二氧化硅的反应离子刻蚀工艺研究

杨 光，苟 君，李 伟，袁 凯

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054)

1 引言

刻蚀是半导体微机械加工中关键的工艺之一，在器件生产过程中被广泛应用，是影响制造成品率和可靠性的重要因素。湿法刻蚀和干法刻蚀是半导体制造中两种基本的刻蚀工艺。相比于湿法刻蚀，干法刻蚀具有各向异性、精度高、刻蚀均匀性好和工艺清洁度高等优点，满足器件微细加工的要求，成为目前主要的刻蚀方式。反应离子刻蚀有较高的刻蚀速率、良好的均匀性和方向性，是现今广泛应用和很有发展前景的干法刻蚀技术［1］。

二氧化硅(SiO2)具有硬度高、耐磨性好、绝热性好、光透过率高、抗侵蚀能力强等优点以及良好的介电性质［2］，在电子器件和集成器件、光学薄膜器件、传感器等相关器件中得到广泛应用。在微机械加工工艺中，SiO2常被用作绝缘层、牺牲层材料［2］。目前，对SiO2干法刻蚀工艺的研究较多［3-4］，但采用不同气体体系对SiO2刻蚀进行对比研究的报道较少。采用 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和CF4+O2五种工艺气体体系对SiO2作反应离子刻蚀，并优化射频功率和气体流量比，可得到优化工艺。

2 二氧化硅的反应离子刻蚀原理

反应离子刻蚀(reactive ion etching，RIE)包含物理性刻蚀和化学性刻蚀两种刻蚀作用，是本论文采用的干法刻蚀技术。刻蚀时，反应室中的气体辉光放电，产生含有离子、电子及游离基等活性物质的等离子体，可扩散并吸附到被刻蚀样品表面与表面的原子发生化学反应，形成挥发性物质，达到刻蚀样品表层的目的。同时，高能离子在一定的工作压力下，射向样品表面，进行物理轰击和刻蚀，去除再沉积的反应产物或聚合物。化学反应产生的挥发性物质与物理轰击的副产物均通过真空系统被抽走［5］。

刻蚀SiO2的反应气体主要为含氟基或氯基气体［6］;前者如 CF4、CHF3、SF6、NF3等，后者如 BCl3、Cl2等。反应离子刻蚀SiO2时，在辉光放电中分解出的氟原子或氯原子，与SiO2表面原子反应生成气态产物，达到刻蚀的目的。

氟碳化合物和氟化的碳氢化合物(在碳氢化合物中有一个或几个氢原子被氟原子替代)是SiO2反应离子刻蚀工艺常用的刻蚀气体，如 CF4、C3F8、C4F8、CHF3、CH2F2等［7］。其中所含的碳可以帮助去除氧化层中的氧(产生副产物CO及CO2)。CF4和CHF3为最常用的气体。用 CF4和CHF3刻蚀SiO2时，刻蚀气体发生离解，主要反应过程如下［8-9］:

生成的氟活性原子到达SiO2表面，反应生成挥发物质，如下:

式(1)～(6)中有上标星号的 CF3*，C，CF*，F*表示具有强化学反应活性的活性基。SiO2分解生成的氧离子和CHF2*等基团反应，生成的CO↑、CO2↑、H2O↑等挥发性气体被真空系统抽离反应腔体，完成对SiO2的刻蚀。

3 实验结果与分析

实验所用的刻蚀设备是德国FHR公司生产的反应离子刻蚀机RIE 150×4，主要由以下几部分组成:硅片盒、中央腔、发生刻蚀反应的3个反应腔、射频电源、气体流量控制系统、去除刻蚀生成物和气体真空系统等。刻蚀系统包括传感器、气体流量控制单元和终点触发探测器。

3.1 SiO2的刻蚀气体选择

实验选取了 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和CF4+O2五种气体体系对二氧化硅进行刻蚀，通过对刻蚀速率和均匀性两个参数的对比分析，选择最佳刻蚀气体。实验过程中气体压强为5Pa，射频功率为500W，反应腔室温度为45℃，基片冷却温度为 5℃，CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和 CF4+O2气体流量分别为 40sccm、40sccm 、20sccm+20sccm、30sccm+5sccm和30sccm+5sccm。实验结果如表1所示。

表1 五种气体体系刻蚀二氧化硅的刻蚀速率与非均匀性

表1显示，CF4刻蚀SiO2的速率超过了70nm/min，与CHF3的刻蚀速率相比，有显著的提升，而且均匀性也要好过CHF3。这是因为:在辉光放电过程中，对刻蚀SiO2起主导作用的是氟等离子体，CF4的F/C比例高于CHF3，能提供更高的氟等离子体浓度，而且在刻蚀过程中不会像CHF3那样生成较多聚合物，因而对SiO2具有更高的刻蚀速率。而CHF3反应生成较多的聚合物在基片表面产生局部积淀，也使得CHF3的刻蚀均匀性不如CF4。

当选用CHF3+CF4(20sccm+20sccm)作为刻蚀气体时，由于其氟活性原子比例介于前两者之间，因而其刻蚀速率也介于两者之间，均匀性也是如此。

从表1也可以看出，对于刻蚀气体 CHF3或CF4，O2的加入对SiO2刻蚀都起到了促进作用。这是因为:O2加入后，会发生如下反应:

可见，O2消耗掉部分碳原子，使氟活性原子比例上升，从而导致刻蚀速率显著提高。

一般而言，在其他因素(如均匀性，对光刻胶和衬底的选择比等)尚可接受的范围内，刻蚀速率应越快越好。虽然CF4+O2的刻蚀均匀性不甚理想，但考虑到其明显占优的刻蚀速率，最终选择CF4+O2作为SiO2的刻蚀气体。而均匀性的优化则通过改变射频功率及气体流量比来实现。

3.2 射频功率对刻蚀速率和均匀性的影响

在选定CF4+O2作为刻蚀气体之后，为了改善其刻蚀SiO2的均匀性，改变射频功率进行实验。在实验中选择CF4+O2，气体流量为30sccm+5sccm，并保持其他工艺参数不变，把射频功率分别设定为500W、450W以及400W，测试其刻蚀速率与非均匀性，实验结果如图1所示。

图1 射频功率对刻蚀速率和均匀性的影响

图1表明，刻蚀速率随着射频功率的增加而明显提高，原因有两方面:一方面射频功率增大，使自由电子能量升高，到达基片表面的离子速度增大，物理轰击作用增强，从而加快刻蚀速率;另一方面，射频功率的增大，加快反应气体的离化、分解，使到达基片表面的粒子能量增大，对基片表面材料撞击损伤程度增大，促进表面化学反应，因而使刻蚀速率加快。

当射频功率增大时，均匀性却随之下降，这是因为:当射频功率较大时，达到基片表面的离子速度很大，会被基片迅速反弹，导致与局部基片表面离子反应不充分，刻蚀表面粗糙度增加，造成刻蚀均匀性的下降。从图1看出，400W是一个较理想的工作点，基片各点化学刻蚀进行得较为充分，得到了较为理想的均匀性。

3.3 气体流量对刻蚀速率和均匀性的影响

采用CF4+O2刻蚀二氧化硅，保持射频功率(400W)与CF4的流量(30sccm)不变，改变O2的流量进行实验。实验中O2流量分别设定为3sccm、5sccm和8sccm，得到SiO2与光刻胶的刻蚀速率、非均匀性随O2流量的变化关系，如图2所示。

从前面对表1的分析已知，CF4气体中O2的加入可以促进对SiO2的刻蚀。然而，并不是O2的比例越高，SiO2的刻蚀速率就越高。从图2可以看出，本实验中SiO2的刻蚀速率随着O2流量的增加而降低。这是因为:少量的O2可以促使氟活性离子的增加，但是随着O2比例的增加，O2对刻蚀气体(CF4)的稀释作用增强，从而导致刻蚀速率的降低。

选择比是SiO2刻蚀速率与光刻胶刻蚀速率的比值。随着O2流量的增加，SiO2的刻蚀速率降低，但光刻胶的刻蚀速率明显提高。因此，选择比随着O2流量的增加明显减小。

图2 二氧化硅刻蚀速率(ER(SiO2))、光刻胶刻蚀速率(ER(PR))、均匀性(U)与O2流量(O2flow)之间的关系

用CF4和O2刻蚀SiO2，提高O2比例，易获得较好的刻蚀均匀性。

综合分析刻蚀速率、选择比和均匀性三个刻蚀参数可知，O2流量为3sccm时，均匀性较差(7%)，O2流量为8sccm时，选择比太差(0.44)，CF4和O2的流量比选择30sccm∶5sccm时为最佳。

3.4 SiO2的优化刻蚀工艺

通过前面的分析，采用CF4和O2刻蚀SiO2，射频功率为400W，气体流量比为30sccm∶5sccm时，获得了最优化的刻蚀参数，如表2所示。

表2 采用CF4+O2刻蚀SiO2的最优化工艺

4 结束语

刻蚀气体的选择对SiO2反应离子刻蚀的结果有着很重要的影响。实验采用CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+O2和 CF4+O2五种气体体系刻蚀SiO2，并对刻蚀速率、均匀性等刻蚀参数进行考察，发现CF4刻蚀SiO2的结果好于CHF3，而O2的加入对刻蚀起到了促进作用;通过优化射频功率，获得了较好的刻蚀均匀性;用二氧化硅的刻蚀速率、均匀性与选择比三个参数优化了气体流量配比。最终得到刻蚀速率79nm/min、非均匀性4%、对光刻胶的选择比0.81的优化工艺，可作为SiO2刻蚀的实用工艺。

［1］ Michael Quirk，Julian serda.半导体制造工艺［M］.韩郑生，等译.北京:电子工业出版社，2006.

［2］ V T Srikar，S M Spearing.A critical review of microscale mechanical testing methods used in the design of microelectromechanical systems［J］.Experimental Mechanics，2003，43，(3).

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［4］ 严剑飞，袁凯，太惠玲，等.二氧化硅的干法刻蚀工艺研究［J］.微处理机，2010(2):16-22.

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［7］ 斯蒂芬A坎贝尔.微电子制造科学原理与工程技术(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2003.

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