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?？涛g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?；瘜W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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［4］ 嚴劍飛，袁凱，太惠玲，等.二氧化硅的干法刻蝕工藝研究［J］.微處理機，2010(2):16-22.

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