二氧化硅的干法刻蝕工藝研究

殷 濤

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

二氧化硅的干法刻蝕工藝研究

殷 濤

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

在半導體工藝中，刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從硅表面去除不需要的材料，在硅片上復制所需圖形的工藝步驟。反應離子蝕刻的各向異性可以實現細微圖形的轉換，隨著大規模集成電路工藝技術的發展，為滿足越來越小的尺寸要求，反應離子刻蝕已成為亞微米及以下尺寸最主要的蝕刻方式。通過對刻蝕工藝的研究，選擇恰當工藝參數(如射頻功率、氣壓、氣體流量等等)，可獲得最佳工藝條件，并在保證刻蝕效果的同時提高刻蝕速率，是刻蝕工藝所追求的目標。

半導體工藝；干法刻蝕；工藝

根據摩爾定律和等比例縮小原則，隨著半導體集成電路的規模越來越大，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)的特征尺寸(溝道長度)越來越小，現在已經縮小到亞微米和深亞微米的范圍，并向納米逼近。眾所周知，在集成電路的制造過程中，影響特征尺寸的關鍵是光刻工藝。刻蝕是用物理或化學方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料，在硅片上復制所需圖形轉換的工藝步驟，可分為濕法刻蝕和干法刻蝕。與濕法刻蝕相比，干法刻蝕具有刻蝕剖面各向異性、側壁剖面控制好、品質因素(CD)損失漂移小、光刻膠粘附良好、對環境污染小和成本低等優點。

1 反應離子刻蝕工藝研究內容及方法

關于光學材料在不同工藝條件下的反應離子刻蝕研究，在實驗過程中將實驗硅片作為基礎材料，并通過CVD技術使實驗硅片生成實驗所需要的二氧化硅層，在一定的沉積工藝條件下保證所制備的二氧化硅薄膜具有實驗所需要的各種性質，并保證其致密性、折射率等都可以達到光學材料所具備的相應標準，這樣才能確保實驗結果在光學材料干法刻蝕應用中的有效性。二氧化硅膜在滿足標準后要對其均勻性進行檢測，可以運用橢偏儀對二氧化硅膜的厚度與折射率進行測量，這樣才能使實驗結果完全可以代表硅片表面在干法刻蝕工藝中的實際膜厚，對保證該實驗結果的合理性、科學性、準確性以及有效性有著重要意義。

二氧化硅在化學反應中所分解出來的氧離子會與CHF2+基團發生反應，并可以釋放出多種揮發性氣體，在刻蝕工藝中需要將這些氣體從反應腔體中徹底抽出。刻蝕實驗后要對剩余的二氧化硅膜進行再次測量，通過與第一次測量數據的對比便可以通過定量計算的方式來確定刻蝕速率及均勻性等，這也是該實驗最后所需要的研究的各項干法刻蝕參數。

2 反應離子刻蝕

2.1 二氧化硅的平坦化工藝

選擇比是指在同一刻蝕條件下一種材料與另外一種材料刻蝕速率的比例。平坦化工藝，即將整個硅片上的高低起伏全部磨成理想厚度的工藝，要求找到二氧化硅和光刻膠的刻蝕速率最接近時的工藝條件，也就是使得選擇比最接近1，并且要求刻蝕速率比較大，否則耗時太多。其研究意義在于可以適當削薄已沉積薄膜的厚度，在不影響性能基礎上減小材料器件尺寸，并且能保證表面平整。下面通過四個不同工藝條件進行刻蝕研究，對比刻蝕效果，得出結論。

固定條件：CHF3=20sccm，壓強5pa，功率400W，此前的大量實驗中已經得知這是刻蝕二氧化硅的最優化工藝條件，刻蝕速率較大，均勻性很好，相比二者均達到較好要求。要去除光刻膠，必須添加氧氣，其主要作用是刻蝕光刻膠，對二氧化硅的刻蝕速率沒有顯著影響，氧氣流量的不同必然導致光刻膠刻蝕速率滿足一定的范圍，其實驗根據是使得光刻膠的刻蝕速率介于二氧化硅的速率之間，再用作圖法求得平坦化相對最佳的工藝條件。刻蝕工藝條件為CHF3：O2=20：3.5sccm，壓強5pa，功率400W時，選擇比最接近1，刻蝕速率較大(大于45.66nm/min)，均勻性也很好(小于7%)，是較優化的平坦化刻蝕工藝條件。

2.2 攜帶氣體條件下的刻蝕工藝

1)含量

與氦氣相比，氬氣電離能較低，質量和原子半徑較大。所以，在相同的條件下，其在干法刻蝕過程中更易破壞待刻蝕物質表面的原子鍵結構，提供更多的等離子體數目，降低刻蝕腔體內離子的能量，并增加總的離子密度，可將再沉積于待刻蝕物質表面的產物或聚合物撞擊去除，以便待刻蝕物質表面與反應刻蝕氣體接觸。但是，氬氣對聚合物的濺射作用有一個能量閾值。一般來說，低能離子能激活聚合物層表的活性點，促進聚合物層的生長，而高能離子對聚合物層起物理濺射刻蝕作用。相對而言，氦氣的導熱性好，能增加刻蝕的均勻性。可見，攜帶氣體對刻蝕參數的影響與其物理特性有很好的一致性。利用不同流量的氬氣和氦氣作攜帶氣體對干法刻蝕效果的影響。實驗結果表明，當采用氬氣作攜帶氣體時，其流量選擇在氬氣：刻蝕氣體≈1：1時，刻蝕結果優化；當選擇氦氣作攜帶氣體時，其流量選擇在氦氣：刻蝕氣體≈2：1時，刻蝕結果優化。氬氣和氦氣相比，氬氣更具優越性。

2)流量

通常情況在氣體流量較小時，即氣體流量還不足以讓硅片表面的二氧化硅完全參與反應時，氣體流量增加，會增加反應氣體濃度，使得表面層二氧化硅在同一時刻的化學反應和物理轟擊更充分，化學反應和物理轟擊作用都會有所增強，速率增大。并且，在達到飽和狀態之前刻蝕速率增大的快慢程度隨著氣體流量的增加而逐漸減小。從結果可以看出，隨著氣體流量的雙倍增加，刻蝕速率增大較小。這主要是由于氣體流量幾乎達到飽和狀態，隨著氣體流量的繼續增加，真正參與化學反應和物理轟擊作用的氣體增大量有限，從而限制了刻蝕速率的快速增大。

綜上所述，運用反應離子刻蝕機進行了一系列的刻蝕實驗，采用不同的工藝條件對二氧化硅進行刻蝕工藝研究。對比結果，得到優化工藝條件。結果表明，CHF3：O2=20：3.5sccm，5pa，400W是平坦化研究的理論優化工藝條件。另外，不是射頻功率越大、反應氣體壓強越高以及氣體流量越大，刻蝕速率就會越大，而都只是在一定范圍內逐漸遞增，而后會減少。

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[2] 楊光，茍君，李偉，袁凱. 二氧化硅的反應離子刻蝕工藝研究[J]. 微處理機，2012，03：1-3+6.