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      二氧化硅干法刻蝕傾角控制的工藝研究

      2013-12-31 00:00:00張昭等
      電子世界 2013年24期

      【摘要】采用反應(yīng)離子體刻蝕機結(jié)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(diào)整刻蝕參數(shù),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(shù)進行整體優(yōu)化處理,最終實現(xiàn)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(jié)構(gòu)提供了幫助。

      【關(guān)鍵詞】二氧化硅;干法刻蝕;刻蝕傾角

      干法刻蝕技術(shù)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(jié)構(gòu)成型等等?;系牟煌涛g結(jié)構(gòu),取決于不同的刻蝕傾角。隨著半導體的發(fā)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(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)[6-8],對二氧化硅進行刻蝕??涛g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(jié)合正交試驗法找到影響刻蝕傾角的主要因素,并優(yōu)化工藝參數(shù),刻蝕出垂直、平緩的傾角[5]。

      1.反應(yīng)離子刻蝕原理(RIE)

      對反應(yīng)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?yōu)榉菑椥耘鲎玻a(chǎn)生二次電子發(fā)射,它們又進一步與氣體分子碰撞,不斷激發(fā)或電離氣體分子。這種激烈碰撞引起電離和復(fù)合。當電子的產(chǎn)生和消失過程達到平衡時,放電能繼續(xù)不斷地維持下去。由非彈性碰撞產(chǎn)生的離子、電子及游離基(游離態(tài)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(yīng),形成揮發(fā)性物質(zhì),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(yīng)離子刻蝕具有很好的各向異性。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

      3.結(jié)果分析

      經(jīng)過對正交試驗的數(shù)據(jù)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(guān)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(huán)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(yīng)生成SiFCOx,然后在離子轟擊下生成揮發(fā)性物質(zhì)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(yīng),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(tài),刻蝕傾角達到了73o,如果繼續(xù)加大氣體流量,此時的工藝氣體達到了過飽和狀態(tài),導致輝光放電產(chǎn)生的離子過盛,增加反應(yīng)粒子之間的碰撞,從而使這些原本轟擊SiO2表面的反應(yīng)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(yīng)氣體流量,抽走的活性物質(zhì)也會加快,導致部分反應(yīng)粒子未與SiO2反應(yīng),便與廢氣一起抽走,從而刻蝕傾角難以形成。

      通過對正交數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理,主要調(diào)整CHF3和SF6的流量,其他因素進行微調(diào),最終可以實現(xiàn)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(qū)域得到了162.60°平緩的刻蝕傾角。

      4.結(jié)論

      在反應(yīng)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(yōu)化,增加一定流量的氣體CHF3可以加工出垂直側(cè)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(cè)壁。證明了傾角在一定范圍內(nèi)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(yīng)離子刻蝕[J].電子工業(yè)專業(yè)設(shè)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.

      [6]Yoshida,Yokohama.Dielectric film etching in semiconductor device manufacturing:Development of SiO2 etching and the next generation plasma reactor.Applied Surface Science Volume 192,Issues 1-4,30 May 2002,Pages 270-298.

      [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(yè)大學集成電路工程碩士,現(xiàn)供職于國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院,主要從事碳化硅工藝開發(fā)工作。

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

      楊霏(1976—),男,博士后,高工,國家電網(wǎng)公司特聘專家,國網(wǎng)智能電網(wǎng)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(shù)領(lǐng)域的研究。

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