专利名称：高深宽比氧化硅刻蚀工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及刻蚀技术领域，尤其涉及一种高深宽比氧化硅刻蚀工艺。
背景技术：
在MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)技术领域中，高深宽比刻蚀技术越来越显示出其重要性。90年代中期以来，技术人员更多地着眼于对硅材料深刻蚀的研究并取得一定的突破，从而将MEMS技术向前推进了一大步。随着MEMS技术向器件小型化、智能化和现代化的方向发展，除了对硅材料有需求以外，各种各样的以氧化硅、石英和玻璃作基础材料的新型MEMS器件也应运而生。从近年来的市场需求情况看，开展高深宽比氧化硅刻蚀技术研究将对惯性器件、光波导器件、红外传感器、新型引信、生物芯片等领域的MEMS器件研究有很好的推进作用，为这些器件的产业化奠定加工技术基础，同时对更多的新型MEMS器件研制起关键支撑作用。MEMS技术的发展亟待于先进的高深宽比氧化硅刻蚀技术的研究，该技术的突破将会对MEMS领域的研究向更广、更深方向发展产生深远的意义。
由于氧化硅刻蚀与硅刻蚀相比，存在物理化学机理和刻蚀系统两个明显的区别，其工艺的实现难度远大于硅刻蚀。研究人员尝试使用普通的RIE(Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻系统)或高密度等离子刻蚀系统进行高深宽比的氧化硅刻蚀，最先报道采用高密度等离子刻蚀系统获得氧化硅深刻蚀技术的是英国STS公司。2000年该公司在研制的设备上固化了基本的高深宽比氧化硅刻蚀技术AOE(Advanced Oxide Etch，先进的氧化硅刻蚀)，在AOE技术中使用了专用的ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)系统，工艺气体主要为C4F8气体，掩膜材料通常采用光刻胶或金属。该技术使得实现可重复、具有较好均匀性和高掩膜选择比的氧化硅深刻蚀成为可能。
在以C4F8为主要刻蚀气体的刻蚀环境中，对刻蚀速率影响较突出的工艺参数是离子源功率、承片台功率和反应室压力，在一定范围内，提高这几个参量的数值，可以明显提高刻蚀速率，但同时会引起均匀性的下降；同时，离子源或承片台功率的提高也会加大反应粒子对刻蚀样片表面的损伤程度，因此需要在高深宽比的氧化硅刻蚀工艺中找到上述各参数的平衡点。
发明内容
(一)要解决的技术问题 本发明的目的是找到刻蚀工艺条件与刻蚀参数的关系，提供一种优化的高深宽比氧化硅刻蚀工艺。
(二)技术方案 为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种高深宽比氧化硅刻蚀工艺，采用电感耦合等离子刻蚀系统，且反应气体包括C4F8、H2及He，并采用以下工艺参数窗口: 离子源功率 :1000-1800W； 承片台功率 :300-400W； 反应室压力 :4-12mT； C4F8流量 :10-20sccm/min； H2流量 :4-8sccm/min； He流量 :150-200sccm/min。
上述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺中，所述采用的工艺参数具体为: 离子源功率 :1000W； 承片台功率 :300W； 反应室压力 :8mT； C4F8流量 :10sccm/min； H2流量 :8sccm/min； He流量 :174sccm/min。
上述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺中，所述采用的工艺参数具体为: 离子源功率 :1800W； 承片台功率 :300W； 反应室压力 :8mT； C4F8流量 :10sccm/min； H2流量 :8sccm/min； He流量 :174sccm/min。
上述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺中，该工艺采用的刻蚀掩膜为光刻胶。
上述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺中，所述电感耦合等离子刻蚀系统为英国STS公司的STS AOE 34443型刻蚀机。
(三)有益效果 本发明高深宽比氧化硅刻蚀工艺的技术方案，通过对包括离子源功率、承片台功率、反应室压力等一系列重要刻蚀工艺参数的调整，可明显提高氧化硅的刻蚀速率、对刻蚀掩膜选择比和深宽比，同时能满足侧壁垂直度的刻蚀要求。
图1为本发明实施例所采用的ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子)反应室结构示意图； 图2为刻蚀反应过程示意图； 图3为刻蚀过程中活性粒子产生比例与电子碰撞数目的关系图； 图4为本发明实施例一中刻蚀速率在不同工艺参数变量下的比较示意图。
具体实施例方式 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例首先需要从等离子体刻蚀的原理出发，对氧化硅深刻蚀工艺进行探讨。
1.1 Plasma技术基本原理 等离子体是一种电离气体，其中包括分子、离子、电子等。虽然等离子体中存在自由电荷，但因为正、负电荷相互抵消，因此从整体来看等离子体呈电中性，达到某种平衡状态。在通常的放电条件下，气体的电离只是部分的，但在某些特殊情况下，也可以完全电离。等离子体是物质三态——固态、液态和气态以外的第四种可能的状态。与普通气体相比，等离子体中存在大量自由带电粒子，使其具有较强的电磁性。
等离子体具有多种不同于其他物态的基本特征，如:等离子体会在带电体和浮置电极周围形成具有屏蔽效应的鞘层；电子和离子之间存在着互相振荡等。
由于等离子体中含有大量的正负电荷，他们会自动对那些可能影响等离子体平衡的外界干扰进行屏蔽，屏蔽效应表现为:当在等离子体内引入两块分别与电源正负极相连的电极板时，等离子体内的负电荷(电子)会聚集在正电极的周围，而正电荷(正离子)会聚集在负电极的周围。当电极外电荷层中的电量与电极上所代的电量相等时就会将电极电位完全屏蔽，使在屏蔽层以外的等离子体完全不受外电极所引入的电场的影响。这一层在电极周围的空间电荷层称为鞘层。
浮置极板则是与外界没有任何电连接的极板。当把一块浮置极板放到等离子中时，在其表面将形成鞘层。
由于热运动，电子和离子随机地飞向极板。由气体分子运动所遵循的余弦定理可知，单位时间内落在单位面积极板上的粒子数是: 其中，n是粒子浓度，v是粒子的平均速度。设等离子体中的带电粒子是电子和一价正离子，二者都带有电荷e。那么飞向极板的电子和离子所引起的电流密度分别为: 可以认为，等离子体中电子和离子的浓度近似相等，即ne＝ni，但是由于电子的平均速度ve远大于离子的平均速度vi，所以je>>ji。这使极板上出现净负电荷积累，产生了相对于等离子体的负电势。在这个负电势作用下，电子受到排斥，正离子受到吸引。于是电子引起的电流密度je不断减少，而正离子引起的电流密度ji不断增加。直到极板上的负电势达到某个值Vf，此时极板与电势为Vp的等离子体之间的电势差Vp-Vf正好使je＝ji，极板电势才趋于稳定。这个稳定的电势Vf称为浮置电势，显然有Vf<Vp。这样，在浮置体周围形成了正电荷的包围层，即鞘层。Vp-Vf是电子从等离子体中穿越鞘层到达极板所需要克服的势垒，根据玻而兹曼函数，能穿越这个势垒的电子浓度ne′满足: 由于到达极板的正负电荷达到了动态平衡，因此有: 因为ne′是ne中的一部分，故有: ve′＝ve (1.2.6) 将式(1.2.4)和式(1.2.6)代入(1.2.5)可得: 考虑到ne＝ni和v＝(8kT/πm)1/2，式(1.2.7)可化为: 只有能够克服这个势垒的那部分电子才能到达极板，对刻蚀有贡献。因此等离子体的能量越高，刻蚀作用越强。
等离子体的极性相对于其中的任何浮置体来说都是正的，这是因为电子比离子的运动速度高，更容易离开等离子体向电极运动使之带负电。但这样的结果将使等离子体中留下过剩的正电荷，阻碍电子的继续离开，最后两者达到一定平衡，等离子体相对于这些物体保持稳定的正电位。值得注意的是，鞘层中电位降落将直接影响轰击极板的离子能量。离子进入鞘层后会受到鞘层电场的加速，如果鞘层中不存在碰撞，离子从鞘层电场中获得的势能将全部变成轰击极板的动能。由于处于等离子体中的绝缘物体周围总会形成鞘层，不同情况下鞘层电压在一、二伏到十几伏不等。在这一电势差作用下，离子打上极板时的动能接近于极板中原子间的结合能(通常在1-10eV范围)，常常造成极板表面理化性质的改变。这种碰撞过程对等离子体中试验表面的薄膜刻蚀有重要影响。
在氧化硅刻蚀过程中，既有辉光放电条件下活性气体粒子与固态表面的化学反应过程，也有这些能量很大的粒子轰击溅射基片表面的物理过程。
反应离子刻SiO2时，采用氟化物气体，在辉光放电中分解出氟原子或者氯原子，同SiO2表面原子反应生成气态产物，达到刻蚀目的。常用的气体为氟基气体，一般是在13.3-0.133Pa真空条件下，通过高频强电场的作用，使极易吸收能量的电子(1-10eV)(密度为109-1012/cm3)与通入反应室的气体分子碰撞引起电离。在气体辉光放电中，直接引起的电离程度是比较弱的，大约只有10-4-10-7的气体分子被电离。但是通过多次碰撞，可以使数量越来越多的气体分子被激发、活化和电离。当反应室几何尺寸固定，外加功率密度恒定，通入气体的种类、流量、反应室压力、衬底温度和样品负载保持不变时，最后就会产生均匀的动态平衡的气体等离子辉光放电。
1.2 高密度等离子体技术的原理特点 等离子体技术在微电子中的主要应用就是干法刻蚀，目前最常用的是反应离子刻蚀。随着等离子技术的发展，高密度等离子刻蚀技术日益显示出它的优势。在各种高密度等离子刻蚀系统中，ICP系统以其结构简单、均匀性好等特点在高深宽比刻蚀工艺中得到广泛的应用，这也为高深宽比的深刻蚀研究提供了良好的硬件平台。在高密度反应离子刻蚀系统中，反应压力为几个毫乇(mT)，气体密度可以达到1000cm-3量级，而等离子体密度基本接近气体粒子的密度。气体密度的降低和离子密度的增加使偏压诱导刻蚀的作用较普通刻蚀系统有几个量级的提高。如图1所示，即为本发明高深宽比氧化硅刻蚀工艺实施例所采用的ICP反应室结构示意图。刻蚀气体通过进气口进入反应室，在一定的离子源功率(反应室上方)的作用下产生高密度等离子体，承片台功率(温控电极下方)所产生的电场使高密度等离子体中的有效刻蚀活性粒子达到置于温控电极上的刻蚀样片表面，对样片非掩蔽区域进行刻蚀，反应后的挥发气体将从抽气口排出。上述ICP反应室硬件系统结构特点使ICP具备了提供高密度，高能量等离子体的能力，从而具备了深刻蚀、高深宽比、高选择比的能力。
1.3 氧化硅刻蚀机理 首先，粒子流量依于刻蚀活性粒子的种类和先驱粒子撞击的频率，本实施例中选用了分子质量较重的C4F8作为主要刻蚀气体，即刻蚀的先驱粒子，由于其分子质量较大，因此，相对其它氟基气体，其活性基受激的数量和驻留的时间相对较长，刻蚀反应过程如图2所示。在等离子状态下，C4F8气体分子离化的过程有以下几种情况:
当等离子体中的受激粒子主要为CF3时，主要反应过程及生成物: 3/4SiO2+CF3＝3/4SiF4+CO+2O---多余出O原子--->降低选择比 当等离子体中的受激粒子主要为CF2时，主要反应过程及生成物: 1/2SiO2+CF2＝1/2SiF4+CO--->最佳刻蚀模式 当等离子体中的受激粒子主要为CF时，主要反应过程及生成物: 1/4SiO2+CF＝1/4SiF4+1/2CO+1/2C---C沉淀--->刻蚀终止 伴随上述三种可能的反应过程，F-离子参与的化学反应及生成物: 4F-+SiO2---->SiF4+2O多余出O原子--->降低选择比 从以上受激的活性粒子同SiO2的反应过程可以看出，CF2粒子是刻蚀SiO2的最佳受激活性粒子。由于受激程度随着先驱粒子在等离子体中的驻留时间的增加而增加，因此如何控制先驱粒子在等离子体中的驻留时间，也就是如何控制C:F比例，从而改善CF2:CF3:CF的比例系数成为氧化硅刻蚀的关键。增加CF2+和C2F4+离子的比例有利于SiO2的刻蚀。
除以上所述的化学反应过程外，氧化硅刻蚀强烈依赖离子轰击。这种轰击作用属于物理过程，它有助于清除表面吸附物，同时也会引起固体表面晶格损伤，在表面几个原子层内形成激活点，这些活性点便于游离基的化学反应。当反应室压力较低(6.65Pa以下)，施加功率密度较大(大约0.44W/cm2)时，这种物理溅射作用更加明显。从图3所示的经验图表中可见，刻蚀速率还决定于离子及其活性粒子的流量。激进活性粒子产生的比例又取决于电子碰撞的数目。
2.实施例一:氧化硅刻蚀实验研究 在试验过程中，本实施例采用SHIPLEY SPR-6400光刻胶，采用Sopra GES5、Tencor AS500轮廓仪和JSM-7500F场发射扫描电镜用于测量刻蚀结果。
2.1氧化硅刻蚀条件与刻蚀参数关系的实验研究 下述实验是在经验工艺基础上变化某一种刻蚀工艺参数，固定其它工艺条件参数，进行分组刻蚀，刻蚀时间为10min的刻蚀结果，其结果比较见下表1所示。
基础经验工艺条件:C4F8流量为10sccm/min；He流量为174sccm/min；H2流量为8sccm/min；压力为4mT；离子源功率为1000W；承片台功率为300W。
表1
结合上述表1可得出工艺条件参数对氧化硅刻蚀关键参数影响的比较，如图4所示。从以上图表中可得出，在以C4F8为主要刻蚀气体的刻蚀环境中，对刻蚀速率影响较突出的工艺参数是离子源功率、承片台功率和反应室压力。在一定范围内，提高这几个参量的数值，可以明显提高刻蚀速率。但同时会引起均匀性的下降。同时，离子源或承片台功率的提高也会加大反应粒子对刻蚀样片表面的损伤程度。对于玻璃材料，压力的增加反而会使玻璃刻蚀侧壁角度更加倾斜。因此，为使整体刻蚀参数得到改善，刻蚀条件参数的取值需要进行折中。在不降低其他参数指标的前提下，尽量提高刻氧化硅蚀速率和对掩膜的选择比。由此得到本发明高深宽比氧化硅刻蚀工艺的一组优化条件参数: 离子源功率 :1000-1800W； 承片台功率 :300-400W； 反应室压力 :4-12mT； C4F8流量 :10-20sccm/min； H2流量 :4-8sccm/min； He流量 :150-200sccm/min。
2.3 氧化硅刻蚀实验结果及分析 2.3.1 离子源功率对刻蚀参数的影响 离子源功率的增加使反应粒子的能量得以提高，从而使反应气体的有效刻蚀活性基密度随之大大提高，加剧了SiO2与刻蚀活性粒子的化学反应，从而使SiO2的刻蚀速率随之大大加快。当离子源功率过高时，等离子的密度及能量的进一步的增加可导致刻蚀样片表面的温度急剧增加，热量分散不均，可是均匀性会明显下降，如果用光刻胶作掩膜，容易导致光刻胶局部受热起皱。
2.3.2 承片台功率对刻蚀参数的影响 承片台功率的增加大大提高了反应粒子加速电场的强度，使反应粒子到达基片表面时的能量和速度加大，因而加剧了刻蚀活性粒子对氧化硅材料表面的物理刻蚀，从而使SiO2的刻蚀速率随之大大加快。但同时，由于活性粒子到达基片表面时的能量加大，物理溅射作用也随之加强。在增加SiO2刻蚀速率同时，也增加了薄膜的表面损伤，并且，对光刻胶的轰击作用使选择比随之下降。如果基片SiO2薄膜胶厚或是玻璃衬底，表面散热大大减弱，若用光刻胶作刻蚀掩膜时，长时间的刻蚀会导致光刻胶聚集起皱等。
2.3.3 反应室压力对刻蚀参数的影响 从实验结果可以看到，反应室压力增大，会使氧化硅对光刻胶的选择比略有下降，刻蚀速率在一定压力下会随着压力的增加略有增加。
2.3.4 反应气体的组合及流量与刻蚀参数的影响 C4F8的增加会使反应速率和氧化硅对光刻胶的选择比随之增加，但当C4F8流量的增加到一定程度时，刻蚀速率基本上趋于平稳；而H2的引入会使反应生成物气氛中的多余的氧等产物及时被还原，有利于减缓对光刻胶的刻蚀，因此使氧化硅刻蚀选择比有明显提高，但会降低刻蚀气体的浓度，使氧化硅刻蚀速率略有下降。在刻蚀气体中引入He气，可提高活性粒子的能量，增加其碰撞几率，使得刻蚀速率提高。但超过一定限度，会使有效刻蚀气体的浓度降低，从而又会使刻蚀速率下降。
2.3.5 优化的氧化硅刻蚀工艺条件及刻蚀参数 由以上分析得出本发明高深宽比氧化硅刻蚀工艺的两组优化条件参数，其得到的刻蚀结果分别如下表2及表3所示，其中采用的刻蚀掩膜均为光刻胶。
表2
表3
权利要求
1.一种高深宽比氧化硅刻蚀工艺，采用电感耦合等离子刻蚀系统，且反应气体包括C4F8、H2及He，其特征在于，采用以下工艺参数窗口:
离子源功率:1000-1800W；
承片台功率:300-400W；
反应室压力:4-12mT；
C4F8流量:10-20sccm/min；
H2流量:4-8sccm/min；
He流量:150-200sccm/min。
2.如权利要求1所述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺，其特征在于，所述采用的工艺参数具体为:
离子源功率:1000W；
承片台功率:300W；
反应室压力:8mT；
C4F8流量:10sccm/min；
H2流量:8sccm/min；
He流量:174sccm/min。
3.如权利要求1所述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺，其特征在于，所述采用的工艺参数具体为:
离子源功率:1800W；
承片台功率:300W；
反应室压力:8mT；
C4F8流量:10sccm/min；
H2流量:8sccm/min；
He流量:174sccm/min。
4.如权利要求1～3任一项所述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺，其特征在于，该工艺采用的刻蚀掩膜为光刻胶。
5.如权利要求1～4任一项所述的高深宽比氧化硅刻蚀工艺，其特征在于，所述电感耦合等离子刻蚀系统为英国STS公司的STS AOE34443型刻蚀机。
全文摘要
本发明涉及一种高深宽比氧化硅刻蚀工艺，其采用电感耦合等离子刻蚀系统，且反应气体包括C4F8、H2及He，并采用以下工艺参数离子源功率为1000-1800W；承片台功率为300-400W；反应室压力为4-12mT；C4F8流量为10-20sccm/min；H2流量为4-8sccm/min；He流量为150-200sccm/min。本发明高深宽比氧化硅刻蚀工艺的技术方案，通过对包括离子源功率、承片台功率、反应室压力等一系列重要刻蚀工艺参数的调整，可明显提高氧化硅的刻蚀速率和对刻蚀掩膜选择比，同时能满足侧壁垂直度的刻蚀要求。
文档编号B81C1/00GK101372311SQ20081022244
公开日2009年2月25日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者葵 罗, 张大成, 王兆江, 婷 李, 田大宇, 玮 王, 颖 王, 静 李 申请人:北京大学