李丹丹，梁 庭，李賽男，姚 宗，熊繼軍

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

0 引 言

感應耦合等離子體(inductive coupled plasma，ICP)［1，2］對半導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。在大規(guī)模集成電路制造中，常用的反應離子刻蝕(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［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作用的結合，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，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，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壁的氣體，一般選擇C4F8，反應如下

其中，(CF2)n為聚合物，可以起到保護側壁的作用。

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，刻蝕結構大小為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 刻蝕結構示意圖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)預沉積，反應氣體為C4F8，時間為1 s;

2)沉積，反應氣體為C4F8，時間為2 s;

3)刻蝕沉積保護層，反應氣體為SF6，時間為1.5 s;

4)硅刻蝕，反應氣體為SF6，時間為3.2 s;

5)重復上述工藝，總時間為40 min 左右。

3 刻蝕結果與分析

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，但是側壁光滑，硅杯底部平整，金屬鋁掩模下的側壁底部出現(xiàn)了長草現(xiàn)象。

實驗結果研究表明: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，反應氣體會與金屬掩模反應，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，容易產生污染，對設備造成損壞，影響設備功能。

4 結 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，發(fā)生濺射，反應物濺射到深槽底部形成刻蝕過程中的微掩模，造成深硅刻蝕側壁的長草現(xiàn)象。

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