第六讲 等离子体刻蚀 - 图文

干法体硅加工―― 深反应离子刻蚀技术

干法体硅加工的必要性：

高深宽比微结构是MEMS体系必不可少的特征之一，基于硅的优异机械特性和半导体工业的积累，硅被选择作为MEMS的主要结构材料，但是，湿法刻蚀难以实现任意形状的图形转移，复杂微结构的硅材料在高深宽比硅干法刻蚀获得进展之前是非常困难和有很多限制条件的，因此，人们在硅的深刻蚀加工方面倾注了大量的精力，因此也取得了长足进步，发展称为独具特色的专用加工设备，大有取代湿法刻蚀的趋势。 内容：

等离子体刻蚀技术 硅的刻蚀与高深宽比机制 应用

等离子体刻蚀技术

等离子体的形成

：

当一定量的化学气体进入一定压力的腔体，在上下电极加上高电压，产生电弧放电，生成大量的离子和自由电子，这种由部分离化的气体组成的气相物质被称为等离子体 对于气体分子AB，其等离子体中可能含有： A,B,A,B,AB,A,B,AB，e

其中激发态的粒子会自发放电，产生辉光，称为辉光放电现象。于是：

直流激发的辉光放电被称为直流辉光放电 射频电流激发的放电就称为射频放电

对于直流等离子体反应，其典型气压约在1mTorr，典型装置如下：

+

+

+

*

*

*

平板间距决定了激发电源的电压，大约是5厘米对应500V，10厘米对应1000V的水平

处于两极之间的等离子体，正电粒子向负极运动，电子向正极运动，电子更快。

离子最终撞击阴极将产生更多的二次电子，二次电子再向正极运动，并被极间电场加速，当能量足够高时，与腔室内的气体分子碰撞，又可以产生新的离子，如此反复，就可以维持腔室内一定区域的等离子状态。

研究表明：等离子体中绝大多数仍为气体分子，自由基和带电粒子只占很小部分，对于简单的直流放电等离子体，自由基约占1%，而离子更是只有大约0.01%

因此，一般等离子体刻蚀反应主要是由自由基去完成的

对于表面不导电的介质薄膜，直流辉光放电产生的等离子体电荷会积聚在绝缘层的表面，最终导致极间电场消失，等离子体也会耗尽。

为此，以交变的电压激发等离子体，使之交替驱动带电粒子轰击两个电极，当高频电压的频率大于10KHz（如13.56MHz），气体中的离子便跟不上电压的变化，而自由电子在电场作用下加速，获得能量。

等离子体中的电子不但与气体原子发生碰撞，气体被离子化，又产生更多的电子，并产生新的原子，分子和离子等，增大了等离子体密度；而且也会直接轰击电极表面，发生能量交换和反应，与具有一定能量和活性的原子、原子团、离子等基团一起，通过化学反应和物理轰击刻蚀电极上的材料，从而达到图形转移的效果，这就是等离子体刻蚀。

高密度等离子体

常规等离子体中有效的自由基和离子数量太少，许多时候希望它能够增大以改善工作能力，特别是刻蚀速率。

目前有三种方法提高等离子体中有效成份的含量，它们统称高密度等离子体技术：

电感偶合（ICP），磁控，电子回旋共振（ECR） 等离子体中有效成份主要来源于电子与气体的碰撞，那么，延长电子的寿命，增加碰撞几率便是首选之途

磁控可以以这样的原理增加电子的形成和密度：

一个电子被加速电压驱使离开阴极表面之后，磁场力使它作圆周运动，运动一段距离之后，它又回到了阴极（如果没有发生碰撞），如此，则电子密度大幅度增加，于是，碰撞几率增加，有效成份增加。

ECR也是类似的机制，只是他使用磁场加交变电场，可以在延长电子运动距离的同时增加其自身能量。

ICP则用交变的电流经由加在线圈上，产生磁场，稳定等离子体，增加有效成份。

等离子刻蚀的基本过程：

气体 离化成活性粒子 扩散并吸附到待刻蚀表面 表面扩散 与表面膜反应 产物解吸附 离开硅片表面并排除腔室

主要反应粒子：离子，原子团（自由基），电子，中性粒子，其中中性粒子流最大，但是离子引起的损伤最重。

高压等离子体刻蚀通常在500mTorr压力下工作，反应离子刻蚀通常在数十mTorr量级工作。

一个典型的机制可以看到刻蚀的基本过程：

带正电的离子在电场的作用下发挥清道夫的作用，不断清除正面的惰性附着物， 留出新鲜的表面供等离子体中化学活性的粒子吸附并反应。

而侧壁由于没有充分的离子轰击，聚合的钝化膜阻止了反应的进行，所以，各向异性得以实现。

干法刻蚀类型和特点

干法刻蚀一般有以下几种：等离子体刻蚀、离子束和溅射刻蚀、反应离子刻蚀和反应离子束刻蚀。 （a）等离子体刻蚀（Plasma Etching）

等离子体刻蚀是运用气体辉光放电中等离子体使气相物质离子化，以强化其与基片的化学反应，而达到刻蚀目的的一种技术。由于等离子体刻蚀一般无法控制活性基团作用于基片的方向，因而是各向同性的，将会引起严重的钻蚀。但是，这种刻蚀通过选择不同的气体和气体混合物可获得较大的选择比。 （b）离子刻蚀

离子刻蚀包括离子束刻蚀（IBE）和溅射刻蚀（SE）两种。它们都是利用具有一定动能的惰性气体（如氩气）的离子轰击基片表面而造成刻蚀的，因此基本上是一种物理过程。 溅射刻蚀（SE）各向异性好，刻蚀图形边缘整齐，有很高的分辨率，但是这种方法轰击离子具有较高能量，易造成样品的辐射损伤，特别对性能较敏感的结构，且刻蚀速率小，并且对不同材料缺少选择性。

离子束刻蚀（IBE）则是利用离子源产生具有一定动能的惰性气体的离子，轰击样品表面而造成刻蚀。离子束刻蚀速率主要取决于离子束入射角、离子能量、离子束流密度以及被刻蚀材料

[35]

[34]

。

（c）反应离子刻蚀（RIE）

在射频溅射刻蚀时，若用反应气体代替惰性气体，则称之为反应离子刻蚀，这种方法是离子轰击的物理效应和活性粒子的化学效应的结合，因而兼有前面两类刻蚀方法的优点，

不仅有高的刻蚀速率，而且可以有良好的方向性和选择比，能刻蚀精细图形。

反应离子刻蚀、溅射刻蚀和平板等离子体刻蚀的装臵基本上都是平行板电极系统。反应离子刻蚀与溅射刻蚀的主要区别在于：后者只是用惰性气体的离子束，而前者则是用活性气体。

（d）反应离子束刻蚀（RIBE）

利用从离子源发出的化学活性物质对基片表面进行轰击、反应，使基片刻蚀的方法。与IBE的区别是使用活性离子，而不是惰性气体离子。它具有可刻蚀亚微米结构能力，可控制侧壁倾角，减少反应室的玷污及腐蚀等优点，但也存在选择性差、器件寿命短、刻蚀速率低的问题。在新一代高密度等离子体源中，感应耦合等离子体技术（Inductively Coupled Plasma）和螺旋波等离子体（Helicon Plasma）最为引人注目，前者的工作原理是通过外加高频耦合射频电磁场，使电子和气体分子碰撞电离产生等离子体，该技术结合侧壁钝化工艺刻蚀硅，可获得高深宽比（>100）的硅微结构

[33]

。后者则具有异常高的等离子体密度，在等离子体中心区

电离效率几乎可达100%。

表1-4对各种等离子体刻蚀工艺在反应物种类、反应机理以及刻蚀效果等作了简单的比较

[43]

。

刻蚀方 等离子离子束 溅射刻反应离反应离法 体 刻蚀 刻蚀 蚀 子 子 刻蚀 束刻蚀 反应物游离基 非活性非活性活性离活性离种类 离子 离子 子 子 反应机化学反物理轰物理轰物理/化物理/理 应 击 小 击 小 学 中 化学 中 选择性 大 方向性 各向同各向异各向异各向异各向异性 损伤 性 性 性 性 较大 中（电子大（原子大（原子较大 的） 的） 的）

表1-4 各种等离子体刻蚀工艺的比较

（2）干法刻蚀工艺的基本要求

在集成电路、集成光路以及各种固体电子器件的加工中，对刻蚀工艺理想的要求是：

（a）能获得完整的精细图形。随着器件的高度集成化，

图形的线宽已进入亚微米级。

（b）为了保证获得精确的微细结构和轮廓，要求刻蚀

具有方向性，不允许有明显的钻蚀现象。

（c）对不同材料的刻蚀具有高选择比，这是形成微细图形必不可少的条件。

（d）刻蚀应能适用于各种不同的材料，并且需要有相当高的刻蚀速率。

（e）刻蚀必须均匀，且不应对器件引起损伤或产生任何缺陷和玷污。

反应离子刻蚀的机理

反应离子刻蚀时，不仅有等离子体促进的化学反应，而且还存在离子的轰击作用。所以，RIE是一个十分复杂的物理和化学的综合作用，迄今为止，对反应离子刻蚀的机理还没有比较完整和统一的解释。

如前所述，刻蚀过程包括刻蚀物质的吸附、挥发性产物的生成以及产物的脱附等几个阶段，而荷能离子的轰击有可能对上述某个阶段起加速作用。因此，在不同的情况下离子轰击对刻蚀的化学过程的加速机理可能有所不同，大体上有三种机理

[41]

可以用来解释离子轰击对刻蚀的增强作用。

第一种机理是“化学增强物理溅射”（Chemically enhanced physical sputtering），在含氟的等离子体中对

Si进行反应离子刻蚀时，在硅片表面生成的SiFx基，与元素Si相比，其键合能比较低，因而在离子轰击时具有较高的溅射率，所以刻蚀的加速是化学反应使物理溅射增强的结果。

第二种机理是“损伤诱导化学反应”（Damage-induced chemical reaction），离子轰击产生的晶格损伤可能会使基片表面与气体物质的反应速率增大。

第三种机理是“化学溅射”（Chemical sputtering）。这种过程被设想为：离子轰击引起一种化学反应，先形成弱束缚的分子，然后从表面脱附。

总之，反应离子刻蚀过程中，离子、中性粒子和被刻蚀基片之间的相互作用可以用以下几种机理进行解释： （1） 离子可以溅射掉吸附的反应产物；

（2）离子碰撞可引起晶格的损伤，它可以扩展到表面以下几个原子层，在这些点附近进行的反应具有较高的速率。 （3）低能离子的轰击可以使基片表面形成的聚合物阻挡层破坏，从而提高反应速率。在辉光放电中有些气体（如CHF3，CClF3等）或气体混合物（如CF4/H2等）会分解形成不饱和物质或聚合物。这些产物能在基片表面形成吸附层，阻挡刻蚀气体与样品表面作用，而低能离子的轰击可以破坏该阻挡层。同时，由于刻蚀的侧面较少甚至不受到离子轰击，因而聚合物阻挡层未被破坏，对刻蚀起了阻挡作用，使侧向

刻蚀大大减弱。

1.3.3 影响反应离子刻蚀的因素

对反应离子刻蚀工艺来说，其影响因素主要是气体成分、气体流量、气压和射频功率。此外，射频驱动电极的自偏压也是反应离子刻蚀的一个重要参数。对大多数刻蚀装臵而言，刻蚀工艺的其它影响因素如电极的几何形状和尺寸、气流的分布以及电源的频率都是固定不变的。 （1）气体成分

反应离子刻蚀加工中，气体成分是根据被刻蚀材料的性质决定的，选用原则是能提供有效刻蚀的活性粒子并获得刻蚀的方向性。除采用能与被刻材料发生化学反应生成挥发性产物的气体外，为了使化学反应过程提供更多刻蚀过程所需的活性粒子，往往还须添加一些附加气体。例如刻蚀Si和Si3N4材料时，须添加一定量的氧气，来提高刻蚀的速率。 刻蚀时有时也加入少量惰性气体如He、Ar或Xe等，其功用在于可以产生较高的总气压以增加散热速度，因为这类气体有较高热导率；可增加气流量，改善其分布，从而改善刻蚀的均匀性；可使刻蚀过程中物理溅射的分量加大，例如用Ar或Xe来溅射掉Al表面上的Cu或自然氧化膜。 （2）流量效应

在反应离子刻蚀系统中，刻蚀速率与反应气体的流量有明

显关系。

45Etching rate(nm/min)4035302520152030405060708090100110Flux of Oxygen(sccm)

通常随着流量的增加，刻蚀速率先是迅速上升，在达到最大值后，在较高的流量下，刻蚀速率反而略有下降。Chapman等

[42]

认为，这种流量效应可以解释为两种过程，即在低流量

情况下，刻蚀速率受活性物质供应的限制，而在高流量情况下则受到活性物质被抽走的限制。设S是刻蚀基片的面积（cm），F是气体的注入流量（sccm），R是刻蚀速率（nm/min），那么反应气体的利用因子M，可表示为

M= CSR/F

其中C是常数，由反应气体与被刻蚀材料的化学反应速率、系统结构和气流方式等因素决定。上式也可改写成另一种形式，即

R = MF/(CS)

如果M为一常数，则刻蚀速率R应与流量F成直线关系，实际情况并不如此。随着流量的增大，刻蚀速率逐渐偏离（低于）理想值，表明利用因子实际上是流量的函数，它随流量

2

增加而减小。这不难理解，因为在气压一定下，当流量增大时，抽出的气体的量必然增大，其中未及参与反应的气体的抽出量也随之增加，因而F减小。 （3）负载效应

当刻蚀速率主要受制于活性物质的供应时，刻蚀速率实际上是活性粒子密度的直接反映，并且取决于这些物质的消耗量，即取决于被刻蚀材料的总面积。当反应室内装臵的样品数量增加时，刻蚀速率下降，这种现象通常称为负载效应。在反应气体种类、注入流量、气压以及射频放电功率给定的条件下，刻蚀速率

R∝1/S

即与刻蚀的面积成反比。刻蚀面积S增大，则活性粒子的消耗量也随之增加，若反应气体的供给量保持不变，那么刻蚀速率必然下降。 （4）气流的分布

系统中气流分布的均匀性，直接影响刻蚀的均匀性。如果气流分布不均匀，等离子体中的粒子浓度在空间和被刻蚀基片表面的分布都不会均匀，所以设备设计时，要充分考虑到气体注入和抽出均匀对称的问题，采取适当的匀流措施。 （5）系统结构和电极的几何尺寸

系统结构和电极的几何尺寸，决定了装载容量，对刻蚀过程也会产生很大的影响。放臵基片的电极面积应比接地电极

面积充分小，以减少对器壁的轰击；低气压情况，为保证辉光放电，极间距离应大些，但又要考虑间距过大引起的电场的边缘效应。 （6）气压和射频功率

气压和射频功率对刻蚀的影响有其内在联系，两者对放电特性的影响决定其刻蚀机理，以及活性粒子和离子形成的速率和自偏压等。

80sccm 50sccm55Etching rate(nm/min)50454035302520406080100120140160Pressure(mTorr)

气压对获得各向异性刻蚀具有最直接的关系。在较高的气压下，刻蚀速率的增加往往是由于活性粒子的增多，因而也增加了活性粒子的各向同性刻蚀。与此同时，高气压使自偏压降低。自偏压是决定离子溅射刻蚀机理的关键参数，对于反应离子刻蚀来说，存在一个工作气压范围，超过这个气压范围时将会出现严重的钻蚀。与增加气压的影响相似，提高射频功率也将使离子对活性粒子的比例增加，并伴随着刻蚀速率的提高。利用较高的射频功率，可以获得较高的自偏压，

它可以补偿由于增加气压而使刻蚀的各向异性消失的情况。自偏压Vdc与气压p和射频功率W具有指数关系，表示为

ap?Vdc = C exp??? ?W?其中C和a是常数。

5550Etching rate(nm/min)4540353025206080100120140160180200220RF Power(w)

（7）射频频率

射频频率对等离子体刻蚀的影响尚未得到充分研究。在高频下（通常为13.56MHz）得到的刻蚀特性可能与较低频率下（通常为100～400kHz）的不同。频率能影响离子的轰击能量、保持稳定放电时的电压，并且也影响到有关的化学反应过程，特别是聚合速率。在没有复合机制的情况下，低频时具有的较高碰撞将导致高的刻蚀速率和各向异性；但当存在复杂化学过程时（例如在CCl4中刻蚀Al），低频下容易获得各向同性刻蚀，而在较高频率下可得到各向异性刻蚀。这是由于高频下聚合的趋向增加之故。

总结：等离子体刻蚀工艺的优劣判据：

1、尺寸控制的均匀性

片内均匀性----包括高密度区及大的稀疏区域，微负载效应通常会产生均匀性问题；

片间、批间的均匀性提高也是大生产必须要面对的一个课题。

2、选择性(Selectivity)

被腐蚀材料与掩蔽层（通常是光刻胶）的选择比是最需要考虑的，因为它影响CD，剖面形貌控制，以及胶的厚度。 另外还要考虑对被腐蚀材料衬底层的选择比。 3、较高的腐蚀速率(High Etch Rate)

为保证较高的出片率，要求获得较高的腐蚀速率，通常在腐蚀速率和其它参数之间有些矛盾，如：较高的腐蚀速率可能会降低选择比，增加损伤等，但是，对于深刻蚀，这是重要的技术指标之一。

4、剖面形貌控制(Etch Profile Control)

通常我们希望得到各向异性的剖面，即剖面接近于垂直，一

般要求88-90度角。随着多层结构和高深宽比结构的出现，剖面控制更为关键。 5、低损伤(Low Damage)

对于高密度等离子体系统，如ICP, ECR等，由于等离子体的强轰击会产生一定的损伤。

高的等离子体能量会在硅表面产生电流，从而产生电损伤。 具有一定能量的离子也会使晶格结构产生机械损伤。降低刻蚀损伤对表面微机械的薄膜结构更为重要。 6、侧壁钝化(Side wall Passivation)

无论在腐蚀过程中还是在腐蚀后，侧壁钝化都相当重要。在等离子体腐蚀过程中，光刻胶中的碳与腐蚀气体及反应副产物结合，在侧壁产生聚合物类物质，高深宽比刻蚀利用它进行侧壁钝化，从而实现陡直刻蚀，但是刻蚀后如何将这些聚合物及杂质彻底去除干净也是一个挑战。 7、残余物的去除(Residue Removing)

在反应腔体侧壁沉积一定的残余物是不可避免的，由于需要经常进行清洗，所以它又是一个新的沾污源。控制它的最重要的因素是温度，RF功率，背面冷却及工艺压力等。 8、后腐蚀（Corrosion）

后腐蚀是金属腐蚀面临的重要问题。当腐蚀后的硅片曝露于

空气中时，残留在胶中的氯离子会吸收大气中的水份，生成HCl，又马上腐蚀 Al等其它金属。所以腐蚀后必须立即进行处理。 9. 刻蚀面光洁度

与高宽比轮廓不同，刻蚀面的平滑程度的制约因素更多，也处于相对次要的地位，但是对于一些特殊的用途，它又是关键的。

上述各种特征技术中，刻蚀速率、均匀性、线宽控制、选择比和各向异性能力对高深宽比刻蚀是最关键的。

空气中时，残留在胶中的氯离子会吸收大气中的水份，生成HCl，又马上腐蚀 Al等其它金属。所以腐蚀后必须立即进行处理。 9. 刻蚀面光洁度

与高宽比轮廓不同，刻蚀面的平滑程度的制约因素更多，也处于相对次要的地位，但是对于一些特殊的用途，它又是关键的。

上述各种特征技术中，刻蚀速率、均匀性、线宽控制、选择比和各向异性能力对高深宽比刻蚀是最关键的。

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