杜先兵

解析二氧化硅的干法刻蝕工藝

杜先兵

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州貴陽 550000）

本文主要研究了二氧化硅的干法刻蝕工藝。通過一系列的采用不同實(shí)驗(yàn)條件的反應(yīng)離子刻蝕工藝實(shí)驗(yàn)，分析了不同的氣體流量、射頻功率級(jí)壓強(qiáng)所對應(yīng)的刻蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化了工藝條件。

反應(yīng)離子刻蝕；二氧化硅；最佳工藝條件

1 反應(yīng)離子刻蝕的基本原理和研究方法

最為廣泛使用的方法是結(jié)合物理性的離子轟擊與化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)離子刻蝕（RIE）。射頻電源輝光放電將氣體系統(tǒng)傳導(dǎo)過來的刻蝕氣體擊穿，在反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生等離子體。等離子體既可在電場作用下物理轟擊硅片，又可與刻蝕表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。通過物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)的綜合完成對硅片的刻蝕。

2 反應(yīng)離子刻蝕研究實(shí)驗(yàn)

2.1 SiO2的刻蝕氣體選擇

SiO2常用的刻蝕氣體有 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和 CF4+O2五種氣體體系，為了選擇最為合適刻蝕氣體，本文對比了刻蝕速率和均勻性兩個(gè)參數(shù)。

刻蝕氣體電離出的反應(yīng)離子直接與SiO2反應(yīng)而達(dá)到刻蝕的效果，因此，氣體體系的選擇至關(guān)重要。通過對比，實(shí)驗(yàn)最終選擇CF4+O2氣體體系刻蝕二氧化硅。其反應(yīng)原理為：

2.2 氣體流量對刻蝕速率的影響

刻蝕氣體中的CF4和O2兩種氣體的流量對刻蝕速率的影響十分關(guān)鍵，下面分別分析兩種氣體的流量對刻蝕速率的影響。

2.2.1 CF4氣體流量對刻蝕速率的影響

CF4是直接與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體，其氣體流量的供給決定了反應(yīng)的速率。本文分別選用三種不同CF4流量（10sccm、30sccm和50sccm）來進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，三組實(shí)驗(yàn)保持射頻功率（400W）和氣體壓強(qiáng)（5Pa）不變。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，CF4氣體流量與刻蝕速率的關(guān)系。當(dāng)CF4氣體流量較?。?0sccm）時(shí)，氣體流量不足以使SiO2與反應(yīng)離子完全發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)CF4氣體流量為30sccm時(shí)，反應(yīng)氣體濃度增大，電離出的反應(yīng)離子增多，硅片表面的SiO2與反應(yīng)離子的化學(xué)反應(yīng)變得充分。氣體流量增大同時(shí)使物理反應(yīng)也更為明顯。當(dāng)CF4氣體流量為50sccm時(shí)，氣體電離出的反應(yīng)離子達(dá)到飽和，參與反應(yīng)離子刻蝕物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的氣體變少，刻蝕速率的增加變得緩慢，多余的氣體浪費(fèi)。如果在增大氣體的流量則氣體為與SiO2發(fā)生反應(yīng)就被抽離，反而會(huì)使刻蝕速率降低，還會(huì)造成氣體資源浪費(fèi)。因此，反應(yīng)離子刻蝕的工藝條件：氣體流量應(yīng)選擇刻蝕反應(yīng)接近飽和時(shí)的氣體流量，即選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)CF4流量為30sccm。

2.2.2 O2流量對刻蝕速率和均勻性的影響

據(jù)反應(yīng)原理：CFx*+O2→COFx↑+CO↑+CO2↑，可知O2消耗掉部分碳原子，使氟活性原子比例上升，從而提高刻蝕速率。使用CF4和O2混合的氣體體系可以獲得較好的刻蝕效果。然而，O2的比例越高，SiO2的刻蝕速率未必就越高。由實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)O2流量慢慢升高時(shí)，SiO2的刻蝕速率反而逐漸降低。綜上分析可知：一定量的O2可以增加刻蝕速率，但是當(dāng)O2比例超過一定程度后，O2則會(huì)稀釋刻蝕氣體，導(dǎo)致刻蝕速率的降低。

為了驗(yàn)證采用CF4+O2干法刻蝕工藝中，O2流量對刻蝕速率和均勻性的影響，進(jìn)行三種不同的刻蝕工藝實(shí)驗(yàn)。在三次實(shí)驗(yàn)中，CF4流量均采用上文中驗(yàn)證的流量30sccm，同時(shí)保證三次實(shí)驗(yàn)的射頻功率均為400W。但O2流量分別設(shè)定為3sccm、5sccm和8sccm三種不同的速率。

分析結(jié)果可得SiO2的刻蝕速率隨著O2流量的增加而降低，光刻膠的刻蝕速率隨著O2流量的增加而升高。SiO2刻蝕速率與光刻膠刻蝕速率的比值稱為選擇比，是刻蝕工藝中的重要數(shù)值。在使用CF4+O2刻蝕法時(shí)，提高O2比例，易獲得較好的刻蝕均勻性。最終O2的流量值設(shè)置為5sccm。

2.3 射頻功率對刻蝕速率和均勻性的影響

本文選用CF4+O2作為刻蝕氣體，CF4和O2的流量分別選用30sccm和5sccm。根據(jù)上文中分析，刻蝕均勻性有待調(diào)整。因此，繼續(xù)做三組比較實(shí)驗(yàn)，保證氣體流量其他的工藝參數(shù)不變，刻蝕實(shí)驗(yàn)中的射頻功率設(shè)置為400W、450W和500W三個(gè)檔次，比較三組實(shí)驗(yàn)刻蝕均勻性。

2.4 氣體壓強(qiáng)對刻蝕速率的影響

氣體的壓強(qiáng)也是影響刻蝕速率的重要因素。因此，準(zhǔn)備了氣體流量和保持射頻功率等工藝條件均保持不變，而氣體壓強(qiáng)分為別1Pa、5Pa、10Pa的三組刻蝕實(shí)驗(yàn)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氣體壓強(qiáng)5Pa時(shí)刻蝕速率要明顯大于壓強(qiáng)為1Pa時(shí)。當(dāng)氣體壓強(qiáng)由1Pa增大時(shí)，反應(yīng)室中的氣體濃度增加，電離出的離子濃度高，化學(xué)反應(yīng)變得更加充分，從而增大刻蝕速率。然而，氣體壓強(qiáng)10Pa時(shí)刻蝕速率要明顯小于壓強(qiáng)為5Pa時(shí)。當(dāng)氣體壓強(qiáng)10Pa時(shí)，氣體電離出的反應(yīng)離子已經(jīng)達(dá)到飽和，反應(yīng)離子之間的碰撞損失了較多的能量，降低了硅片表面的物理反應(yīng)，刻蝕速率降低。

2.5 刻蝕工藝優(yōu)化

通過前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，可以得出合適的二氧化硅刻蝕工藝。即：采用CF4+O2氣體體系，兩種氣體流量為30sccm+5sccm，刻蝕的射頻功率為400W，刻蝕氣體壓強(qiáng)為5Pa。最終達(dá)到的刻蝕速率為77.8nm/min，均勻性為4.6%，選擇比0.85。

3 結(jié)論

本文首先比較了 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和 CF4+O2五種氣體體系，選用了CF4+O2的氣體體系作為刻蝕氣體；繼而選用合適的射頻功率，獲得了較好的刻蝕均勻性；用二氧化硅的刻蝕速率、均勻性與選擇比三個(gè)參數(shù)優(yōu)化了氣體流量配比。最終得到刻蝕速率77。8nm/min、非均勻性4.6%、對光刻膠的選擇比0.85的優(yōu)化工藝，做為SiO2刻蝕的實(shí)用工藝。

[1]來五星，廖廣蘭，史鐵林，楊叔子.反應(yīng)離子刻蝕加工工藝技術(shù)的研究[J].Semiconductor Technology，2006，31（6）：414～417.

[2]嚴(yán)劍飛，袁凱，太惠玲，吳志明.二氧化硅的干法刻蝕工藝研究[J].微處理機(jī)，2010，2：16～19.

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2016-9-14