解析二氧化硅的干法刻蝕工藝

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驗條件的反應離子刻蝕工藝實驗，分析了不同的氣體流量、射頻功率級壓強所對應的刻蝕實驗結果。通過實驗數據優化了工藝條件。

反應離子刻蝕；二氧化硅；最佳工藝條件

1 反應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合物理性的離子轟擊與化學反應的反應離子刻蝕（RIE）。射頻電源輝光放電將氣體系統傳導過來的刻蝕氣體擊穿，在反應室內產生等離子體。等離子體既可在電場作用下物理轟擊硅片，又可與刻蝕表面發生化學反應。通過物理轟擊和化學反應的綜合完成對硅片的刻蝕。

2 反應離子刻蝕研究實驗

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參數。

刻蝕氣體電離出的反應離子直接與SiO2反應而達到刻蝕的效果，因此，氣體體系的選擇至關重要。通過對比，實驗最終選擇CF4+O2氣體體系刻蝕二氧化硅。其反應原理為：

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發生化學反應的氣體，其氣體流量的供給決定了反應的速率。本文分別選用三種不同CF4流量（10sccm、30sccm和50sccm）來進行三組實驗，三組實驗保持射頻功率（400W）和氣體壓強（5Pa）不變。

根據實驗結果分析得出，CF4氣體流量與刻蝕速率的關系。當CF4氣體流量較小（10sccm）時，氣體流量不足以使SiO2與反應離子完全發生反應。當CF4氣體流量為30sccm時，反應氣體濃度增大，電離出的反應離子增多，硅片表面的SiO2與反應離子的化學反應變得充分。氣體流量增大同時使物理反應也更為明顯。當CF4氣體流量為50sccm時，氣體電離出的反應離子達到飽和，參與反應離子刻蝕物理反應和化學反應的氣體變少，刻蝕速率的增加變得緩慢，多余的氣體浪費。如果在增大氣體的流量則氣體為與SiO2發生反應就被抽離，反而會使刻蝕速率降低，還會造成氣體資源浪費。因此，反應離子刻蝕的工藝條件：氣體流量應選擇刻蝕反應接近飽和時的氣體流量，即選擇實驗時CF4流量為30sccm。

2.2.2 O2流量對刻蝕速率和均勻性的影響

據反應原理：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。由實驗證明，當O2流量慢慢升高時，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O2比例超過一定程度后，O2則會稀釋刻蝕氣體，導致刻蝕速率的降低。

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

分析結果可得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值。在使用CF4+O2刻蝕法時，提高O2比例，易獲得較好的刻蝕均勻性。最終O2的流量值設置為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。根據上文中分析，刻蝕均勻性有待調整。因此，繼續做三組比較實驗，保證氣體流量其他的工藝參數不變，刻蝕實驗中的射頻功率設置為400W、450W和500W三個檔次，比較三組實驗刻蝕均勻性。

2.4 氣體壓強對刻蝕速率的影響

氣體的壓強也是影響刻蝕速率的重要因素。因此，準備了氣體流量和保持射頻功率等工藝條件均保持不變，而氣體壓強分為別1Pa、5Pa、10Pa的三組刻蝕實驗。分析實驗結果可知，氣體壓強5Pa時刻蝕速率要明顯大于壓強為1Pa時。當氣體壓強由1Pa增大時，反應室中的氣體濃度增加，電離出的離子濃度高，化學反應變得更加充分，從而增大刻蝕速率。然而，氣體壓強10Pa時刻蝕速率要明顯小于壓強為5Pa時。當氣體壓強10Pa時，氣體電離出的反應離子已經達到飽和，反應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，刻蝕速率降低。

2.5 刻蝕工藝優化

通過前面的實驗數據比較，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，刻蝕氣體壓強為5Pa。最終達到的刻蝕速率為77.8nm/min，均勻性為4.6%，選擇比0.85。

3 結論

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參數優化了氣體流量配比。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的優化工藝，做為SiO2刻蝕的實用工藝。

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

[2]嚴劍飛，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，2010，2：16～19.

TN305.7

A

1004-7344（2016）27-0244-01

2016-9-14