ICP技术在化合物半导体器件制备中的应用

Tech∞lo影Col砌n

技术专栏

ICP技术在化合物半导体器件制备中的应用

姚刚1,石文兰2

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;2.河北工业职业技术学院信息工程与自动化系,石家庄050091)

摘要:介绍了IcP刻蚀工艺技术原理和在化合物半导体器件制备中的应用,包括IcP刻蚀技术中的低温等离子体的形成机理、等离子体与固体表面的相互作用等,并对影响IcP刻蚀结果的因素进行了分析。研究了不同的工艺气体配比、腔体工作压力、ICP源功率和射频源功率对刻蚀的影响,并初步得到了一种稳定、刻蚀表面清洁光滑、图形轮廓良好、均匀性较好和刻蚀速率较高的干法刻蚀工艺。

关键词:等离子体;感应耦合等离子;刻蚀中图分类号:TN405.982

文献标识码:A

文章编号:1003.353x(2007)06.474.04

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Keywords:plasma;ICP;etch

unifomity

引言

随着集成电路最小尺寸不断减小、集成度不断

空区的刻蚀,存在局部旁刻。上述现象被称为刻蚀微观不均匀性。本文介绍感应耦合等离子体(IcP)刻蚀技术及其在多种化合物半导体器件工艺中的应用,并利用ICP刻蚀机成功完成刻蚀,效果良好。

提高以及硅单晶衬底尺寸的扩大,对刻蚀设备的要求也越来越高。除了具有高质量的刻蚀性能外,还要求刻蚀设备在大规模量产中能保证极高的稳定性和极低的缺陷率,其工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的先进性。

当刻蚀槽孔越来越小时,等离子体刻蚀速率随槽孔绝对尺寸的减小而下降。同一绝对尺寸下的图形,其刻蚀速率随图形密度增大而下降,即微负载效应刻蚀速率随图形深宽比增加而下降,在图形和

lCP刻蚀技术原理

刻蚀技术通常分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种,

其中干法刻蚀使用的主要技术有反应离子刻蚀(RIE)和ICP刻蚀技术。干法刻蚀的优点是控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、污染少。本文研究的是利用IcP技术刻蚀出垂直度和光洁度都非常好的镜面。

474半导体技术第32卷第6期

2007年6月

万方数据 

2.1低温等离子体的产生

在实验室中,有很多方法和途径可以产生等离子体,如气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等,但最常见和最主要的还是气体放电法。在气体放电实验中,根据放电条件(如气压、电流等)的不同,可以将气体放电分为电晕放电、辉光放电和电弧放电uJ。辉光放电产生的等离子体是一种冷等离子体,有时也称为低温等离子体,其电子温度远大于离子的温度。辉光放电又可以分为直流辉光放电、射频辉光放电和微波放电。根据电源的耦合方式不同,射频放电可以分为电容耦合型和电感耦合型;根据电极放置的位置,又可以分为外电极式和内电极式。对于内电极式放电来说,大多采用平行板型。由于平行板型放电稳定性好,效率高,且易获得大面积的均匀等离子体,因此这种形式的放电装置也特别适用于等离子体化学气相沉积制备薄膜工艺。

ICP采用射频激发的内电极式模式。在RIE反应室的上方加置线圈状的电极,并通过电感耦合增加电子的运动路径,达到增强等离子密度和能量的效果。

电源打开和产生辉光之前,电子需要的能量从高频电场中获得【2J,它使电子撞击反应室内的气体原子和分子。当电子的能量大于分子的键能时,被撞的分子变成自由基;当电子的能量大于分子的电离能时,被撞分子离化同时发射二次电子和光子,产生更多的自由基和离子,开始雪崩,形成等离子体。继而由于部分电子和离子被电极和腔体吸收,整个辉光放电过程趋于平衡状态。如果射频频率太低,辉光会闪烁,当达到1MHz以上时,对于间距

10

cm的平板电极,离子来不及从一个极板到达另

一个极板时,极性就改变方向,辉光就不会熄灭。

本文使用的IcP设备采用连有线圈的RF源来代替EcR的微波源和磁场,由RF电流线圈产生的RF磁场在腔体内诱导出了一个RF电场,它能使电子被加速,从而产生高密度的ICP等离子体[3]。与ECR源相比,ICP源的结构要简单,工作要稳定,等离子体的均匀性也更好。与只采用一个RF源的传统RIE设备不同,ICP增强型RIE设备采用两个独立的RF源,其中一个用以控制产生等离子体的

血,le

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方数据技术专栏

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密度,另一个用以控制等离子体能量。所以,IcP刻蚀技术可避免传统RIE技术存在刻蚀速率与刻蚀损伤这一矛盾,能满足GaAs等材料干法刻蚀的高等离子体密度、低刻蚀能量、高均匀性和低工作压力等特殊要求。

2.2

自偏压和鞘层形成

ICP中基板(衬底支撑台)浮置接射频源,反

应室外壳上部直流接地作为一个电极怛J。在基板射频的负半周时,受正离子轰击,因正离子速度慢,对基板的充电效果慢;在正半周时,吸引电子,受电子轰击充电速度快,故几个周期下来,基板积累了大量电子,形成负电位,排斥电子,吸引正离子,最后两者达到平衡,产生自偏压。它是影响刻蚀效果的重要因素之一。

由于速度差异,基板上积累的负电荷在其周围形成正电荷占优势的包围层,该层电子浓度相对缺少,从而辉光放电减弱,在外观上出现等离子体中电极被暗区包围的现象,这就是电荷鞘层和放电暗

区。

2.3等离子体和固体表面的相互作用过程

等离子体对材料的刻蚀分为物理刻蚀和化学刻蚀HJ。物理刻蚀是通过加速离子对基片表面的撞击,将基片表面的原子溅射出来,以离子能量的损失为代价,达到刻蚀目的;化学反应刻蚀是反应等离子体在放电过程中产生许多离子和许多化学活性中性物质即自由基。这些中性物质是活跃的刻蚀剂,它与si,si02等基片发生化学反应。由于自由基不带电荷只进行自由运动,所以反应是各向同性的,这种反应在工艺中要加以抑制。另一类是离子在电场作用下与基片发生反应,而且反应集中在电场方向上进行,反应是各向异性的。

ICP刻蚀工艺过程包括刻蚀和淀积两类反应。根据这种现象,人们引入了侧壁保护概念。为了更好地控制刻蚀形貌,在化学反应时添加不同的气体组合【5J,例如对硅和二氧化硅的刻蚀通常使用sF6作为刻蚀气体,用cH4,cHF3或C4H8作为钝化气体可以得到高的刻蚀速率和选择比。还有硅刻蚀中02的加入,一方面形成钝化层保护侧壁,另一方面通过消耗CF。粒子减少其与C1的再结合而达到加速的目的。很好地平衡刻蚀和钝化,更好地控制各

Tech玎olo留C01啪n

技术专栏

向异性,可以获得高深宽比的深槽。刻蚀结果见图1。

图1ICP的深硅刻蚀(深宽比约为37:1)

由于离子在鞘层中运动时将与中性粒子发生碰撞以及鞘层附近电场分布的复杂性,将导致离子的运动轨迹弯曲,从而产生旁刻现象。旁刻现象带来的后果是非常严重的,可以导致器件的性能下降,甚至成为废品。

等离子体刻蚀是不同反应的综合,其反应物的浓度、温度和压力都会对反应速度和结果产生重要的影响。因此可根据不同的刻蚀要求,通过选择不同的时间、气体流量、压力、电极电压和气体的不同混合比来满足不同的工艺要求。

3在化合物半导体器件制备中的应用

IcP技术能对多种材料进行刻蚀,具有刻蚀形貌、刻蚀离子能量、密度可控的优点。在化合物半导体器件制造工艺中,ICP刻蚀技术应用于通孔刻蚀、栅挖槽选择干法刻蚀、透镜刻蚀等工艺。在实际生产中,人们利用ICP能对GaAs,InP,GaP,GaN等材料进行刻蚀,刻蚀结果见图2。对于不同材料的刻蚀,可根据需要选用不同的工艺气体组合。刻蚀气体的选择不是固定不变的,工艺人员根据工艺目标对工艺气体进行调整,例如对InP的刻蚀则采用HBr和Cl:气体组合,刻蚀结果见图3。而对于GaAs的刻蚀,工艺人员普遍采用Bcl3和C1,气体组合,刻蚀结果见图4。

图2

IcP

GaN刻蚀

476半导体技术第32卷第6期

万 

方数据图3ICP在IIlP基片上刻蚀的透镜

图4

ICP

GaAs通孔刻蚀

3.1

实验设备

实验采用的IcP刻蚀设备结构如图5所示。系

统主要由四部分组成:温度控制系统、气路部分、

能量产生系统和真空系统。刻蚀气体由腔室上方引入到等离子体腔室,其流量由质量流量计控制。有两套自动匹配网络控制的射频源,第一套控制等离子体的产生,调节等离子体密度;第二套控制等离子体轰击刻蚀表面的能量。刻蚀生成物从基片两边由高效率的涡轮分子泵抽走。基片温控系统可以对基片的温度进行控制,满足不同基片温度下刻蚀的需要。

图5IcP刻蚀设备结构图

3.2结果与讨论

IcP功率1000w,偏置功率100w,气体压力为

Pa,衬底温度15℃,Q2+心总流量50cm3/111in时,

2007年6月

刻蚀速率与Ar/Cl:混合比的关系示于图6。当气体混合比在O%~20%时,GaN刻蚀速率随着氩气混合比的增大而增大№J。这是因为当采用纯C12作为刻蚀气体或者氩气含量很低时,刻蚀速率取决于氯基刻蚀产物的生成及去除速度,由于氯基刻蚀产物的挥发性较差,阻滞了未反应的GaN薄膜表面与刻蚀气体的充分接触,使得气固相界面上的化学吸附过程受阻,从而限制了刻蚀速率。当刻蚀气体中的氩气流量逐渐增大时,氩离子浓度增加,使得刻蚀产物的解吸附过程得到增强,刻蚀速率也随之增大。从图中曲线看出,当气体混合比为20%左右时,刻蚀速率达到最大值。此后,氩气流量的进一步增大,导致反应室内有效刻蚀剂Cl原子浓度的降低,从而使得刻蚀速率随着气体混合比的增大而下降。

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图7刻蚀速率随ICP功率的变化曲线

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2007

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方数据技术专栏

Technolo斟Col岫n

图8为刻蚀速率与偏置功率的关系曲线,与图7中的变化趋势类似,刻蚀速率随偏置功率的增加而急剧增大,其原因在于偏置功率的增加产生了更多的定向加速的高能离子,从而增强了表面离子的物理溅射及化学反应速率。

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150

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偏置功率刖

图8刻蚀速率随偏置功率的变化曲线

如图9所示,GaN材料刻蚀速率与反应室压力的关系曲线得到的最佳工作压力为4Pa。当压力低于4Pa时,反应室中等离子体密度相对较低,离子运动的平均自由程较大,离子间的碰撞几率较低,因而刻蚀速率较低,随着压力的增加,等离子体密度增加,使得刻蚀速率不断增加;当压力为4Pa时,刻蚀速率达到最大值,此后,压力的继续增加使得等离子体中离子碰撞的机会大大增加,平均自由程迅速减小,引起了离子能量的降低,导致刻蚀速率不断下降。

图9刻蚀速率随压力的变化曲线

结语

研究了不同的工艺参数和气体流量、压力、

IcP功率等对Ar和C12中GaN材料ICP刻蚀速率的影响,获得了优化的刻蚀工艺。经过十几年的发展,ICP工艺技术已经广泛应用于半导体器件的制造工艺中,在诸如InP光电器件、GaAs功率器件、GaN器件、MEMS器件的制造中都有应用。ICP工艺的优点是刻蚀形貌、刻蚀离子能量、密度可控。

(下转第485页)

器件制造与应国

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结论

在利用PEcVD方法成功制备嵌埋在si凹槽中

syn山eticall—opticalcomputer:sciencefictionMaterChem,2004,14:781—794.

or

reality[J].J

[2]BLANC0

A,CHOMsKIE,GRAB7I℃HAKs,eta1.Large-scale

反opal结构的基础上,借用ICP技术实现了硅凹槽中Si反opal三维光子晶体直角半波导结构的制备。

Si凹槽中反opal结构制备的关键在于能否保证opal结构表层与内层沉积速率相近,这需要严格控制沉积速率,制备过程中的各项工艺参数对沉积速率都有至关重要的影响,如沉积速率随射频功率和反应室压力的增大,先加快达到一定峰值后逐渐减慢;气体流量越低,基板温度越高,沉积速率越慢,opal结构内外填充越均匀。同时,在自由基扩散通道不被堵塞的前提下,沉积时间越长,opal结构排列越规整,则填充越致密,越有利于反opal结构的形成。

由于硅凹槽中Si反opal三维光子晶体直角半波导结构设计精度高、材料体系复杂等特点,图样的精确定位技术及ICP对si和Si02材料刻蚀速率的同步控制也是直角半波导结构制备的关键工艺。ICP工艺进一步的研究及将两件匹配直角半波导热键合制备完整直角波导的后续工作正在进行当中。

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1.5

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YA,BOxz,S7IrURMof

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mt删

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M.Pla8matechniques

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(收稿日期:2006—11—20)

作者简介:

韩喻(1981一),女,江西人,博士,主要研究方向为光子晶体;谢凯(1958一),男,吉林人,教授,博导,主要研究方向为光电材料、能源材料。

参考文献:

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A,BID0z

sF,HATIDNB,eta1.Tdwardsthe

(上接第477页)

325-328.

对于一些较难的刻蚀,例如对具有较大宽深比的MEMS器件的刻蚀,利用ICP也能得到满意的工艺结果。目前,采用等离子体刻蚀技术制备出的图形线宽已达到超亚微米量级,正在向纳米级线宽进军。在此发展过程中,克服侧向腐蚀将成为主要的难题,估计在不远的将来会有很大的进步。

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(收稿日期:2007.03—15)

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作者简介:

姚刚(1973一),男,河北人,本科,工程师,主要从事于半导体工艺设备的工作;

石文兰(1965一),女,河北正定人,河北工业职业技术学院讲师,学士学位,主要从事电子技术、电气自动化技术、计算机控制技术等方面的研究。

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知础2∞7

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485

万方数据 


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