二氧化硅干法刻蝕傾角控制的工藝研究

【摘要】采用反應(yīng)離子體刻蝕機結(jié)合CHF3+SF6+O2混合氣體[1，2]刻蝕二氧化硅的工藝研究，并且采用正交試驗方法[3]調(diào)整刻蝕參數(shù)，得出影響刻蝕傾角的主要因素是CHF3和SF6。適當(dāng)增加CHF3流量有助于形成陡直的刻蝕傾角；適當(dāng)增加SF6流量并減小CHF3流量有助于形成平緩的刻蝕傾角。通過對實驗參數(shù)進行整體優(yōu)化處理，最終實現(xiàn)了垂直、平緩的刻蝕傾角。為采用二氧化硅作為刻蝕掩膜以及終端結(jié)構(gòu)提供了幫助。

【關(guān)鍵詞】二氧化硅；干法刻蝕；刻蝕傾角

干法刻蝕技術(shù)主要用于對基片進行精確加工，例如刻蝕掩膜、離子注入掩膜、終端結(jié)構(gòu)成型等等。基片上的不同刻蝕結(jié)構(gòu)，取決于不同的刻蝕傾角。隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，器件性能對二氧化硅的刻蝕工藝越來越嚴(yán)格，特別是垂直和平緩的傾角不易加工成型。為了改善這個問題，采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）技術(shù)[6-8]，對二氧化硅進行刻蝕。刻蝕氣體一般選用氟基氣體，如：SF6、CHF3或這兩者和氧氣的混合氣體，結(jié)合正交試驗法找到影響刻蝕傾角的主要因素，并優(yōu)化工藝參數(shù)，刻蝕出垂直、平緩的傾角[5]。

1.反應(yīng)離子刻蝕原理（RIE）

對反應(yīng)腔中的腐蝕氣體，加上大于氣體擊穿臨界值的高頻電場，在強電場作用下，被高頻電場加速的雜散電子與氣體分子或原子進行隨機碰撞，當(dāng)電子能量大到一定程度時，隨機碰撞變?yōu)榉菑椥耘鲎玻a(chǎn)生二次電子發(fā)射，它們又進一步與氣體分子碰撞，不斷激發(fā)或電離氣體分子。這種激烈碰撞引起電離和復(fù)合。當(dāng)電子的產(chǎn)生和消失過程達到平衡時，放電能繼續(xù)不斷地維持下去。由非彈性碰撞產(chǎn)生的離子、電子及游離基（游離態(tài)的原子、分子或原子團）也稱為等離子體，具有很強的化學(xué)活性，可與被刻蝕樣品表面的原子起化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，達到腐蝕樣品表層的目的。同時，由于陰極附近的電場方向垂直于陰極表面，高能離子在一定的工作壓力下，垂直地射向樣品表面，進行物理轟擊，使得反應(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

3.結(jié)果分析

經(jīng)過對正交試驗的數(shù)據(jù)進行采集，分析得出影響刻蝕傾角的主要因素是CHF3和SF6兩種因子，分別增加CHF3和SF6的流量，刻蝕傾角變化顯著。

然而，O2流量、氣壓、功率的變化對于刻蝕傾角影響不大。如圖2所示的不同因素與刻蝕傾角關(guān)系的曲線圖。

如圖2所示，隨著CHF3的流量增加，刻蝕傾角逐漸增加，這是由于氣體CHF3在輝光放電環(huán)境下，在SiO2表面沉積一層碳氟薄膜[1]，碳氟薄膜中的CFx基團與SiO2接觸并反應(yīng)生成SiFCOx，然后在離子轟擊下生成揮發(fā)性物質(zhì)SiF4和COx。當(dāng)氣體CHF3達到一定流量時，同時碳氟薄膜達到一定的厚度，阻礙了CFx基團與SiO2反應(yīng)，從而刻蝕傾角變化甚微。然而隨著SF6的流量增加，當(dāng)達到4sccm時，氣體流量達到飽和狀態(tài)，刻蝕傾角達到了73o，如果繼續(xù)加大氣體流量，此時的工藝氣體達到了過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致輝光放電產(chǎn)生的離子過盛，增加反應(yīng)粒子之間的碰撞，從而使這些原本轟擊SiO2表面的反應(yīng)粒子失去較多的能量，削弱了粒子對SiO2的物理轟擊作用。與此同時，增大反應(yīng)氣體流量，抽走的活性物質(zhì)也會加快，導(dǎo)致部分反應(yīng)粒子未與SiO2反應(yīng)，便與廢氣一起抽走，從而刻蝕傾角難以形成。

通過對正交數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，主要調(diào)整CHF3和SF6的流量，其他因素進行微調(diào)，最終可以實現(xiàn)垂直的刻蝕傾角和平緩的刻蝕傾角。

如圖3所示，在大流量CHF3的刻蝕下，最終SiO2被加工出90.96°近似垂直的刻蝕傾角；如圖4所示，加大SF6的流量，并且減小CHF3的流量，SiO2刻蝕區(qū)域得到了162.60°平緩的刻蝕傾角。

4.結(jié)論

在反應(yīng)離子刻蝕中，影響二氧化硅刻蝕傾角的主要因素是氣體CHF3和氣體SF6。通過工藝優(yōu)化，增加一定流量的氣體CHF3可以加工出垂直側(cè)壁；增大一定流量的氣體SF3并且減小CHF3的流量，可以加工出平緩側(cè)壁。證明了傾角在一定范圍內(nèi)是可控的。

參考文獻

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[2]郝慧娟，張玉林，盧文娟.二氧化硅的反應(yīng)離子刻蝕[J].電子工業(yè)專業(yè)設(shè)備，1004-4507（2005）07-0048-04.

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[7]Takayuki Fukasawa，Akihiro Nakamura，Haruo Shindo and Yasuhiro Horiike.High Rate and Highly Selective SiO2 Etching Employing Inductively Coupled Plasma.Jpn.J.Appl.Phys.33（1994）pp.2139-2144.

[8]Seiichi Watanabe.Plasma Cleaning by Use of Hollow-Cathode Discharge in a CHF3-SiO2 Dry-Etching System.Jpn.J.Appl.Phys.33（1994）pp.2139-2144.

作者簡介：

張昭（1987—），男，北方工業(yè)大學(xué)集成電路工程碩士，現(xiàn)供職于國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，主要從事碳化硅工藝開發(fā)工作。

楊兵（1968—），男，畢業(yè)于北京大學(xué)微電子所，博士，北方工業(yè)大學(xué)副教授，微電子專業(yè)碩士生導(dǎo)師。

楊霏（1976—），男，博士后，高工，國家電網(wǎng)公司特聘專家，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電工新材料及微電子研究所功率微電子試驗檢測中心主任，主要從事碳化硅電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究。