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(jié)果。通過實驗數(shù)據(jù)優(yōu)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(jié)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(tǒng)傳導過來的刻蝕氣體擊穿，在反應室內(nèi)產(chǎn)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(fā)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(shù)。

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(fā)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(jù)實驗結(jié)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(fā)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(fā)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(jù)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(jié)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(shù)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(jù)上文中分析，刻蝕均勻性有待調(diào)整。因此，繼續(xù)做三組比較實驗，保證氣體流量其他的工藝參數(shù)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(jié)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(jīng)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(yōu)化

通過前面的實驗數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)優(yōu)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(yōu)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(shù)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.

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1004-7344（2016）27-0244-01

2016-9-14