曲鵬程，唐代飛，向鵬飛，袁安波

(重慶光電技術研究所 工藝中心，重慶 400060)

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氮化硅等離子體刻蝕工藝研究

曲鵬程，唐代飛，向鵬飛，袁安波

(重慶光電技術研究所 工藝中心，重慶 400060)

針對氮化硅刻蝕工藝中硅襯底刻蝕損傷的問題。為了提高氮化硅對二氧化硅的刻蝕選擇比，采用CF4，CH3F和O2這3種混合氣體刻蝕氮化硅，通過調整氣體流量比、腔內壓強及功率，研究其對氮化硅刻蝕速率、二氧化硅刻蝕速率及氮化硅對二氧化硅選擇比等主要刻蝕參數的影響。實驗表明，在CH,F流量為25 ,O2流量為40 sccm，腔內壓強為67 Pa，功率為150 W的條件下，得到氮化硅對二氧化硅選擇比為15∶1，非均勻性3.87% 的氮化硅刻蝕工藝。

氮化硅；二氧化硅；等離子體刻蝕；選擇比

半導體制造工藝中，刻蝕工藝是一個重要的工藝步驟，主要原理是利用光刻膠做掩膜，通過物理濺射和化學作用刻蝕介質層，將圖形轉移到介質層上，形成器件的結構?？涛g分為干法刻蝕和濕法腐蝕，干法刻蝕是反應氣體形成等離子體后對介質進行刻蝕，而濕法腐蝕是利用化學液體對材料進行腐蝕。與濕法腐蝕相比，干法刻蝕具有各向異性、精度高、危險性低、均勻性好等優(yōu)點，更適合小線寬器件制作，成為目前主流的刻蝕方式[1-4]。

氮化硅薄膜具有良好的化學穩(wěn)定性、絕緣性及優(yōu)良的光學特性，在微電子工業(yè)和太陽能電池等諸多領域有著廣泛的應用[5]。尤其是在硅基光電探測器領域中，氮化硅薄膜作為器件的減反射膜具有重要的作用。典型光電探測器結構中，氮化硅下層生長著氧化層，目的是在氮化硅刻蝕工藝過程中避免對硅的刻蝕損傷。如果在氮化硅刻蝕工藝中對硅襯底有刻蝕損傷，會造成器件暗電流增大[6-7]。因此要求氮化硅刻蝕工藝中氮化硅對二氧化硅具有較高的刻蝕選擇比，確保不損傷硅襯底。影響刻蝕選擇比的因素主要有射頻功率、反應氣體流量、腔內壓強等幾個參數。實驗采用等離子體刻蝕機在不同工藝條件下對氮化硅進行刻蝕，從氮化硅與二氧化硅的刻蝕速率、氮化硅對二氧化硅的選擇比兩個方面進行分析，根據結果優(yōu)化刻蝕工藝條件，得到了氮化硅對氧化層刻蝕選擇比達到15∶1的刻蝕工藝。

1 等離子體刻蝕原理

等離子體刻蝕是通過化學作用或者物理作用，或者化學和物理的共同作用來實現的。反應腔室內的氣體輝光放電，產生包括離子、電子及游離基等活性物質的等離子體，通過擴散作用吸附到介質表面，與介質表面原子發(fā)生化學反應，形成揮發(fā)性物質。同時高能離子在一定壓力下對介質表面進行物理轟擊和刻蝕，去除再沉積的反應產物和聚合物。通過化學和物理的共同作用來完成對介質層的刻蝕[8-10]。

實驗所用材料為單晶硅片，依次生長17 厚度的二氧化硅及130 厚度的氮化硅?？涛g設備為等離子體刻蝕機?？涛g氣體采用CF4，CH3F和O2。工藝采用二步刻蝕，主刻蝕和過刻蝕，主刻蝕保證大部分氮化硅被刻蝕掉，過刻蝕步驟刻蝕剩余的氮化硅?？涛g氮化硅和二氧化硅的主要化學反應如下[11-12]

(1)

(2)

F*+H*→HF↑

(3)

Si+F*→SiF4↑

(4)

Si3N4+F*→SiF4↑+N2

(5)

SiO2+4F*→SiF4↑+O2

(6)

2 結果與分析

刻蝕氣體采用CF4，CH3F和O2等刻蝕氣體，通過改變氣體流量比、腔內壓強及射頻功率來分析其對刻蝕速率及選擇比的影響，根據實驗結果優(yōu)化過刻蝕步驟中氮化硅對二氧化硅的選擇比。采用膜厚儀測試氮化硅與氧化層的前值與后值，計算兩者的刻蝕速率與選擇比。

2.1 氣體流量比對刻蝕速率的影響

氮化硅和二氧化硅主要都是利用F*進行刻蝕。為了降低過刻蝕工藝中對氧化層的刻蝕速率，方法是通過保持F*氣體流量不變，只調整氧氣流量，來提高氮化硅對二氧化硅的刻蝕選擇比。

圖1 氧氣流量與氮化硅、氧化層刻蝕速率及選擇比的關系

圖1為在只改變氧氣流量條件下，氮化硅刻蝕速率、二氧化硅刻蝕速率及選擇比三者的變化趨勢。其中CH3F流量為25 sccm保持不變。當氧氣流量為10 sccm，氮化硅的刻蝕速率較快，這是因為CH3F的濃度較大，氧氣的稀釋作用不明顯。隨著O2流量的增大，其對整個氣體氛圍的稀釋作用顯著，所以氮化硅的刻蝕速率不斷減小。氧氣流量增加，會消耗CH3F中的C，而C含量減少，會減弱與氧化層中的氧反應，因此二氧化硅的刻蝕速率下降范圍不是很大。在CH3F與O2流量比為25∶40時，氮化硅對氧化層的選擇比最高，可以達到12.1∶1。

2.2 壓強對刻蝕速率的影響

干法刻蝕由物理和化學兩方面組成，物理刻蝕是離子對薄膜的濺射作用，濺射作用越強對介質的垂直刻蝕速率也就越快，剖面形貌越好。而濺射作用的強弱主要由腔內壓強和射頻功率決定。通過調節(jié)腔內壓強來減弱濺射作用，降低氧化層的刻蝕速率。在CH3F和O2流量比為25∶40條件下改變過刻蝕步驟中腔內壓強。具體變化趨勢如圖2所示。

圖2 腔內壓強與氮化硅、氧化層刻蝕速率及選擇比的關系

隨著腔內壓強的增大，參與反應的氣體濃度上升，電離的F*增加，因此氮化硅的刻蝕速率增大。然而二氧化硅的刻蝕速率先降低后增大，降低可以理解為腔內壓強增大，離子濃度增大而其自由程減少，離子間碰撞的概率增大，反應離子就會損失較多能量，進而速度減小，物理刻蝕作用減弱，導致氧化層的刻蝕速率減低。當腔內壓強由67～120 Pa后，二氧化硅刻蝕速率開始增加，造成該現象的原因可以由式(7)得到，這是因為氧氣消耗了部分C原子，使F*原子比例上升，導致對二氧化硅刻蝕速率增大[14]。而在腔內壓強為67 Pa時，氮化硅對氧化層的選擇比最高

(7)

2. 3 射頻功率對刻蝕速率的影響

通過優(yōu)化反應氣體比例和腔內壓強可以使氮化硅對二氧化硅的選擇比達到12.1∶1。為獲得更高的刻蝕選擇比，改變射頻功率來減少物理刻蝕作用，降低硅襯底損傷。

圖3為改變射頻功率后，刻蝕速率及選擇比的變化趨勢圖。過刻蝕步驟中射頻功率由100 W增加到200 W，氮化硅的刻蝕速率增大。這是由于增大射頻功率，等離子體的濃度會增加，同時等離子體內自由電子的能量會變大，通過碰撞產生的自由基增多。因此物理和化學刻蝕作用都會相應的增大，導致刻蝕速率相應變大[15]。當射頻功率>150 W后，氮化硅與二氧化硅刻蝕速率增加幅度減小，原因是功率增大，反應生成的聚合物增多，附著在介質表面，阻礙刻蝕作用，造成刻蝕速率變化不大。圖3中二氧化硅的刻蝕速率在功率為150 W下最小，此時氮化硅對二氧化硅的選擇比最高，可達15∶1。

圖3 射頻功率與氮化硅、氧化層刻蝕速率及選擇比的關系

2.4 優(yōu)化刻蝕菜單

通過調節(jié)過刻蝕步驟中氣體流量、壓強、功率可以使氮化硅對二氧化硅選擇比達到15∶1。計算得到在主刻蝕時間為20 s，過刻蝕時間為180 s條件下，130 nm厚度的氮化硅可以刻蝕干凈。為避免由于刻蝕均勻性導致的氮化硅殘留，增加過刻蝕時間分別為210 s和230 s。刻蝕菜單如表1所示。

表1 氮化硅刻蝕菜單

刻蝕后經膜厚儀測試硅片上5點剩余氧化層厚度。具體數據如表2所示。

表2 膜厚儀測試數據

實驗結果表明，主刻蝕時間為20 s，過刻蝕時間分別為210 s及230 s，刻蝕后剩余氧化層的厚度均值分別為9 nm及4.4 nm。與過刻蝕時間230 s相比，過刻蝕時間為210 s條件下刻蝕后剩余氧化層厚度均勻性更好，因此過刻蝕時間選擇210 s。

3 結束語

采用CF4，CH3F和O2混合氣體刻蝕氮化硅，分

析了不同流量比、壓強和射頻功率對氮化硅刻蝕速率、二氧化硅刻蝕速率及刻蝕選擇比的影響。研究表明提高射頻功率會增加刻蝕速率，但不利于刻蝕選擇比的提高。適當增加氧氣流量與腔內壓強有助于提高氮化硅對氧化層的選擇比，通過優(yōu)化參數降低了過刻蝕對二氧化硅的刻蝕速率，最終得到氮化硅對二氧化硅15:1的刻蝕選擇比，降低了氮化硅刻蝕工藝中硅襯底的損傷，提高了器件成品率。

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Study on Plasma Etching Process of Silicon Nitride

QU Pengcheng，TANG Daifei，XIANG Pengfei，YUAN Anbo

(Technology Center,Chongqing Institute of Optical-Electronics Technology,Chongqing 400060,China)

Etching silicon nitride process, which damage silicon substrate.The plasma etching for silicon nitride,was performed using CF4，CH3F and O2.By adjusting the gas flow ratio, chamber pressure and power, the three major parameters of silicon nitride etching rate,silicon dioxide etching rate and selectivity was researched. Under the condition of CH3F flow rate of 40 sccm, O2flow rate of 40 sccm,the pressure of 67 Pa and the power of 150 W,Experiments show that ,the silicon nitride etching process was obtained with the selectivity of 15∶1 and the uniformity of 3.87%.

silicon nitride; silicon dioxide; plasma etching; selectivity

2016- 10- 29

曲鵬程(1986-)，男，碩士，工程師。研究方向：CCD與探測器工藝技術。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.042

TN405.98+2

A

1007-7820(2017)08-153-03