反应离子刻蚀的研究文档格式.docx
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刻蚀速率;
均匀性
ResearchofReactiveIonEtching
LuDongmei,YangFashun
(CollegeofScience,GuizhouUniversity,GuiYangofGuizhou,550025)
Abstract:
Reactiveionetching(RIE)isakindofphysicalfunctionandchemicaletching,highresolution,anisotropicandgoodselectivity,andtheetchingrateisfast.BychangingtheRIEetchingparameters:
suchas,RFpower,cavitypressure,gascomposition,canadjustthetwoetchingprocess.Therefore,optimizetheetchingprocessistoselecttheoptimaletchingparameterscombination,reducingtheetchingdamageatthesametimeensuresmoothetchedsurfaceandcertainetchingrate.Thisarticlesummarizesthecommonofthinfilmetchingmethod.
Keywords:
Reactiveionetching;
ionsputtering;
etchingrate;
uniformity
1引言
用光刻方法制成的微图形,只给出了电路的行貌,并不是真正的器件结构。
因此需将光刻胶上的微图形转移到胶下面的各层材料上去,这个工艺叫做刻蚀。
通常是用光刻工艺形成的光刻胶作掩模对下层材料进行腐蚀,去掉不要的部分,保留需要的部分。
刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。
湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中,用化学方法除去不要部分的薄膜。
干法刻蚀主要利用气体辉光放电产生化学活性基、原子、离子等多种化学成分和被腐蚀物质表面发生作用,是一复杂的物理、化学过程。
随着图形的微细化对刻蚀分辨率的要求不断提高,干法刻蚀以其可控性好、精确度高、较好的表面形貌、宜批量生产等特点受到普遍重视。
干法刻蚀加工方法主要有溅射与离子束铣蚀、等离子刻蚀(PlasmaEtching)、反应离子刻蚀(RIE)等。
RIE是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺,兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点,不仅分辨率高,同时兼有各向异性和选择性好的优点,而且刻蚀速率快。
RIE的各向异性可以实现细微图形的转换,随着大规模集成电路工艺技术的发展,为满足越来越小的尺寸要求,RIE已成为亚微米及以下尺寸最主要的刻蚀方式。
结构尺寸越小,对刻蚀工艺的要求也就越高。
一方面,要求高度的各向异性以得到刻蚀图形垂直的侧壁;
另一方面,要求很高的选择性和均匀性,使得图形层在刻蚀穿透的瞬间达到终止刻蚀过程;
再者,还需要高的刻蚀速率以及良好的刻蚀截面和表面形貌[1,2]。
1RIE的基本原理
RIE是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺,反应室的剖面如图1,其刻蚀机理为:
射频辉光放电,反应气体被击穿,产生等离子体。
等离子体中包含正、负离子,长短寿命的游离基和自由电子,可与刻蚀样品表面发生化学反应;
同时离子在电场作用下射向样品表面,并对其进行物理轰击。
物理和化学的总和作用,完成对样品的刻蚀。
在平行电极等离子体反应腔体中,被刻蚀物是被置于面积较小的电极上,在这种情况下,一个直流偏压会在等离子体和该电极间形成,并使带正电的反应气体离子加速撞击被刻蚀物质表面,这种离子轰击可大大加快表面的化学反应和反应生成物的脱附,从而导致很高的刻蚀速率,也正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现[3]。
图1反应离子刻蚀设备简图
Figure1Reactiveionetchingequipmentdiagram
2反应离子刻蚀的工艺处方
2.1RIE的工艺处方
RIE中包含物理作用和化学作用,物理碰撞利用被加速的离子去撞击材料表面,是刻蚀损伤的主要来源。
如果物理过程占主导,刻蚀损伤较大;
如果化学过程占主导,刻蚀速度较慢,各向同性,而且刻蚀表面粗糙。
射频功率、腔体压强、气体流量等可以调整两种刻蚀过程所占比重。
通常情况下,均匀性可以用这样一个参数来衡量:
其中Vmax和Vmin是用台阶仪或者椭偏仪所测得薄膜厚度的最大值和最小值,Vaverage则是所测得所有值的平均值[3]。
2.2.1刻蚀SiO2
通常情况在气体流量较小时,刻蚀速率随气体流量的增大而增大;
但当气体流量饱和后,刻蚀速率随气体流量的增大而减小。
当射频功率从200W提高到300W时,刻蚀速率显著提高,均匀性变好。
但是当射频功率继续增加时,刻蚀速率和均匀性的改善皆不明显,考虑到射频功率越高,离子轰击造成的损伤也越严重,而射频功率高于300W之后对提高刻蚀速率和改善刻蚀均匀性的作用不大,可认为300W左右是最佳射频功率范围。
当气体压强较小时,气体压强增大,刻蚀速率会不断增加。
随着气体压强的增加(5Pa到20Pa),刻蚀速率却变小。
要去除光刻胶,必须添加氧气,其主要作用是刻蚀光刻胶,对二氧化硅的刻蚀速率没有显著影响,氧气流量的不同必然导致光刻胶刻蚀速率满足一定的范围。
添加O2流量的不同得到不同的选择比,总体趋势是选择比随着氧气流量的增加而减少,当氧气流量在3.5sccm附近时,选择比最接近1。
固定条件:
CHF3:
O2=20:
3.5sccm,压强5pa,功率400W时,选择比最接近1,刻蚀速率较大(大于45.66nm/min),均匀性也很好(小于7%),是较优化的平坦化刻蚀工艺条件[3,4]。
2.2.2刻蚀GaAs、AlAs、DBR(由上下两个交替生长的AlAs和AlxGa1-xAs堆积而成的分布布喇格反射镜(DistributedBraggReflectorDBR))
为了防止GaAs、AlAs、DBR表面可能的氧化物对刻蚀产生的影响,刻蚀前用稀硫酸对样品表面进行处理。
气体组分对刻蚀速率的影响:
保持气体总流量不变的情况下,在BCl3所占百分比较低时,随着BCl3组分的增加刻蚀速率增大。
当BCl3所占百分比达到80%左右时,速率达到;
最大当BCl3所占组分比较高时,可能是由于当较高浓度的BCl3各种化学成分重新聚合导致离子轰击能力减弱,化学反应能力降低使刻蚀速率降低。
压强对刻蚀速率的影响:
在压强较低的情况下,刻蚀速率随着压强的增加而增加,压强增加到一定程度随着压强的增加,气体碰撞频繁导致离子的物理轰击作用减小,刻蚀速率减小。
射频功率对刻蚀速率的影响:
随着射频功率的增加刻蚀速率几乎是线性增加,
实验结果表明:
在同样条件下GaAs刻蚀的速率高于DBR和AlAs,在一定条件下GaAs刻蚀的刻蚀速率可达400nm/min,AlAs的刻蚀速率可达350nm/min,DBR的刻蚀速率可达340nm/min,刻蚀后能够具有光滑的形貌,同时能够形成陡直的侧墙,侧墙的角度可达85°
。
GaAs的刻蚀速率高于AlAs和DBR,这是由于反应离子刻蚀涉及参与反应的粒子的产生、输运以及反应产物的脱逸等过程,在反应产物中含Al元素的化合物挥发性相对较弱[5]。
2.2.3刻蚀Pt电极
在不同R[O2∶(SF6+O2)]的条件下,Pt电极的刻蚀速率呈现出先增后减,在SF6和O2的体积流量比为4∶2,刻蚀速率最大,但是随着O2含量的增加,刻蚀速率迅速降低。
当功率逐渐升高的时候,刻蚀速率也会逐渐升高。
当射频功率从80W上升到120W的时候,刻蚀速率提高得非常明显;
而射频功率从120W上升到160W的时候,刻蚀速率提高的强度明显减弱。
Pt的刻蚀速率与刻蚀气体的混合比率以及刻蚀功率都有一定关系。
在相同功率下,R[O2∶(SF6+O2)]=2/6,刻蚀速率达到极大值,功率为120W时,刻蚀速率极大值为12.4nm/min。
AFM分析表明,薄膜表面的粗糙度随刻蚀功率增加而变大,均方根粗糙度从120W时的0.164nm增加到160W时的0.285nm。
经优化工艺参数刻蚀后的Pt电极图形结构平整,边缘整齐[6]。
2.2.4刻蚀氮化硅(Si3N4)
采用CHF3气体刻蚀Si3N4时,随着CHF3气体流量的增加,氮化硅和光刻胶刻蚀速率随之发生微小变化,选择比(氮化硅刻蚀速率与光刻胶刻蚀速率之比)也变化不大(~2)。
CHF3流量为30sccm时氮化硅刻蚀速率最大,为40nm/min。
低流量时刻蚀速率相对较低主要是由于反应气体供应不足;
当流量大于30sccm时,抽出去的气体的量增加,其中未参与反应的活性物质的抽出量也随之增加,故刻蚀速率又有所下降。
随着气体流量的增加,刻蚀后均匀性变好,在总流量接近30sccm时达到最佳;
当流量的继续增加时,刻蚀均匀性又开始变差。
可见,在一定功率和压强下,CHF3气体流量为30sccm时,氮化硅刻蚀速率最高,均匀性也最好。
采用CHF3+CF4刻蚀Si3N4的刻蚀速率比采用CHF3刻蚀时大,且刻蚀速率随CF4流量的增大而增大。
增加CF4的比例,即增大反应气体中的F/C比,使刻蚀速率增大。
可见,采用CHF3+CF4刻蚀氮化硅,CF4流量为15sccm时,均匀性最好,刻蚀速率和选择比也较高。
O2可消耗掉部分碳氟原子,使氟活性原子比例上
寸最主要的蚀刻方式。
通过对刻蚀工艺的研究,选择恰当工艺参数(如射频功率、气压、气体流量等等),可获得最佳工艺条件,并在保证刻蚀效果的同时提高刻蚀速率,是刻蚀工艺所追求的目标。
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- 反应 离子 刻蚀 研究