基于ICP的硅高深寬比溝槽刻蝕技術

展明浩，宋同晶，皇 華，王文婧，陳 博

(1.合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009;2.中國兵器工業第214所工藝1部，安徽蚌埠 233042)

基于ICP的硅高深寬比溝槽刻蝕技術

展明浩1，宋同晶1，皇 華1，王文婧2，陳 博2

(1.合肥工業大學電子科學與應用物理學院，安徽合肥 230009;2.中國兵器工業第214所工藝1部，安徽蚌埠 233042)

介紹了電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術的基本概念。結合英國STS公司的STS multiplex ICP system刻蝕機，介紹了刻蝕機原理及刻蝕過程。對硅深槽刻蝕技術進行了分析，對其中Footing效應、Lag效應和側壁光滑問題提出了優化方案，最后在實驗的基礎上得出了能夠刻蝕出高質量硅深溝槽的刻蝕參數。

ICP刻蝕;Footing效應;Lag效應;側壁光滑度;高深寬比

微機電系統是一門多學科交叉的前沿技術，主要使用半導體工藝技術，將微機械結構和電路集成到一起，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低等優點［1］。高深寬比溝槽是制備MEMS器件的關鍵步驟。由于ICP(Intemet Content Provider)刻蝕技術控制具有精度高、大面積刻蝕均勻性好、污染少等優點，在微機電系統中經常用于加工高深寬比的垂直形貌［2］。浙江大學的Wang Tao，Yu Bin等人使用ICP刻蝕技術的基礎上通過自限制的氧化方式制備出垂直堆疊的單結晶硅納米線［3］。University of Dayton 的 Lirong Sun 和 Andrew Sarangan也是在ICP刻蝕的基礎上制備出可用于硅微光學結構的傾斜側壁［4］。

1 ICP刻蝕技術

在生產中刻蝕工藝主要分為濕法化學刻蝕工藝和干法刻蝕工藝兩種。濕法化學刻蝕是將樣品浸沒在化學溶劑中，該溶劑與基底產生反應，形成可以溶解的副產品。但濕法化學腐蝕工藝較難控制，無法避免溶劑微粒的對器件的污染而導致較高的缺陷水平，而且會產生大量的化學廢液。與濕法化學刻蝕相比，干法刻蝕則具有明顯的優點。等離子氣體的反應可以方便地開始和結束。而且，等離子對樣品表面溫度的微小變化不敏感。這些優點使得干法刻蝕比濕法化學刻蝕更容易重復進行。干法刻蝕技術具有較高的各向異性，這對于加工高深寬比溝槽特別重要。相比液體溶劑，干法刻蝕產生的廢氣更易于處理。

ICP刻蝕技術的前身是反應離子刻蝕(Reactive Ion Eeching，RIE)，其刻蝕過程包括復雜的物理和化學反應。物理反應過程是反映墻體內的離子對樣品表面進行轟擊，打斷化學鍵，增加表面的黏附性，同時促進表面生成非揮發性的殘留物等。化學反應是刻蝕氣體通過輝光放電，使腔體內的各種離子、原子和活性游離基等發生化學反應。同時，這些粒子也會和基片表面材料反應生成氣體，產生刻蝕溝槽。

2 ICP設備結構與原理

圖1為STS ICP system刻蝕機的基本結構圖［5］。刻蝕氣體從腔室上方進入，其流量由質量流量計調節控制。系統分別由兩個獨立的射頻功率源，一路連接到真空反應腔室外的電感線圈上，用于反應氣體的電離。另一路連接到反應腔室內防止硅片的平臺上，作用是調節電離的例子能量，使其達到硅片表面，達到一定的刻蝕速率和各向異性的刻蝕效果。在刻蝕過程中，關鍵是控制影響刻蝕與淀積的各個因素，以達到理想的刻蝕效果。腔室內使用射頻電源箱控技術使離子源電源和偏壓電源的相位同步，以確保粒子密度和偏壓同步進行增減，提高刻蝕效率。

圖1 STS Multiplex ICP system刻蝕機的基本結構圖

3 使用氟基氣體進行高深寬比刻蝕

硅基ICP的刻蝕過程主要包括鈍化和刻蝕兩個步驟依次交替進行。如圖2所示。

圖2 Bosch刻蝕過程

步驟1 鈍化(沉積側壁保護膜)。

ICP刻蝕時加入反應氣體CF4(或C4F8)，這些氣體在反應腔體內電離成離子態的CF2基與活性氟基，其中CF2基于硅表面反應，形成(CF2)n高分子態鈍化膜，附著在硅表面形成一層保護膜。這種保護膜在下一步的刻蝕過程中可以起到保護側壁的作用。

沉積保護膜的反應式為

步驟2 刻蝕。

通入反應氣體SF6，在增大氟離子濃度的同時，提高了化學性刻蝕的速率。在刻蝕過程中，附著在側壁的(CF2)n高分子聚合物在受到非垂直離子碰撞側壁的影響下，脫離側壁移動，重新在更深的側壁上附著形成聚合物薄膜。

硅刻蝕的反應式為

4 ICP刻蝕中常見的效應

4.1 Footing效應

在刻蝕SOI硅片的時候，由于頂層硅和襯底之間引入了一層氧化層，在深槽刻蝕時經常在絕緣層附近出現過刻蝕。也就是當刻蝕到停止層時，會在界面附近繼續橫向刻蝕，出現圖3的形狀，這就是所謂的Footing效應。

圖3 Footing效應SEM圖片

減小Footing效應，一般的做法是使用低頻偏壓刻蝕，在刻蝕到絕緣層表面時，由于刻蝕偏壓較低，轟擊到絕緣層的離子反彈較弱，可以減輕Footing效應。

4.2 Lag效應

硅的刻蝕速率隨著深寬比的增加而下降，稱為(Lag)效應，如圖4所示。Lag效應不僅存在于不同深寬比刻蝕，固定結構刻蝕也普遍存在。一般認為Lag效應的產生與反應物和生成物輸運受阻有關系。更大的深寬比會影響氣流的通暢度，在導致離子到達反應表面時功率減小，刻蝕速率降低。同時側壁會吸收更多的離子，使到達反應表面的反應離子變少。如上種種原因導致了刻蝕速率隨著深寬比的增加而降低。

圖4 Lag效應SEM圖片

目前對Lag效應的研究在數值模擬以及實驗中，基本都是通過改變刻蝕圖形的深寬比來進行［6］。實踐中，是通過設備的刻蝕參數和改變刻蝕各過程的時間，使各個溝槽的深度處于同一水平。但僅改變圖形寬度是無法獲得理想的刻蝕溝槽。

4.3 刻蝕溝槽的側壁光滑度問題

傳統的Bosch技術刻蝕出的溝槽往往會在側壁上出現波浪狀起伏，這是由于Bosch刻蝕的刻蝕機理所致，無法避免。然而可以通過改變刻蝕過程中氣體的成分和流量、縮短刻蝕時間和沉積時間，使刻蝕出的溝槽滿足器件的要求。

根據大量實驗所得，在刻蝕周期加入少量的C4F8氣體，可以減小Bosch過程中刻蝕周期的橫向鉆蝕，在側壁上的效果就是使起伏波浪的波谷變淺。同時，添加少量的O2，可以顯著增加刻蝕速率。裸露出來的硅槽側壁還可以被高活性的氧離子氧化，形成一層SiO2薄膜，對側壁起到保護作用。這樣就在淀積周期到來之前，已經在側壁上形成了一層保護膜，再加上淀積周期中的CFx聚合物，刻蝕過程中側壁受到了雙層保護。而且在刻蝕過程中的高活性氧離子還會氧化側壁上波浪起伏的“波峰”，減其鋒芒，在一定程度上降低側壁的粗糙度。

5 刻蝕實驗

經過多次刻蝕實驗，得出優化刻蝕方案，如表1所示。使用0.1 μm厚的鉻作為掩膜層，在STS Multiplex ICP system刻蝕機進行了刻蝕實驗。最終得到了側壁光滑，深寬比接近30∶1的硅深溝槽。而且在保持高深寬比的同時，側壁陡直度與光滑度良好，如圖5所示。

表1 優化的刻蝕參數

圖5 深寬比接近30∶1的硅深溝槽SEM圖片

6 結束語

基于ICP刻蝕技術，討論了在刻蝕硅深溝槽中出現的Lag效應和Footing效應，闡述了其產生的原理，針對這些效應提出了優化的參數方案。并在實驗的基礎上得到了深寬比接近30∶1，側壁光滑且陡直度良好的硅深溝槽。

［1］鄭志霞，馮勇健，張春權.ICP刻蝕技術研究［J］.廈門大學學報:自然科學版，2004，43(8):365 －368.

［2］AYON A A，ZHANG X，KHANNA R.Anisotropic silicon trenches 300 ～500 μm deep employing EMDE ［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2001，91(3):381 －385.

［3］HYNES A M，ASHRAF H，BHARDWAJ J K，et al.Recent advances in silicon etching for MEMS using the ASETMprocess［J］.Sensors and Actuators A:Physical，1999，74(1－3):13－17.

［4］LIRONG S，SARANGAN A.Fabrication of sloped sidewalls by inductively coupled plasma etching for silicon micro－optic structures［J］.Journal of Microlithography，Microfabrication，and Microsystems，2011，10(2):56 －62.

［5］WANG Tao，YU Bin，LIU Yan，et al.Fabrication of vertically stacked single－crystalline Si nanowires using self－limiting oxidation［J］.Nanotechnology，2012，23(1):0153 －0160.

［6］THUY T Q，JOHNSTON S，LINDQUIST R.Contact Etch in the LAM 4520XL using standard CF4/CHF3chemistry［C］.IEEE:Advanced Semiconductor Manufacturing Conference and Workshop，1996:12－14.

Study of High Aspect Ratio Silicon Trench Etching Based on ICP

ZHAN Minghao1，SONG Tongjing1，HUANG Hua1，WANG Wenjing2，CHEN Bo2
(1.School of Electronic Science and Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.First Department of Techniques，No.214 Institute of Chinese Ordnance Industry，Bengbu 233042，China)

This paper introduces the basic concepts of the inductively coupled plasma(ICP)etching technique.On the basis of the STS multiplex ICP system etching machine，it describes the principle of the etching machine and the etching process.The silicon deep trench etching technology is analyzed.An optimization scheme is presented for such problems as footing effect，lag effect and sidewalls roughness.With lots of experiments，we have obtained the etching conditions for etching high aspect ratio silicon deep trench.

ICP etching;Footing effect;Lag effect;sidewall roughness;high aspect ratio

TN305.7

A

1007－7820(2012)08－077－03

2012-03-08

展明浩(1966—)，男，研究員。研究方向:MEMS傳感器。宋同晶(1988—)，男，碩士研究生。研究方向:ICP刻蝕技術。