如何调控BOSCH工艺深硅刻蚀？影响深硅刻蚀的关键参数有哪些？

影响深硅刻蚀的关键参数有：气体流量、上电极功率、下电极功率、腔体压力和冷却器。  

硅刻蚀与氧化硅、氮化硅等材料的刻蚀方式存在差异，氧化硅和氮化硅倾向于物理轰击刻蚀，表现为各向异性。相反，硅的刻蚀倾向于通过氟自由基的化学反应为主，呈各向同性。因此，在硅刻蚀过程中，通常需要使用C4F8气体来保护刻蚀侧壁。

在常见的硅刻蚀设备中，涉及以下几个关键参数：

气体流量：SF6和C4F8，它们在刻蚀过程中发挥不同的作用。

上电极功率（ICP）：用于激发刻蚀和钝化等离子体。

下电极功率（Bias）：用于吸收离子和自由基，影响刻蚀速率。

腔体压力：用于调控等离子体密度，影响刻蚀过程的控制。

冷却器：用于控制晶圆刻蚀过程中产生的热量。

  目前，用于硅刻蚀的设备主要有两种类型：常规ICP刻蚀和深硅刻蚀机。常规ICP刻蚀采用纯BOSCH工艺，以一步刻蚀一步钝化的方式工作。这类设备通常在低气压和高气体流量条件下操作，以提供更高的等离子体密度和更好的均匀性。然而，它只能通过调整刻蚀/钝化比例来控制刻蚀角度。而深硅刻蚀机采用优化后的BOSCH工艺，以一步小功率硅刻蚀，一步钝化，一步大功率刻蚀钝化层的循环方式工作，故具有更高的刻蚀速率，更好的侧壁形貌。

深硅刻蚀机可通过调节多个参数来实现优化，包括上电极中心功率、上电极边缘功率、钝化层沉积气压、刻蚀气压、中间气体流量、边缘气体流量和下电极功率。以下列举了刻蚀中一些重要参数的影响。

  1. 上电极中心功率（固定其他参数）

如图1所示，随着上电极功率的增加，侧壁角度逐渐减小，而刻蚀速度逐渐增大。这一变化可以归因于上电极功率的提升，增加了等离子体的浓度，进一步扩大了鞘区，使得鞘区内离子轰击效应增强。这导致了侧壁角度的减小，同时刻蚀速率的增加。

图1

2. 下电极功率（固定其他参数）

下电极功率与上电极功率的匹配在深硅刻蚀中显得尤为关键。当功率较低时，刻蚀速率下降，刻蚀呈现各向同性倾向，导致侧壁角度减小。随着功率的增加，刻蚀速率增加，刻蚀逐渐呈各向异性。然而，一旦超出匹配范围，离子轰击过量会导致侧壁减小。  

确保下电极功率与上电极功率的匹配是至关重要的。过低的功率可能导致刻蚀速率不足，结果是各向同性的刻蚀以及减小侧壁角度。相反，功率过高可能导致过量的离子轰击，使刻蚀过程变得不稳定，同样导致侧壁的不理想变化。

在优化深硅刻蚀过程时，保持适当的下电极功率与上电极功率匹配范围，以实现刻蚀的各向异性和稳定性，是取得理想刻蚀效果的关键。

 

图2  

3. 边缘气体流量（固定其他参数）  

控制中心和边缘刻蚀气体流量往往对刻蚀的均匀性产生显著影响。举例而言，对于相同的刻蚀面积，若边缘刻蚀气体流量为零，导致边缘刻蚀气体浓度不足，从而使得边缘刻蚀速率较慢。通过调节中心和边缘气体流量的匹配，可以优化刻蚀的均匀性。

 

图3   

总体而言，即便使用相同的Recipe刻蚀参数，对于不同形状的刻蚀，其效果可能存在明显差异。因此，工艺人员通常需要依赖实验结果进行调控，以确保获得符合要求的刻蚀效果。这种实验性的调节方式允许工艺人员更灵活地应对不同形状、尺寸或结构的样品，以达到最佳的刻蚀结果。在优化刻蚀过程中，实验经验和观察结果的反馈将成为调整刻蚀参数的关键指导。  

审核编辑：刘清