DRIE深反应离子刻蚀技术 PPT

F+e-
F+eCF4 F+e-
F+e-
Cathode
-Vbias
e - + CF4 → CF3+ + F + 2e-
• RF: 频率 (典型 13.56 MHz)
– 电子在辉光区的震荡需要足够的能量以引起离化 – 气体离子太重，不能响应高频电场的变化
干法刻蚀工艺的类型
• 断面特征取决于:
– 能量 – 压力 (平均自由程) – 偏压 – 方向性 – 晶向
SiF4
Dry
腐蚀速率
• 腐蚀剂的产生
– 若没有腐蚀剂的产生，就没有腐蚀
• 扩散到表面
1 Generation of Etchant Species 6 Diffusion to Bulk Gas
– 腐蚀剂必须到表面才能和膜反应或腐蚀
2 Diffusion to Surface
– 运动到表面的方式将影响到选择比,
溅射腐蚀剂
100~1000 Watts
低
- 方向性, 物理, 低选择性
(~10 mtorr)
干法腐蚀: 气体混合
• Chlorofluorocarbons (CFCs)的消除
材料 Si
SiO2 Si3N4 Al W Organics
传统气体
Etching: Cl2, BCl3 Passivation: C4F8, CCl4,CHF3 CF4, C2F6, C3F8 CHF3, CCl2F2 Cl2, BCl3, SiCl4 SF6 / Cl2 / CCl4 O2, O2 + CF4
F
F
Si+2 F
Generates SiF2 gas FF
Si+
Si
F
F
Si
F
F
F
Si+
Generates SiF4 gas F
Si+
干法刻蚀的各向异性
• 若腐蚀是纯化学的，则是各向同性的 • 离子轰击以损伤表面可以提高腐蚀速率
– 产生断裂键 • 正离子加速到达阴极 (-V)
• SiO2 不被腐蚀，除轰击外 (垂直) • 导致不同的腐蚀形貌 (侧边)
DRIE深反应离子刻蚀技术
内容
• 等离子形成基础
– 各向异性
• 深反应离子刻蚀(DRIE)
等离子产生
阴极 (负电压)
间距: 15 cm
中性气体原子 (Ar) 压力: 5 mtorr
平均自由程: ~1 cm
阳极 (地)
• 离化气体原子
– 贡献另一个电子 – 雪崩碰撞 – 气体击穿 – 可维持?
E
E
过刻, 和均匀性
3 Adsorption
• 吸附和表面扩散
4 Reaction
– 能产生方向选择 (isotropic or anisotropic)
5 Desorption
• 反应
– 与温度关系密切 (Arrhenius relationship)
– 明显影响腐蚀速率
• 脱附
– 若反应样品不挥发，能停止腐蚀
干法刻蚀工艺的类型
腐蚀类型
能量
气体/蒸汽 腐蚀
无
- 各向同性, 化学, 选择性好
压力
高 (760-1 torr)
等离子腐蚀
10 ~ 100 Watts
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中
- 各向同性, 化学, 有选择
(>100 torr)
反应离子腐蚀
100 Watts
低
- 方向性, 物理 & 化学, 有选择
(10-100 mtorr)
• 扩散到气体
– 由于未反应腐蚀剂的稀释，导致非均匀腐蚀
气相干法腐蚀
• 反应气体
– 表面气体吸收, 溶解, 以及反应
F
XeF2 Adsorb
Xe
• XeF2 腐蚀的特点
F
– 选择性非常高
– 腐蚀速率快
– 各向同性
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
RF 等离子干法刻蚀
Anode
基于F气体和等离子体的 Si & SiO2 的干法刻蚀
• 是ICs & MEMS的主要刻蚀气体
• CF4 不腐蚀 Si，但 F2 会腐蚀 Si 形成 SiF2 和 SiF4 • 等离子的作用是产生能穿透SiF2类型的表面的F
F
FF
F
Si
F
Surface
Si
Si
FF
F
F
F
Si
F
Surface
Si
Si
• 必须产生电子以维持放电
– 能量离子轰击阴极表面产生二次电子 – 当有足够电子产生时，可维持放电过程 – 因为电场集中在产生电子的阴极处，因此不需高电压
辉光放电暗区
• 阴极暗区
– 大量能量气体离子移向阴极 – 在阴极产生的二次电子加速离开阴极 – 靠近阴极部分暗区中的净电贺数为正 – 产生大电场 (电压跌落很大) – 无辉光，原因是 e- 能量很高，主要离化气体原子很少激发电子
– 一些碳和SiO2中的 O2 反应形成可挥发的 CO 和 CO2
• 控制Si 和 SiO2 相对腐蚀速率可有效控制选择性
– 对每种腐蚀腔来说，正确的设置还是得依赖经验
控制 Polymerization (F/C 比)
• F/C-比高，腐蚀速率 高
• F/C-比越低，越容易 形成polymerization
新气体
SiCl4Cl2, BCl3Cl2 HBr/O2, HBr/Cl2O2, Br2SF6, SF6 CCl3F2, CHF3,/CF4, CHF3,/O2, CH3CHF2 CF4/O2, CF4/H2, CH3CHF2 HBr, Cl2, BCl3, SiCl4 SF6 (only), NF3 / Cl2 CO, CO2, H2O, HF
什么是 “干法” 刻蚀?
• 在湿法腐蚀液中, 腐蚀反应剂来自与液体中 • 在 干法 腐蚀中, 腐蚀反应剂来自于气体或气
相源
– 来自于气体的原子或离子是腐蚀暴露出的薄膜的 反应物
HF OHH20
FH+
SiO2
H2 H20 SiF4
Wet
SF6 F CF4
F
CF3+
SF5+ F CF2++
F F Si+ F F
e-
causes:
Ar
e-
• 无外加电压
– 包含中性原子的气体
• 加应用电压
– 自由电子被加速
• 能量 = 场 ·L
– 原子的弹性碰撞
• 增加电压和场
– 能量电子离化或激发气 体原子
– 激发的气体原子回到阳 极产生可见的光子(例如, 辉光)
Ar+ e-
DC 等离子体 (辉光放电)
• 雪崩放电
– 当 e- 有足够的能量离化气体原子时产生 – 不是自维持的
干法刻蚀的各向异性
• 当 H2 加入到 CF4中, Si的
腐蚀速率降到零 • 当偏压增加, 腐蚀速率也增
加 • 结合这两种效应，可以实现
非常好的各向异性腐蚀
不挥发残留物的淀积
• CF4-H2 等离子会在样品表面淀积含碳残留物 (不挥 发)
– 称为 POLYMERIZATION
• SiO2 表面形成的残留比Si 表面少