniformity)定義為最大刻蝕深度與最小刻蝕深度的差值比上刻蝕深度平均值的2倍。計(jì)算公式可以表示為：uniformity=[max(etched Si)-min(etched Si) ]/2/Ave(etch Si)。

3 結(jié)束語

通過不斷探索改變刻蝕實(shí)驗(yàn)中射頻功率、反應(yīng)氣體的流量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用Oxford公司生產(chǎn)的Plasmalab80plusRIE反應(yīng)離子刻蝕機(jī)對硅的刻蝕工藝進(jìn)行了研究。并優(yōu)化了硅的刻蝕過程中的工藝參數(shù)，得出該工藝條件下對硅的刻蝕速率、對氧化物的選擇比、均勻性等刻蝕參數(shù)。通過反應(yīng)離子刻蝕，能較好地實(shí)現(xiàn)硅的各向異性刻蝕，為硅材料刻蝕技術(shù)在半導(dǎo)體工藝中的應(yīng)用做了一定的實(shí)驗(yàn)探索。

[1]馬春.世界半導(dǎo)體硅材料發(fā)展現(xiàn)狀[J].上海有色金屬,2005,26(3):145-148.

[2]溫梁,汪家友,劉道廣,等.MEMS器件制造工藝中的高深寬比硅干法刻蝕技術(shù)[J].微納電子技術(shù),2004(6):30-34.

[3]陳瑜,吳俊徐,郭平生,等.一種用于硅基MEMS加工的深刻蝕技術(shù)[J].微細(xì)加工技術(shù),2005(4):37-41.

[4]羅毅,邵嘉平,郭文平,等.氮化鎵基高亮度發(fā)光二極管材料外延和干法刻蝕技術(shù)[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2004(14):381-385.

[5]柴常春,楊銀堂,朱作云,等.碳化硅(SiC)器件制造工藝中的干法刻蝕技術(shù)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,25(5):659-663.

[6]葛益嫻,王鳴,戎華.硅的反應(yīng)離子刻蝕工藝參數(shù)研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版,2006,6(3):79-82.

[7]茍君,吳志明,太惠玲,等.氮化硅的反應(yīng)離子刻蝕研究[J].電子器件,2009,32(5):864-870.

[8]來五星,廖廣蘭,史鐵林.反應(yīng)離子刻蝕加工工藝技術(shù)的研究[J].半導(dǎo)體技術(shù),2006,31(6):414-417.

[9]董璐,方華斌,劉景全,等.壓電型微懸臂梁制備中RIE刻蝕硅工藝的研究[J].微細(xì)加工技術(shù),2006,(5):47-54.

[10]杜文濤,曾志剛,胡志宇.氧化硅RIE刻蝕工藝研究[J].半導(dǎo)體光電,2014,35(1):57-60.

Experimental Research on the Reactive Ion Etching of Silicon

PENG Mingfa, HE Xiaodie, WU Haihua

(a.Institute of Functional Nano and Soft Materials; b.College of Nano Science and Technology, Soochow University, Suzhou 215123, China)

reactive ion etching; silicon; etching rate; selectivity; uniformity

2013-12-25；修改日期: 2014-02-12

彭明發(fā)(1983-)，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：納米材料，微納米加工技術(shù)。

TN305.7

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.009