等离子体刻蚀中工艺参数对刻蚀速率影响的研究

等离子体刻蚀中工艺参数对刻蚀速率影响的研究等离子体刻蚀中工艺参数对刻蚀速率影响的研究
第38卷第5期2021年5月
西安交通大学学报
JOU RNAL OF XI c AN JIAOT ON G U N IVERSIT Y
Vol. 38 l 5M ay 2021
等离子体刻蚀中工艺参数对刻蚀速率影响的研究
陈晓南, 杨培林, 庞宣明, 袁丛清
(西安交通大学机械工程学院, 710049, 西安)
摘要:用实验方法研究了在感应耦合等离子体(ICP) 的干法刻蚀过程中, 工艺参数对刻蚀速率的影响. 研究结果表明, 刻蚀速率随SF 6气体流量、自偏压以及射频功率的增大而增大, 但当SF 6气体流量、自偏压达到一定值后, 刻蚀速率开始降低. 实验中对工艺参数进行了优化, 在射频功率为500W 、自偏压为150V 、流量为50cm 3/s, 以及SiO 2和Si 3N 4的选择比为15的条件下, 硅的刻蚀速率达到了0180L m/m in. 关键词:感应耦合等离子体; 干法刻蚀; 硅
中图分类号:T P205 文献标识码:A 文章编号:0253-987X(2021) 05-0546-02
Influence of Process Parameters on the Etching Rate in Inductively
Coupled Plasma Etcher
Chen Xiaonan , Yang Peilin, Pang X uanm ing , Yuan Congqing
(School of M echanical Engi n eering, Xi c an Jiaotong Universi ty, Xi c an 710049, China)
利用等离子体(IPC) 可对硅进行快速的刻蚀, 但是其工艺参数对刻蚀结果[1]的影响很大. 本文在国产ICP-2B 型刻蚀机上以SF 6作为刻蚀气体进
行了单晶硅的刻蚀实验. 刻蚀机的主要性能参数:极限真空度为6Pa, 电极尺寸为
实验主要研究了操作工艺参数射频功率P 、极板功率P j 、自偏压U z 和气体流量q 等对刻蚀速率S k 的影响. 实验样片为N 型7612m m 双面抛光的硅片(晶向31004) , 电阻率为10~208#cm . 实验是在反应室压力为110Pa 、室温为20e 的环境下进行的. 每次刻蚀的时间均为10m in . 刻蚀深度通过台阶仪测出, 平均刻蚀速率为刻蚀深度除以刻
蚀时间. 操作的方式为:¹当P 为500W , SF 6的q 分别为15、30、50和80cm /s , 以及
U z 分别为40、80、150和250V 时, 得到S k 与SF 6的q 和U z 的关系曲线; º在反
应室压力、温度固定不变的情况下, 设
SF 6的q 为50cm /s , U z 为150cm /s , P 分别为300、500和700W 时, 得到S
k 与P 的关系曲线.
2 实验结果分析
2. 1 U z 与P j 的关系
U z 是刻蚀工艺参数综合作用的结果. 在一般情况下, 反应室气压、P 和P j 都会影响U z , 从而对刻蚀过程产生影响. 在P =500W , SF 6的q 分别为15、30、50和80cm
3/s 时, U z 与P j 的关系如图1所示. 由图1可见, U z 与P j 成正比关系, 而q 对
U z 的影响不大, 可以忽略. 由于U z 的产生原因是由等离子体中离子与电子的巨大速度差异所致, 而在P 和反应室压力不变的情况下, 等离子体中离子和电子的数量基本是不变的, 所以改变q 不会对U z 产生影响.
2. 2 U z 对S k 的影响
由于U z 与P j 具有线性关系, 因此P j 对S k 的影响与U z 对S k 的影响是相
同的, 两者可任选其一, 这里选择后者作为讨论对象. 在上述工艺参数下, S k 与U z 的关系如图2所示. 由图2可见, 在不同的q
收稿日期:2021-07-15. 作者简介:陈晓南(1955~) , 男, 副教授. 基金项目:陕西省
自然科学研究基金资助项目(2002E 07).
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下, S k 开始是随着U z 的增大而增大, 但U z 达到一定值后, S k 不再增加反而
有所下降, 其原因是U z 增大时, 离子获得了较大的加速度, 由于轰击能量的增加, 因此对硅片曲解离子轰击的S k 也就提高了. 显然, 总体S k 较高, U z 过大, 即P j 过大, 会导致等离子体中离子壳层的厚度增大, 进而影响离子入射到硅片方向上的一致性. 这种
由离子入射角产生的分散性使S k 降低, 尽管离子的轰击能量还在增加, 但总体的S k
却发生了下降. 2. 3 q 对S k 的影响
在P 为500W 、U z 分别为40、80、150和250V 时, S k 与SF 6的q 的关系如图3所示. 由图3可以看出, 在不同的U z 下, S k 开始随着SF 6的q 的增加而增大, 当达
到最大值后, 却开始随着q 的增加而降低, 这是因为当q 刚开始增大时, 反应活性原子F 的自由基更新快, 且反应生成物SiF 4重新沉积的机会减少, 因此S k 会提高. 但是, 当q 过大时, 反应室中F 的自由基驻留时间短, 许多还没来得及参与反应就被真空泵抽走了, 因而导致了S k 的降低. 2. 4 P 对S k 的影响
当U z 设定为150V 、SF 6的q 为50cm 3/s 时, S k 与P 的关系曲线如图4所示. 由图4可见, S k 随着P 的增大而增大, 这是因为P 越大, 产生的等离子体密度就越大, 那么会有更多的离子和F 的自由基用于刻蚀, 使S k 自然增大. 但是, 当P 增大时,
图4 S k 与P 的关系图3 S k 与q 的关系曲线
导致离子壳层的厚度增加, 使离子入射方向的一致性降低, 因此对S k 产生影响, 使S k 增大的趋势缓慢下来.
2. 5 优化工艺参数
由于检测手段的限制, 所以仅进行了简单的优化. 如果确定S k 为优化目标时, 其优化工艺参数为P =500V , U z =150V , q =50cm /s . 将SiO 2、Si 3N 4的选择比定为15, 则硅的S k 可达到0180L m/min.
(1) 由以上讨论可知, 当反应室的压力、温度一定时, U z 、SF 6的q 和P 对S k 均有较大的影响. (2) 由于对硅的刻蚀是以SiO 2、Si 3N 4作掩蔽层, 因此在确定优化工艺参数时, 需要同时考虑对SiO 2、Si 3N 4的选择比. 又因为SiO 2、Si 3N 4的刻蚀主要是以离子轰击为主的刻蚀, 而硅主要是F 的化学
图1 U z 与P j
刻蚀, 因此在刻蚀工艺参数中, U z 不宜过大. 参考文献:
[1] Chen K S, A y n Arturo A , Zhang X in, et al. Effect of
process par ameters o n the surface morphology and me -chanical perfo rmance of silicon structur es after deep reac -tive io n etching (DR IE)
[J ].Jour nal of M icro -Elec -tromechanical Systems, 2002, 11(3) :264~274.。