BST薄膜的磁增强反应离子刻蚀研究

作者:张柏顺;全祖赐;郭涛;章天金 刊名:电子元件与材料 上传者:张勇学

【摘要】分别以CF4/Ar和CF4/Ar/O2作为刻蚀气体,采用磁增强反应离子刻蚀(MERIE)技术对sol-gel法制备的BST薄膜进行刻蚀。结果表明,刻蚀速率与刻蚀气体的混合比率呈现非单调特性。当CF4/Ar的气体流量比R(CF4:Ar)为10:40时,刻蚀速率达到极大值。当CF4/Ar/O2的气体流量比R(CF4:Ar:O2)为9:36:5时,刻蚀速率达到最大值,最大刻蚀速率为8.47nm/min。原子力显微镜(AFM)分析表明,刻蚀后的薄膜表面粗糙度变大。对刻蚀后的薄膜再进行适当的热处理,可以去除部分残留物。

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Ba1-xSrxTiO3(简称BST)薄膜是一种典型钙钛矿结构的复合材料,它集BaTiO3的高介电常数、低介质损耗和SrTiO3的物化稳定特点于一身,具有介电常数高、漏电流密度小、耐疲劳特性好以及优良的热释电性能等,是研制非易失性铁电随机存取存储器[1]、微电子机械系统[2]、非制冷红外焦平面阵列[3]的优选材料。在BST薄膜的微电子集成器件的研制中,对其进行干法刻蚀是一项关键支撑技术。据报道,目前国内外干法刻蚀BST薄膜常用的技术有:感应耦合等离子体(ICP)[4~7]、电子回旋共振(ECR)和螺旋波等离子体(HWP)[8]、反应离子刻蚀(RIE)以及磁增强反应离子刻蚀(MERIE)[9]技术等。其中ICP、ECR和HWP等高密度等离子体刻蚀设备价格昂贵,操作程序复杂,而RIE则是通过射频二极放电产生的高频等离子体对基片进行刻蚀,实验成本相对低廉。在RIE基础上,MERIE则在垂直于电场方向上施加磁场,在低压强和小功率的条件下就能有效地增加荷电粒子在等离子体中的运动路程和滞留时间,提高刻蚀气体的离化率,从而增大反应离子的密度[10]。有关BST薄膜的等离子体刻蚀特性的研究,近年来已有一些报道[3~9]。这些研究大都集中在采用ICP这类高密度等离子体刻蚀装置,以Cl2/Ar、BCl3/Cl2/Ar和CHF3/Ar等作为刻蚀气体。然而,在低压强和小功率的刻蚀装置条件下,如何改变刻蚀气体的组分来进一步提高刻蚀速率,以及刻蚀后薄膜的微结构如何改善等方面的研究涉及得不多。笔者利用MERIE装置,分别以CF4/Ar和CF4/Ar/O2作为刻蚀气体,对BST薄膜进行刻蚀。研究BST薄膜的刻蚀速率与刻蚀气体的第4期张柏顺等:BST薄膜的磁增强反应离子刻蚀研究11混合比率之间的关系,确定了刻蚀速率最大的工艺条件。实验发现,在CF4/Ar中添加适量的O2,可明显地提高刻蚀速率;对刻蚀后的薄膜再进行适当的热处理,可减少刻蚀表面的残留物,有效地改善刻蚀后薄膜的微观形貌。1实验采用sol-gel工艺[11],在SiO2/Si(100)衬底上旋涂化学计量比为Ba0.65Sr0.35TiO3的坯膜,并将该坯膜在O2气氛中,750下快速热处理20min,得到晶化良好的BST薄膜。用磁增强反应离子刻蚀装置(ME3A型,中国科学院微电子中心研制),分别以CF4/Ar和CF4/Ar/O2作为刻蚀气体,对BST薄膜进行刻蚀。所选择的射频功率为80W,总气流量为50mL/min,本底真空度小于0.1Pa,反应室内的工作气压约为2.5Pa,刻蚀时间为30min;刻蚀气体CF4/Ar的混合比率R(CF4:Ar)分别选择为50:0,40:10,30:20,20:30,10:40和0:50,CF4/Ar/O2的气体流量比R(CF4:Ar:O2)分别选择为10:39:1,10:37:3,9:36:5,9:34:7,8:33:9和8:31:11。为了便于测量BST薄膜的刻蚀深度,每一样品在刻蚀之前均用小硅片进行掩模。用纳米台阶仪(S4C3D,TaylorHobsonLtd)测量BST薄膜的刻蚀深度,并由刻蚀深度和刻蚀时间计算出BST薄膜的刻蚀速率。刻蚀后的BST薄膜按与制备该薄膜相同的热处理工艺再次退火一次。用原子力显微镜(AFM,DigitalInstrumentsNanoscopeIIIA)研究同一BST薄膜样品在刻蚀前、刻蚀后以及刻蚀后再退火各阶段的表面形貌。2结果与讨论2.1CF4/Ar气体流量比对刻蚀速率的影响在保持射频功率和总气流量一定的前提下,改变CF4/Ar的混合比率R(CF4:A

参考文献

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