專利名稱：等離子體對iii－v族化合物的干法刻蝕系統(tǒng)及刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是緊湊感應(yīng)耦合等離子體(ICP)對III-V族化合物的干法刻蝕系統(tǒng)及刻蝕方法，屬半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)，特別涉及刻蝕III-V族化合物的氣體成分、配氣及工藝過程。
(二)技術(shù)背景隨著集成電路集成度的提高，集成電路的圖形越來越精細(xì)。III-V族化合物半導(dǎo)體由于具有良好的光電特性，在微電子、光電子領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，而能否精細(xì)刻蝕III-V族化合物則成為制約III-V族化合物半導(dǎo)體應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。目前刻蝕III-V族化合物仍大多沿用酸、堿等化學(xué)濕法刻蝕，這種方法由于各向同性效應(yīng)，難以刻蝕3μm以下的精細(xì)圖形，且刻蝕的圖形上易殘留酸堿等化學(xué)成分，縮短了III-V族化合物半導(dǎo)體的使用壽命；另一種方法是使用離子轟擊濺射刻蝕，它是用具有一定動(dòng)能的惰性氣體離子來轟擊基片，它存在著對III-V族化合物無選擇性，刻蝕速率低且易發(fā)生淀積現(xiàn)象的缺點(diǎn)。因此，在半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中，實(shí)際上非常急需一種對III-V族化合物有良好的選擇性，高的刻蝕速率，低損傷，能制作亞微米級精細(xì)圖形的刻蝕方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有濕法技術(shù)刻蝕III-V族化合物時(shí)所產(chǎn)生的精度差，刻蝕速率低，選擇性差，損傷大的缺點(diǎn)，解決急需要一種能高速率、低損傷、高精度及具有良好選擇性的刻蝕方法的問題，研究、發(fā)明一種能克服和解決上述缺點(diǎn)和問題的能制作精細(xì)圖形、不影響半導(dǎo)體性能、器件特性及使用壽命、精度高、刻蝕速率高、選擇性好、損傷小的緊湊感應(yīng)耦合等離子體對III-V族化合物的干法刻蝕系統(tǒng)及用特定氣體、氣體配比的刻蝕方法。本發(fā)明是通過下述結(jié)構(gòu)技術(shù)方案和刻蝕方法來實(shí)現(xiàn)的緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其刻蝕工藝流程圖如圖2所示。該干法刻蝕系統(tǒng)由測量裝置1、射頻RF偏置功率源2、基片臺3、ICP耦合天線5、磁控線圈6、RF電源7、反應(yīng)室8、底座9、配氣裝置10、真空裝置11共同連接裝配構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為將測量裝置1的探針插入到反應(yīng)室8中，將反應(yīng)室8放置于底座9中，將ICP耦合天線5套在反應(yīng)室8上，磁控線圈6放置于ICP耦合天線5的外面，反應(yīng)室8與基片臺3相連接，ICP耦合天線5通過電纜線與RF電源7相連接，基片臺3通過電纜線與偏置功率源2相連接，反應(yīng)室8與配氣裝置10連通，反應(yīng)室8與真空裝置11連通。
本發(fā)明的干法刻蝕方法是通過下述方法技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的(1)在緊湊的圓柱式反應(yīng)室8中產(chǎn)生高密度均勻分布的ICP等離子體；(2)利用外加射頻RF偏置功率100～900W，產(chǎn)生磁場1×10-4～1T(特斯拉)的手段對等離子體進(jìn)行約束，引導(dǎo)等離子體轟擊待刻基片4表面；(3)其刻蝕反應(yīng)氣體配方刻蝕氣體是氯氣Cl2，氫氣H2，氬氣Ar，氮?dú)釴2，甲烷CH4，三氯化硼B(yǎng)Cl3，四氯化碳CCl4，三氯化磷PCl3，氟里昂12-CCl2F2，氟里昂22-CHClF2中的一種或幾種氣體的混合氣體；具體用何種氣體及如何實(shí)現(xiàn)混合氣體的配氣將取決于被刻蝕的III-V族化合物銻化銦InSb、銦鋁氮InAIN、銦鎵砷磷InGaAsP、氮化銦InN的材料及對最終刻蝕產(chǎn)品質(zhì)量的要求，即工藝條件的限制；(4)刻蝕工藝步驟及條件①將待刻蝕基片4放入反應(yīng)室8內(nèi)，將反應(yīng)室8抽真空；②當(dāng)反應(yīng)室本底真空度達(dá)到10-2～10-3托(Torr)時(shí)，通入刻蝕反應(yīng)氣體；③控制刻蝕反應(yīng)氣體的流量為2～6毫升/分鐘及0.1～0.9的配比，繼續(xù)抽真空；④當(dāng)反應(yīng)室8的氣壓穩(wěn)定在10-2～10-3托，加入功率源及偏壓，并調(diào)節(jié)功率源的輸入功率為100～800W及RF偏置功率源為100～900W的大小以產(chǎn)生等離子體開始刻蝕；⑤達(dá)到預(yù)期的刻蝕效果后，停止輸入功率及偏置功率源，關(guān)掉進(jìn)入反應(yīng)室8的氣體，關(guān)閉真空裝置11，結(jié)束刻蝕；⑥從反應(yīng)室8中取出芯片，測量刻蝕結(jié)果；其中，最佳工藝條件為在反應(yīng)室氣壓為2～6×10-2托，氣體流量為2～4毫升/分鐘，RF功率為200～400W，RF偏置功率為100～300W的條件下，刻蝕速度達(dá)到100～700nm/min。
本發(fā)明的刻蝕原理如下射頻RF電源通過感應(yīng)天線的耦合將反應(yīng)室8中的氣體離解成為具有強(qiáng)化學(xué)活性的離子和一些活性基團(tuán)，這些活性粒子在偏置功率源和磁場的約束和引導(dǎo)下轟擊待刻基片表面，與基片上的待刻物質(zhì)發(fā)生表面物理化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的生成物為易揮發(fā)物質(zhì)，被真空裝置11抽走，從而達(dá)到刻蝕的目的。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)用緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體(ICP)刻蝕III-V族化合物，克服了化學(xué)濕法刻蝕各向同性、不易制作精細(xì)圖形、且易在刻蝕樣品上殘留腐蝕液從而影響半導(dǎo)體性能及使用壽命的缺點(diǎn)，是各向異性良好并可控制的刻蝕，能制作亞微米級的精細(xì)圖形，并且等離子體刻蝕對III-V族化合物的損傷遠(yuǎn)小于化學(xué)濕法刻蝕，從而有效保證了半導(dǎo)體的性能及使用壽命；(2)與離子轟擊濺射刻蝕相比，它具有較高的刻蝕速率，對不同的III-V族化合物有高的選擇性，且不易發(fā)生再淀積現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)，幾乎完全克服了離子轟擊濺射刻蝕的缺點(diǎn)，能大大提高III-V族化合物半導(dǎo)體的生產(chǎn)效率，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；(3)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，成本低廉。


下面對說明書附圖進(jìn)一步說明如下圖1為緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體(ICP)干法刻蝕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為ICP干法刻蝕的工藝流程圖。圖中1為測量裝置、2為射頻RF偏置功率源、3為基片臺、4為待刻基片、5為ICP耦合天線、6為磁控線圈、7為射頻RF電源、8為反應(yīng)室、9為底座、10為配氣裝置、11為真空裝置。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，將測量裝置1的探針通過基片臺3上的圓孔插入到反應(yīng)室8中，在圓孔處用O型橡膠圈套在探針上達(dá)到密封，將反應(yīng)室8豎直放置于底座9的圓槽中，將ICP耦合天線5套在反應(yīng)室8上，磁控線圈6放置于ICP耦合天線5的外面，反應(yīng)室8通過基片臺3上的圓槽與基片臺3相連接，連接處用硅膠墊密封，ICP耦合天線5通過電纜線與RF電源7相連接，基片臺3通過電纜線與偏置功率源2相連接，反應(yīng)室8通過銅管或PVC管與配氣裝置10相連接通，反應(yīng)室8通過真空橡膠管與真空裝置11相連接通。
發(fā)明人經(jīng)過長期的研究、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方式可為如下(1)按圖1所示，設(shè)計(jì)、加工制造或購買本刻蝕系統(tǒng)的各部件或裝置例如上蓋及基片臺3可選用不銹鋼作材料，采用華南師范大學(xué)校內(nèi)工廠機(jī)械設(shè)備用機(jī)械加工方法加工生產(chǎn)而成，它的邊緣刻有圓槽并內(nèi)嵌白硅膠用于密封石英管，上蓋中央有一圓形孔，以便插入測量裝置1的測量探針用于測量等離子體參數(shù)；上蓋圓孔周圍呈等邊三角形分布三個(gè)夾具用來固定待刻基片4；底座9同樣可選用不銹鋼材料，采用華南師范大學(xué)校內(nèi)工廠機(jī)械設(shè)備用機(jī)械加工方法加工生產(chǎn)而成，底座9形狀與上蓋基本一致，中央圓孔為真空裝置11的抽氣孔，兩邊為刻蝕氣體入口；上蓋與底座中間設(shè)置有洞，用于通冷卻水，整個(gè)反應(yīng)室8豎直放置，待刻基片4倒置于上蓋；反應(yīng)室8可選用華南師范大學(xué)校內(nèi)工廠生產(chǎn)的兩頭磨平并燒口的圓柱形石英管作為反應(yīng)室8，石英管的內(nèi)徑可為70～300mm，外徑可為76～306mm，高可為20～50mm三種規(guī)格；磁控線圈6及ICP耦合天線5可自己繞制，其中緊湊感應(yīng)耦合(ICP)天線可為2～5匝，其內(nèi)徑可為2～5mm，外徑可為3～6mm的銅管，中間用于通冷卻水，所產(chǎn)生的等離子體分布形態(tài)為靠近基片臺3最密，從基片4到底座9逐漸均勻減少；本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于產(chǎn)生高密度等離子體，從而提高了刻蝕速率；測量裝置1可選購華南師范大學(xué)校內(nèi)工廠生產(chǎn)的TZ-100或TZ-200型裝置，RF電源7可采用任何一款可調(diào)功率0～1000W的射頻電源，射頻偏置功率源2可采用任何一款可調(diào)范圍在0～1000W的直流電源；(2)設(shè)計(jì)、加工制造和選購好各部件及裝置后，便可按上面說明書所述的本刻蝕系統(tǒng)的各部件相互位置及連接關(guān)系進(jìn)行安裝連接便可較好地實(shí)現(xiàn)本干法刻蝕系統(tǒng)；(3)發(fā)明人經(jīng)長期的研究、試驗(yàn)，有很多成功的刻蝕方法實(shí)施例，下面僅列舉14個(gè)成功的實(shí)施例實(shí)施例1將待刻蝕基片4-InSb(膜厚15μm)放入反應(yīng)室8內(nèi)，對反應(yīng)室8抽真空，當(dāng)反應(yīng)室8本底真空度達(dá)到1.5×10-2托時(shí)，通入刻蝕反應(yīng)氣體CCl2F2；控制反應(yīng)氣體的流量2毫升/分鐘，繼續(xù)抽真空；當(dāng)反應(yīng)室8氣壓穩(wěn)定在5×10-2托時(shí)，加入功率源及偏置功率，并調(diào)節(jié)功率源的輸入功率為100W及RF偏置為100W，產(chǎn)生等離子體，開始刻蝕；刻蝕30分鐘后，停止功率輸出及偏置功率，關(guān)掉進(jìn)入反應(yīng)室8的氣體，關(guān)閉真空裝置11，結(jié)束刻蝕；在掃描電鏡的觀測下，發(fā)現(xiàn)有良好的各向異性，樣品表面形貌平整，刻蝕速率達(dá)到200nm/min。
實(shí)施例2將實(shí)施例1中的刻蝕條件變?yōu)榉磻?yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，RF功率為400W，RF偏置為300W，通入反應(yīng)氣體后，反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕時(shí)間縮短為10分鐘，刻蝕速率達(dá)到600nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例3將實(shí)施例1中的刻蝕條件變?yōu)榉磻?yīng)氣體流量為6毫升/分鐘，RF功率為800W，RF偏置為900W，通入反應(yīng)氣體后，反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在3×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕時(shí)間縮短為5分鐘，刻蝕速率達(dá)到1200nm/min，但樣品表面形貌不平整，有較嚴(yán)重的過蝕現(xiàn)象。
實(shí)施例4將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nAIN，刻蝕氣體改用Cl2和Ar的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為2毫升/分鐘，Cl2所占有的百分比為0.1，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到100nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例5將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nAIN，刻蝕氣體改用Cl2和Ar的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，Cl2所占有的百分比為0.4，RF功率為400W，RF偏置為300W，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到200nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例6將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nAIN，刻蝕氣體改用Cl2和Ar的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為6毫升/分鐘，Cl2所占有的百分比為0.9，RF功率為800W，RF偏置為900W，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在3×10-1托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到300nm/min，但樣品表面形貌不平整，有較嚴(yán)重的過蝕現(xiàn)象。
實(shí)施例7將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nGaAsP，刻蝕氣體改用H2和CH4的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為2毫升/分鐘，CH2所占有的百分比為0.1，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到100nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例8將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nGaAsP，刻蝕氣體改用H2和CH4的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，CH4所占有的百分比為0.4，RF功率為400W，RF偏置為300W，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到150nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例9將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nGaAsP，刻蝕氣體改用H2和CH4的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為6毫升/分鐘，CH4所占有的百分比為0.9，RF功率為800W，RF偏置為900W，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在3×10-1托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到200nm/min，但樣品表面形貌不平整，有較嚴(yán)重的過蝕現(xiàn)象。
實(shí)施例10將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nN，刻蝕氣體改用BCl3和Ar的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為2毫升/分鐘，BCl3所占有的百分比為0.2，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到220nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例11將實(shí)施例1中的刻蝕樣品變?yōu)镮nAIN，刻蝕氣體改用Cl2和N2的混合氣體，反應(yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，Cl2所占有的百分比為0.7，RF功率為400W，RF偏置為300W，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到150nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例12刻蝕樣品選用InSb，刻蝕氣體改用CCl4，反應(yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，RF功率為400W，RF偏置為300W，并加入磁場10-4托，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到700nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例13刻蝕樣品選用InSb，刻蝕氣體改用PCl3，反應(yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，RF功率為400W，RF偏置為300W，并加入磁場0.05T，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到650nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
實(shí)施例14刻蝕樣品選用InSb，刻蝕氣體改用CHClF2，反應(yīng)氣體流量為4毫升/分鐘，RF功率為400W，RF偏置為300W，并加入磁場1T，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2×10-2托，其他具體過程同實(shí)施例1，則刻蝕速率達(dá)到500nm/min，且樣品表面形貌平整，有良好的各向異性。
由以上實(shí)施例可知，本發(fā)明對III-V族化合物有良好的刻蝕效果，在刻蝕條件為反應(yīng)氣體流量為2～4毫升/分鐘，RF功率為200～400W，RF偏置為100～300W，通入反應(yīng)氣體后反應(yīng)室氣壓穩(wěn)定在2～6×10-2托，能達(dá)到最好的刻蝕效果。
權(quán)利要求
1.一種緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體干法刻蝕系統(tǒng)，其特征在于它由測量裝置(1)、射頻RF偏置功率源(2)、基片臺(3)、ICP耦合天線(5)、磁控線圈(6)、RF電源(7)、反應(yīng)室(8)、底座(9)、配氣裝置(10)、真空裝置(11)共同連接裝配構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為將測量裝置(1)的探針插入到反應(yīng)室(8)中，將反應(yīng)室(8)放置于底座(9)中，將ICP耦合天線(5)套在反應(yīng)室(8)上，磁控線圈(6)放置于ICP耦合天線(5)的外面，反應(yīng)室(8)與基片臺(3)相連接，ICP耦合天線(5)通過電纜線與RF電源(7)相連接，基片臺(3)通過電纜線與偏置功率源(2)相連接，反應(yīng)室(8)與配氣裝置(10)連通，反應(yīng)室(8)與真空裝置(11)連通。
2.一種用權(quán)利要求1所述的緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的干法刻蝕方法，其特征在于，它包括如下工藝步驟及條件①將待刻蝕基片(4)放入反應(yīng)室(8)內(nèi)，將反應(yīng)室(8)抽真空；②當(dāng)反應(yīng)室(8)本底真空度達(dá)到10-2～10-3托時(shí)，通入反應(yīng)氣體；③控制刻蝕反應(yīng)氣體的流量為2～6毫升/分鐘及0.1～0.9的配比，繼續(xù)抽真空；④當(dāng)反應(yīng)室(8)的氣壓穩(wěn)定在10-2～10-3托，加入功率源及偏壓，并調(diào)節(jié)功率源的輸入功率為100～800W及RF偏置功率源為100～900W的大小以產(chǎn)生等離子體，開始刻蝕；⑤達(dá)到預(yù)期的刻蝕效果后，停止輸入功率及偏置功率，關(guān)掉進(jìn)入反應(yīng)室(8)的氣體，關(guān)閉真空裝置(11)，結(jié)束刻蝕；⑥從反應(yīng)室(8)中取出芯片。
3.按權(quán)利要求2所述的一種緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的干法刻蝕方法，其特征在于，刻蝕反應(yīng)氣體是氯氣Cl2，氫氣H2，氬氣Ar，氮?dú)釴2，甲烷CH4，三氯化硼B(yǎng)Cl3，四氯化碳CCl4，三氯化磷PCl3，氟里昂12-CCl2F2，氟里昂22-CHClF2中的一種或幾種氣體的混合氣體。
4.按權(quán)利要求2所述的一種緊湊感應(yīng)耦合低溫等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的干法刻蝕方法，其特征在于，所述最佳工藝條件為在反應(yīng)室氣壓為2～6×10-2托，氣體流量為2～4毫升/分鐘，RF功率為200～400W，RF偏置功率為100～300W的條件下，刻蝕速度達(dá)到100～700nm/min。
全文摘要
本發(fā)明是緊湊感應(yīng)耦合等離子體對干III－V族化合物的法刻蝕系統(tǒng)及刻蝕方法,屬半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)。該干法刻蝕系統(tǒng)由測量裝置、射頻RF偏置功率源、基片臺、ICP耦合天線、磁控線圈、RF電源、反應(yīng)室、底座、配氣裝置、真空裝置共同連接裝配構(gòu)成,其相互位置及連接關(guān)系為:將測量裝置的探針插入到反應(yīng)室中,將反應(yīng)室放置于底座中,將ICP耦合天線套在反應(yīng)室上,磁控線圈放置于ICP耦合天線的外面,反應(yīng)室與基片臺相連接,ICP耦合天線通過電纜線與RF電源相連接,基片臺通過電纜線與偏置功率源相連接,反應(yīng)室與配氣裝置連通,反應(yīng)室與真空裝置連通?？涛g方法包括(1)產(chǎn)生等離子體;(2)利用外加射頻偏置功率或磁場對等離子體約束、引導(dǎo)轟擊基片表面;(3)刻蝕氣體組成及配比;(4)刻蝕工藝步驟及條件等。本發(fā)明克服和解決了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和問題,能制作精細(xì)圖形且不影響半導(dǎo)體性能及使用壽命、精度高、刻蝕速率高、選擇性好、損傷小、成本低。
文檔編號H01L21/02GK1378248SQ02115200
公開日2002年11月6日 申請日期2002年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月13日
發(fā)明者陳俊芳, 吳先球, 趙智昊, 符斯列, 趙文峰 申請人:華南師范大學(xué)