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(dǎo)體工藝中，刻蝕是用化學(xué)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(fù)制所需圖形的工藝步驟。反應(yīng)離子蝕刻的各向異性可以實(shí)現(xiàn)細(xì)微圖形的轉(zhuǎn)換，隨著大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展，為滿足越來(lái)越小的尺寸要求，反應(yīng)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(guò)對(duì)刻蝕工藝的研究，選擇恰當(dāng)工藝參數(shù)(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(shí)提高刻蝕速率，是刻蝕工藝所追求的目標(biāo)。

半導(dǎo)體工藝；干法刻蝕；工藝

根據(jù)摩爾定律和等比例縮小原則，隨著半導(dǎo)體集成電路的規(guī)模越來(lái)越大，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的特征尺寸(溝道長(zhǎng)度)越來(lái)越小，現(xiàn)在已經(jīng)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(guò)程中，影響特征尺寸的關(guān)鍵是光刻工藝?？涛g是用物理或化學(xué)方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料，在硅片上復(fù)制所需圖形轉(zhuǎn)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(cè)壁剖面控制好、品質(zhì)因素(CD)損失漂移小、光刻膠粘附良好、對(duì)環(huán)境污染小和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 反應(yīng)離子刻蝕工藝研究?jī)?nèi)容及方法

關(guān)于光學(xué)材料在不同工藝條件下的反應(yīng)離子刻蝕研究，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將實(shí)驗(yàn)硅片作為基礎(chǔ)材料，并通過(guò)CVD技術(shù)使實(shí)驗(yàn)硅片生成實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所需要的各種性質(zhì)，并保證其致密性、折射率等都可以達(dá)到光學(xué)材料所具備的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果在光學(xué)材料干法刻蝕應(yīng)用中的有效性。二氧化硅膜在滿足標(biāo)準(zhǔn)后要對(duì)其均勻性進(jìn)行檢測(cè)，可以運(yùn)用橢偏儀對(duì)二氧化硅膜的厚度與折射率進(jìn)行測(cè)量，這樣才能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全可以代表硅片表面在干法刻蝕工藝中的實(shí)際膜厚，對(duì)保證該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性、科學(xué)性、準(zhǔn)確性以及有效性有著重要意義。

二氧化硅在化學(xué)反應(yīng)中所分解出來(lái)的氧離子會(huì)與CHF2+基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，并可以釋放出多種揮發(fā)性氣體，在刻蝕工藝中需要將這些氣體從反應(yīng)腔體中徹底抽出?？涛g實(shí)驗(yàn)后要對(duì)剩余的二氧化硅膜進(jìn)行再次測(cè)量，通過(guò)與第一次測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比便可以通過(guò)定量計(jì)算的方式來(lái)確定刻蝕速率及均勻性等，這也是該實(shí)驗(yàn)最后所需要的研究的各項(xiàng)干法刻蝕參數(shù)。

2 反應(yīng)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(gè)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(shí)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(shí)太多。其研究意義在于可以適當(dāng)削薄已沉積薄膜的厚度，在不影響性能基礎(chǔ)上減小材料器件尺寸，并且能保證表面平整。下面通過(guò)四個(gè)不同工藝條件進(jìn)行刻蝕研究，對(duì)比刻蝕效果，得出結(jié)論。

固定條件：CHF3=20sccm，壓強(qiáng)5pa，功率400W，此前的大量實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得知這是刻蝕二氧化硅的最優(yōu)化工藝條件，刻蝕速率較大，均勻性很好，相比二者均達(dá)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(duì)二氧化硅的刻蝕速率沒(méi)有顯著影響，氧氣流量的不同必然導(dǎo)致光刻膠刻蝕速率滿足一定的范圍，其實(shí)驗(yàn)根據(jù)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(duì)最佳的工藝條件?？涛g工藝條件為CHF3：O2=20：3.5sccm，壓強(qiáng)5pa，功率400W時(shí)，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(yōu)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(zhì)量和原子半徑較大。所以，在相同的條件下，其在干法刻蝕過(guò)程中更易破壞待刻蝕物質(zhì)表面的原子鍵結(jié)構(gòu)，提供更多的等離子體數(shù)目，降低刻蝕腔體內(nèi)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(zhì)表面的產(chǎn)物或聚合物撞擊去除，以便待刻蝕物質(zhì)表面與反應(yīng)刻蝕氣體接觸。但是，氬氣對(duì)聚合物的濺射作用有一個(gè)能量閾值。一般來(lái)說(shuō)，低能離子能激活聚合物層表的活性點(diǎn)，促進(jìn)聚合物層的生長(zhǎng)，而高能離子對(duì)聚合物層起物理濺射刻蝕作用。相對(duì)而言，氦氣的導(dǎo)熱性好，能增加刻蝕的均勻性?？梢?jiàn)，攜帶氣體對(duì)刻蝕參數(shù)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(duì)干法刻蝕效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用氬氣作攜帶氣體時(shí)，其流量選擇在氬氣：刻蝕氣體≈1：1時(shí)，刻蝕結(jié)果優(yōu)化；當(dāng)選擇氦氣作攜帶氣體時(shí)，其流量選擇在氦氣：刻蝕氣體≈2：1時(shí)，刻蝕結(jié)果優(yōu)化。氬氣和氦氣相比，氬氣更具優(yōu)越性。

2)流量

通常情況在氣體流量較小時(shí)，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(yīng)時(shí)，氣體流量增加，會(huì)增加反應(yīng)氣體濃度，使得表面層二氧化硅在同一時(shí)刻的化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊更充分，化學(xué)反應(yīng)和物理轟擊作用都會(huì)有所增強(qiáng)，速率增大。并且，在達(dá)到飽和狀態(tài)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(jié)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(dá)到飽和狀態(tài)，隨著氣體流量的繼續(xù)增加，真正參與化學(xué)反應(yīng)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(yùn)用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)進(jìn)行了一系列的刻蝕實(shí)驗(yàn)，采用不同的工藝條件對(duì)二氧化硅進(jìn)行刻蝕工藝研究。對(duì)比結(jié)果，得到優(yōu)化工藝條件。結(jié)果表明，CHF3：O2=20：3.5sccm，5pa，400W是平坦化研究的理論優(yōu)化工藝條件。另外，不是射頻功率越大、反應(yīng)氣體壓強(qiáng)越高以及氣體流量越大，刻蝕速率就會(huì)越大，而都只是在一定范圍內(nèi)逐漸遞增，而后會(huì)減少。

[1] 張昭，楊兵，陸敏，田亮，楊霏. 二氧化硅干法刻蝕傾角控制的工藝研究[J]. 電子世界，2013，24：239-240.

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