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等离子蚀刻清洗机磷化铟蚀刻

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发布时间：

2020-12-21

磷化铟不但可以作为外延层的基底材料，而且本身还可以作为沟道材料或电极材料使用，因此相对其他三五族材料，对磷化铟材料的等离子蚀刻清洗机等离子体蚀刻的研究也多一些。利用CH4和H2蚀刻磷化钢是较早出现的一类方法。这种方法可以应用在大面积、大尺寸的磷化铟蚀刻中。蚀刻率比较可观，但在图形复杂且密集区域中由于产生的副产物难挥发，而本身的等离子蚀刻清洗机等离子体蚀刻气体的聚合物非常重，很容易在蚀刻图形底部发生蚀刻终止现象，或图形形貌变差等现象，故CH4和H2的气体组合需要进一步改善才能成为工业上可应用的磷化铟蚀刻方法。

等离子蚀刻清洗机
有文献表明，以氯气为主要蚀刻气体的磷化铟的低温蚀刻在低温条件下存在蚀刻速率很低且副产物很难去除的问题。使用氯气对InP的蚀刻对温度非常敏感，且温度越高其蚀刻速率越快。而温度低时由于副产物较多且挥发困难，当蚀刻总量过多时，副产物的富集效应就会引起蚀刻终止(产物InClx很难挥发)。而以CH4和H2为主的低温蚀刻又面临着蚀刻速率低引起蚀刻停止的现象。因此如何在低温下实现InP材料的蚀刻成为大家普遍研究的热点。较常见的方法是在常规磷化铟蚀刻气体中混人其他气体，较早的这方面研究来自新西兰的卡洛塔的报道。使用Cl2/Ar/H2的混合气体，在150℃下虽能获得较好的磷化铟图形，高温度下可以获得光滑连续的图形形貌，但150℃的温度毕竟已经不能算是低温。
2007年清华大学报道了进一步优化气体配比并改善其他条件的方法来克服这些难题，该蚀刻方法可以在室温条件下克服副产物难挥发的难题。因为合适的CH4和氯气的气体配比会形成In(CH)x的副产物，这类副产物较InClx更容易挥发去除。磷化铟的表面粗糙度较低并无副产物的残余保留。蚀刻条件为:Cl2:CH4:Ar=12∶12:3;4mT；TCP 为1000W;偏压300V。经计算蚀刻速率为8600Å/min，对SiN的选择比为10∶1，已经能够满足当前工艺的选择比要求。
但这种方法的缺点也很明显:副产物完全挥发，图形侧壁保护不够，导致整体的形状会凹进去。而这种形貌无论作为栅极，外延层，还是掩膜都很难达到器件性能上的要求。因此作者又开发了另一种混合气体Cl2/N2/Ar，利用不同的蚀刻机理，加人N2以更好地利用物理轰击去除磷化铟。这类方法可以实现垂直的磷化钢图形。
而对不同流量配比的蚀刻速率和选择比研究总结到表8.2中，我们可以看到没有N2时，选择比高，但表面粗糙度差:而随者N2量的不断增加，粗糙度得到不断改善，但会牺牲很多选择比。依据现有的蚀刻机台，我们应该可以更好地利用不同蚀刻步骤，使用不同的蚀刻气体比例和其他条件，同步改善这些矛盾问题，以获得想要的图形。
表8.2不同流量配比的Cl2/CH4/N2/Ar蚀刻结果

RunNo.	Cl2/sccm	N:/sccm	Ar/sccm	EtchRate/(μm/min)	SelectivityInP:SiO2	RMS/nm
1	5	0	10	1.113	28.7:1	>25
2	5	3	7	0.493	11.5;1	18.22
3	5	5	5	0.407	13.0:1	15.88
4	5	7	3	0.322	9.35:1	1.07
5	8	3	5	0.768	17.0:1	>25
6	8	5	3	0.673	17.2:1	6.30

以上几类方法都是在ICP机台中实现的，而早期在RIE的机台中也有过相关研究，去探寻压力对蚀刻磷化铟的影响。随着压力的增大，副产物不断堆积使选择比不断下降，蚀刻终止。在5Pa的条件下，有没有氮化硅硬掩膜环境的蚀刻图案基本一致，但在10Pa下，没有氮化硅硬掩膜的情况下，在图形密度较大区域，产生的副产物或聚合物较多，蚀刻率急剧下降，从而得到了不同图形环境蚀刻的深度之间存在较大差异;当压力为20Pa时，无论图形周围密集度环境如何，蚀刻都会终止，这是因为聚合物的量太大，以至于覆盖了全部图形，蚀刻无法进行。
而对图形形貌的控制较为细致的研究来自于2012年的一篇报道。从模拟的结果看，深沟或深孔的形貌和等离子蚀刻清洗机等离子体吸附率和吸附规律有关，而是否存在二次或多次吸附也将直接影响顶部的图形形貌。不同的等离子体吸附对深孔或深沟的开口附近形态影响巨大，面模拟和实验的实际结果也较符合，说明了模拟的结果的可信度很高。而根源是不同等离子体在深孔中的吸附位置不同导致了蚀刻分成两个不同阶段，在接近出口处含氯较多的 InCl2和InCl副产物较多，故顶部以化学蚀刻为主;而底部含氯的等离子蚀刻清洗机等离子体和副产物较少，以物理蚀刻为主。所以形成了不同的形貌。
由于现有的等离子蚀刻清洗机台都有控制解离率，过滤不需要的等离子体的功能，我们可以通过先进的蚀刻机台配置，精准定义我们需要的图形。达到精准控制图案化的目的。随着蚀刻机台的不断更新换代，相信可以控制更加理想图形的功能会被不断开发，对于单一或连续的图形形貌变化的控制能力会不断加强，图形形态之间的转换也会更加连续自然。

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