氮化硅等離子體刻蝕工藝研究

曲鵬程，唐代飛，向鵬飛，袁安波

(重慶光電技術(shù)研究所 工藝中心，重慶 400060)

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氮化硅等離子體刻蝕工藝研究

曲鵬程，唐代飛，向鵬飛，袁安波

(重慶光電技術(shù)研究所 工藝中心，重慶 400060)

針對(duì)氮化硅刻蝕工藝中硅襯底刻蝕損傷的問題。為了提高氮化硅對(duì)二氧化硅的刻蝕選擇比，采用CF4，CH3F和O2這3種混合氣體刻蝕氮化硅，通過調(diào)整氣體流量比、腔內(nèi)壓強(qiáng)及功率，研究其對(duì)氮化硅刻蝕速率、二氧化硅刻蝕速率及氮化硅對(duì)二氧化硅選擇比等主要刻蝕參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在CH,F流量為25 ,O2流量為40 sccm，腔內(nèi)壓強(qiáng)為67 Pa，功率為150 W的條件下，得到氮化硅對(duì)二氧化硅選擇比為15∶1，非均勻性3.87% 的氮化硅刻蝕工藝。

氮化硅；二氧化硅；等離子體刻蝕；選擇比

半導(dǎo)體制造工藝中，刻蝕工藝是一個(gè)重要的工藝步驟，主要原理是利用光刻膠做掩膜，通過物理濺射和化學(xué)作用刻蝕介質(zhì)層，將圖形轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上，形成器件的結(jié)構(gòu)?？涛g分為干法刻蝕和濕法腐蝕，干法刻蝕是反應(yīng)氣體形成等離子體后對(duì)介質(zhì)進(jìn)行刻蝕，而濕法腐蝕是利用化學(xué)液體對(duì)材料進(jìn)行腐蝕。與濕法腐蝕相比，干法刻蝕具有各向異性、精度高、危險(xiǎn)性低、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，更適合小線寬器件制作，成為目前主流的刻蝕方式[1-4]。

氮化硅薄膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性及優(yōu)良的光學(xué)特性，在微電子工業(yè)和太陽能電池等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5]。尤其是在硅基光電探測(cè)器領(lǐng)域中，氮化硅薄膜作為器件的減反射膜具有重要的作用。典型光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)中，氮化硅下層生長(zhǎng)著氧化層，目的是在氮化硅刻蝕工藝過程中避免對(duì)硅的刻蝕損傷。如果在氮化硅刻蝕工藝中對(duì)硅襯底有刻蝕損傷，會(huì)造成器件暗電流增大[6-7]。因此要求氮化硅刻蝕工藝中氮化硅對(duì)二氧化硅具有較高的刻蝕選擇比，確保不損傷硅襯底。影響刻蝕選擇比的因素主要有射頻功率、反應(yīng)氣體流量、腔內(nèi)壓強(qiáng)等幾個(gè)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)采用等離子體刻蝕機(jī)在不同工藝條件下對(duì)氮化硅進(jìn)行刻蝕，從氮化硅與二氧化硅的刻蝕速率、氮化硅對(duì)二氧化硅的選擇比兩個(gè)方面進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化刻蝕工藝條件，得到了氮化硅對(duì)氧化層刻蝕選擇比達(dá)到15∶1的刻蝕工藝。

1 等離子體刻蝕原理

等離子體刻蝕是通過化學(xué)作用或者物理作用，或者化學(xué)和物理的共同作用來實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)腔室內(nèi)的氣體輝光放電，產(chǎn)生包括離子、電子及游離基等活性物質(zhì)的等離子體，通過擴(kuò)散作用吸附到介質(zhì)表面，與介質(zhì)表面原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)。同時(shí)高能離子在一定壓力下對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行物理轟擊和刻蝕，去除再沉積的反應(yīng)產(chǎn)物和聚合物。通過化學(xué)和物理的共同作用來完成對(duì)介質(zhì)層的刻蝕[8-10]。

實(shí)驗(yàn)所用材料為單晶硅片，依次生長(zhǎng)17 厚度的二氧化硅及130 厚度的氮化硅?？涛g設(shè)備為等離子體刻蝕機(jī)?？涛g氣體采用CF4，CH3F和O2。工藝采用二步刻蝕，主刻蝕和過刻蝕，主刻蝕保證大部分氮化硅被刻蝕掉，過刻蝕步驟刻蝕剩余的氮化硅?？涛g氮化硅和二氧化硅的主要化學(xué)反應(yīng)如下[11-12]

(1)

(2)

F*+H*→HF↑

(3)

Si+F*→SiF4↑

(4)

Si3N4+F*→SiF4↑+N2

(5)

SiO2+4F*→SiF4↑+O2

(6)

2 結(jié)果與分析

刻蝕氣體采用CF4，CH3F和O2等刻蝕氣體，通過改變氣體流量比、腔內(nèi)壓強(qiáng)及射頻功率來分析其對(duì)刻蝕速率及選擇比的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化過刻蝕步驟中氮化硅對(duì)二氧化硅的選擇比。采用膜厚儀測(cè)試氮化硅與氧化層的前值與后值，計(jì)算兩者的刻蝕速率與選擇比。

2.1 氣體流量比對(duì)刻蝕速率的影響

氮化硅和二氧化硅主要都是利用F*進(jìn)行刻蝕。為了降低過刻蝕工藝中對(duì)氧化層的刻蝕速率，方法是通過保持F*氣體流量不變，只調(diào)整氧氣流量，來提高氮化硅對(duì)二氧化硅的刻蝕選擇比。

圖1 氧氣流量與氮化硅、氧化層刻蝕速率及選擇比的關(guān)系

圖1為在只改變氧氣流量條件下，氮化硅刻蝕速率、二氧化硅刻蝕速率及選擇比三者的變化趨勢(shì)。其中CH3F流量為25 sccm保持不變。當(dāng)氧氣流量為10 sccm，氮化硅的刻蝕速率較快，這是因?yàn)镃H3F的濃度較大，氧氣的稀釋作用不明顯。隨著O2流量的增大，其對(duì)整個(gè)氣體氛圍的稀釋作用顯著，所以氮化硅的刻蝕速率不斷減小。氧氣流量增加，會(huì)消耗CH3F中的C，而C含量減少，會(huì)減弱與氧化層中的氧反應(yīng)，因此二氧化硅的刻蝕速率下降范圍不是很大。在CH3F與O2流量比為25∶40時(shí)，氮化硅對(duì)氧化層的選擇比最高，可以達(dá)到12.1∶1。

2.2 壓強(qiáng)對(duì)刻蝕速率的影響

干法刻蝕由物理和化學(xué)兩方面組成，物理刻蝕是離子對(duì)薄膜的濺射作用，濺射作用越強(qiáng)對(duì)介質(zhì)的垂直刻蝕速率也就越快，剖面形貌越好。而濺射作用的強(qiáng)弱主要由腔內(nèi)壓強(qiáng)和射頻功率決定。通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓強(qiáng)來減弱濺射作用，降低氧化層的刻蝕速率。在CH3F和O2流量比為25∶40條件下改變過刻蝕步驟中腔內(nèi)壓強(qiáng)。具體變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 腔內(nèi)壓強(qiáng)與氮化硅、氧化層刻蝕速率及選擇比的關(guān)系

隨著腔內(nèi)壓強(qiáng)的增大，參與反應(yīng)的氣體濃度上升，電離的F*增加，因此氮化硅的刻蝕速率增大。然而二氧化硅的刻蝕速率先降低后增大，降低可以理解為腔內(nèi)壓強(qiáng)增大，離子濃度增大而其自由程減少，離子間碰撞的概率增大，反應(yīng)離子就會(huì)損失較多能量，進(jìn)而速度減小，物理刻蝕作用減弱，導(dǎo)致氧化層的刻蝕速率減低。當(dāng)腔內(nèi)壓強(qiáng)由67～120 Pa后，二氧化硅刻蝕速率開始增加，造成該現(xiàn)象的原因可以由式(7)得到，這是因?yàn)檠鯕庀牧瞬糠諧原子，使F*原子比例上升，導(dǎo)致對(duì)二氧化硅刻蝕速率增大[14]。而在腔內(nèi)壓強(qiáng)為67 Pa時(shí)，氮化硅對(duì)氧化層的選擇比最高

(7)

2. 3 射頻功率對(duì)刻蝕速率的影響

通過優(yōu)化反應(yīng)氣體比例和腔內(nèi)壓強(qiáng)可以使氮化硅對(duì)二氧化硅的選擇比達(dá)到12.1∶1。為獲得更高的刻蝕選擇比，改變射頻功率來減少物理刻蝕作用，降低硅襯底損傷。

圖3為改變射頻功率后，刻蝕速率及選擇比的變化趨勢(shì)圖。過刻蝕步驟中射頻功率由100 W增加到200 W，氮化硅的刻蝕速率增大。這是由于增大射頻功率，等離子體的濃度會(huì)增加，同時(shí)等離子體內(nèi)自由電子的能量會(huì)變大，通過碰撞產(chǎn)生的自由基增多。因此物理和化學(xué)刻蝕作用都會(huì)相應(yīng)的增大，導(dǎo)致刻蝕速率相應(yīng)變大[15]。當(dāng)射頻功率>150 W后，氮化硅與二氧化硅刻蝕速率增加幅度減小，原因是功率增大，反應(yīng)生成的聚合物增多，附著在介質(zhì)表面，阻礙刻蝕作用，造成刻蝕速率變化不大。圖3中二氧化硅的刻蝕速率在功率為150 W下最小，此時(shí)氮化硅對(duì)二氧化硅的選擇比最高，可達(dá)15∶1。

圖3 射頻功率與氮化硅、氧化層刻蝕速率及選擇比的關(guān)系

2.4 優(yōu)化刻蝕菜單

通過調(diào)節(jié)過刻蝕步驟中氣體流量、壓強(qiáng)、功率可以使氮化硅對(duì)二氧化硅選擇比達(dá)到15∶1。計(jì)算得到在主刻蝕時(shí)間為20 s，過刻蝕時(shí)間為180 s條件下，130 nm厚度的氮化硅可以刻蝕干凈。為避免由于刻蝕均勻性導(dǎo)致的氮化硅殘留，增加過刻蝕時(shí)間分別為210 s和230 s?？涛g菜單如表1所示。

表1 氮化硅刻蝕菜單

刻蝕后經(jīng)膜厚儀測(cè)試硅片上5點(diǎn)剩余氧化層厚度。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 膜厚儀測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主刻蝕時(shí)間為20 s，過刻蝕時(shí)間分別為210 s及230 s，刻蝕后剩余氧化層的厚度均值分別為9 nm及4.4 nm。與過刻蝕時(shí)間230 s相比，過刻蝕時(shí)間為210 s條件下刻蝕后剩余氧化層厚度均勻性更好，因此過刻蝕時(shí)間選擇210 s。

3 結(jié)束語

采用CF4，CH3F和O2混合氣體刻蝕氮化硅，分

析了不同流量比、壓強(qiáng)和射頻功率對(duì)氮化硅刻蝕速率、二氧化硅刻蝕速率及刻蝕選擇比的影響。研究表明提高射頻功率會(huì)增加刻蝕速率，但不利于刻蝕選擇比的提高。適當(dāng)增加氧氣流量與腔內(nèi)壓強(qiáng)有助于提高氮化硅對(duì)氧化層的選擇比，通過優(yōu)化參數(shù)降低了過刻蝕對(duì)二氧化硅的刻蝕速率，最終得到氮化硅對(duì)二氧化硅15:1的刻蝕選擇比，降低了氮化硅刻蝕工藝中硅襯底的損傷，提高了器件成品率。

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Study on Plasma Etching Process of Silicon Nitride

QU Pengcheng，TANG Daifei，XIANG Pengfei，YUAN Anbo

(Technology Center,Chongqing Institute of Optical-Electronics Technology,Chongqing 400060,China)

Etching silicon nitride process, which damage silicon substrate.The plasma etching for silicon nitride,was performed using CF4，CH3F and O2.By adjusting the gas flow ratio, chamber pressure and power, the three major parameters of silicon nitride etching rate,silicon dioxide etching rate and selectivity was researched. Under the condition of CH3F flow rate of 40 sccm, O2flow rate of 40 sccm,the pressure of 67 Pa and the power of 150 W,Experiments show that ,the silicon nitride etching process was obtained with the selectivity of 15∶1 and the uniformity of 3.87%.

silicon nitride; silicon dioxide; plasma etching; selectivity

2016- 10- 29

曲鵬程(1986-)，男，碩士，工程師。研究方向：CCD與探測(cè)器工藝技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.042

TN405.98+2

A

1007-7820(2017)08-153-03