反应离子刻蚀硅槽工艺研究
赵金茹，蒋大伟，陈杰
【摘 要】摘要：在CMOS多晶硅刻蚀工艺的基础上进行工艺开发，采用氯气和溴化氢气体进行硅槽刻蚀。通过对功率、压力、气体流量等工艺参数拉偏，用扫描电子显微镜观察硅槽侧壁形貌，分析各参数在反应离子刻蚀中所起到的作用，得到对硅槽形貌影响较大的因素，最终得到一种能够与CMOS工艺兼容的硅槽刻蚀方法。该方法能够制作出深度6 μm、深宽比4∶1、侧壁光滑的硅槽，可以用于光电继电器、硅电容等新型器件的研发。 【期刊名称】电子与封装 【年(卷),期】2017(017)009 【总页数】3
【关键词】硅槽刻蚀；氯气；溴化氢；反应离子刻蚀；光电继电器；硅电容
1 引言
随着集成电路的不断发展，硅槽刻蚀的应用越来越广泛，如硅槽隔离和电容的制作。传统平面电容工艺占用芯片面积大，电容容量有限。硅槽电容利用了硅槽的侧壁面，与平面电容相比，可大幅度降低硅片表面占有率，电容量亦有较大幅度的提高。集成电路中硅槽隔离具有许多优点，与常规的LOCOS隔离相比，芯片表面积占有率降低，可防止穿通和闭锁现象，有利于器件性能的改善和集成度的提高。与SOI材料应用结合可实现单个硅岛间的有效隔离，多个单元结构串联可形成光电池组，在光通信和光电开关领域应用十分广泛，硅槽的制作要求很高，对每一个硅槽都要进行精确的控制，既要有良好的硅槽形貌，又要保证一定的刻蚀深度，满足一定的深宽比。硅槽常用的等离子刻蚀技术可
分为反应离子刻蚀（RIE）、微波电子回旋共振等离子刻蚀(ECR)和感应耦合等离子体刻蚀（ICP）。本文采用反应离子刻蚀设备，使用氯气和溴化氢气体刻蚀出简单的深硅槽，深宽比4∶1，槽深6 μm，可与传统的CMOS工艺线兼容，用于各类新型半导体产品如光电继电器、硅电容等的研究和开发。
2 硅反应离子刻蚀气体选择
硅的反应离子干法刻蚀是硅片制造中的关键工艺技术。反应离子刻蚀的两个主要硅层是制作MOS栅结构的多晶硅和制作器件隔离或电容结构中的单晶硅。 常用刻蚀硅的化学气体有两类，一类是氟基气体，包括CF4、SF6、NF3、CF4/O2、C4F8等，在刻蚀过程中氟原子起作用，但是刻蚀是各向同性的，图形尺寸较难控制，选择比一般。另一类与硅反应的化学气体是氯基气体和溴基气体，如氯气、溴气、溴化氢或氯气和溴气的混合气体等，刻蚀是各向异性的，并对SiO2、SiN的选择比较高，是CMOS工艺中多晶栅腐蚀常用的气体。反应离子刻蚀硅时采用的氟化物或氯化物气体，在辉光放电中分解出氟原子或氯原子，与表面硅原子反应生成气态产物，达到刻蚀目的。下面是硅的热力学自发反应方程式：
氟基气体最易与硅发生自发化学反应，氯基和溴基气体相对较难发生化学反应，因此氯基和溴基常用来进行各向异性刻蚀。同时，与氟基气体相比，氯基气体和溴基气体刻蚀生成物SiCl4、SiBr4相对难挥发，能在一定程度上保护刻蚀侧壁并对掩模层有较高的选择比，有利于陡直硅槽的获得。
3 实验
使用Precision 5000反应离子刻蚀设备平台，使用氯气、溴化氢刻蚀气体，以CMOS工艺中的多晶栅刻蚀菜单为基础菜单，进行实验调整，尝试6 μm深的
硅槽刻蚀。基础菜单为功率250 W,压力75 mtorr，氯气流量50 sccm，溴化氢流量50 sccm，磁场30 gauss。对刻蚀菜单中的功率、流量、压力等参数进行窗口拉偏。
干法刻蚀过程中掩模的选择很重要，是影响刻蚀成功与否的重要因素。实验使用光刻胶和硅片衬底上的SiO2(SiN)膜层共同作为硅槽刻蚀的掩模。掩模制作过程为：第一步，在硅片衬底上生长一层SiO2(SiN)，根据器件需要，厚度可在150～1 200 nm之间；第二步，涂2.7 μm厚的光刻胶掩模，曝光刻出需要的图形；第三步，进行SiO2（SiN）图形刻蚀，露出硅衬底。掩模制作完成，进行后续硅槽刻蚀。 3.1 功率拉偏实验
在原多晶栅基础菜单上增加和减少功率，实验条件以及结果见表1和图1。 使用扫描电子显微镜测试硅槽剖面，实验结果显示减少和增加功率对硅槽侧壁形貌影响不明显。硅槽侧壁倾斜，硅槽右侧有凹角，侧壁垂直度不佳导致硅槽底部尺寸狭小，这不利于后续硅槽的填充，影响电学参数。 3.2 流量拉偏实验
调整氯气和溴化氢流量比例，增加氯气流量，减少溴化氢流量，减少聚合物的生成，结果显示剖面形貌异常，没有改善。增加氦氧气体，硅槽侧壁没有改善，同时引入了侧壁毛糙的问题。 3.3 压力拉偏实验
调整压力，压力由基础菜单的75 mtorr减少为50 mtorr，硅槽剖面形貌恶化十分严重，硅槽侧壁严重倾斜，硅槽底部只有一条缝，见图2。可见压力对硅槽的侧壁形貌起到重要的作用。增加压力至110 mtorr，硅槽形貌有改善，侧
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