CN1169198C

CN1169198C - 一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统

Info

Publication number: CN1169198C
Application number: CNB021152004A
Authority: CN
Inventors: 陈俊芳; 吴先球; 赵智昊; 符斯列; 赵文峰
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2022-05-13
Also published as: CN1378248A

Abstract

本发明是一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统，属半导体生产设备及技术。该干法刻蚀系统由测量装置、射频RF偏置功率源、基片台、ICP耦合天线、磁控线圈、RF电源、反应室、底座、配气装置、真空装置共同连接装配构成，其相互位置及连接关系为：将测量装置的探针插入到反应室中，将反应室放置于底座中，将ICP耦合天线套在反应室上，磁控线圈放置于ICP耦合天线的外面，反应室与基片台相连接，ICP耦合天线通过电缆线与RF电源相连接，基片台通过电缆线与偏置功率源相连接，反应室与配气装置连通，反应室与真空装置连通。刻蚀方法包括(1)产生等离子体；(2)利用外加射频偏置功率或磁场对等离子体约束、引导轰击基片表面；(3)刻蚀气体组成及配比；(4)刻蚀工艺步骤及条件等。本发明克服和解决了现有技术的缺点和问题，能制作精细图形且不影响半导体性能及使用寿命、精度高、刻蚀速率高、选择性好、损伤小、成本低。

Description

一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统

(一)技术领域：

本发明是一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统，属半导体生产设备及技术，特别涉及III-V族化合物的气体成分、配气及工艺过程。

(二)技术背景：

随着集成电路集成度的提高，集成电路的图形越来越精细。III-V族化合物半导体由于具有良好的光电特性，在微电子、光电子领域都得到广泛的应用，而能否精细刻蚀III-V族化合物则成为制约III-V族化合物半导体应用的一个瓶颈。目前刻蚀III-V族化合物仍大多沿用酸、碱等化学湿法刻蚀，这种方法由于各向同性效应，难以刻蚀3μm以下的精细图形，且刻蚀的图形上易残留酸碱等化学成分，缩短了III-V族化合物半导体的使用寿命；另一种方法是使用离子轰击溅射刻蚀，它是用具有一定动能的惰性气体离子来轰击基片，它存在着对HI-V族化合物无选择性，刻蚀速率低且易发生淀积现象的缺点。因此，在半导体生产工艺中，实际上非常急需一种对III-V族化合物有良好的选择性，高的刻蚀速率，低损伤，能制作亚微米级精细图形的刻蚀方法。

(三)发明内容：

本发明的目的就是为了克服现有湿法技术刻蚀III-V族化合物时所产生的精度差，刻蚀速率低，选择性差，损伤大的缺点，解决急需要一种能高速率、低损伤、高精度及具有良好选择性的刻蚀方法的问题，研究、发明一种能克服和解决上述缺点和问题的能制作精细图形、不影响半导体性能、器件特性及使用寿命、精度高、刻蚀速度高、选择性好、损伤小的紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统。本发明是通过下述结构技术方案和刻蚀方法来实现的：一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统的结构示意图如图1所示，其刻蚀工艺流程图如图2所示。该干法刻蚀系统由测量装置1、射频RF偏置功率源2、基片台3、ICP耦合天线5、磁控线圈6、RF电源7、反应室8、底座9、配气装置10、真空装置11共同连接装配构成，其相互位置及连接关系为：将测量装置1的探针插入到反应室8中，将反应室8放置于底座9中，将ICP耦合天线5套在反应室8上，磁控线圈6放置于ICP耦合天线5的外面，反应室8与基片台3相连接，ICP耦合天线5通过电缆线与RF电源7相连接，基片台3通过电缆线与偏置功率源2相连接，反应室8与配气装置10连通，反应室8与真空装置11连通。

本发明的干法刻蚀方法是通过下述方法技术方案来实现的：(1)在紧凑的圆柱式反应室8中产生高密度均匀分布的ICP等离子体；(2)利用外加射频RF偏置功率100～900W，产生磁场1×10^-4～1T(特斯拉)的手段对等离子体进行约束，引导等离子体轰击待刻基片4表面；(3)其刻蚀反应气体配方：刻蚀气体是氯气Cl₂，氢气H₂，氩气Ar，氮气N₂，甲烷CH₄，三氯化硼BCl₃，四氯化碳CCl₄，三氯化磷PCl₃，氟里昂12-CCl₂F₂，氟里昂22-CHClF₂中的一种或几种气体的混合气体；具体用何种气体及如何实现混合气体的配气将取决于被刻蚀的III-V族化合物锑化铟InSb、铟铝氮InAIN、铟镓砷磷InGaAsP、氮化铟InN的材料及对最终刻蚀产品质量的要求，即工艺条件的限制；(4)刻蚀工艺步骤及条件：①将待刻蚀基片4放入反应室8中，将反应室8抽真空；②当反应室本底真空度达到10^-2～10^-3乇(Torr)时，通入刻蚀反应气体；③控制刻蚀反应气体的流量为2～6毫升/分钟及0.1～0.9的配比，继续抽真空；④当反应室8的气压稳定在10^-2～10^-3乇，加入功率源及偏压，并调节功率源的输入功率为100～800W及RF偏置功率源为100～900W的大小以产生等离子体开始刻蚀；⑤达到预期的刻蚀效果后，停止输入功率及偏置功率源，关掉进入反应室8的气体，关闭真空装置11，结束刻蚀；⑥从反应室8中取出芯片，测量刻蚀结果；其中，最佳工艺条件为：在反应室气压为2～6×10^-2乇，气体流量为2～4毫升/分钟，RF功率为200～400W，RF偏置功率为100～300W的条件下，刻蚀速率达到100～700nm/min。

本发明的刻蚀原理如下：射频RF电源通过感应天线的耦合将反应室8中的气体离解成为具有强化学活性的离子和一些活性基团，这些活性粒子在偏置功率源和磁场的约束和引导下轰击待刻基片表面，与基片上的待刻物质发生表面物理化学反应，反应的生成物为易挥发物质，被真空装置11抽走，从而达到刻蚀的目的。

本发明与现有技术相比有如下的优点和有益效果：(1)用紧凑型感应耦合低温等离子体(ICP)刻蚀III-V族化合物，克服了化学湿法刻蚀各向同性、不易制作精细图形、且易在刻蚀样品上残留腐蚀液从而影响半导体性能及使用寿命的缺点，是各向异性良好并可控制的刻蚀，能制作亚微米级的精细图形，并且等离子体刻蚀对III-V族化合物的损伤远小于化学湿法刻蚀，从而有效保证了半导体的性能及使用寿命；(2)与离子轰击溅射刻蚀相比，它具有较高的刻蚀速率，对不同的III-V族化合物有高的选择性，且不易发生再淀积现象的优点，几乎完全克服了离子轰击溅射刻蚀的缺点，能大大提高III-V族化合物半导体的生产效率，具有重要的经济价值；(3)本系统结构紧凑，效率高，成本低廉。

(四)附图说明：

下面对说明书附图进一步说明如下：图1为一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统结构示意图，图2为ICP干法刻蚀的工艺流程图。图中：1为测量装置、2为射频RF偏置功率源、3为基片台、4为待刻基片、5为ICP耦合天线、6为磁控线圈、7为射频RF电源、8为反应室、9为底座、10为配气装置、11为真空装置。

(五)具体实施方式：

如图1所示，将测量装置1的探针通过基片台3上的圆孔插入到反应室8中，在圆孔处用O型橡胶圈套在探针上达到密封，将反应室8竖直放置于底座9的圆槽中，将ICP耦合天线5套在反应室8上，磁控线圈6放置于ICP耦合天线5的外面，反应室8通过基片台3上的圆槽与基片台3相连接，连接处用硅胶垫密封，ICP耦合天线5通过电缆线与RF电源7相连接，基片台3通过电缆线与偏置功率源2相连接，反应室8通过铜管或PVC管与配气装置10相连接通，反应室8通过真空橡胶管与真空装置11相连接通。

发明人经过长期的研究、设计和试验，认为实现本发明的优选方式可为如下：(1)按图1所示，设计、加工制造或购买本刻蚀系统的各部件或装置：例如：上盖及基片台3可选用不锈钢作材料，采用华南师范大学校内工厂机械设备用机械加工方法加工生产而成，它的边缘刻有圆槽并内嵌白硅胶用于密封石英管，上盖中央有一圆形孔，以便插入测量装置1的测量探针用于测量等离子体参数；上盖圆孔周围呈等边三角形分布三个夹具用来固定待刻基片4；底座9同样可选用不锈钢材料，采用华南师范大学校内工厂机械设备用机械加工方法加工生产而成，底座9形状与上盖基本一致，中央圆孔为真空装置11的抽气孔，两边为刻蚀气体入口；上盖与底座中间设置有洞，用于通冷却水，整个反应室8竖直放置，待刻基片4倒置于上盖；反应室8可选用华南师范大学内工厂生产的两头磨平并烧口的圆柱形石英管作为反应室8，石英管的内径可为70～300mm，外径可为76～306mm，高可为20～50mm三种规格；磁控线圈6及ICP耦合天线5可自己绕制，其中紧凑型感应耦合(ICP)天线可为2～5匝，其内径可为2～5mm，外径可为3～6mm的铜管，中间用于通冷却水，所产生的等离子体分布形态为靠近基片台3最密，从基片4到底座9逐渐均匀减少；本系统结构紧凑，易于产生高密度等离子体，从而提高了刻蚀速度；测量装置1可选购华南师范大学校内工厂生产的TZ-100或TZ-200型装置，RF电源7可采用任何一款可调功率0～1000W的射频电源，射频偏置功率源2可采用任何一款可调范围在0～1000W的直流电源；(2)设计、加工制造和选购好各部件及装置后，便可按上面说明书所述的本刻蚀系统的各部件相互位置及连接关系进行安装连接便可较好的实现本干法刻蚀系统；(3)发明人经长期的研究、试验，有很多成功的刻蚀方法实施例，下面仅列举14个成功的实施例：

实施例1：将待刻蚀基片4-InSb(膜厚15μm)放入反应室8内，对反应室8抽真空，当反应室8本底真空度达到1.5×10^-2乇时，通入刻蚀反应气体CCl₂F₂；控制反应气体的流量2毫升/分钟，继续抽真空；当反应室8气压稳定在5×10^-2乇时，加入功率源及偏置功率，并调节功率源的输入功率为100W及RF偏置为100W，产生等离子体，开始刻蚀；刻蚀30分钟后，停止功率输出及偏置功率，关掉进入反应室8的气体，关闭真空装置11，结束刻蚀；在扫描电镜的观测下，发现有良好的各向异性，样品表面形貌平整，刻蚀速率达到200nm/min。

实施例2：将实施例1中的刻蚀条件变为：反应气体流量为4毫升/分钟，RF功率为400W，RF偏置为300W，通入反应气体后，反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀时间缩短为10分钟，刻蚀速率达到600nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例3：将实施例1中的刻蚀条件变为：反应气体流量为6毫升/分钟，RF功率为800W，RF偏置为900W，通入反应气体后，反应室气压稳定在3×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀时间缩短为5分钟，刻蚀速率达到1200nm/min，但样品表面形貌不平整，有较严重的过蚀现象。

实施例4：将实施例1中的刻蚀样品变为InAIN，刻蚀气体改用Cl₂和Ar的混合气体，反应气体流量为2毫升/分钟，Cl₂所占有的百分比为0.1，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到100nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例5：将实施例1中的刻蚀样品变为InAIN，刻蚀气体改用Cl₂和Ar的混合气体，反应气体流量为4毫升/分钟，Cl₂所占有的百分比为0.4，RF功率为400W，RF偏置为300W，通入反应气体后反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到200nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例6：将实施例1中的刻蚀样品变为InAIN，刻蚀气体改用Cl₂和Ar的混合气体，反应气体流量为6毫升/分钟，Cl₂所占有的百分比为0.9，RF功率为800W，RF偏置为900W，通入反应气体后反应室气压稳定在3×10^-1乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到300nm/min，但样品表面形貌不平整，有较严重的过蚀现象。

实施例7：将实施例1中的刻蚀样品变为InGaAsP，刻蚀气体改用H₂和CH₄的混合气体，反应气体流量为2毫升/分钟，CH₂所占有的百分比为0.1，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到100nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例8：将实施例1中的刻蚀样品变为InGaAsP，刻蚀气体改用H₂和CH₄的混合气体，反应气体流量为4毫升/分钟，CH₄所占有的百分比为0.4，RF功率为400W，RF偏置为300W，通入反应气体后反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到150nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例9：将实施例1中的刻蚀样品变为InGaAsP，刻蚀气体改用H₂和CH₄的混合气体，反应气体流量为6毫升/分钟，CH₄所占有的百分比为0.9，RF功率为800W，RF偏置为900W，通入反应气体后反应室气压稳定在3×10^-1乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到200nm/min，但样品表面形貌不平整，有较严重的过蚀现象。

实施例10：将实施例1中的刻蚀样品变为InN，刻蚀气体改用BCl₃和Ar的混合气体，反应气体流量为2毫升/分钟，BCl₃所占有的百分比为0.2，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到220nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例11：将实施例1中的刻蚀样品变为InAIN，刻蚀气体改用Cl₂和N₂的混合气体，反应气体流量为4毫升/分钟，Cl₂所占有的百分比为0.7，RF功率为400W，RF偏置为300W，通入反应气体后反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到150nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例12：刻蚀样品选用InSb，刻蚀气体改用CCl₄，反应气体流量为4毫升/分钟，RF功率为400W，RF偏置为300W，并加入磁场10^-4T，通入反应气体后反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到700nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例13：刻蚀样品选用InSb，刻蚀气体改用PCl₃，反应气体流量为4毫升/分钟，RF功率为400W，RF偏置为300W，并加入磁场0.05T，通入反应气体后反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到650nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

实施例14：刻蚀样品选用InSb，刻蚀气体改用CHClF₂，反应气体流量为4毫升/分钟，RF功率为400W，RF偏置为300W，并加入磁场1T，通入反应气体后反应室气压稳定在2×10^-2乇，其他具体过程同实施例1，则刻蚀速率达到500nm/min，且样品表面形貌平整，有良好的各向异性。

由以上实施例可知，本发明对III-V族化合物有良好的刻蚀效果，在刻蚀条件为：反应气体流量为2～4毫升/分钟，RF功率为200～400W，RF偏置为100～300W，通入反应气体后反应室气压稳定在2～6×10^-2乇，能达到最好的刻蚀效果。

Claims

1、一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统，包括射频RF偏置功率源(2)、基片台(3)、RF电源(7)、反应室(8)、底座(9)、配气装置(10)、真空装置(11)共同连接装配构成，其特征是，将测量装置(1)的探针插入到反应室(8)上，将ICP耦合天线(5)套在反应室(8)上，磁控线圈(6)放置于ICP耦合天线(5)的外面，ICP耦合天线(5)通过电缆与RF电源(7)相连接；所述ICP耦合天线(5)为2～5匝、内径为2～5mm、外径为3～6mm的铜管，中间通有冷却水。

2、根据权利要求1所述的一种紧凑型感应耦合低温等离子体干法刻蚀系统，其特征是，所述反应室(8)为两头磨平并烧口的圆柱形石英管，其内径为70～300mm、外径为76～306mm、高为20～50mm。