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2004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 2004
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(2004) 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)
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1 实 验
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
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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:2003-07-15. 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).
第5期 陈晓南, 等:等离子体刻蚀中工艺参数对刻蚀速率影响的研究547
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,
会
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.
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3 结 论
(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
的关系曲线
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
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