硅中深窄沟槽的低温蚀刻

         在使用低温卡盘的低压高密度等离子体反应器中研究了硅结构的深且窄的各向异性蚀刻。我们以前已经证明了这种技术在这种结构上的可行性。已经研究了蚀刻速率和轮廓的改进，并且新的结果显示，在5 μm的平均蚀刻速率下，2 pm宽的沟槽蚀刻到50 pm的深度，具有高度各向异性的轮廓和对SiO2掩模非常高的选择性。

介绍

自从微电子机械系统(MEMS)出现以来，硅的深腐蚀已经成为一种有吸引力的技术。来自表面技术系统公司、阿尔卡特公司或应用材料公司等制造商的新型商用蚀刻工具已经迅速问世，以满足日益增长的需求，并且现在能够深度蚀刻超过300 pm的硅。工艺控制得越来越好，不同种类的MEMS，如压力传感器和加速度计已经用这种技术生产出来。新的挑战包括增加纵横比(深度/宽度),同时保持高蚀刻速率和高各向异性。

结果

 螺旋中蚀刻率的提高

在之前的工作中，其他作家已经证明了在家用低温螺旋反应器中以高蚀刻速率蚀刻硅中的深窄沟槽的可行性。所获得的轮廓是高度各向异性的，在蚀刻到35 pm深的大约1 ymN2 pm侧沟槽的掩模下具有底切。各向异性定义为A=1-（Vy/Vy），其中为横向蚀刻速率，为垂直蚀刻速率，约为0.97，斜率约为88。垂直蚀刻速率约为3.6/zm/min，而在更宽的沟槽中则超过5从m/min，与工业和商业上可用的反应器相比，这是可以接受的。值得注意的是，A=1-（Vy/Vy），其中为横向蚀刻速率，为垂直蚀刻速率，约为0.97，斜率约为88。垂直蚀刻速率约为3.6/zm/min，而在更宽的沟槽中则超过5从m/min，与工业和商业上可用的反应器相比，这是可以接受的。值得注意的是，时间。这是通过将SF6流量从200 sccm增加到200 sccm实现的；已知气体流量的增加提供了更多的氟自由基，因此增加了蚀刻速率。使用更高的传导率和更高的涡轮分子泵也提高了泵系统的效率，以便在高气体流速下保持低压。

仅增加气体流量而不改变其他参数会导致各向同性的轮廓，因为横向蚀刻速率也会增加。为了获得各向同性的分布，需要改变氧流量、偏压和主要压力。在具有相同各向异性程度的剖面中，蚀刻速率从3.6增加到大约4.7。在3 Pa时。我们获得了2.7阿明的蚀刻速率，在5 Pa下增加到4.7阿明，但是在进一步的压力下下降。高压增加了氟原子和其他自由基的形成，但也减少了离子流量。6蚀刻速率的最初增加是由于较高的氟浓度，高压下的减少是由于离子流量的减少。

在螺旋体中的轮廓的改进

当试图随着较长的处理时间蚀刻更深时，轮廓主要受到掩模下的下切扩大沟槽开口和10min处理时间后出现轻微弯曲的影响。必须尽量减少下切口，以调整剖面的坡度，并必须消除弯曲。对这两种影响有显著影响的参数是氧流、偏置电压、基底温度和压力。

氧浓度增强钝化，从而减少横向蚀刻。对于更高的氧流量，欠切割和弯曲可以显著减少；然而，更高的钝化导致高度积极的轮廓和深度的限制。在一定的工艺条件下，也会形成黑硅。因此，不可能仅仅通过只调节氧流量来完全消除这些影响。

高偏置电压增加了离子的能量和离子的能量

图2.作为压力的削弱和弯曲。当压力增加时，可以观察到凹陷和弯曲的显著减少。

衬底温度是影响底切和弯曲的另一个参数。已知低温会显著降低横向蚀刻mte，而由于离子轰击而保持垂直蚀刻速率。然而，过低的温度并不能消除横向蚀刻。此外，另一个影响是产生负面形象；随着温度的降低，观察到沟槽底部的扩大。这种现象可能是由底部钝化层厚度的减少引起的，因为顶部附近氧原子的消耗较高。因此，横向蚀刻在沟槽顶部减少，而在底部显著增加。

最后，可以通过以下方式最大限度地减少底切和弯曲

增加气体压力。可以看出jri E'ig。当压力从3 Pa增加到7 Pa时，fi、底切和弯曲显著减少。弯曲可以完全消除。这可能是由于当压力增加时，较高氧浓度的bettet钝化与低离子通量结合。增加压力的另一个优点是蚀刻速率也增加了。

图3中示出了优化的轮廓。以5 μm/min的平均蚀刻速率将2 pm宽的沟槽蚀刻到50 pm深，这与聚合物钝化技术相当。底切约为1 pm，弯曲可忽略不计。各向异性约为0.98，对氧化物掩模的选择性高于500∶1。该工艺已被成功用于证明功率器件中深沟槽隔离的可行性。

图. 3.一个2舟m宽的沟槽以5/xm/min的平均腐蚀速率蚀刻到约50冲深的扫描电镜图像。工艺条件为：200为六氟化硫，13个o2。1200W射频功率。-80V偏置电压，总压为5Pa，衬底温度为-100C。

以4.5微米/分钟的平均蚀刻速率蚀刻到50微米深。底切约为1.2 pm，没有观察到弯曲。

通过温度调节改善剖面

图5

 图6

从图6中可以看出，掩模的性质似乎只影响下切，PSG掩模会减少弯曲，而弯曲与掩模材料无关。以前在螺旋图中观察到，压力的增加可以消除弯曲，而削弱只是减少。这种对弯曲和削弱的压力效应可能是由于在较高的压力下离子通量的减少。图6中使用PSG掩模的下切口的轻微减少可能是由于横向蚀刻中电荷效应贡献的减少。然而，这种电荷效应并没有完全消除，因此仍然可以强烈地影响弯曲。使用一个高导电的口罩，如铝，可能有助于完全消除弯曲。同样重要的是要注意，虽然凹陷与沟槽宽度无关，但弯曲是强烈依赖的，显示出明显不同的原因。下切和弯曲运动随时间的演变情况如图7所示。随着加工量的增加，弯曲量迅速且非线性地增加。

结论

在自制的螺旋等离子体反应器中研究了硅窄沟的深低温蚀刻。

通过增加六tm宽的沟槽中，平均5/zm/min的高度各向异性轮廓腐蚀到50。

同时，还研究了温度对剖面的影响。然而，已经观察到低温在不消除它的情况下降低削弱。小范围内的温度变化也导致了坡度的调整，这在诸如深沟隔离等应用中非常有用。为了进一步改善各向异性，与氧化物相比，使用PSG掩模已经导致了更少的凹陷，而弯曲不受影响。

最后，在我们的低温卡盘中测量了晶圆的变形，以估计晶圆和卡盘之间的温差。在晶圆的中心，预计相差大约10摄氏度。氟化硫气体流量和提高泵送系统的效率，提高了窄沟槽（~2宽）中的蚀刻速率。压力和温度的调节优化了蚀刻速率和各向异性。