半導(dǎo)體工藝中二氧化硅的刻蝕速率研究

高 益

（重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，重慶400021）

1 引 言

大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路的廣泛應(yīng)用，要求MOSFET 器件的溝道長(zhǎng)度越來越小，目前已經(jīng)縮小至深亞微米范圍，向納米逼近[1]。傳統(tǒng)的平面化技術(shù)，只能實(shí)現(xiàn)局部平面化，然而對(duì)于微小尺寸的電子器件，必須實(shí)現(xiàn)全局平面化以滿足加工要求。平坦化工藝定義，簡(jiǎn)單來說就是在晶片的表面保持平整平坦的工藝。上世紀(jì)90 年代的新型化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，從加工性能和速度上都可以滿足硅片圖形的加工要求，幾乎是當(dāng)前唯一可以提供全局平面化的技術(shù)。目前在半導(dǎo)體制造工藝中存在兩種基本的刻蝕方法：濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕一般用在大尺寸的情況下，用來腐蝕硅片上某些層或去除干法刻蝕后的殘留物[2]。干法刻蝕是把硅片表面曝露于特定氣態(tài)中產(chǎn)生等離子體，利用等離子體通過光刻膠中開出的窗口，進(jìn)而與硅片表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到去掉曝露的表面材料的效果。

2 半導(dǎo)體刻蝕工藝

半導(dǎo)體刻蝕工藝就是使用物理、化學(xué)或兩者兼用的方法，有目的性地把沒被抗蝕劑掩蓋的那一部分薄膜層除去，這樣就可以在薄膜上得到與抗蝕劑膜上一模一樣的圖形?？涛g工藝可以分成干法刻蝕工藝與濕法刻蝕工藝[3]。通常，利用某些反應(yīng)氣體和等離子體進(jìn)行薄膜刻蝕就是干法刻蝕工藝；利用化學(xué)試劑與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕就是濕法刻蝕工藝。

2.1 濕法刻蝕特點(diǎn)

濕法刻蝕是傳統(tǒng)的刻蝕方法，具體原理是把硅片浸泡在某種化學(xué)試劑或試劑溶液中，讓沒有被抗蝕劑掩蓋的那一部分薄膜表面與試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被除去。其優(yōu)點(diǎn)主要在于操作比較簡(jiǎn)單方便、對(duì)設(shè)備要求較低、易于大批量生產(chǎn)，并且刻蝕的選擇性也較好。但是由于化學(xué)反應(yīng)的各向異性較差，橫向的鉆蝕會(huì)使刻蝕剖面出現(xiàn)圓弧形，這讓精確控制圖形變得非常困難。濕法刻蝕的另一問題是抗蝕劑在溶液中，特別在較高溫度的溶液中易受破壞，使得掩蓋效果不理想，所以對(duì)于那些只能在高溫下刻蝕的薄膜要采用更加復(fù)雜的掩蔽方式。

2.2 干法刻蝕特點(diǎn)

干法刻蝕是一種利用等離子體進(jìn)行薄膜刻蝕的工藝。當(dāng)氣體以等離子體形式存在時(shí)，等離子體中的這些氣體活性比常態(tài)下要強(qiáng)，如果根據(jù)被刻蝕材料的不同，選擇合適的氣體，就可以更快地與材料進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)刻蝕去除的目的。還可以利用電場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速，使它具備一定的能量，再用于轟擊被刻蝕材料的表面時(shí)，即可將其原子擊出，這樣就達(dá)到了利用物理的能量轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)刻蝕的目的。

干法刻蝕具有精度高、各向異性、刻蝕均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，滿足半導(dǎo)體器件微細(xì)加工的要求，是目前主要的刻蝕方式。

反應(yīng)離子刻蝕是由化學(xué)和物理相結(jié)合的方法，在真空中利用氣體等離子進(jìn)行刻蝕[4]，利用離子能量讓被刻蝕層的表面形成易刻蝕層以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。繼而用電場(chǎng)加速的高能離子轟擊被刻蝕的材料，以提高被刻蝕材料表面的活性，這樣就加速與化學(xué)活性刻蝕反應(yīng)基團(tuán)的反應(yīng)速度，獲取很快的刻蝕速度。在化學(xué)和物理反應(yīng)的相互促進(jìn)下，反應(yīng)離子刻蝕就具有很大的優(yōu)越性，體現(xiàn)在：良好的各向異性、高選擇比、較快的刻蝕速率。

3 刻蝕機(jī)制

3.1 刻蝕工藝原理及流程

刻蝕涉及一系列物理及化學(xué)方法的應(yīng)用：物理方式通過正離子高速轟擊表面的濺射刻蝕；化學(xué)方式通過等離子體產(chǎn)生的反應(yīng)物與表面相互作用產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物。將二者結(jié)合的反應(yīng)離子刻蝕常用的刻蝕氣體為含鹵素的物質(zhì)，如 CF4、SiF6、Cl2、HBr 等，再加入添加氣體如：O2，H2，Ar 等。常用刻蝕氣體可歸納為表1。

表1 常用刻蝕氣體

刻蝕工藝的大致流程可歸納如下：

生成等離子體刻蝕反應(yīng)物→反應(yīng)物通過擴(kuò)散的穿過滯留氣體層到達(dá)表面→反應(yīng)物被表面吸收→通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性化合物→化合物離開表面回到等離子體氣流中，被抽氣泵抽出。

基于這一流程，對(duì)具體條件參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可設(shè)計(jì)出適應(yīng)不同工藝要求的刻蝕工藝。

3.2 刻蝕氣體選擇

在刻蝕工藝中，用CF4和O2來刻蝕擴(kuò)散后的硅片，這個(gè)反應(yīng)需要一個(gè)凈正能量。CF4不會(huì)直接刻蝕硅，只有當(dāng)?shù)入x子體高能量的電子碰撞使CF4分子分裂產(chǎn)生自由的氟原子和分子團(tuán)，從而形成SiF 來達(dá)到這一目的。在進(jìn)行多晶硅柵電極的刻蝕時(shí)，就需要下層?xùn)叛趸ぞ哂懈哌x擇比，所以反應(yīng)氣體可選用Cl2或SF6[5]；刻蝕單晶硅的氣體可以用SiCl4/Cl2；刻蝕SiO2氣體可選用CF4/H2；刻蝕Al 的氣體可選用 BCl3、Cl2或 SiCl4[6]；刻蝕 Si3N4的腐蝕氣體可用CF4/O2、SF6/O2；刻蝕 W 的氣體可用 SF6或 CF4；對(duì)鍺材料，含F(xiàn) 的氣體是非常有效的。因?yàn)檠鯕馀c碳原子會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)生成CO2，如果從等離子體中減少C，而增加F 的濃度，就會(huì)提高對(duì)硅的刻蝕速率。比如向CF4等離子體中每增加12%的氧氣，F(xiàn) 濃度會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣的話對(duì)硅的刻蝕速率將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。具體的影響程度如圖1 中的曲線所示。

圖1 添加氧對(duì)腐蝕速率的影響

由曲線可以看出在CF4腐蝕氣體中加入少量O2將會(huì)提高Si 和SiO2的刻蝕速率。

4 反應(yīng)離子刻蝕速率研究實(shí)驗(yàn)

為詳細(xì)考查反應(yīng)離子刻蝕速率在不同工藝條件下的規(guī)律性，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。先測(cè)量SiO2薄膜厚度，然后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕工藝。用電場(chǎng)加速的高能離子轟擊被刻蝕材料，因電壓差較大，使得正離子朝向晶片盤漂移，進(jìn)而與待蝕刻的材料碰撞。此時(shí)離子與薄膜表面上的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也通過轉(zhuǎn)移一些動(dòng)能敲除掉了部分的材料。因反應(yīng)離子的大部分都是垂直傳遞的，所以反應(yīng)離子蝕刻可以產(chǎn)生非常好的各向異性的蝕刻形貌輪廓。

刻蝕完畢后, 再對(duì)剩余的SiO2薄膜厚度進(jìn)行測(cè)量[7]。由兩次測(cè)得的厚度差算出在一定時(shí)間內(nèi)刻蝕掉的SiO2薄膜厚度, 這樣就能定量研究刻蝕速率和均勻性等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)得到的具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

在通常情況下, 反應(yīng)離子刻蝕速率的均勻性可用一個(gè)參數(shù)U 來衡量[8]，即由所測(cè)刻蝕掉的二氧化硅薄膜厚度的Max 和Min 之差，比上2 倍的所測(cè)的所有值的平均值。氧化層厚度與刻蝕時(shí)間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 中曲線所示。由圖可見，在反應(yīng)離子刻蝕中SiO2均勻性隨著刻蝕時(shí)間的增加而變差。

圖2 SiO2 厚度與刻蝕時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

在半導(dǎo)體制造技術(shù)中，目前主要的蝕刻工藝還是反應(yīng)離子刻蝕。在真空中利用氣體等離子來進(jìn)行刻蝕，利用離子促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，同時(shí)離子還可起到清潔刻蝕材料表面的作用?；趯?duì)半導(dǎo)體刻蝕工藝和刻蝕機(jī)制的理論分析，設(shè)計(jì)進(jìn)行了反應(yīng)離子刻蝕速率研究實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了刻蝕均勻性與時(shí)間、氧化層厚度等參數(shù)關(guān)系的規(guī)律性，可用于最佳刻蝕工藝條件的摸索，進(jìn)而通過優(yōu)化控制刻蝕時(shí)間，獲得較高的圖形質(zhì)量。