王晓东：干法刻蚀引领半导体微纳加工

10月15日-16日，中国科学院半导体研究所、仪器信息网联合主办首届“半导体材料与器件研究与应用”网络会议(i Conference on Research and Application of Semiconductor Materials and Devices, iCSMD 2020)，22位业内知名的国内外专家学者聚焦半导体材料与器件的产业热点方向，进行为期两日的学术交流。会议期间，中科院半导体所、集成电路工程研究中心的王晓东研究员做了题为《半导体微纳加工中的硅干法刻蚀技术》的报告。

硅干法刻蚀即等离子体刻蚀技术，相对于湿法刻蚀，具有更好的各向异性，工艺重复性，且能降低晶圆污染几率，因此成为了亚微米下制备半导体器件最主要的刻蚀方法。在此次报告中，王晓东研究员介绍了三种不同的硅干法刻蚀技术。

据介绍，硅干法刻蚀的物理机制，主要包括物理溅射刻蚀、纯化学刻蚀、化学离子增强刻蚀和侧壁抑制刻蚀等。影响硅干法刻蚀效果的因素主要有三类：一是等离子体密度和能量，通过配备两套射频源，ICP和RF射频源来分别控制；二是腔室气压，由于鞘层的存在，一般需要气压小于100 mtorr使得离子平均自由程大于鞘层宽度；三是刻蚀气体选择，气体需要根据反应生成物是否容易去掉来选择，首选挥发性产物。

王晓东研究员重点介绍了三种硅干法刻蚀技术，即Bosch、Cryo、Mixed。Bosch通常刻蚀特征尺寸＞1 μm，刻蚀深度＞10 μm，刻蚀结果深且宽，即深硅刻蚀；Cryo即所谓的低温工艺，可以得到平滑侧壁以及纳米尺寸结果；Mixed刻蚀深度＜10 μm，具有低的深宽比，也即浅硅刻蚀。

深硅刻蚀（Bosch）是目前应用最广泛，发展最成熟的硅刻蚀工艺。Bosch最初的基本工艺过程（Basic Bosch Process）就是钝化和刻蚀交替进行。此后，在其中加入轰击过程，发展出先进工艺（Advanced Bosch Process），即钝化、轰击和刻蚀三个过程不断循环，以此达到深硅刻蚀目的。Bosch工艺的优势是高速率、高各向异性和高选择比。其劣势为工艺复杂，晶片状况影响工艺过程，存在侧壁scallop等。同时，深硅刻蚀也存在一些典型的刻蚀问题：一是刻蚀剖面控制，如Undercut、Bowing、Bottling、Trenching、Footing等问题；二是负载效应，随硅暴露面积的增加，刻蚀速率和刻蚀均匀性都会降低，通常减少腔体气压可解决此问题；三是ARDE问题，即随着刻蚀深宽比的增加，刻蚀速率会下降，一般可通过增加沉积保护气体气压，增宽离子的角分布和加入刻蚀截止层等解决；四是Notching问题，即由于电荷积累造成钻蚀，可采用低频脉冲模式LF Pulse Mode来解决。

除深硅刻蚀外，下电极温度在液氮-100 ℃下，可以进行比较精细的刻蚀—低温刻蚀（Cryo）。与深硅刻蚀相比，其工艺气体不同，一般为SF₆和O₂，生成物SiO_xF_y在-85 ℃时很容易形成，在室温下即可挥发，腔室环境非常干净。因此低温刻蚀可以得到侧壁光滑，undercut很小，选择比高的结果。但此时光刻胶会受影响，所以胶的厚度不能太厚，通常小于1.2 μm，且需要进行合适的烘烤，防止胶裂。

最后一种就是浅硅刻蚀（Mixed），即在相对较浅的刻蚀中（＜10 μm），多采用同步刻蚀方法，钝化和刻蚀同步进行，所以也称同步工艺。与深硅刻蚀不同，浅硅刻蚀的刻蚀性气体与聚合物生成气体同时输入腔室，刻蚀和钝化同步进行，导致钝化和刻蚀的作用会在很大程度上抵消一部分，所以实现了光滑的侧壁（＜100 nm）。但这使得刻蚀环境十分复杂，工艺窗口相对较窄，工艺重复性控制难度较大。与多步刻蚀相比，采用同步刻蚀方法进行刻蚀时，为获得较高的刻蚀速率和各向异性，刻蚀中所用射频功率和偏压较高，导致刻蚀材料和掩模之间的选择比低，刻蚀结果对掩模质量依赖性较强，对掩模材料和质量要求高。

在报告最后，王晓东研究员还介绍了半导体所在微纳器件制备中如MEMS、纳米波导、纳米线器件等方面的大量工作。

随着亚微米下制备半导体器件需求的增加，硅干法刻蚀技术也显得越来越重要，而半导体所所级公共技术服务中心具备上述技术能力。同时这是一个开放的平台，如果有相应的需求也可以进行合作参与。