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反应离子刻蚀的研究摘要：反应离子刻蚀（RIE）是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，同时兼有各向异性和选择性好的优点，而且刻蚀速率快。通过改变RIE刻蚀参数如：射频功率、腔体压强、气体流量、气体组分等可以调整两种刻蚀过程所占比重。因此，优化刻蚀工艺就是要选择最优的刻蚀参数组合，在减小刻蚀损伤的同时保证光滑的刻蚀表面和一定的刻蚀速率以及方向性。本文归纳总结了常见薄膜的刻蚀优化方法。关键词：反应离子刻蚀；离子溅射；刻蚀速率；均匀性Research of Reactive Ion EtchingLu Dongmei, Yang Fashun(College of Science, Guizhou University, Gui Yang of Guizhou, 550025)Abstract: Reactive ion etching (RIE) is a kind of physical function and chemical etching, high resolution, anisotropic and good selectivity, and the etching rate is fast. By changing the RIE etching parameters: such as, RF power, cavity pressure, gas composition, can adjust the two etching process. Therefore, optimize the etching process is to select the optimal etching parameters combination, reducing the etching damage at the same time ensure smooth etched surface and certain etching rate. This article summarizes the common of thin film etching method.Key words: Reactive ion etching; ion sputtering; etching rate; uniformity0 引言用光刻方法制成的微图形，只给出了电路的行貌，并不是真正的器件结构。因此需将光刻胶上的微图形转移到胶下面的各层材料上去，这个工艺叫做刻蚀。通常是用光刻工艺形成的光刻胶作掩模对下层材料进行腐蚀，去掉不要的部分，保留需要的部分。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中，用化学方法除去不要部分的薄膜。干法刻蚀主要利用气体辉光放电产生化学活性基、原子、离子等多种化学成分和被腐蚀物质表面发生作用，是一复杂的物理、化学过程。随着图形的微细化对刻蚀分辨率的要求不断提高，干法刻蚀以其可控性好、精确度高、较好的表面形貌、宜批量生产等特点受到普遍重视。干法刻蚀加工方法主要有溅射与离子束铣蚀、等离子刻蚀(Plasma Etching)、反应离子刻蚀(RIE)等。RIE是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，兼有离子溅射刻蚀和等离子化学刻蚀的优点，不仅分辨率高，同时兼有各向异性和选择性好的优点，而且刻蚀速率快。RIE的各向异性可以实现细微图形的转换，随着大规模集成电路工艺技术的发展，为满足越来越小的尺寸要求，RIE已成为亚微米及以下尺寸最主要的刻蚀方式。结构尺寸越小，对刻蚀工艺的要求也就越高。一方面，要求高度的各向异性以得到刻蚀图形垂直的侧壁；另一方面，要求很高的选择性和均匀性，使得图形层在刻蚀穿透的瞬间达到终止刻蚀过程；再者，还需要高的刻蚀速率以及良好的刻蚀截面和表面形貌1,2。1 RIE的基本原理RIE是一种物理作用和化学作用共存的刻蚀工艺，反应室的剖面如图1，其刻蚀机理为：射频辉光放电，反应气体被击穿，产生等离子体。等离子体中包含正、负离子，长短寿命的游离基和自由电子，可与刻蚀样品表面发生化学反应；同时离子在电场作用下射向样品表面，并对其进行物理轰击。物理和化学的总和作用，完成对样品的刻蚀。在平行电极等离子体反应腔体中，被刻蚀物是被置于面积较小的电极上，在这种情况下，一个直流偏压会在等离子体和该电极间形成，并使带正电的反应气体离子加速撞击被刻蚀物质表面，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应和反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率，也正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现3。图1 反应离子刻蚀设备简图Figure 1 Reactive ion etching equipment diagram2 反应离子刻蚀的工艺处方2.1 RIE的工艺处方RIE中包含物理作用和化学作用，物理碰撞利用被加速的离子去撞击材料表面，是刻蚀损伤的主要来源。如果物理过程占主导，刻蚀损伤较大；如果化学过程占主导，刻蚀速度较慢，各向同性，而且刻蚀表面粗糙。通过改变RIE刻蚀参数如：射频功率、腔体压强、气体流量等可以调整两种刻蚀过程所占比重。因此，优化刻蚀工艺就是要选择最优的刻蚀参数组合，在减小刻蚀损伤的同时保证光滑的刻蚀表面和一定的刻蚀速率以及方向性。通常情况下,均匀性可以用这样一个参数来衡量：其中Vmax和Vmin是用台阶仪或者椭偏仪所测得薄膜厚度的最大值和最小值，Vaverage则是所测得所有值的平均值3。2.2.1 刻蚀SiO2通常情况在气体流量较小时，刻蚀速率随气体流量的增大而增大；但当气体流量饱和后，刻蚀速率随气体流量的增大而减小。当射频功率从200W提高到300W时，刻蚀速率显著提高，均匀性变好。但是当射频功率继续增加时，刻蚀速率和均匀性的改善皆不明显，考虑到射频功率越高，离子轰击造成的损伤也越严重，而射频功率高于300W之后对提高刻蚀速率和改善刻蚀均匀性的作用不大，可认为300W左右是最佳射频功率范围。当气体压强较小时，气体压强增大，刻蚀速率会不断增加。随着气体压强的增加(5Pa到20Pa)，刻蚀速率却变小。要去除光刻胶，必须添加氧气，其主要作用是刻蚀光刻胶，对二氧化硅的刻蚀速率没有显著影响，氧气流量的不同必然导致光刻胶刻蚀速率满足一定的范围。添加O2流量的不同得到不同的选择比，总体趋势是选择比随着氧气流量的增加而减少，当氧气流量在3. 5sccm附近时，选择比最接近1。固定条件： CHF3: O2=20:3.5sccm，压强5pa，功率400W时，选择比最接近1，刻蚀速率较大(大于45.66nm/min)，均匀性也很好(小于7% )，是较优化的平坦化刻蚀工艺条件3,4。2.2.2 刻蚀GaAs、AlAs、DBR（由上下两个交替生长的AlAs和AlxGa1-xAs堆积而成的分布布喇格反射镜(Distributed Bragg Reflector DBR)）为了防止GaAs、AlAs、DBR表面可能的氧化物对刻蚀产生的影响，刻蚀前用稀硫酸对样品表面进行处理。气体组分对刻蚀速率的影响：保持气体总流量不变的情况下，在BCl3所占百分比较低时，随着BCl3组分的增加刻蚀速率增大。当BCl3所占百分比达到80%左右时，速率达到；最大当BCl3所占组分比较高时，可能是由于当较高浓度的BCl3各种化学成分重新聚合导致离子轰击能力减弱，化学反应能力降低使刻蚀速率降低。压强对刻蚀速率的影响：在压强较低的情况下，刻蚀速率随着压强的增加而增加，压强增加到一定程度随着压强的增加，气体碰撞频繁导致离子的物理轰击作用减小，刻蚀速率减小。射频功率对刻蚀速率的影响：随着射频功率的增加刻蚀速率几乎是线性增加,实验结果表明：在同样条件下GaAs刻蚀的速率高于DBR和AlAs，在一定条件下GaAs刻蚀的刻蚀速率可达400nm/min, AlAs的刻蚀速率可达350nm/min，DBR的刻蚀速率可达340nm/min，刻蚀后能够具有光滑的形貌，同时能够形成陡直的侧墙，侧墙的角度可达85。GaAs的刻蚀速率高于AlAs和DBR，这是由于反应离子刻蚀涉及参与反应的粒子的产生、输运以及反应产物的脱逸等过程，在反应产物中含Al元素的化合物挥发性相对较弱5。2.2.3 刻蚀Pt电极在不同 RO2（SF6+O2）的条件下，Pt 电极的刻蚀速率呈现出先增后减，在 SF6和 O2的体积流量比为 42，刻蚀速率最大，但是随着 O2含量的增加，刻蚀速率迅速降低。当功率逐渐升高的时候，刻蚀速率也会逐渐升高。当射频功率从 80W 上升到 120 W 的时候，刻蚀速率提高得非常明显；而射频功率从120 W 上升到 160 W的时候，刻蚀速率提高的强度明显减弱。Pt 的刻蚀速率与刻蚀气体的混合比率以及刻蚀功率都有一定关系。在相同功率下，RO2（SF6+O2）=2/6，刻蚀速率达到极大值，功率为 120 W 时，刻蚀速率极大值为 12.4 nm/min。AFM 分析表明，薄膜表面的粗糙度随刻蚀功率增加而变大，均方根粗糙度从 120 W 时的 0.164 nm 增加到 160 W 时的 0.285 nm。经优化工艺参数刻蚀后的 Pt 电极图形结构平整，边缘整齐6。2.2.4 刻蚀氮化硅(Si3N4)采用CHF3气体刻蚀Si3N4时，随着CHF3气体流量的增加，氮化硅和光刻胶刻蚀速率随之发生微小变化，选择比(氮化硅刻蚀速率与光刻胶刻蚀速率之比)也变化不大(2)。CHF3流量为30 sccm时氮化硅刻蚀速率最大，为40 nm/min。低流量时刻蚀速率相对较低主要是由于反应气体供应不足；当流量大于30 sccm时，抽出去的气体的量增加，其中未参与反应的活性物质的抽出量也随之增加，故刻蚀速率又有所下降。随着气体流量的增加，刻蚀后均匀性变好，在总流量接近30 sccm时达到最佳；当流量的继续增加时，刻蚀均匀性又开始变差。可见，在一定功率和压强下，CHF3气体流量为30 sccm时，氮化硅刻蚀速率最高，均匀性也最好。采用CHF3+CF4刻蚀Si3N4的刻蚀速率比采用CHF3刻蚀时大，且刻蚀速率随CF4流量的增大而增大。增加CF4的比例，即增大反应气体中的F/C比，使刻蚀速率增大。可见，采用CHF3+CF4刻蚀氮化硅，CF4流量为15 sccm时，均匀性最好，刻蚀速率和选择比也较高。O2可消耗掉部分碳氟原子，使氟活性原子比例上升，导致刻蚀速率显著提高。刻蚀速率在O2流量为5 sccm左右时达到最大，之后由于O2对刻蚀气体的稀释,刻蚀速率有所下降。用CHF3和O2对氮化硅进行刻蚀，因为O2消耗掉部分碳原子，刻蚀速率增大，同时使聚合物局部淀积减少，获得了很好的刻蚀均匀性(1%)7,8。2.2.5 刻蚀Si刻蚀工艺过程分为钝化与刻蚀两步。用SF6进行刻蚀,用C4F8生成聚合物形成侧壁保护。垂直方向的刻蚀速度远大于对侧壁的刻蚀速度,因此可以得到很好的各向异性刻蚀结果。通过对Si干法刻蚀的主要工艺参数进行正交试验，得出了一组较为理想的刻蚀工艺参数：刻蚀气体SF6和保护气体C4F8的流量均为13cm3/min-1，在一个周期内通入刻蚀气体SF6的时间为4s，通入钝化气体C4F8的时间为3s；线圈功率为400W，平板功率为110W。利用这组优化的工艺参数进行Si的干法刻蚀，所得到的微结构的深宽比大于20：1的理想刻蚀结果，且刻蚀速率最高可以达到3 00nm /min，同时侧壁垂直度能够很好地控制在90附近的1的范围内9,10。3 总结随着大规模集成电路工艺技术的发展,为满足越来越小的尺寸要求,反应离子刻蚀已成为亚微米及以下尺寸最主要的蚀刻方式。通过对刻蚀工艺的研究,选择恰当工艺参数(如射频功率、气压、气体流量等等),可获得最佳工艺条件,并在保证刻蚀效果的同时提高刻蚀速率,是刻蚀工艺所追求的目标。