殷 涛

南京中电熊猫液晶显示科技有限公司

二氧化硅的干法刻蚀工艺研究

殷 涛

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在半导体工艺中，刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅表面去除不需要的材料，在硅片上复制所需图形的工艺步骤。反应离子蚀刻的各向异性可以实现细微图形的转换，随着大规模集成电路工艺技术的发展，为满足越来越小的尺寸要求，反应离子刻蚀已成为亚微米及以下尺寸最主要的蚀刻方式。通过对刻蚀工艺的研究，选择恰当工艺参数(如射频功率、气压、气体流量等等)，可获得最佳工艺条件，并在保证刻蚀效果的同时提高刻蚀速率，是刻蚀工艺所追求的目标。

半导体工艺；干法刻蚀；工艺

根据摩尔定律和等比例缩小原则，随着半导体集成电路的规模越来越大，金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸(沟道长度)越来越小，现在已经缩小到亚微米和深亚微米的范围，并向纳米逼近。众所周知，在集成电路的制造过程中，影响特征尺寸的关键是光刻工艺。刻蚀是用物理或化学方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料，在硅片上复制所需图形转换的工艺步骤，可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。与湿法刻蚀相比，干法刻蚀具有刻蚀剖面各向异性、侧壁剖面控制好、品质因素(CD)损失漂移小、光刻胶粘附良好、对环境污染小和成本低等优点。

1 反应离子刻蚀工艺研究内容及方法

关于光学材料在不同工艺条件下的反应离子刻蚀研究，在实验过程中将实验硅片作为基础材料，并通过CVD技术使实验硅片生成实验所需要的二氧化硅层，在一定的沉积工艺条件下保证所制备的二氧化硅薄膜具有实验所需要的各种性质，并保证其致密性、折射率等都可以达到光学材料所具备的相应标准，这样才能确保实验结果在光学材料干法刻蚀应用中的有效性。二氧化硅膜在满足标准后要对其均匀性进行检测，可以运用椭偏仪对二氧化硅膜的厚度与折射率进行测量，这样才能使实验结果完全可以代表硅片表面在干法刻蚀工艺中的实际膜厚，对保证该实验结果的合理性、科学性、准确性以及有效性有着重要意义。

二氧化硅在化学反应中所分解出来的氧离子会与CHF2+基团发生反应，并可以释放出多种挥发性气体，在刻蚀工艺中需要将这些气体从反应腔体中彻底抽出。刻蚀实验后要对剩余的二氧化硅膜进行再次测量，通过与第一次测量数据的对比便可以通过定量计算的方式来确定刻蚀速率及均匀性等，这也是该实验最后所需要的研究的各项干法刻蚀参数。

2 反应离子刻蚀

2.1 二氧化硅的平坦化工艺

选择比是指在同一刻蚀条件下一种材料与另外一种材料刻蚀速率的比例。平坦化工艺，即将整个硅片上的高低起伏全部磨成理想厚度的工艺，要求找到二氧化硅和光刻胶的刻蚀速率最接近时的工艺条件，也就是使得选择比最接近1，并且要求刻蚀速率比较大，否则耗时太多。其研究意义在于可以适当削薄已沉积薄膜的厚度，在不影响性能基础上减小材料器件尺寸，并且能保证表面平整。下面通过四个不同工艺条件进行刻蚀研究，对比刻蚀效果，得出结论。

固定条件：CHF3=20sccm，压强5pa，功率400W，此前的大量实验中已经得知这是刻蚀二氧化硅的最优化工艺条件，刻蚀速率较大，均匀性很好，相比二者均达到较好要求。要去除光刻胶，必须添加氧气，其主要作用是刻蚀光刻胶，对二氧化硅的刻蚀速率没有显著影响，氧气流量的不同必然导致光刻胶刻蚀速率满足一定的范围，其实验根据是使得光刻胶的刻蚀速率介于二氧化硅的速率之间，再用作图法求得平坦化相对最佳的工艺条件。刻蚀工艺条件为CHF3：O2=20：3.5sccm，压强5pa，功率400W时，选择比最接近1，刻蚀速率较大(大于45.66nm/min)，均匀性也很好(小于7%)，是较优化的平坦化刻蚀工艺条件。

2.2 携带气体条件下的刻蚀工艺

1)含量

与氦气相比，氩气电离能较低，质量和原子半径较大。所以，在相同的条件下，其在干法刻蚀过程中更易破坏待刻蚀物质表面的原子键结构，提供更多的等离子体数目，降低刻蚀腔体内离子的能量，并增加总的离子密度，可将再沉积于待刻蚀物质表面的产物或聚合物撞击去除，以便待刻蚀物质表面与反应刻蚀气体接触。但是，氩气对聚合物的溅射作用有一个能量阈值。一般来说，低能离子能激活聚合物层表的活性点，促进聚合物层的生长，而高能离子对聚合物层起物理溅射刻蚀作用。相对而言，氦气的导热性好，能增加刻蚀的均匀性。可见，携带气体对刻蚀参数的影响与其物理特性有很好的一致性。利用不同流量的氩气和氦气作携带气体对干法刻蚀效果的影响。实验结果表明，当采用氩气作携带气体时，其流量选择在氩气：刻蚀气体≈1：1时，刻蚀结果优化；当选择氦气作携带气体时，其流量选择在氦气：刻蚀气体≈2：1时，刻蚀结果优化。氩气和氦气相比，氩气更具优越性。

2)流量

通常情况在气体流量较小时，即气体流量还不足以让硅片表面的二氧化硅完全参与反应时，气体流量增加，会增加反应气体浓度，使得表面层二氧化硅在同一时刻的化学反应和物理轰击更充分，化学反应和物理轰击作用都会有所增强，速率增大。并且，在达到饱和状态之前刻蚀速率增大的快慢程度随着气体流量的增加而逐渐减小。从结果可以看出，随着气体流量的双倍增加，刻蚀速率增大较小。这主要是由于气体流量几乎达到饱和状态，随着气体流量的继续增加，真正参与化学反应和物理轰击作用的气体增大量有限，从而限制了刻蚀速率的快速增大。

综上所述，运用反应离子刻蚀机进行了一系列的刻蚀实验，采用不同的工艺条件对二氧化硅进行刻蚀工艺研究。对比结果，得到优化工艺条件。结果表明，CHF3：O2=20：3.5sccm，5pa，400W是平坦化研究的理论优化工艺条件。另外，不是射频功率越大、反应气体压强越高以及气体流量越大，刻蚀速率就会越大，而都只是在一定范围内逐渐递增，而后会减少。

[1] 张昭，杨兵，陆敏，田亮，杨霏. 二氧化硅干法刻蚀倾角控制的工艺研究[J]. 电子世界，2013，24：239-240.

[2] 杨光，苟君，李伟，袁凯. 二氧化硅的反应离子刻蚀工艺研究[J]. 微处理机，2012，03：1-3+6.