1、电子回旋共振等离子体的刻蚀技术2004?笔=期工艺与应用电子回旋共振等离子体的刻蚀技术吴振宇,汪家友,杨银堂,徐新艳(西安电子科技大学微电子研究所,陕西西安 710071)EtchingTechniquesbyanECRPlasmaSourceWUZhenyu,WANGJiayou,YANGYintang,XUXinyan(InstituteofMicroelectronics,XidianUniversity,Xian710071,China)Abstract:EtchingtechniquesofsiliconbasedmaterialsweredevelopedbyamicrowaveE
2、CRplasmasource.Trenchetchingstudieswerecarriedoutonsiliconsubatrateandsteepsidewallpatternswereobtained.Finetinypatternswithlowplasmadamagewerealsofabricated.Keywords:ECR;Plasma;Etching;Silicon摘要:用电子回旋共振等离子体进行了硅基材料的刻蚀技术研究 ,进行了沟槽刻蚀实验,得到了较为陡直的侧壁.制作了精细图形,等离子体损伤较低.关键词:电子回旋共振;等离子体;刻蚀;硅中图分类号:TN405.98 文献标识
3、码:A 文章编号:10028935(2004)02006103随着超大规模集成(VLSI)技术的发展,新的器件结构和新型材料不断涌现,晶片的面积不断增大,器件的尺寸不断减小,宽高比不断加大,这就要求制造工艺具有在大面积晶圆上实现低损伤,深宽高比的图形制作能力.等离子体技术是 VLSI 中的重要工艺技术,被广泛应用于化学汽相淀积,刻蚀,金属化和离子注入制作工艺中,对 VLSI 的发展起到重要的作用,其应用技术的研究一直是人们研究的热点.电子回旋共振(electroncyclotronresonance,ECR)等离子体具有工作气压低(0.1110I3Pa),密度高 (1010cmI3),离化率高
4、(10%30%),大面积均匀 ,工艺设备简单,可稳定运行和参数易于控制等优点,可以实现低温高效无污染的表面处理,在 IC 制造工艺中有着巨大的应用潜力.1 实验装置和实验方法实验使用的 ECR 等离子体源是一个加有共振磁场的微波谐振腔体.微波通过同轴开口电介质空腔产生表面波,利用新型高磁能积 Nd.FeB 稀土永磁磁钢并合理布局形成高强磁场,通过共振磁场区域内电子回旋共振效应,产生大面积,均匀,高密度收稿日期:20030714的等离子体.图 1 是本研究使用的 ECR 等离子体工艺系统的结构示意图,它主要由微波功率源与传输系统,分布式 ECR 永磁磁场和反应室三部分组成_1J.微波频率 2.4
5、5GHz,刻蚀基片为 si(110)和Si3N4 材料,样片距离陶瓷窗 7cm,射频偏压 400500V,刻蚀气体为 SF6/Ar/O2 和 CFd/02 混合气体,衬底温度约 100.改变气体总流量,混合比并调整微波功率,得到较佳的工艺结果.抽真空图 1ECR 等离子体源结构示意图工艺与应用 2004?第二期2 结果与讨论2.1Si3N4 材料的 ECR 刻蚀使用 cF4/O2 混合气体,利用 ECR 方法对 si3N4材料进行刻蚀实验.SiN 的刻蚀速率主要是由活性 F 原子的刻蚀作用决定的.调整混合气体的总流量,混合比以及微波功率,可以改变等离子体中 F的浓度,采取合适的工艺条件可以得到
6、较高的刻蚀速率.图 2 为通人 100cm/s(标准)cF4/O2 混合气体时,刻蚀速率随气体混合比改变的变化情况.通人适量的 O2,可以增大等离子体中 F 的浓度.从图 2中可以看出,在通人氧气后,刻蚀速率迅速提高,在气体混合比达到约 20%时达到最大,并且随着气体混合比的进一步增大而逐渐下降.O!/(o:+CF)流量比 ,%图 2Si3N 刻蚀速率随气体混合比的变化图 3 为 si3N 刻蚀速率随气体流量的变化情况.增大气体的流量可以增加 F 的浓度,因此得到更大的刻蚀速率.从图中可以看出,随着气体流量的增大,刻蚀速率是不断增大的.图 3Si3N4 刻蚀速率随气体流量的变化图 4 为 Si
7、3N 刻蚀速率随微波功率的变化情况.随着微波功率的增加,气体离化程度增大,F 原子的浓度增加,因此得到更大的刻蚀速率.从图中62可以看出,随着微波功率的增大,刻蚀速率是不断增大的.图 4sisN4 刻蚀速率随微波功率的变化2.2 沟槽刻蚀技术ECR 等离子体的工作气压较低,分子平均自由程较大(包括离子和活性基),产生各向异性的刻蚀效果.通过调整功率,气体流量,气压,衬底偏压等工艺参数可以得到均匀的,高选择比和各向异性的刻蚀效果.一般地,因为 F 基具有很高的活性 ,采用 F 基刻蚀气体得到的图形刻蚀剖面是各向同性的.在衬底上施加一射频偏压并且使用混合反应气体 sF6/Ar/O2,可以改善刻蚀效
8、果,得到较为陡直的侧壁 j.射频偏压可以使离子运动的方向更趋向于衬底垂直方向,从而提高离子束的方向性.加入O2 可以在硅槽内部形成保护壁,使得侧壁相对于底部受到的离子轰击较少,刻蚀速率比较低.通水冷却衬底也可以提高各向异性的刻蚀效果.另外,采用多步刻蚀过程,也有利于形成陡直的侧壁.图 5 为采用上述方法使用 ECR 对硅材料沟槽刻蚀的 SEM 照片,从图中可以看出 ,由于 ECR 等离子体较好的各向异性刻蚀能力,沟槽侧壁是比较陡直的图 5 硅材料的 ECR 沟槽刻蚀2.3 精细图形的制作=售 c,爵幽基u1uvEu/爵覃 f 誊2004?笔二期ECR 等离子体具有较好的各向异性刻蚀能力和良好的
9、均匀性,能够较好地实现图形转移,可以用来制作精细图形.另外,ECR 等离子体源技术实现了等离子体放电室和工艺处理室的分离,可以对等离子体的密度(微波功率的调整)和离子的能量(衬底偏压的调整)进行控制.对 ECR 等离子体的Langmuir 探针测量结果表明,等离子体电势约为 15v,远低于 PECVD 的情况.因而 ECR 等离子体对衬底造成的损伤很低,刻蚀图形的质量比较高.图 6 为 ECR 方法在硅衬底上制备等间距线条图形的 SEM 照片.从图中可以看出 ,线条基本上是等距的,没有出现明显的钻蚀现象,制作的 2m的线条较好地实现了图形转移.图 6ECR 方法制作细线条图 7 为 ECR 方
10、法在硅衬底上制备精细图形的SEM 照片.从图 7 可以看出 ,基片平整均匀,表面没有明显地起伏现象,等离子体损伤比较小,显示出ECR 等离子体刻蚀技术在细微图形制作上的优越性.工艺与应用图 7 硅衬底上 ECR 方法图形制作3 结束语ECR 等离子体可以在较低的工作气压下产生均匀的高密度等离子体,在沟槽刻蚀和精细图形的制作上显示出优良的特性.ECR 等离子体技术成为国内外 VLSI 制造技术研究中的热点之一.我国一些单位已经研制出 ECR 等离子体源,从理论和工艺上对高密度等离子体源开展了一些有意义的研究,并且对高密度等离子体源进行了低维数值模拟,但是在新型等离子体源的研制,精确模拟,工艺机理研究,工艺参数的精确测量和优化控制等方面还有大量工作有待进一步研究.参考文献1徐新艳,汪家友 ,杨银堂,等.微波 ECR 等离子体刻蚀系统J. 真空科学与技术,2002,15:385.2钱钢,张利春 ,阎桂珍,等.一种新的硅深槽刻蚀技术研究J.半导体,1994,15(1):29.63
