二氧化硅干法刻蝕傾角控制的工藝研究

【摘要】采用反應離子體刻蝕機結合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]調整刻蝕參數，得出影響刻蝕傾角的主要因素是CHF3和SF6。適當增加CHF3流量有助于形成陡直的刻蝕傾角；適當增加SF6流量并減小CHF3流量有助于形成平緩的刻蝕傾角。通過對實驗參數進行整體優化處理，最終實現了垂直、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構提供了幫助。

【關鍵詞】二氧化硅；干法刻蝕；刻蝕傾角

干法刻蝕技術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、終端結構成型等等。基片上的不同刻蝕結構，取決于不同的刻蝕傾角。隨著半導體的發展，器件性能對二氧化硅的刻蝕工藝越來越嚴格，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，采用反應離子刻蝕（RIE）技術[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，結合正交試驗法找到影響刻蝕傾角的主要因素，并優化工藝參數，刻蝕出垂直、平緩的傾角[5]。

1.反應離子刻蝕原理（RIE）

對反應腔中的腐蝕氣體，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，當電子能量大到一定程度時，隨機碰撞變為非彈性碰撞，產生二次電子發射，它們又進一步與氣體分子碰撞，不斷激發或電離氣體分子。這種激烈碰撞引起電離和復合。當電子的產生和消失過程達到平衡時，放電能繼續不斷地維持下去。由非彈性碰撞產生的離子、電子及游離基（游離態的原子、分子或原子團）也稱為等離子體，具有很強的化學活性，可與被刻蝕樣品表面的原子起化學反應，形成揮發性物質，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，使得反應離子刻蝕具有很好的各向異性。系統示意圖如圖1所示。

3.結果分析

經過對正交試驗的數據進行采集，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接觸并反應生成SiFCOx，然后在離子轟擊下生成揮發性物質SiF4和COx。當氣體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，從而刻蝕傾角變化甚微。然而隨著SF6的流量增加，當達到4sccm時，氣體流量達到飽和狀態，刻蝕傾角達到了73o，如果繼續加大氣體流量，此時的工藝氣體達到了過飽和狀態，導致輝光放電產生的離子過盛，增加反應粒子之間的碰撞，從而使這些原本轟擊SiO2表面的反應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，增大反應氣體流量，抽走的活性物質也會加快，導致部分反應粒子未與SiO2反應，便與廢氣一起抽走，從而刻蝕傾角難以形成。

通過對正交數據進行優化處理，主要調整CHF3和SF6的流量，其他因素進行微調，最終可以實現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刻蝕區域得到了162.60°平緩的刻蝕傾角。

4.結論

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

參考文獻

[1]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].微機處理，1002-2279（2010）02-0016-0.

[2]郝慧娟，張玉林，盧文娟.二氧化硅的反應離子刻蝕[J].電子工業專業設備，1004-4507（2005）07-0048-04.

[3]張海峰.二氧化硅等離子刻蝕研究[J].集成電路通訊，2010.06.

[4]楊玲，楊磊，辛煜.頻率組合對容性耦合等離子體SiO2刻蝕的影響[J].蘇州大學學報，2010，10.

[5]J.Bhardwaj，H.Ashraf，A.McQuarrie.DRY SILICON ETCHING FOR MEMS.The Symposium on Microstru-ctures and Microfabricated Systems.May 4-9，1997.

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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，北方工業大學集成電路工程碩士，現供職于國網智能電網研究院，主要從事碳化硅工藝開發工作。

楊兵（1968—），男，畢業于北京大學微電子所，博士，北方工業大學副教授，微電子專業碩士生導師。

楊霏（1976—），男，博士后，高工，國家電網公司特聘專家，國網智能電網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領域的研究。