一文讀懂ICP刻蝕技術(shù)

 

電感耦合等離子體刻蝕（ICP，Inductively Couple Plasma）刻蝕工作原理是：用高頻火花引燃時(shí)，部分Ar工作氣體被電離，產(chǎn)生的電子和氬離子在高頻電磁場(chǎng)中被加速，它們與中性原子碰撞，使更多的工作氣體電離，形成等離子體氣體。導(dǎo)電的等離子體氣體在磁場(chǎng)作用下感生出的強(qiáng)大的感生電流產(chǎn)生大量的熱能又將等離子體加熱，使其溫度達(dá)到1×10^4K，形成ICP放電。

電感耦合等離子體刻蝕是物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程共同作用的結(jié)果，在真空低氣壓下，ICP射頻電源產(chǎn)生的射頻輸出到環(huán)形耦合線圈，以一定比例混合的氣體經(jīng)耦合輝光放電，產(chǎn)生高密度的等離子體，在下電極RF射頻作用下，這些等離子對(duì)基片表面進(jìn)行轟擊，基片材料的化學(xué)鍵被打斷，與刻蝕氣體反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)，以氣體形式脫離基片，從真空管路被抽走。

 

ICP刻蝕的優(yōu)勢(shì)：ICP刻蝕技術(shù)具有刻蝕速率快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點(diǎn)；ICP刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形小、操作簡(jiǎn)便、便于自動(dòng)控制、適合大面積基片刻蝕。近年來(lái)，ICP刻蝕技術(shù)被廣泛應(yīng)用在硅、二氧化硅、III-V族化合物、金屬等材料的刻蝕上

 

 

 

 

 

電感耦合等離子體（ICP）刻蝕機(jī)包括兩套通過(guò)自動(dòng)匹配網(wǎng)絡(luò)控制的13.56MHz 射頻電源，一套連接纏繞在腔室外的螺線圈，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)耦合的電場(chǎng)， 在電場(chǎng)作用下， 刻蝕氣體輝光放電產(chǎn)生高密度等離子體。功率的大小直接影響等離子體的電離率， 從而影響等離子體的密度。第二套射頻電源連接在腔室內(nèi)下方的電極上，主要為等離子提供能量。這樣兩套R(shí)F電源的配置，使得在低離子能量條件下，可以增加離子密度，從而提高刻蝕速率的同時(shí)，保證對(duì)晶片的損傷降到最低。

 

 

（1）負(fù)載效應(yīng)

刻蝕中還存在負(fù)載效應(yīng)，即發(fā)生刻蝕速率變慢的情況。分為宏觀負(fù)載效應(yīng)和微觀負(fù)載效應(yīng)�？涛g面積很大時(shí)，因?yàn)闅怏w傳輸受限和刻蝕氣體耗盡，刻蝕速率會(huì)較慢，這稱為宏觀負(fù)載效應(yīng)。在微細(xì)圖形的局部區(qū)域內(nèi)， 被刻蝕材料的密度過(guò)高造成刻蝕氣體耗盡的情況稱為微觀負(fù)載效應(yīng)。

 

（2）圖形保真度

設(shè)橫向刻蝕速率為V1，縱向刻蝕速率為V2，通常用A 表示刻蝕的各向異性刻蝕的程度，定義如下：

A=1，表示圖形轉(zhuǎn)移中沒(méi)有失真， 刻蝕具有很好的各向異性。A=0，圖形失真情況嚴(yán)重，刻蝕為各向同性。

（3）均勻性

在材料制備時(shí)， 薄膜厚度一般有一定的不均勻性， 而刻蝕時(shí)同一襯底片的不同位置的刻蝕速率也不同。這些都會(huì)造成圖形轉(zhuǎn)移的不均勻。

刻蝕的均勻性在很大程度上依賴于設(shè)備的硬件參數(shù)， 如反應(yīng)室的設(shè)置， 氣流， 離子濃度等均勻性情況。其次是工藝參數(shù)的影響。

對(duì)于大襯底的刻蝕， 如果刻蝕時(shí)間不夠， 膜厚處沒(méi)有刻蝕完全；但是刻蝕時(shí)間太長(zhǎng)，膜薄處會(huì)造成過(guò)刻蝕，實(shí)際情況中需要綜合考慮。也可以在被刻蝕材料的下層制備截止層，截止層選用和被刻蝕材料有很高選擇比的材料， 這樣可以加長(zhǎng)刻蝕時(shí)間， 保證膜厚處被刻蝕干凈，膜薄處也不會(huì)造成明顯的過(guò)刻蝕。

除了同一樣片不同位置的均勻性問(wèn)題， 同一刻蝕條件不同樣片的刻蝕均勻性（也稱重復(fù)性）也很重要。重復(fù)性與反應(yīng)室的狀況有很大的關(guān)聯(lián)性。

（4）表面形貌

一般情況下， 刻蝕后的表面形貌都希望側(cè)壁陡直光滑， 刻蝕地面平滑。但對(duì)于不同的器件有時(shí)也有特殊要求，如需傾斜剖面、微透鏡結(jié)構(gòu)等。

（5）刻蝕的清潔

刻蝕中防止玷污是非常重要的。如果在接觸孔的位置出現(xiàn)重金屬沾污也會(huì)造成漏電。對(duì)于干法刻蝕，刻蝕表面還會(huì)出現(xiàn)聚合物的再淀積。

 

 

 

等離子體刻蝕有四種基本的過(guò)程，他們分別是物理濺射刻蝕（Sputtering）、純化學(xué)刻蝕（Chemical）、離子增強(qiáng)刻蝕（Ion enhanced energetic）、側(cè)壁抑制刻蝕（Ion enhanced inhibitor）。

1) 物理濺射刻蝕（Sputtering）

濺射工藝是以一定能量的粒子（離子或中性原子、分子）轟擊固體表面，使固體近表面的原子或分子獲得足夠大的能量而最終逸出固體表面的工藝。等離子體所提供的離子能量約為幾百eV，一般來(lái)說(shuō)會(huì)高于濺射產(chǎn)生的閾值（幾十eV）。在等離子提供的能量范圍內(nèi)，濺射率隨著離子本身能量的增大而急劇增加。不同材料的濺射速率在離子能量一定的情況下相差不大，因此濺射是純物理的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程選擇性差，速率低。

但是物理濺射刻蝕，離子轟擊具有很強(qiáng)的方向性，使得被刻蝕材料具有很好的各向異性。

2) 純化學(xué)刻蝕（Chemical）

在純化學(xué)刻蝕中，等離子體提供中性的活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)與薄膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成相應(yīng)的氣相產(chǎn)物。如刻蝕Si材料常用F基氣體，因?yàn)闀?huì)生成易揮發(fā)的SiF4.

化學(xué)刻蝕是各項(xiàng)同性的，活性基團(tuán)會(huì)以近似角分布到達(dá)被刻蝕材料表面，反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)產(chǎn)物必須是可揮發(fā)的。一般來(lái)說(shuō)化學(xué)刻蝕可以獲得高的速率以及選擇比。

3) 離子增強(qiáng)刻蝕（Ion enhanced energetic）

離子增強(qiáng)刻蝕是物理濺射和化學(xué)刻蝕互相結(jié)合的工藝方式。物理濺射中物理轟擊的作用可以大大增強(qiáng)薄膜表面的化學(xué)反應(yīng)的活性，刻蝕的效果相較單一的物理和化學(xué)刻蝕，效果顯著。等離子體既提供了粒子通量又賦予離子能量。

4) 側(cè)壁抑制刻蝕（Ion enhanced inhibitor）

這種刻蝕方式主要應(yīng)用于深刻蝕，如Bosch工藝，深硅刻蝕運(yùn)用分子量較大的鈍化氣體C4F8與SF6搭配，刻蝕和鈍化交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)側(cè)壁垂直的深刻蝕工藝。

 

 

 

ICP 工藝中影響刻蝕效果的因素很多。工藝參數(shù)里包括源功率、偏壓功率、刻蝕氣體及流量、工作氣壓和溫度等。此外，掩膜的制備和反應(yīng)室內(nèi)壁的情況對(duì)刻蝕結(jié)果也有很重要的影響。

1.掩膜的影響

ICP 刻蝕是圖形轉(zhuǎn)移的過(guò)程，因此掩膜的制備對(duì)刻蝕非常重要。最常見(jiàn)的掩膜是光刻膠(Photoresist.PR)、SiO2和金屬(如A1、Ni等)。一個(gè)好的掩膜要求陡直度較高，邊緣光滑。底部去除干凈無(wú)殘留，抗高溫和抗轟擊能力強(qiáng)。

掩膜的陡直度和邊緣的光滑程度直接影響刻蝕剖面的陡直度和側(cè)壁的光滑程度。雖然可以通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整改善刻蝕形貌，但是效果遠(yuǎn)不如掩膜質(zhì)量的改善。因此高質(zhì)量的光刻技術(shù)對(duì)刻蝕非常重要。

(1)幾乎所有的掩膜制備都需要由光刻制備，光刻膠掩膜的制備最容易，精度也最高。但是，光刻膠的抗高溫和抗轟擊能力很差，只能用于低溫工藝，通常選擇比也較低。

(2)硬掩膜

SIO2 和金屬等硬掩膜一般需要光刻膠圖形的二次轉(zhuǎn)移，圖形精度會(huì)有所損失。但是它們的抗高溫和抗轟擊能力很好，選擇比高，可以刻蝕更深的深度。

2.工藝參數(shù)的影響

(1)ICP Power 源功率

這個(gè)功率源的主要作用是產(chǎn)生高密度等離子體，控制離子通量。功率增加時(shí)，離子和活性基密度增加，刻蝕速率也增加。一般情況下，選擇比也會(huì)增加。但過(guò)高時(shí)，均勻性會(huì)下降。

同時(shí)，源功率增加會(huì)帶給襯底更多的熱負(fù)荷，襯底溫度會(huì)明顯升高，對(duì)于需要低溫的工藝影響較大，需要更好的溫控系統(tǒng)。

(2)RF Power 偏壓功率

偏壓功率源主要作用是控制離子轟擊能量。對(duì)刻蝕速率和臺(tái)階角度影響很大。偏壓功率增加，刻蝕速率明顯增加。但是同時(shí)對(duì)掩膜的刻蝕也明顯增加，可能導(dǎo)致選擇比下降，臺(tái)階形貌變差。偏壓功率過(guò)高有時(shí)會(huì)在臺(tái)階底部形成“trenching”溝槽。

(3)工作氣壓

ICP 刻蝕的工作氣壓一般都小于 50mTorr，典型值在幾個(gè) mTorr 至十幾mTorr。在這樣的低氣壓條件下，粒子的平均自由程很長(zhǎng)，方向性好，離子轟擊作用也較強(qiáng)。同時(shí)，低氣壓也有利于揮發(fā)性刻蝕產(chǎn)物的解吸附，易獲得好的刻蝕結(jié)果。氣壓對(duì)均勻性影響很大，氣壓減小時(shí)均勻性更好。因此，氣壓減小，刻蝕的各向異性增加，均勻性和臺(tái)階角度會(huì)更好。

氣壓對(duì)刻蝕速率的影響隨刻蝕材料和氣體的不同而有明顯的差異。對(duì)于化學(xué)作用較強(qiáng)的工藝，如 GaAs 的刻蝕，氣壓較大時(shí)因?yàn)榛钚曰�和離子密度增加，刻蝕速率和選擇比會(huì)有較大增加。而對(duì)物理作用較強(qiáng)的工藝，如 SiO2 的刻蝕，氣壓增加時(shí)刻飩速率變化不大。

(4)氣體成分和流量

等離子體刻蝕中經(jīng)常使用含多種成分的混合氣體。這些氣體大體可分為三類。第一類是

主要刻蝕反應(yīng)氣體，與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物。如 CI2、CF4、SF6 等。

第二類是起抑制作用的氣體,可以在側(cè)壁形成阻擋層,實(shí)現(xiàn)高的各向異性刻蝕,如 CHF3、 BCl3、SiCI4、CH4等。

第三類是起稀釋或特殊作用的惰性氣體，如 Ar、He、N2 等�？梢栽鰪�(qiáng)等離子體的穩(wěn)定性，改善刻蝕均勻性，或增加離子轟擊作用在(如 Ar)來(lái)提高各向異性和提高選擇比(如 H2、O2)等。

為了實(shí)現(xiàn)不同的刻蝕結(jié)果，平衡每一類氣體的作用(選用合適的流量比)非常重要。如果需要獲得較高的刻鐘速率,應(yīng)選擇和被刻蝕材料反應(yīng)積極并目生成物非常易干揮發(fā)的反應(yīng)類氣體，同時(shí)可以適當(dāng)提高其百分比濃度。但是，如果是被刻蝕層偏薄，對(duì)下層材料的選擇出又較低的情況，常常提高抑制氣體和稀釋氣體的比例來(lái)降低刻蝕速露，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刻鐘終點(diǎn)的精確控制。

(5)溫度

溫度對(duì)刻蝕速率的影響主要體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)速率的變化。因此為了保證刻蝕速率的均勻性和重復(fù)性，必須精確的控制襯底溫度。

高溫可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)也有利于揮發(fā)性產(chǎn)物的解吸附。對(duì)于刻蝕生成物揮發(fā)溫度較高的工藝，如 InP的刻蝕，高溫會(huì)帶來(lái)有利的影響，但是對(duì)于以光刻膠為掩膜的低溫工藝來(lái)說(shuō)，溫度必須控制在較低的水平。溫度過(guò)高時(shí)光刻膠會(huì)軟化變形，造成刻蝕圖形的偏差。嚴(yán)重時(shí)光刻膠會(huì)碳化，導(dǎo)致刻蝕后很難去除。如果必須使用較高的襯底溫度，需要改為 SiO2、金屬等硬掩膜。

外加功率在很大程度上會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。對(duì)于ICP 這種等離子體，功率一般很高，反應(yīng)中襯底溫升很快。如果工藝對(duì)溫度非常敏感，在參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)更加注意。