MEMS/Sensor工艺中无定形碳应用及干法蚀刻研究

伏广才，倪 梁，汪新学

（中芯国际集成电路制造（上海）有限公司3D&IC技术研发中心，上海201203）

MEMS/Sensor工艺中无定形碳应用及干法蚀刻研究

伏广才，倪 梁，汪新学

（中芯国际集成电路制造（上海）有限公司3D&IC技术研发中心，上海201203）

提出一套新的无定型碳牺牲层蚀刻工艺，新工艺应用于MEMS和Sensor牺牲材料工艺中，能够很好地解决无定形碳蚀刻工艺中有机副产物问题。在无定形碳蚀刻工艺中添加低浓度的CF4蚀刻气体（1%~5%），有助于去除在蚀刻过程中侧壁形成的有机副产物。在无定形碳蚀刻工艺前添加一步光刻胶硬化步骤，和在无定形碳蚀刻工艺后添加一步有机副产物各项异性蚀刻步骤，有助于去除表面产生的有机副产物。并针对新工艺去除无定形碳蚀刻过程中形成的有机副产物反应机制进行了详尽阐述与讨论。

无定形碳干法蚀刻；MEMS；Sensor；有机副产物去除

1 引言

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS）是利用微细加工技术在芯片上集成传感器、执行器、处理控制电路的微型系统。随着半导体技术的不断发展，使用微电子机械系统技术制作而成的MEMS器件十分引人注目[1]。

微机电系统中的传感器能够接收压力、位置、速度、加速度、磁场、温度或湿度等外部信息，并将所获得的外部信息转换成电信号，以便于在微机电系统中进行处理。在MEMS制备工艺中通常都会包含一道形成空腔的工艺步骤，传统工艺是使用二氧化硅作为牺牲材料，用氟化氢蒸汽作为蚀刻气体来形成MEMS所必需的空腔。然而，这种工艺需要特殊设备和氟化氢蒸汽，大大增加工业化制成的难度[2]。

无定形碳通常被用来作为硬掩模层材料来取代一部分光阻，这种工艺比较稳定而且能很好地与现有工艺匹配，并且已被转入商业化生产[3,4]。然而，把无定形碳作为牺牲材料用在MEMS/Sensor工艺形成空腔的工艺很少有报道。

在采用无定型碳（Amorphous carbon）作为牺牲层材料的现有工艺中，利用无定形碳和氧气反应后以形成二氧化碳等气体，用以去除牺牲层无定形碳，形成所述空腔。然而，在无定形碳蚀刻过程中存在有机副产物难以去除的问题。

为此，在MEMS工艺中，如何改善蚀刻牺牲层工艺，避免形成过多的副产物是本领域技术人员亟待解决的问题。本文提出一套新的无定形碳牺牲层蚀刻工艺，很好地解决了采用无定形碳作为牺牲层蚀刻工艺中有机副产物难以去除的问题并实现工业级目标。

2 实验

无定形碳的硬掩模层（氧化硅或氮化硅）采用AMAT E-max氧化硅介质干法蚀刻系统进行图形转移，采用CF4、CHF3和Ar气体作为蚀刻气体进行蚀刻。无定形碳采用LAM Rearch exelan氧化硅介质干法蚀刻系统进行图形化转移。采用O2、CF4、N2、CO和Ar或其中几种气体进行蚀刻。蚀刻后结果利用扫描电镜（SEM）进行图形化形貌表征。

3 结果讨论

工艺条件（A）直接采用O2/Ar蚀刻气体在LAM Rearch exelan氧化硅介质蚀刻机台上进行蚀刻形成图形化，经过清洗后。工艺条件（A）的实验结果如图1所示，在表面和侧壁上都会形成一些蚀刻有机副产物，很难去除。这些副产物会影响后面的工艺制成，在经过后续工艺制成后，这些副产物会脱落产生大量缺陷影响产品的良率。

图1 工艺条件（A）扫描电镜形貌表征

工艺条件（B），在工艺条件（A）的基础上进行优化，采用三步蚀刻方法进行蚀刻。工艺条件（B）在原有工艺条件（A）的基础上引入CF4蚀刻气体，并改变蚀刻工艺，多加一步光刻胶硬化步骤和有机副产物干法蚀刻步骤。第一步光刻胶硬化步骤采用O2/ Ar蚀刻气体在低压低功率条件下进行光刻胶硬化。第二步无定形碳蚀刻步骤在原有工艺条件下引入少量CF4蚀刻气体（1%~5%）。第三步采用CF4/O2/Ar在低压低功率条件下各向异性干法蚀刻去除无定形碳蚀刻工艺中形成的副产物。工艺条件（B）的实验结果用扫描电镜进行形貌表征，实验结果如图2所示，从扫描电镜形貌上看优化后的工艺条件（B）没有蚀刻有机副产物残留。

为了进一步说明新的工艺条件能够解决无定形碳蚀刻过程中形成有机副产物的问题，我们设计了另外两组工艺条件（C）和工艺条件（D）进行实验。并分别对这两组工艺条件结果用扫描电镜进行形貌表征。工艺条件（C）在工艺条件（B）的基础上减少第二步无定形碳的蚀刻时间，其他工艺参数不变。工艺条件（C）实验结果如图3所示，从扫描电镜的结果看侧壁的有机副产物很难去除，仍然有一层很厚的副产物。表面的副产物可以去除掉。

图2 工艺条件（B）扫描电镜形貌表征

图3 工艺条件（C）扫描电镜形貌表征

工艺条件（D）是在工艺条件（C）的基础上增加第三步蚀刻干法去除有机副产物的时间，其他工艺条件不变，实验结果如图4所示。从扫描电镜的结果看侧壁的有机副产物很难去除，仍然有一层很厚的副产物。表面的副产物可以去除掉。

图4 工艺条件（D）扫描电镜形貌表征

为了解释上述的实验结果，有必要考察一下无定形碳的蚀刻机制。无定形碳反应蚀刻机理如下：

上述的一些反应产物会在离子电浆的作用下产生一些离子自由基“-CO-”。在蚀刻过程中，还存在光刻胶，光刻胶也会在蚀刻的过程中形成一些有机副产物。这些有机副产物会结合上述无定形碳蚀刻过程中产生的自由基“-CO-”，再次生成很难挥发的有机副产物。这些副产物会沿着侧壁生长，并有少量会脱落散落在表面，最终形成如图1所示结果：在表面散落一部分有机副产物和在侧壁形成很厚的一层副产物。

当我们优化蚀刻工艺后，如工艺条件（B），添加一步光刻胶硬化步骤，当光刻胶硬化后，在蚀刻过程中，光刻胶的蚀刻速率会增加。在第二步无定形碳蚀刻过程中也会蚀刻光刻胶，在总的无定形碳蚀刻时间不改变的情况下，当我们增加一步光刻胶硬化步骤后，无定形碳步骤中对光刻胶的有效蚀刻时间会增加，这也会减少产生有机副产物的几率。在蚀刻无定形碳的过程中加入少量的CF4蚀刻气体（1%~5%）后，CF4蚀刻气体在离子电浆的作用下电离产生CFx+离子，CFx+离子与上述无定型碳蚀刻过程中所形成的非挥发性有机副产物结合形成挥发性的COxFy，这些挥发性物质随着蚀刻的进行会在低压的作用下被抽走。如图2工艺条件（B）所示，在蚀刻完成后会形成侧壁光滑的表面。

从工艺条件（C）和工艺条件（D）的结果看，当我们减少无定型碳的蚀刻时间，即使增加第三步干法蚀刻有机副产物的时间，侧壁的有机副产物也不会减少。因此，无定形碳蚀刻步骤工艺对侧壁产生的有机副产物起决定性作用。

关于新工艺条件（B）中添加一步各向同性干法蚀刻去除无定形碳过程中形成的有机副产物，我们给出的反应机理如下：我们认为CF4反应气体起到重要作用，是CF4蚀刻气体电离产生CFx+离子，与水平表面钝化层SiOxFy反应生成挥发性的COxFy或SOxFy，并参与对无定形碳硬掩模层的（氧化硅或氮化硅）水平表面的轰击过程，进而去除氧化硅或氮化硅表面的氧化层或钝化层，从而一并去除表面形成的有机副产物。 从实验工艺条件（B）、（C）、（D）的实验结果都能看出，再添加一步各向异性干法蚀刻去除有机副产物的步骤，扫描电镜的表征样品表面都没有发现像旧的工艺条件（A）表面的一些有机副产物。

因此，要去除侧壁的有机副产物行之有效的方法是改变无定形碳蚀刻步骤工艺。要去除表面的有机副产物行之有效的方法是调节第三步干法各向同性蚀刻有机副产物步骤工艺。

4 总结

本文提出一套新的无定型碳牺牲层蚀刻工艺，并将此工艺应用于MEMS和Sensor工艺中。讨论并给出了无定形碳蚀刻过程中形成的有机副产物反应机制。在无定形碳蚀刻工艺中添加低浓度的CF4蚀刻气体（1%~5%），有助于去除在蚀刻过程中侧壁形成的有机副产物。在无定形碳蚀刻工艺前添加一步光刻胶硬化步骤，和在无定形碳蚀刻工艺后添加一步有机副产物各向异性蚀刻步骤，有助于去除表面产生的有机副产物。把新的工艺条件应用在MEMS/ Sensor工艺中，能与现有的生产工艺很好地匹配，有望达成工业生产级目标。

致谢

感谢中芯国际集成电路制造（上海）有限公司3D&IC技术研发中心提供资源与信息技术支持。

[1] Josep Montanyà i Silvestre, Juan José Valle Fraga, Laura Barrachina Saralegui, Daniel Fernández Martínez. MEMS Device and Sensors [C]. Standard CMOS Process Transducers. Barcelona, SPAIN, 2013, 714-717.

[2] T Fujimori, H Takano, S Machida, Y Goto. Tiny（0.72 mm2）Pressure Sensor Integrating MEMS and CMOS LSI With Back-End-of Line [C]. MEMS Platform Transducers. Denver, CO, USA, 2009, 1924-1927.

[3] Kim Jong Kyu, Cho Sung Il, Kim, Nam Gun, Jhon Myung S, Min Kyung Suk, Kim Chan Kyu, Yeom Geun Young. Study on the etching characteristics of amorphous carbon layer in oxygen plasma with carbonyl sulf i de [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2013, 31（2）: 021301- 021307.

[4] Hong J, Jeon J S, Kim Y B, Min G J, Ahn T H. Novel technique to enhance etch selectivity of carbon antiref l ective coating over photoresist based on O2/CHF3/ Ar gas chemistry [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2001, 19（4）: 1379 -1383.

更 正

2014年3月刊（第14卷第3期）《基于PCB差分功分网络的设计》（作者王胜源、徐利兵、彭艳）一文中有一处错误，经作者确认，现更正如下：

第27页右栏，图8上图纵坐标“dB(S(2,1))”应为“dB(S(1,1))”。

由于我们的工作疏漏给大家造成不便，敬请谅解。

《电子与封装》编辑部

The Application and the Research on the Process of Amorphous Carbon Dry Etch in MEMS/Sensor

FU Guangcai, NI Liang, WANG Xinxue
（Semiconductor Manufacturing International（Shanghai）Corp., 3D&IC Technology Research&Development,Shanghai201203,China）

A new amorphous carbon（A-C）dry etching process is developed and applied in the fabrication of MEMS and sensor in order to achieve more eff i cient release for sacrif i cial layer. With the new process, it can solve the polymer remaining issue during the amorphous carbon dry etching process. By adding a small amount of CF4gas（1%~5%）, it can help to remove the polymer residue on the sidewall. An extra PR harden step will be added before the A-C main etching, and then an anisotropic polymer dry etching step will be followed to remove the surface polymer residue. The mechanism of polymer formation during the amorphous carbon dry etching process is illustrated and discussed in details in the paper.

amorphous carbon dry etch; MEMS; senor; polymer remove

TN305

A

1681-1070（2014）09-0040-04

伏广才（1979—），男，江苏连云港人，硕士研究生，主要研究方向为探索新型MEMS和Sensor器件的新工艺及其应用的新方向。

2014-06-09