二氧化硅的反應離子刻蝕工藝研究

楊 光，茍 君，李 偉，袁 凱

(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都610054)

1 引言

刻蝕是半導體微機械加工中關鍵的工藝之一，在器件生產過程中被廣泛應用，是影響制造成品率和可靠性的重要因素。濕法刻蝕和干法刻蝕是半導體制造中兩種基本的刻蝕工藝。相比于濕法刻蝕，干法刻蝕具有各向異性、精度高、刻蝕均勻性好和工藝清潔度高等優點，滿足器件微細加工的要求，成為目前主要的刻蝕方式。反應離子刻蝕有較高的刻蝕速率、良好的均勻性和方向性，是現今廣泛應用和很有發展前景的干法刻蝕技術［1］。

二氧化硅(SiO2)具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過率高、抗侵蝕能力強等優點以及良好的介電性質［2］，在電子器件和集成器件、光學薄膜器件、傳感器等相關器件中得到廣泛應用。在微機械加工工藝中，SiO2常被用作絕緣層、犧牲層材料［2］。目前，對SiO2干法刻蝕工藝的研究較多［3-4］，但采用不同氣體體系對SiO2刻蝕進行對比研究的報道較少。采用 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和CF4+O2五種工藝氣體體系對SiO2作反應離子刻蝕，并優化射頻功率和氣體流量比，可得到優化工藝。

2 二氧化硅的反應離子刻蝕原理

反應離子刻蝕(reactive ion etching，RIE)包含物理性刻蝕和化學性刻蝕兩種刻蝕作用，是本論文采用的干法刻蝕技術。刻蝕時，反應室中的氣體輝光放電，產生含有離子、電子及游離基等活性物質的等離子體，可擴散并吸附到被刻蝕樣品表面與表面的原子發生化學反應，形成揮發性物質，達到刻蝕樣品表層的目的。同時，高能離子在一定的工作壓力下，射向樣品表面，進行物理轟擊和刻蝕，去除再沉積的反應產物或聚合物。化學反應產生的揮發性物質與物理轟擊的副產物均通過真空系統被抽走［5］。

刻蝕SiO2的反應氣體主要為含氟基或氯基氣體［6］;前者如 CF4、CHF3、SF6、NF3等，后者如 BCl3、Cl2等。反應離子刻蝕SiO2時，在輝光放電中分解出的氟原子或氯原子，與SiO2表面原子反應生成氣態產物，達到刻蝕的目的。

氟碳化合物和氟化的碳氫化合物(在碳氫化合物中有一個或幾個氫原子被氟原子替代)是SiO2反應離子刻蝕工藝常用的刻蝕氣體，如 CF4、C3F8、C4F8、CHF3、CH2F2等［7］。其中所含的碳可以幫助去除氧化層中的氧(產生副產物CO及CO2)。CF4和CHF3為最常用的氣體。用 CF4和CHF3刻蝕SiO2時，刻蝕氣體發生離解，主要反應過程如下［8-9］:

生成的氟活性原子到達SiO2表面，反應生成揮發物質，如下:

式(1)～(6)中有上標星號的 CF3*，C，CF*，F*表示具有強化學反應活性的活性基。SiO2分解生成的氧離子和CHF2*等基團反應，生成的CO↑、CO2↑、H2O↑等揮發性氣體被真空系統抽離反應腔體，完成對SiO2的刻蝕。

3 實驗結果與分析

實驗所用的刻蝕設備是德國FHR公司生產的反應離子刻蝕機RIE 150×4，主要由以下幾部分組成:硅片盒、中央腔、發生刻蝕反應的3個反應腔、射頻電源、氣體流量控制系統、去除刻蝕生成物和氣體真空系統等。刻蝕系統包括傳感器、氣體流量控制單元和終點觸發探測器。

3.1 SiO2的刻蝕氣體選擇

實驗選取了 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和CF4+O2五種氣體體系對二氧化硅進行刻蝕，通過對刻蝕速率和均勻性兩個參數的對比分析，選擇最佳刻蝕氣體。實驗過程中氣體壓強為5Pa，射頻功率為500W，反應腔室溫度為45℃，基片冷卻溫度為 5℃，CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和 CF4+O2氣體流量分別為 40sccm、40sccm 、20sccm+20sccm、30sccm+5sccm和30sccm+5sccm。實驗結果如表1所示。

表1 五種氣體體系刻蝕二氧化硅的刻蝕速率與非均勻性

表1顯示，CF4刻蝕SiO2的速率超過了70nm/min，與CHF3的刻蝕速率相比，有顯著的提升，而且均勻性也要好過CHF3。這是因為:在輝光放電過程中，對刻蝕SiO2起主導作用的是氟等離子體，CF4的F/C比例高于CHF3，能提供更高的氟等離子體濃度，而且在刻蝕過程中不會像CHF3那樣生成較多聚合物，因而對SiO2具有更高的刻蝕速率。而CHF3反應生成較多的聚合物在基片表面產生局部積淀，也使得CHF3的刻蝕均勻性不如CF4。

當選用CHF3+CF4(20sccm+20sccm)作為刻蝕氣體時，由于其氟活性原子比例介于前兩者之間，因而其刻蝕速率也介于兩者之間，均勻性也是如此。

從表1也可以看出，對于刻蝕氣體 CHF3或CF4，O2的加入對SiO2刻蝕都起到了促進作用。這是因為:O2加入后，會發生如下反應:

可見，O2消耗掉部分碳原子，使氟活性原子比例上升，從而導致刻蝕速率顯著提高。

一般而言，在其他因素(如均勻性，對光刻膠和襯底的選擇比等)尚可接受的范圍內，刻蝕速率應越快越好。雖然CF4+O2的刻蝕均勻性不甚理想，但考慮到其明顯占優的刻蝕速率，最終選擇CF4+O2作為SiO2的刻蝕氣體。而均勻性的優化則通過改變射頻功率及氣體流量比來實現。

3.2 射頻功率對刻蝕速率和均勻性的影響

在選定CF4+O2作為刻蝕氣體之后，為了改善其刻蝕SiO2的均勻性，改變射頻功率進行實驗。在實驗中選擇CF4+O2，氣體流量為30sccm+5sccm，并保持其他工藝參數不變，把射頻功率分別設定為500W、450W以及400W，測試其刻蝕速率與非均勻性，實驗結果如圖1所示。

圖1 射頻功率對刻蝕速率和均勻性的影響

圖1表明，刻蝕速率隨著射頻功率的增加而明顯提高，原因有兩方面:一方面射頻功率增大，使自由電子能量升高，到達基片表面的離子速度增大，物理轟擊作用增強，從而加快刻蝕速率;另一方面，射頻功率的增大，加快反應氣體的離化、分解，使到達基片表面的粒子能量增大，對基片表面材料撞擊損傷程度增大，促進表面化學反應，因而使刻蝕速率加快。

當射頻功率增大時，均勻性卻隨之下降，這是因為:當射頻功率較大時，達到基片表面的離子速度很大，會被基片迅速反彈，導致與局部基片表面離子反應不充分，刻蝕表面粗糙度增加，造成刻蝕均勻性的下降。從圖1看出，400W是一個較理想的工作點，基片各點化學刻蝕進行得較為充分，得到了較為理想的均勻性。

3.3 氣體流量對刻蝕速率和均勻性的影響

采用CF4+O2刻蝕二氧化硅，保持射頻功率(400W)與CF4的流量(30sccm)不變，改變O2的流量進行實驗。實驗中O2流量分別設定為3sccm、5sccm和8sccm，得到SiO2與光刻膠的刻蝕速率、非均勻性隨O2流量的變化關系，如圖2所示。

從前面對表1的分析已知，CF4氣體中O2的加入可以促進對SiO2的刻蝕。然而，并不是O2的比例越高，SiO2的刻蝕速率就越高。從圖2可以看出，本實驗中SiO2的刻蝕速率隨著O2流量的增加而降低。這是因為:少量的O2可以促使氟活性離子的增加，但是隨著O2比例的增加，O2對刻蝕氣體(CF4)的稀釋作用增強，從而導致刻蝕速率的降低。

選擇比是SiO2刻蝕速率與光刻膠刻蝕速率的比值。隨著O2流量的增加，SiO2的刻蝕速率降低，但光刻膠的刻蝕速率明顯提高。因此，選擇比隨著O2流量的增加明顯減小。

圖2 二氧化硅刻蝕速率(ER(SiO2))、光刻膠刻蝕速率(ER(PR))、均勻性(U)與O2流量(O2flow)之間的關系

用CF4和O2刻蝕SiO2，提高O2比例，易獲得較好的刻蝕均勻性。

綜合分析刻蝕速率、選擇比和均勻性三個刻蝕參數可知，O2流量為3sccm時，均勻性較差(7%)，O2流量為8sccm時，選擇比太差(0.44)，CF4和O2的流量比選擇30sccm∶5sccm時為最佳。

3.4 SiO2的優化刻蝕工藝

通過前面的分析，采用CF4和O2刻蝕SiO2，射頻功率為400W，氣體流量比為30sccm∶5sccm時，獲得了最優化的刻蝕參數，如表2所示。

表2 采用CF4+O2刻蝕SiO2的最優化工藝

4 結束語

刻蝕氣體的選擇對SiO2反應離子刻蝕的結果有著很重要的影響。實驗采用CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和 CF4+O2五種氣體體系刻蝕SiO2，并對刻蝕速率、均勻性等刻蝕參數進行考察，發現CF4刻蝕SiO2的結果好于CHF3，而O2的加入對刻蝕起到了促進作用;通過優化射頻功率，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參數優化了氣體流量配比。最終得到刻蝕速率79nm/min、非均勻性4%、對光刻膠的選擇比0.81的優化工藝，可作為SiO2刻蝕的實用工藝。

［1］ Michael Quirk，Julian serda.半導體制造工藝［M］.韓鄭生，等譯.北京:電子工業出版社，2006.

［2］ V T Srikar，S M Spearing.A critical review of microscale mechanical testing methods used in the design of microelectromechanical systems［J］.Experimental Mechanics，2003，43，(3).

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