王坤坤 宮小龍

摘要：本文首先闡述了二氧化硅干法蝕刻的主要原理，采用正交實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)蝕刻速率、均勻程度以及選擇比等蝕刻參數(shù)方面進(jìn)行了分析和優(yōu)化，希望為蝕刻工藝參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：二氧化硅干法蝕刻；參數(shù)；優(yōu)化

大規(guī)模集成電路的發(fā)展令二氧化硅干法蝕刻技術(shù)得以產(chǎn)生并被推廣和應(yīng)用。作為精密加工技術(shù)的代表，干法刻蝕技術(shù)早在上世紀(jì)六十年代就在等離子腐蝕中被應(yīng)用，此后干法刻蝕工藝得到了進(jìn)一步完善。干法刻蝕效果受到諸多工藝參數(shù)的影響，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析是極為必要的，明確參數(shù)的作用與原理才能有針對(duì)性的優(yōu)化參數(shù)從而提升刻蝕效果。

一、二氧化硅干法蝕刻原理

（一）蝕刻基本原理

二氧化硅干法蝕刻的實(shí)施原理是對(duì)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)加速，并采用蝕刻氣體在電場(chǎng)中形成等離子體，存在于等離子體中的活性物質(zhì)會(huì)與被蝕刻的材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)，在氣流的作用下被去除。在等離子法干法刻蝕中通常采用的刻蝕氣體是碳元素和氟元素組成的化合物，以及在碳?xì)浠衔镏杏梅犹鎿Q氫原子形成的化合物，刻蝕氣體中的碳元素起到的作用是與氧化層中的氧元素結(jié)合，形成一氧化碳或是二氧化碳等副產(chǎn)物。

（二）蝕刻氣體的選擇

等離子法干法刻蝕中最常采用的刻蝕氣體是四氟化碳，該物質(zhì)作用下的蝕刻速率可以達(dá)到很高水平，然而其不足在于對(duì)多晶硅的選擇比不夠高。在刻蝕氣體的選取方面，由于蝕刻的二氧化硅主要是氟原子活性基，為了增加對(duì)蝕刻硅的選擇比，氟原子的濃度應(yīng)該適當(dāng)降低。此外碳元素和氟元素的比例會(huì)影響蝕刻的聚合程度。在蝕刻氣體中混合有其他氣體的情況下，碳元素和氟元素的比例會(huì)隨之發(fā)生變化。通常較大的F/C會(huì)使二氧化硅或是多晶硅與光阻的選擇比較低，同時(shí)帶來(lái)較大的蝕刻速率以及較少的聚合物生成。反之，若F/C比例較小，則會(huì)生成較多的聚合物，蝕刻速率較低對(duì)硅的選擇性較大。

此外，加入氫氣會(huì)使二氧化硅的蝕刻選擇比提升。其原理是若在四氟化碳中引入氫元素，則氫原子會(huì)與氟原子結(jié)合生成氟化氫，由于氟原子的濃度降低，在蝕刻過(guò)程中生成的等離子體中富含碳元素，從而會(huì)極大減緩蝕刻速率。而由于作為蝕刻材料的二氧化硅自身含有氧元素，對(duì)二氧化硅進(jìn)行蝕刻時(shí)，碳原子會(huì)與氧原子結(jié)合生成一氧化碳或是二氧化碳，當(dāng)二者被排出系統(tǒng)后，刻蝕氣體中的碳元素和氟元素的比例會(huì)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，從而使蝕刻速率基本不變。

（三）蝕刻設(shè)備

蝕刻工藝水平很大程度上受到蝕刻設(shè)備的影響，常用的蝕刻設(shè)備雖然各有不同，但基本結(jié)構(gòu)中都包含操作系統(tǒng)、射頻功率控制系統(tǒng)、氣柜系統(tǒng)、腔體系統(tǒng)，以及起到真空和冷卻作用的控制系統(tǒng)等。其中，射頻功率控制系統(tǒng)直接導(dǎo)致等離子體的生成，對(duì)蝕刻效果有重要影響。腔體系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行蝕刻氣體的流動(dòng)，氣體的類型與流量以及腔體內(nèi)的壓力水平也會(huì)影響蝕刻效果。

二、影響蝕刻效果的工藝參數(shù)

二氧化硅干法蝕刻的工藝參數(shù)有如下幾種：壓力、蝕刻氣體類型與流量、射頻功率、蝕刻時(shí)的溫度和蝕刻腔體等。蝕刻效果的提升離不開(kāi)對(duì)參數(shù)的研究、分析和優(yōu)化。由于各個(gè)工藝參數(shù)之間存在交互作用，若僅做單因素實(shí)驗(yàn)則無(wú)法體現(xiàn)工藝參數(shù)之間的作用，而將多種因素混合實(shí)驗(yàn)的話，實(shí)驗(yàn)過(guò)程會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，為了減少實(shí)驗(yàn)資源與時(shí)間的耗費(fèi)，并簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)整理過(guò)程，采用正交實(shí)驗(yàn)方法可以有效解決這一問(wèn)題，即通過(guò)規(guī)范的正交表進(jìn)行四個(gè)因素、三個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)。利用正交實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)對(duì)蝕刻效果的具體影響如下：

（1）射頻功率對(duì)蝕刻效果的影響。影響蝕刻速率的最主要因素就是射頻功率，射頻功率越高對(duì)應(yīng)的蝕刻速率也越大。射頻功率提升后使得正負(fù)電極之間的電壓隨之增大，從而帶來(lái)了更高的離子能量和離子密度，導(dǎo)致蝕刻速率對(duì)應(yīng)提升。此外，射頻功率的增加也會(huì)使蝕刻的均勻性變好。

（2）蝕刻氣體類型與流量對(duì)蝕刻效果的影響。在本實(shí)驗(yàn)中采用四氟化碳作為蝕刻氣體，隨著四氟化碳?xì)怏w流量的增加，由此造成了蝕刻速率的增大。其原理是四氟化碳作為蝕刻氣體生成的等離子體中富含大量氟元素，較高的氟元素比例會(huì)增大蝕刻速率。在蝕刻均勻性方面，當(dāng)四氟化碳的流量較小時(shí)，由于整體的蝕刻速率不是很高，從而表面可以達(dá)到很好的聚合，導(dǎo)致蝕刻的均勻水平較高。

（3）壓力對(duì)蝕刻效果的影響。在實(shí)驗(yàn)的初始階段，隨著壓力的增大，蝕刻速率有顯著提升，而當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，蝕刻速率維持在某一水平不再變化。其原因是壓力增大后，離子的密度會(huì)上升，滯留時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，從而增大ER，而分子的自由程度降低，再加上聚合作用的共同影響會(huì)減小ER，在這兩種相反的作用下，蝕刻速率會(huì)先上升后維持穩(wěn)定。在蝕刻均勻性方面，壓力對(duì)蝕刻的均勻水平有著最主要的影響，壓力的增大會(huì)導(dǎo)致均勻性降低。

三、蝕刻工藝參數(shù)優(yōu)化建議

二氧化硅干法蝕刻過(guò)程中，工藝參數(shù)的不同會(huì)對(duì)蝕刻速率、蝕刻均勻性以及選擇比等造成因素。其中，影響蝕刻速率的主要因素為射頻功率，壓力在均勻性方面是主要影響因素，對(duì)刻蝕氣體流量的比率控制可以改善選擇比，在具體的蝕刻工藝中，參數(shù)的確定要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)效果的不同，精確的控制好各個(gè)工藝參數(shù)。

四、結(jié)語(yǔ)

二氧化硅干法刻蝕在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)的地位越來(lái)越重要，對(duì)干法刻蝕工藝參數(shù)的研究對(duì)提高刻蝕效果具有重要作用。本文在闡述了二氧化硅干法刻蝕原理的基礎(chǔ)上，從射頻功率、刻蝕氣體類型與流量以及壓力三個(gè)方面分析了它們各自對(duì)蝕刻水平的影響，希望為相關(guān)部門帶來(lái)一定的參考，使我國(guó)的干法刻蝕工藝更加成熟完善。

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