氮化硅的刻蝕及其它應(yīng)用

【摘要】氮化硅介質(zhì)作為集成電路或半導(dǎo)體功率器件的介質(zhì)層，具有掩蔽雜質(zhì)沾污的作用，通過(guò)一系列試驗(yàn)研究，找到了氮化硅的干法、濕法刻蝕工藝，對(duì)半導(dǎo)體器件的性能有很好的提高，并且通過(guò)試驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)氮化硅具有透明耐摩擦的特性，可用于制作掩膜版的保護(hù)膜。

【關(guān)鍵詞】Si3N4（氮化硅）；刻蝕；保護(hù)膜

引言

氮化硅（silicon nitride）薄膜是無(wú)定形的絕緣材料，具有以下特性：

（1）對(duì)擴(kuò)散來(lái)說(shuō)，它具有非常強(qiáng)的掩蔽能力，尤其是鈉和水汽在氮化硅中的擴(kuò)散速度非常慢；

（2）通過(guò)PECVD可以制備出具有較低壓應(yīng)力的氮化硅薄膜；

（3）可以對(duì)底層金屬實(shí)現(xiàn)保形覆蓋；

（4）薄膜中的針孔很少。

作為選擇氧化的掩蔽層時(shí)，可以把氮化硅直接淀積到硅襯底的表面上，有時(shí)考慮到氮化硅與硅直接接觸產(chǎn)生應(yīng)力，形成界面態(tài)，往往在硅表面上先淀積一層二氧化硅作為緩沖層，然后再淀積一層作為掩蔽層的氮化硅。因氮化硅氧化速度非常慢，只要氮化硅具有一定的厚度，它將保護(hù)下面的硅不被氧化。

目前我們就是采用在Si3N4下面再做一層SiO2的方法，使Si3N4起掩蔽的作用，通過(guò)一些試驗(yàn)研究出它的干法、濕法刻蝕工藝條件，還發(fā)現(xiàn)了它在光刻版上的應(yīng)用。

1、Si3N4薄膜的制備

1.1Si3N4薄膜制備原理

氮化硅可替代氧化硅使用，特別是對(duì)頂部保護(hù)層，在鋁金屬層上淀積時(shí)，其溫度要足夠低。PECVD的出現(xiàn)開(kāi)始了不同化學(xué)源的使用，其中之一是硅烷與氨氣或氮?dú)庠跉鍤獾入x子體狀態(tài)下反應(yīng)。 3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2

然而，PECVD制作的氮化硅往往是非化學(xué)配比的，含有相當(dāng)數(shù)量的氫原子（10%～30%），因此有時(shí)候化學(xué)表示式寫(xiě)為SixNyHz。由SiH4-N2制備的薄膜含有較少的氫和較多的氮。

PECVD氮化硅的淀積反應(yīng)式如下：

1.2制備Si3N4薄膜

利用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積，在較低溫度生長(zhǎng)Si3N4薄膜，選用的設(shè)備為PECVD（等離子化學(xué)氣相淀積）

根據(jù)以上工藝條件在9000?氧化層上淀積Si3N4薄膜

2、Si3N4薄膜的刻蝕

刻蝕是利用化學(xué)或物理方式對(duì)氧化硅膜、氮化硅膜和金屬膜等進(jìn)行刻蝕加工的工藝。刻蝕濕法腐蝕和干法刻蝕兩種方法。濕法刻蝕是利用溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行腐蝕的方法。以光刻膠作為掩蔽，濕法刻蝕在縱、橫兩方向?qū)⒁酝瑯颖壤M(jìn)行腐蝕，稱此為各向同性腐蝕。干法刻蝕有等離子刻蝕的各向同性方法，但是，反應(yīng)離子刻蝕（RIE）、濺射刻蝕由于在縱向是選擇性刻蝕，故稱為各向異性刻蝕。

Si3N4等離子刻蝕的氣體通常有CF4、SF6、SiCl4、NF3等

2.1 Si3N4薄膜的干法刻蝕

2.1.1干法刻蝕原理

干法刻蝕（dry etching）是指以氣體為主要媒體的刻蝕技術(shù)，晶圓不需要液體化學(xué)品或沖洗。晶圓在干燥的狀態(tài)進(jìn)出系統(tǒng)。有三種干法刻蝕技術(shù)：等離子體、離子束打磨（刻蝕）和反應(yīng)離子刻蝕（RIE）。

置入等離子場(chǎng)中的分子因等離子能量的激勵(lì)，生成了活性的游離基分子、原子，這些活性游離基分子、原子引起化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性產(chǎn)物，而使被蝕物剝離去掉。游離基種類不受電場(chǎng)影響而處于向四面八方的熱運(yùn)動(dòng)之中，故成為各項(xiàng)同性。

2.1.2PECVD做Si3N4干法刻蝕

a）使用設(shè)備：AME8110刻蝕機(jī)干法刻蝕Si3N4 薄膜

b）使用氣體：SF6、N2和O2

c）通過(guò)一系列的試驗(yàn)，得出干法刻蝕工藝條件如下：

d）由于采用氮化硅-二氧化硅-硅結(jié)構(gòu)（如圖2），在氮化硅被刻蝕后下面有SiO2保護(hù)硅表面，所以，可以不考慮刻蝕的損傷，刻蝕后明顯看出表面顏色變化

e）再將殘留的氧化物用HF：NH4F（溶液）=1：5 T=37±1℃腐蝕約5min后即可看見(jiàn)硅色。

2.2 Si3N4薄膜的濕法刻蝕

2.2.1濕法刻蝕原理

氮化硅是一種具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性的絕緣材料，它比二氧化硅更加耐酸，除HF和熱磷酸能緩慢地腐蝕它外，其他的酸幾乎不與它反應(yīng).

2.2.2 PECVD做Si3N4濕法刻蝕

a）使用設(shè)備：清洗機(jī)

b）腐蝕試驗(yàn)條件：

1）高溫腐蝕液：HF：NH4F（溶液）=1：5 T=37±1℃ t =1min～2min

2）低溫腐蝕液：[HF：NH4F（溶液）]：HAC=2：1，其中HF：NH4F（溶液）=1：5，溫度為室溫， t =3min～3min30Sec

3）低溫腐蝕液：HF：NH4F（溶液）=1：5 T=27±1℃ t=1min～2min

c）腐蝕結(jié)果分析：

腐蝕后通過(guò)在顯微鏡下觀察，用低溫腐蝕液腐蝕存在以下兩方面問(wèn)題：

①Si3N4腐蝕后有桿狀缺陷 ②Si3N4腐蝕后有輕微侵蝕現(xiàn)象.

用高溫腐蝕液腐蝕后以上問(wèn)題并沒(méi)有出現(xiàn)，腐蝕后結(jié)果正常。

d）由于要將下面的SiO2進(jìn)行腐蝕，并避免長(zhǎng)時(shí)間腐蝕的過(guò)腐蝕問(wèn)題。還是采用干法刻蝕的方法，再將殘留的氧化物用高溫HF溶液腐蝕約5min后即可看見(jiàn)硅色。

3、Si3N4薄膜的其它應(yīng)用

3.1 Si3N4薄膜在光刻掩膜版上的應(yīng)用原理

隨著光刻機(jī)的發(fā)展大大延長(zhǎng)了掩膜版的使用壽命，也促進(jìn)了高質(zhì)量的掩膜版的發(fā)展，在生產(chǎn)線上，掩膜版使用了很長(zhǎng)時(shí)間以后，可能會(huì)有灰塵和劃痕，從而造成晶圓的良品率降低。解決這一問(wèn)題的一個(gè)辦法是掩膜版薄膜，薄膜加在掩膜版上后，環(huán)境中的微粒就會(huì)附著在薄膜表面。薄膜與掩膜版之間的距離保證了微粒不會(huì)在掩膜版的焦平面上。

使用薄膜的另一個(gè)好處是由于掩膜版表面被薄膜覆蓋，一定程度上防止了掩膜版劃痕。

在制作Si3N4的過(guò)程中，由于發(fā)現(xiàn)它具有非常強(qiáng)的掩蔽能力，薄膜中的針孔很少，所以試驗(yàn)將Si3N4薄膜淀積在我們使用的光刻掩膜版上，以減少光刻版的損傷。

3.2 Si3N4薄膜淀積在光刻掩膜版上

在光刻版上做Si3N4，我們選擇試驗(yàn)條件如下

a）準(zhǔn)備表面干凈的掩膜版

b）試驗(yàn)設(shè)備：PECVD

c） Si3N4厚度選擇400?、500?、200～300?、150～200?

制作完Si3N4的掩膜版，從顯微鏡下觀察，光刻版上圖形正常，不影響曝光；

通過(guò)曝光試驗(yàn)后，在顯微鏡下檢查曝光片曝光質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)線條整齊，檢查正常；

通過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行，觀察光刻版表面的情況，進(jìn)行綜合考慮后，推薦使用Si3N4厚度在300?的光刻版，可以減小生產(chǎn)磨損，生產(chǎn)情況良好。

當(dāng)然，目前采用的掩膜版薄膜是用硝化纖維或醋酸纖維制成的。薄膜非常薄，各個(gè)工藝生產(chǎn)廠商，可以根據(jù)自己的需要制作，適合自己要求的薄膜。

4、結(jié)語(yǔ)

Si3N4薄膜的制備、刻蝕工藝研究是硅集成電路技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究的一部分，也是薄膜技術(shù)工藝發(fā)展的關(guān)鍵。

本文以Si3N4薄膜的制備為線索，介紹了Si3N4薄膜的干法、濕法刻蝕的原理，并通過(guò)試驗(yàn)形成最終的工藝，并通過(guò)對(duì)光刻掩膜版的分析，將Si3N4薄膜運(yùn)用在光刻掩膜版上，為我國(guó)薄膜工藝技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)本工藝研究過(guò)程，本文認(rèn)為現(xiàn)有工藝雖能夠滿足氮化硅-二氧化硅-硅結(jié)構(gòu)要求，但在工藝運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)干法刻蝕后光刻膠難去除，濕法刻蝕后有時(shí)會(huì)有側(cè)向腐蝕的問(wèn)題，對(duì)此在以后的工作中還需要對(duì)以上兩方面的問(wèn)題進(jìn)行研究，以推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步。若本文有不妥之處，希望各位老師能給予批評(píng)指導(dǎo)。

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作者簡(jiǎn)介

張曉情（1980—），女，陜西戶縣人，工程師，主要從事功率器件、集成電路光刻工藝技術(shù)的研究。