基于ICP的硅高深宽比沟槽刻蚀技术

展明浩，宋同晶，皇 华，王文婧，陈 博

(1.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009;2.中国兵器工业第214所工艺1部，安徽蚌埠 233042)

基于ICP的硅高深宽比沟槽刻蚀技术

展明浩1，宋同晶1，皇 华1，王文婧2，陈 博2

(1.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽合肥 230009;2.中国兵器工业第214所工艺1部，安徽蚌埠 233042)

介绍了电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术的基本概念。结合英国STS公司的STS multiplex ICP system刻蚀机，介绍了刻蚀机原理及刻蚀过程。对硅深槽刻蚀技术进行了分析，对其中Footing效应、Lag效应和侧壁光滑问题提出了优化方案，最后在实验的基础上得出了能够刻蚀出高质量硅深沟槽的刻蚀参数。

ICP刻蚀;Footing效应;Lag效应;侧壁光滑度;高深宽比

微机电系统是一门多学科交叉的前沿技术，主要使用半导体工艺技术，将微机械结构和电路集成到一起，具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优点［1］。高深宽比沟槽是制备MEMS器件的关键步骤。由于ICP(Intemet Content Provider)刻蚀技术控制具有精度高、大面积刻蚀均匀性好、污染少等优点，在微机电系统中经常用于加工高深宽比的垂直形貌［2］。浙江大学的Wang Tao，Yu Bin等人使用ICP刻蚀技术的基础上通过自限制的氧化方式制备出垂直堆叠的单结晶硅纳米线［3］。University of Dayton 的 Lirong Sun 和 Andrew Sarangan也是在ICP刻蚀的基础上制备出可用于硅微光学结构的倾斜侧壁［4］。

1 ICP刻蚀技术

在生产中刻蚀工艺主要分为湿法化学刻蚀工艺和干法刻蚀工艺两种。湿法化学刻蚀是将样品浸没在化学溶剂中，该溶剂与基底产生反应，形成可以溶解的副产品。但湿法化学腐蚀工艺较难控制，无法避免溶剂微粒的对器件的污染而导致较高的缺陷水平，而且会产生大量的化学废液。与湿法化学刻蚀相比，干法刻蚀则具有明显的优点。等离子气体的反应可以方便地开始和结束。而且，等离子对样品表面温度的微小变化不敏感。这些优点使得干法刻蚀比湿法化学刻蚀更容易重复进行。干法刻蚀技术具有较高的各向异性，这对于加工高深宽比沟槽特别重要。相比液体溶剂，干法刻蚀产生的废气更易于处理。

ICP刻蚀技术的前身是反应离子刻蚀(Reactive Ion Eeching，RIE)，其刻蚀过程包括复杂的物理和化学反应。物理反应过程是反映墙体内的离子对样品表面进行轰击，打断化学键，增加表面的黏附性，同时促进表面生成非挥发性的残留物等。化学反应是刻蚀气体通过辉光放电，使腔体内的各种离子、原子和活性游离基等发生化学反应。同时，这些粒子也会和基片表面材料反应生成气体，产生刻蚀沟槽。

2 ICP设备结构与原理

图1为STS ICP system刻蚀机的基本结构图［5］。刻蚀气体从腔室上方进入，其流量由质量流量计调节控制。系统分别由两个独立的射频功率源，一路连接到真空反应腔室外的电感线圈上，用于反应气体的电离。另一路连接到反应腔室内防止硅片的平台上，作用是调节电离的例子能量，使其达到硅片表面，达到一定的刻蚀速率和各向异性的刻蚀效果。在刻蚀过程中，关键是控制影响刻蚀与淀积的各个因素，以达到理想的刻蚀效果。腔室内使用射频电源箱控技术使离子源电源和偏压电源的相位同步，以确保粒子密度和偏压同步进行增减，提高刻蚀效率。

图1 STS Multiplex ICP system刻蚀机的基本结构图

3 使用氟基气体进行高深宽比刻蚀

硅基ICP的刻蚀过程主要包括钝化和刻蚀两个步骤依次交替进行。如图2所示。

图2 Bosch刻蚀过程

步骤1 钝化(沉积侧壁保护膜)。

ICP刻蚀时加入反应气体CF4(或C4F8)，这些气体在反应腔体内电离成离子态的CF2基与活性氟基，其中CF2基于硅表面反应，形成(CF2)n高分子态钝化膜，附着在硅表面形成一层保护膜。这种保护膜在下一步的刻蚀过程中可以起到保护侧壁的作用。

沉积保护膜的反应式为

步骤2 刻蚀。

通入反应气体SF6，在增大氟离子浓度的同时，提高了化学性刻蚀的速率。在刻蚀过程中，附着在侧壁的(CF2)n高分子聚合物在受到非垂直离子碰撞侧壁的影响下，脱离侧壁移动，重新在更深的侧壁上附着形成聚合物薄膜。

硅刻蚀的反应式为

4 ICP刻蚀中常见的效应

4.1 Footing效应

在刻蚀SOI硅片的时候，由于顶层硅和衬底之间引入了一层氧化层，在深槽刻蚀时经常在绝缘层附近出现过刻蚀。也就是当刻蚀到停止层时，会在界面附近继续横向刻蚀，出现图3的形状，这就是所谓的Footing效应。

图3 Footing效应SEM图片

减小Footing效应，一般的做法是使用低频偏压刻蚀，在刻蚀到绝缘层表面时，由于刻蚀偏压较低，轰击到绝缘层的离子反弹较弱，可以减轻Footing效应。

4.2 Lag效应

硅的刻蚀速率随着深宽比的增加而下降，称为(Lag)效应，如图4所示。Lag效应不仅存在于不同深宽比刻蚀，固定结构刻蚀也普遍存在。一般认为Lag效应的产生与反应物和生成物输运受阻有关系。更大的深宽比会影响气流的通畅度，在导致离子到达反应表面时功率减小，刻蚀速率降低。同时侧壁会吸收更多的离子，使到达反应表面的反应离子变少。如上种种原因导致了刻蚀速率随着深宽比的增加而降低。

图4 Lag效应SEM图片

目前对Lag效应的研究在数值模拟以及实验中，基本都是通过改变刻蚀图形的深宽比来进行［6］。实践中，是通过设备的刻蚀参数和改变刻蚀各过程的时间，使各个沟槽的深度处于同一水平。但仅改变图形宽度是无法获得理想的刻蚀沟槽。

4.3 刻蚀沟槽的侧壁光滑度问题

传统的Bosch技术刻蚀出的沟槽往往会在侧壁上出现波浪状起伏，这是由于Bosch刻蚀的刻蚀机理所致，无法避免。然而可以通过改变刻蚀过程中气体的成分和流量、缩短刻蚀时间和沉积时间，使刻蚀出的沟槽满足器件的要求。

根据大量实验所得，在刻蚀周期加入少量的C4F8气体，可以减小Bosch过程中刻蚀周期的横向钻蚀，在侧壁上的效果就是使起伏波浪的波谷变浅。同时，添加少量的O2，可以显著增加刻蚀速率。裸露出来的硅槽侧壁还可以被高活性的氧离子氧化，形成一层SiO2薄膜，对侧壁起到保护作用。这样就在淀积周期到来之前，已经在侧壁上形成了一层保护膜，再加上淀积周期中的CFx聚合物，刻蚀过程中侧壁受到了双层保护。而且在刻蚀过程中的高活性氧离子还会氧化侧壁上波浪起伏的“波峰”，减其锋芒，在一定程度上降低侧壁的粗糙度。

5 刻蚀实验

经过多次刻蚀实验，得出优化刻蚀方案，如表1所示。使用0.1 μm厚的铬作为掩膜层，在STS Multiplex ICP system刻蚀机进行了刻蚀实验。最终得到了侧壁光滑，深宽比接近30∶1的硅深沟槽。而且在保持高深宽比的同时，侧壁陡直度与光滑度良好，如图5所示。

表1 优化的刻蚀参数

图5 深宽比接近30∶1的硅深沟槽SEM图片

6 结束语

基于ICP刻蚀技术，讨论了在刻蚀硅深沟槽中出现的Lag效应和Footing效应，阐述了其产生的原理，针对这些效应提出了优化的参数方案。并在实验的基础上得到了深宽比接近30∶1，侧壁光滑且陡直度良好的硅深沟槽。

［1］郑志霞，冯勇健，张春权.ICP刻蚀技术研究［J］.厦门大学学报:自然科学版，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，研究员。研究方向:MEMS传感器。宋同晶(1988—)，男，硕士研究生。研究方向:ICP刻蚀技术。