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引言
? ? ? 氮化鋁(AlN)是一種ⅲ-ⅴ族化合物半導體材料。優(yōu)異的機電性能使其適用于微機電系統(tǒng)諧振器。薄膜體聲波諧振器(FBAR)被廣泛研究和使用。壓電氮化鋁微機電系統(tǒng)諧振器具有“三明治”結(jié)構(gòu):底部電極層，氮化鋁層和頂部電極層。這些類型諧振器的襯底通常是硅。在制造過程中，氮化鋁的蝕刻是一個關(guān)鍵的過程。蝕刻結(jié)果將強烈影響性能參數(shù)，例如諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。最近，電感耦合等離子體(ICP)蝕刻工藝被廣泛用于氮化鋁蝕刻工藝。但在此過程中仍存在側(cè)壁角度差、微切效應和底部粗糙等問題。
? ? ? 本文主要研究氮化鋁的刻蝕工藝。采用了等離子體刻蝕技術(shù)。本方法展示一些主要的刻蝕工藝參數(shù)。蝕刻結(jié)果通過蝕刻速率、選擇性、側(cè)壁角度、底部表面粗糙度和微壓痕來表征。
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實驗
? ? ? 本方法的刻蝕樣品為多晶氮化鋁薄膜，厚度為450納米，晶體取向為(002)。用x光衍射測得的半峰全寬(FWHM)為1.7，用原子力顯微鏡測得的粗糙度均方根為3.2納米。通過掃描電子顯微鏡(SEM)測量的晶粒尺寸值約為50納米。使用厚度為1微米的二氧化硅硬掩模。在本文中，選擇性是氮化鋁與二氧化硅的蝕刻速率比。氯基氣體通常用于氮化鋁的蝕刻過程。蝕刻產(chǎn)物是一系列鋁氯揮發(fā)性化合物，如三氯化鋁、二氯化鋁和其他鋁氯化合物。本方法采用單變量法。這意味著每個配方中只有一個參數(shù)被改變，而其他參數(shù)是固定的。結(jié)果用掃描電鏡和原子力顯微鏡測量。
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結(jié)果和討論
? ? ? 圖1顯示了作為Cl2流速函數(shù)的蝕刻速率和選擇性。蝕刻速率隨著Cl2流速的增加而增加。當Cl2流速為20 sccm時，蝕刻速率值為47 nm/min，而當Cl2流速為40 sccm時，它增加到110 nm/min。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，Cl原子和離子的濃度會隨著Cl2流量的增加而增加。結(jié)果，化學反應蝕刻將被增強，這將增加蝕刻速率。選擇性也隨著Cl2流速的增加而增加。在蝕刻過程中，蝕刻機理可分為兩種，即化學反應蝕刻和物理轟擊蝕刻。當Cl2流速增加時，蝕刻過程的主要機制開始從物理轟擊蝕刻偏離到化學反應蝕刻。結(jié)果，氮化鋁膜的蝕刻速率變得更快。二氧化硅的蝕刻速率主要由物理轟擊蝕刻決定，而二氧化硅掩模的蝕刻速率近似與Cl2流速無關(guān)。因此，選擇性隨著Cl2流速的增加而增加。
? ? ? 圖2顯示了蝕刻速率和選擇性與室壓的關(guān)系。我們注意到，當壓力低于0.9帕時，蝕刻速率正移，而當壓力高于0.9帕時，蝕刻速率負移。腔室壓力由入口氣體流量和出口氣體流量決定。更高的室壓導致更高的氣體濃度。因此，腐蝕速率隨著氯原子和離子濃度的增加而增加。然而，隨著壓力的進一步增加，蝕刻速率將向下移動。
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圖2 氮化鋁蝕刻速率和選擇性與腔室壓力的關(guān)系
? ? ? 轟擊粒子的動能主要由偏壓功率決定。在等離子體系統(tǒng)中，離子被偏置功率產(chǎn)生的電場加速。當偏置功率增加時，離子的動能將增加。將增強物理轟擊蝕刻。結(jié)果，蝕刻速率將隨著偏置功率線性增加。
? ? ? 圖10顯示了通過掃描電鏡測量的蝕刻結(jié)果。厚度、高度和角度的值顯示在其中。從這個圖中，看不到明顯的微會議效應。圖11顯示了通過原子力顯微鏡測量的蝕刻區(qū)域的底部粗糙度。均方根值為1.98納米。在微雕刻效應中，底角的蝕刻速率比中心快。因此，在底角會有一個小溝渠。在該方法中，實現(xiàn)了接近垂直的蝕刻過程。M值為11.3%。這意味著微會議效果不明顯。氮化鋁的側(cè)壁角為83°。橫截面圖見圖10。該垂直蝕刻配方的參數(shù)如下。Cl2/BCl3/Ar流速分別為25/10/5 sccm。其他參數(shù)與初始過程相同。
圖10 氮化鋁蝕刻的掃描電鏡截面圖
? ? ? 在輪廓模式氮化鋁諧振器中，公共底部電極是鉑/鈦。鈦用作硅襯底和鉑層之間的粘合層。與其他金屬材料相比，鉑與(002)取向的氮化鋁晶格失配和熱膨脹系數(shù)低。在蝕刻過程中，由于氮化鋁/鉑的高選擇性，鉑電極充當停止層。在上述垂直蝕刻配方中，氮化鋁/鉑的選擇性為3∶1。氮化鋁的蝕刻速率為77.5納米/分鐘，而鉑為25.5納米/分鐘。物理轟擊蝕刻在鉑蝕刻中起主要作用。因此，鉑的蝕刻速率低。該停止層還可以有效地解決不同尺寸圖案中的蝕刻深度均勻性問題。
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總結(jié)
? ? ? 本文主要研究氮化鋁等離子體刻蝕工藝。在本方法中，Cl2/BCl3/Ar被用作基本蝕刻氣體。調(diào)整了氣體流量、腔室壓力和偏壓功率等刻蝕參數(shù)。結(jié)果，獲得了83°的側(cè)壁角、11.3%的M值和1.98 nm的均方根值。氮化鋁/鉑的選擇性為3:1。鉑層作為停止層起著重要的作用。該刻蝕結(jié)果可以滿足氮化鋁微機電諧振器的制造要求。