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1、第l期 红 外月 刊 半导体工艺 中的新型刻蚀技 术 IC P 王晨飞 (中国科学院上海技术物理研究所 , 上海 , 200 08 3) 摘要本文详细介绍了 电导祸合 等 离子体(Ie p 一 I nd u etive e o u pledP la sm a )刻蚀 技术的基本原理及 相关工艺设备机构 . 根据近年来国内外ICP技术 的发展 现状和发 展趋势 , 对其在光 电子 器件 、 半导体 氧化物 、 m 一 v 族化 合物等方面的应用作了一些 简要介绍 . 关镇词 ICP 等离子体 蚀刻 1 引言 离 子束刻蚀是利用离子束轰击固体 表面的 溅射现象 , 对图形进行剥离加工 的一种微细加
2、 工 工艺 . 1965 年 , B ro ers 刻出T o . 25拼m 的金 铂线条 , 首次显示了这种工 艺 的超精细 加工能 力 . 2 0世纪7 0年代 , 随 着固体器件 向亚 微米 级 线宽方向发展 , 这 种工 艺 引起 了人们的高 度 重视 , 被广泛用在 超 大规 模 集成 电路 、 动压气 浮轴承 、 声 表面波器件 、 磁 泡存 储器 、 集成 光 路 、 电荷 藕合器件 、 计量 光栅 、 高频压电晶体器 件 、 热电探测 器以及透射 电子显微镜准备的样 品等各领 域 . 离子束刻 蚀和其他腐蚀工艺相比 , 具 有以 下特点 : (l )具有超精细加工能力 ; (2
3、) 对任何 材料均 可腐蚀 ; (3 )可以控制蚀刻图 形的侧壁倾角 ; (4)对抗蚀剂 图形缺陷 (渣滓 、 粘附 、 条纹) 不敏 感 ; (5)具有很好的重复 性及一致性 ; (6)衬底浸演在 等离子体中 , 工作温度低 、 气压低 ; (7) 离子束能量与气压无关 . 在很宽 的范围 内 , 电流密 度与气压 、 电压无关 ; 美国生产刻 蚀机 的主要 厂商 LAM 和 AM公 司在 2 0世纪8 0年代末开始进 行I C P 的研究工 作 , 并在2 0世纪o o年代初 先后推出了高密度 电 导祸合 等离子体刻蚀机 ( I CP 或TCP ) . 其基本工 作原理 就是 利用 绕在细
4、玻璃管上的螺旋状线圈 通以射频 电流来引发放电从而产生等离子 体 . 它很 早便被 应用于聚合膜的制 备及 垂直层流灰 化等加工处理中 . 由于利用电导韧合型放 电很 容易获得 低压力 、 高密度 、 大口径等 离子体 , 故 ICP又受到了更多关注 . 按射频天线形状 , 最近 开发的I C P 可分为 圆筒型螺旋天线 I CP 、 平面 型螺旋线圈ICP(它们的 特点是线圈均设置在等 离子体真空室外面) 以及插入式线圈I CP ( 其特 点是天线线圈插进 等离 子 体 内部)三类 . 除此 之外 , 还有一种是 在圆筒型螺旋 线圈外侧放置 一接地的 圆筒型导体构 成共振器的 螺旋 共振器
5、ICP(基本上与圆筒型螺旋天线 I CP 同类型) . Z lcP 刻蚀技术 2 . 1 刻 蚀技 术 介绍 通常 , 刻蚀技术分为湿 法刻 蚀 和 干法刻蚀 两种 . 湿法 刻蚀是通过使化 学溶液与被 刻蚀材 料产生化学反 应而去 除被 刻 蚀物质 的方法 . 湿 法刻 蚀的特点是各向同性 , 会 有侧 向腐蚀而产 收稿B期 : 200 4一1 1一5 作者简介 : 王晨飞(197 6 一 ) , 男 , 天津人 , 现 为中国科学院上海技术物理研究所 助理研究员 , 主要从事Mc T焦平 面探测器工艺研究 . IN FR RED (Mo N TH贾) / J N 20 05 红 外月刊 2
6、0 05年 生钻蚀现象 (u nd e rc u t) , 从而导致线宽失真 . 特 别是微细线条的光 刻更 为困难 . 因而 在微细 加 工中 , 湿法 刻 蚀已逐渐被干法刻 蚀 所 替代 . 干 法 刻蚀是利用辉光放电的方 式产生包 含有正 、 负离子 、 电子 、 高度化学 活性 的 中性原子及自 由基 在内的等离子体 , 从而去 除衬底材料上需 刻蚀 的部 分的 . 随着IC进入 深亚微米时代 , 线条变得越 来 越细 . 一些工艺 结构 , 如深槽回填平 坦 化 、 侧 墙 自对准隔离 等工 艺的应用 , 已使图形转 移的 概念 超 出了光刻工艺的范畴 , 可以直接通过薄 膜 淀积和
7、等离 子刻 蚀的结合来完成上述工艺 . 另一方面 , MO S技术的发展及MEMS和光波 导等技术的需求 , 对氮化硅 、 氧化硅 、 多 晶 、 金 属层 、 1 1 1 一 v 族 半导体和合 金等不同物理材 料 的刻 蚀 提出了更 高 的要求 . 另外 , 虽 然等离 子 刻蚀技术已成为当今半导体工业 中使用频 率最 高的工艺 , 但由于等离子刻蚀技 术本身涉及物 理 、 化学 、 机械和自动控制等多学科 , 而 且刻 蚀的工 艺结果又与工艺气体的种类 、 流量 、 配 比 、 反应压力 、 功率 密度和设备 结构等诸多因 素有 关 , 因此 , 可以说 等离 子刻蚀技术是 微 电 子工
8、艺中最复杂 的工艺 . 也正 是 基于以上两 个 原因 , 各设备生产厂家都在 针对不同的刻蚀对 象 , 研究生产不 同的等离子刻蚀 系统 , 如S urf a ce T e chno lo盯Sy ste m sP LC (STS) 公司 除传统的砒E 刻蚀系统外 , 还制造了I C P 系统 , 又在I CP系统 的基 础上制造出了用于高 深宽比硅刻蚀的 ASE 系统 、 用于 5 1 0 2 刻 蚀的AOE系统和用于m 一 v 族刻蚀的ICP系统 . 本文从干 法 刻蚀的基 本原 理 出发 , 阐述干法刻 蚀技术在硅 、 二氧 化硅 、 抓化硅 、 金 属 、 金 属化 合物 、 m 一
9、v 族化合物等 各种材质上 的应 用 . 干 法 刻 蚀又可分为 物 理 性刻蚀与化学性 刻蚀 . 物理性 刻蚀 是利用辉光 放电将气体如氢 (A r) 解 离成 带正电的离 子 , 再 利用偏压将离子 加速 , 使其轰击在被 刻蚀 物 表面 上 , 将被刻 蚀 物质原子击出 . 此 过程完全是物理上的 能量 转 移 , 故谓之物理性刻蚀 . 其特色在于有很好 的方 向性 , 并可 获得接 近垂直 的刻 蚀轮廓 . 但 由于 离子是全面均匀地溅射在晶片上 的 , 光 刻胶与 欲刻蚀 材料两者会同时 被刻蚀 , 因而刻 蚀选择 性偏 低 . 而 且被击出 的物 质并 非挥发性物质 , 这些物质容
10、易再沉积在 被刻蚀薄膜表面及侧壁 上 . 因此 , 以完全物 理 方式 的干刻 蚀方法 , 在 超大规模集成 电路(v Ls l )制造过 程中很少被使 用 . 而化学性刻蚀 , 或 称等离子刻蚀 , 是利用 等 离子将刻蚀气体解离产生带电离子 、 分子 、 电 子 及反应性很强 的 原子团的 . 此原子团扩散到 被 刻蚀薄膜表面 , 与被刻 蚀薄膜 表面原子反 应 形 成具 有挥发性的 生成物 , 并被 真空设备抽离 反应腔 . 由于此反应完全利用化学反应完成 , 故称为化学性刻蚀 . 此刻蚀方式与前面所述 的 湿 法刻 蚀类 似 , 只是反应物 的状态从液态变成 了气态 , 且以等 离 子
11、来促进反应速度 . 所以化 学性干 法刻蚀有 与湿法 刻蚀类似的优缺点 , 对 掩膜 、 基底有较高 的选择比 , 且也有各向同性 刻蚀现象 , 所以在半导体制程中 , 纯化学刻蚀 通常在 刻蚀不需 图形转换的 步骤中应 用 , 如用 于光刻胶 的去除 . 使 用最广泛 的方法 是结 合物理性的离子轰 击 与化学反 应 的刻蚀 . 此 法兼具各向异性 与高 刻蚀选 择比的 双重 优 点 , 刻蚀主要 由化学反应 来完成 , 这样 可以获得高 选 择比 . 加入离子轰 击的作用是 : 将 被刻 蚀材质表 面 的原子键 结破 坏 , 以加速反应速 度 ; 将再沉积于被刻 蚀表面的 产物或聚合物 打
12、掉 , 以便 使被 刻蚀表面能 再与 刻蚀气体接触 . 而各向异性刻蚀的形成靠 再沉 积的产物或聚合物 , 沉积在刻蚀 图形 上 , 在表面 的沉积物可被 离子打 掉 , 刻蚀可继续 进行 , 而侧 壁上 的沉积物因未受离子轰 击而被保留下来 , 这样便 可阻隔刻 蚀表面与反应气体的接触 , 使 侧壁 不受刻蚀而实现各向异性刻蚀 . 常用的刻蚀设备有反应离子刻蚀机(I U E) 、 磁场强化反应离 子刻蚀 机(MEI U E) 、 电子回旋 共 振式等离 子 刻蚀 机(ECR )和电导祸 合等离子 刻 蚀机 (ICp) . 2 . 2IC P 的设 备结构 图 1 所示为电导辆 合等 离子刻蚀
13、机(I C P) 的构 造 . IN F R RE o (Mo NT HL Y )/ J A N2005 第 1 期红 外月 刊 气体入口 陶瓷工艺腔 工艺高度 晶圈/样品 一 业s c 兼容阴断阀 沮控管(下电极密封) (背面加压) 图 1 电导报合 等离子刻蚀机( l CP ) 的构造 在反应 器上方 有一介电层窗 , 其上方有螺 旋缠绕 的线圈 , 等 离子体就是 由该感应线圈在 介电层窗下产 生 的 . 此等 离子 产生的 位置 距 离 晶片只有几个平均自由路径 , 故只有少量的等 离子体密度损 失 , 因而可获得 高密度等 离子体 . 2 .3 ICP 刻蚀的基本 机 理 ICP 刻
14、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 主要包 括两 部分 : 其 一是刻蚀气 体通 过 电感辆合的方 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 学反应具有明显的辅助作用 , 它可以起到打断 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
15、残留物等重要作用 . 对于刻 蚀 过 程中 的三个阶段 : (l )刻蚀物质的吸附 、 (2)挥发性产 物 的 形成和( 3) 产 物的脱附 , 离 子 的轰 击都有 重 要影 响 . 在不同情况下(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 . 例如 , 含氟的等离子体 在硅表面形成 的s i Fx 基与元素s i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
16、的结果 ; 二是损 伤诱 导 化学反应 . 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 . 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 , 并以碳氟聚合 物气 体(例如C 4 F S ) 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(Z n m 、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 . 2 . 4 ICP 刻 蚀参 数对刻蚀结果的影响 目前在半导体工艺 、 微机械 (MEMs ) 、 光 波导制造等领域中常见的刻 蚀工 艺有硅刻蚀 、 二氧化硅刻 蚀 、 氮 化硅刻蚀 、 金 属和合金刻蚀
