BOSCH 工藝硅刻蝕及其參數調控方法

  硅刻蝕與氧化硅、氮化硅等材料的刻蝕方式存在差異，氧化硅和氮化硅傾向于物理轟擊刻蝕，表現(xiàn)為各向異性。相反，硅的刻蝕傾向于通過氟自由基的化學反應為主，呈各向同性。因此，在硅刻蝕過程中，通常需要使用C₄F₈氣體來保護刻蝕側壁。

在常見的硅刻蝕設備中，涉及以下幾個關鍵參數：

1）氣體流量：SF₆和C₄F₈，它們在刻蝕過程中發(fā)揮不同的作用。

2）上電極功率（ICP）：用于激發(fā)刻蝕和鈍化等離子體。

3）下電極功率（Bias）：用于吸收離子和自由基，影響刻蝕速率。

4）腔體壓力：用于調控等離子體密度，影響刻蝕過程的控制。

5）冷卻器：用于控制晶圓刻蝕過程中產生的熱量。

目前，用于硅刻蝕的設備主要有兩種類型：常規(guī)ICP刻蝕和深硅刻蝕機。常規(guī)ICP刻蝕采用純BOSCH工藝，以一步刻蝕一步鈍化的方式工作。這類設備通常在低氣壓和高氣體流量條件下操作，以提供更高的等離子體密度和更好的均勻性。然而，它只能通過調整刻蝕/鈍化比例來控制刻蝕角度。而深硅刻蝕機采用優(yōu)化后的BOSCH工藝，以一步小功率硅刻蝕，一步鈍化，一步大功率刻蝕鈍化層的循環(huán)方式工作，故具有更高的刻蝕速率，更好的側壁形貌。

  本文以深硅刻蝕機為例，介紹其各項參數對刻蝕效果的影響。據芯云了解，深硅刻蝕機可通過調節(jié)多個參數來實現(xiàn)優(yōu)化，包括上電極中心功率、上電極邊緣功率、鈍化層沉積氣壓、刻蝕氣壓、中間氣體流量、邊緣氣體流量和下電極功率。以下列舉了刻蝕中一些重要參數的影響：

1）上電極中心功率（保持其他參數固定）：

如圖1所示，隨著上電極功率的增加，側壁角度逐漸減小，而刻蝕速度逐漸增大。這一變化可以歸因于上電極功率的提升，增加了等離子體的濃度，進一步擴大了鞘區(qū)，使得鞘區(qū)內離子轟擊效應增強。這導致了側壁角度的減小，同時刻蝕速率的增加。

圖1

2）下電極功率（固定其他參數）：下電極功率與上電極功率的匹配在深硅刻蝕中顯得尤為關鍵。當功率較低時，刻蝕速率下降，刻蝕呈現(xiàn)各向同性傾向，導致側壁角度減小。隨著功率的增加，刻蝕速率增加，刻蝕逐漸呈各向異性。然而，一旦超出匹配范圍，離子轟擊過量會導致側壁減小。

確保下電極功率與上電極功率的匹配是至關重要的。過低的功率可能導致刻蝕速率不足，結果是各向同性的刻蝕以及減小側壁角度。相反，功率過高可能導致過量的離子轟擊，使刻蝕過程變得不穩(wěn)定，同樣導致側壁的不理想變化。

在優(yōu)化深硅刻蝕過程時，保持適當的下電極功率與上電極功率匹配范圍，以實現(xiàn)刻蝕的各向異性和穩(wěn)定性，是取得理想刻蝕效果的關鍵。

3）邊緣氣體流量（固定其他參數）：控制中心和邊緣刻蝕氣體流量往往對刻蝕的均勻性產生顯著影響。舉例而言，對于相同的刻蝕面積，若邊緣刻蝕氣體流量為零，導致邊緣刻蝕氣體濃度不足，從而使得邊緣刻蝕速率較慢。通過調節(jié)中心和邊緣氣體流量的匹配，可以優(yōu)化刻蝕的均勻性。

總體而言，即便使用相同的Recipe刻蝕參數，對于不同形狀的刻蝕，其效果可能存在明顯差異。因此，工藝人員通常需要依賴實驗結果進行調控，以確保獲得符合要求的刻蝕效果。這種實驗性的調節(jié)方式允許工藝人員更靈活地應對不同形狀、尺寸或結構的樣品，以達到最佳的刻蝕結果。在優(yōu)化刻蝕過程中，實驗經驗和觀察結果的反饋將成為調整刻蝕參數的關鍵指導。