反應(yīng)離子蝕刻的實(shí)用方法報(bào)告

關(guān)鍵詞:反應(yīng)離子刻蝕，加載和滯后效應(yīng)，微掩膜，氮化鎵，GaAs，磷化銦，納米光子學(xué)

摘要

本文將描述反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的一般方面，如各向異性、負(fù)載效應(yīng)、滯后效應(yīng)、反應(yīng)離子刻蝕化學(xué)和微掩模，然后簡要概述刻蝕電介質(zhì)(二氧化硅、氮化硅)和晶體硅。論文的第二部分致力于蝕刻ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體，其中基于氮化鎵材料的反應(yīng)離子刻蝕結(jié)果，揭示了一種簡單實(shí)用的熱力學(xué)方法，解釋了選擇蝕刻特定材料的最佳化學(xué)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，并解釋了氮化鎵蝕刻結(jié)果。最后，將討論使用各種化學(xué)物質(zhì)蝕刻磷化銦基材料的綜合研究，以及它們的各種光子應(yīng)用。

介紹

等離子體蝕刻、干法蝕刻和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)都描述了處理技術(shù)，這些技術(shù)具有共同的第四種物質(zhì)狀態(tài):等離子體，也稱為材料的電離狀態(tài)。等離子體狀態(tài)描述了一種情況，其中一種或多種氣體被保持在一定的壓力下，并被施加電勢，導(dǎo)致氣體原子的部分電離[1]。在等離子體中，正離子、自由基和電子共存。大約30年前，大多數(shù)半導(dǎo)體器件的工業(yè)工藝嚴(yán)重依賴濕法蝕刻技術(shù)；然而，等離子體工藝，更具體地說是RIE，逐漸取代了濕法蝕刻技術(shù)。這是因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的均勻性、可重復(fù)性，更重要的是，隨著允許批量處理的設(shè)備的出現(xiàn)，它們具有高產(chǎn)量。

文獻(xiàn)中已經(jīng)廣泛報(bào)道了干法蝕刻的主題，并且涵蓋了跨越電介質(zhì)(氧化物和氮化物)、聚合物、半導(dǎo)體材料甚至金屬的各種化學(xué)和材料。本文旨在提供一種實(shí)用的方法來解決與各種材料的等離子體蝕刻有關(guān)的問題。

反應(yīng)離子刻蝕的一般方面

滯后效應(yīng)：RIE滯后效應(yīng)是對特征尺寸導(dǎo)致的蝕刻深度差異的限定。例如，當(dāng)通過掩模中不同的開口尺寸進(jìn)行蝕刻時(shí)，與較小尺寸的開口相比，大的開口區(qū)域中的蝕刻深度可以大得多。這種不均勻蝕刻與蝕刻反應(yīng)物和產(chǎn)物進(jìn)出蝕刻孔的擴(kuò)散過程有關(guān):尺寸越小，反應(yīng)物到達(dá)孔底部所需的時(shí)間越長。類似地，蝕刻產(chǎn)物向外擴(kuò)散需要更長的時(shí)間。圖2很好地說明了這種反應(yīng)離子刻蝕滯后效應(yīng)，顯示了一個(gè)使用Cl2 :Ar:H2刻蝕磷化銦的電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕工藝的掃描電鏡照片。圖案由寬度從1米到100納米的直線(溝槽)組成，以100納米的步長變化，溝槽之間的間隙也相應(yīng)變化。值得注意的是，最小開口處(300納米及以下)蝕刻深度的減少是顯著的。

CCP和電感耦合等離子體系統(tǒng)中的直流偏置：在電容耦合(CCP)反應(yīng)器中，當(dāng)產(chǎn)生一定的放電時(shí)，施加到下電極的射頻功率與所謂的直流偏壓直接相關(guān):在與離子電荷和電極電勢成比例的撞擊能量下，負(fù)電勢響應(yīng)或吸引位置到電極。當(dāng)增加射頻功率時(shí)，等離子體變得更致密，直流偏壓也增加。因此，在這種反應(yīng)器中，等離子體密度與較高的直流偏壓相關(guān)，從而產(chǎn)生較高的離子轟擊。

干蝕刻中的各向異性，負(fù)載作用，微掩蔽，化學(xué)選擇 略

硅、二氧化硅和氮化硅的干法刻蝕

硅、多晶硅和無定形硅、二氧化硅和氮化硅通常在氟基化學(xué)中被蝕刻，其中蝕刻產(chǎn)物主要是揮發(fā)性的四氧化硅。因此，在這些材料中可以獲得相當(dāng)好的蝕刻速率，這取決于反應(yīng)器精確使用化學(xué)及其應(yīng)用。根據(jù)具體情況，可以考慮不同的變化，例如用于蝕刻硅的CHF3和SF6，其中SF6是主要的化學(xué)試劑，CHF3提供一些鈍化，實(shí)現(xiàn)各向異性蝕刻。在這一類別中，博世工藝最為人所知。它需要兩種氣體的混合物，其中一種確保材料的良好蝕刻，而第二種產(chǎn)生鈍化層以抑制側(cè)壁蝕刻。SF6是選擇用于硅的快速蝕刻的氣體，而C4F8是鈍化氣體。在博世工藝中，兩種氣體交替使用，通常SF6在較低壓力下運(yùn)行7–8秒(以產(chǎn)生垂直蝕刻 ，而C4F8在較高壓力下運(yùn)行2–3秒，以增強(qiáng)側(cè)壁鈍化。因此，后者在晶片水平表面以及蝕刻的側(cè)壁上產(chǎn)生薄保護(hù)層。

ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體的干法刻蝕

氮化鎵的干法刻蝕 略

其他ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體的反應(yīng)離子刻蝕

基于cl2的化學(xué)及其子變體，用于蝕刻基于砷化鎵-、InP-和基于gan的結(jié)構(gòu)，用于各種器件應(yīng)用。主要的蝕刻成分是與所有III和V元素發(fā)生反應(yīng)的氯自由基。可以根據(jù)應(yīng)用程序考慮許多子變體。h2通常作為一種鈍化劑添加，允許更好的各向異性和更平滑的側(cè)壁。這對于蝕刻波導(dǎo)（集成光學(xué)和激光器）非常重要。或者，甲烷也可以添加到氯氣：h2組合中進(jìn)行額外的鈍化，但這將會減緩蝕刻速率，同時(shí)惡化對所使用的掩模的選擇性。另一種替代氯氣：h2混合物是添加少量的Ar，這可以更好地平衡物理蝕刻和鈍化，從而導(dǎo)致高各向異性和光滑的側(cè)壁。當(dāng)Al是iii元素之一時(shí)，氯氣：甲烷：H2是一種可能性，但更常見的是三氯化硼或四氯化硅可以被添加到氯氣中。另一種常見的組合是氯氣：O2，這是一種流行的化學(xué)方法，可以實(shí)現(xiàn)phc型模式中的高長寬比，其中孔的直徑通常在200-300nm的范圍內(nèi)，所需的蝕刻深度為3μm或更多。

為了實(shí)現(xiàn)高縱橫比結(jié)構(gòu)，如PhC柱和DBR光柵反射鏡，在400納米SiNx上使用ZEP520A抗蝕劑的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)失敗了，因?yàn)樾枰窈透刮g的掩模來實(shí)現(xiàn)亞微米圖案。能夠蝕刻較厚掩模層的一個(gè)簡單技巧是使用水平掩模；即。添加耐氟等離子體的中間金屬層。中間金屬層可以是鉻或鋁，兩種金屬氟化物都是非揮發(fā)性的。因此，這種三級技術(shù)是在500納米二氧化硅上使用50或60納米鉻層開發(fā)的 。

結(jié)論

我們描述了RIE的一般但重要的方面，如各向異性、加載效應(yīng)、滯后效應(yīng)、直流偏倚、化學(xué)選擇，并對其進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究微掩蔽，我們演示了如何避免蝕刻inp基的典型微掩蔽材料。后一個(gè)簡短的部分Si，SiOx和SiNx，詳細(xì)研究蝕刻氮化鎵，包括大型討論部分解釋氮化鎵蝕刻率增加四倍時(shí)引入六氟化硫氯化氣體，使用一個(gè)簡單的方法和熱力學(xué)數(shù)據(jù)。最后，綜述和討論了四種蝕刻inp基結(jié)構(gòu)的化學(xué)方法。

審核編輯：鄢孟繁