混合氣體(六氟化硫+高純氧+三氟甲烷)對矽材料的反應離子刻蝕研究

摘 要：采用統計實驗方法研究了利用混合氣體(ti) (六氟化硫+高純氧+三氟甲烷)產(chan) 生的等離子體(ti) 進行矽的反應離子刻蝕技術。為(wei) 了優(you) 化刻蝕條件，將刻蝕速率和選擇比表示為(wei) 六氟化硫+高純氧+三氟甲烷各自的流量以及氣壓和射頻功率的函數。文中討論了各種變量的變化對刻蝕速率和選擇比的影響以及刻蝕機理，證實了加入三氟甲烷可以顯著地減小表麵粗糙的結論。

1 引言

對矽材料的各向異性幹法刻蝕是微電子設備製造的重要工藝手段。微電子工業(ye) 中常用幹法刻蝕來把光刻膠圖形作為(wei) 掩蔽膜定義(yi) 的平麵圖案，轉移到下麵的襯底材料上。另一種圖形轉移過程實際上是連續麵形的傳(chuan) 遞，即將光刻膠結構的整個(ge) 麵形傳(chuan) 遞至襯底材料上。傳(chuan) 統的幹法刻蝕手段如離子束刻蝕製作台階結構，存在再沉積、再濺射和槽底開溝等二次效應影響圖形輪廓的問題[1]；而采用反應離子刻蝕（RIE）的方法則不存在上述問題。

六氟化硫與(yu) 高純氧氣的混合氣體(ti) 可用於(yu) 矽的反應離子刻蝕，這項技術的優(you) 點是由於(yu) 依靠氟的化學刻蝕，無毒，可以用於(yu) 普通的反應離子刻蝕係統；缺點是刻蝕出來的表麵比較粗糙，限製了其使用。研究表明，在六氟化硫中添加一定量的高純氧氣可以實現高刻蝕選擇性的各向異性刻蝕，同時和CHF3混合還可以獲得平滑的刻蝕表麵[2~4]。本研究的目的是優(you) 化使用六氟化硫與(yu) 高純氧氣混合氣體(ti) 刻蝕矽的方法，得到光滑平整的刻蝕麵。

2 實驗原理

氟基等離子體(ti) 是刻蝕矽材料的很有效的工具。一般認為(wei) ，利用這些含氟的氣體(ti) 刻蝕矽隻能實現各向同性的刻蝕，這是因為(wei) 它們(men) 的主要刻蝕機製是矽原子和遊離的氟原子結合生成揮發性的SiF4。而在SF6/O2/CHF3多組分氣體(ti) 等離子體(ti) 中，主要的分解物有SF5*、F*和O*。O2和SFx+反應可以形成SO2和SOF4，避免SF x+與(yu) F*複合反應，結果導致F原子濃度比無O2時高，從(cong) 而刻蝕速率也增高。另一種生成物為(wei) 矽表麵的鈍化層SiOxF y，其厚度與(yu) O原子密度、離子碰撞和局部溫度有關(guan) ，此鈍化層對矽刻蝕速率的增加起到限製作用，但是對側(ce) 壁則起到刻蝕保護作用，避免了橫向刻蝕，因而是產(chan) 生各向異性刻蝕的主要原因。添加CHF3可以產(chan) 生CFx+，和SFx+一起，在表麵電場作用下轟擊矽表麵，並與(yu) 水平表麵鈍化層SiO xFy反應生成揮發性的CO xFy或SOxFy，減少水平表麵鈍化層的厚度，使高深寬比各向異性刻蝕成為(wei) 可能。另外，SF6/O2 等離子體(ti) 刻蝕過程造成的表麵粗糙的原因在於(yu) 大量的矽粒子和 O2結合生成SiO2粒子，它們(men) 在刻蝕表麵重新沉積，形成“微草地”現象。CHF3添加後引入的CF x+類粒子可以減少SiO2 粒子的形成，減小重新沉積的可能性。

3 實驗

實驗使用國產(chan) 磁增強ME-3A型反應離子刻蝕機，SF6，O2和CHF3三種氣體(ti) 的混合等離子體(ti) 刻蝕矽圖形。為(wei) 優(you) 化工藝參數，采用響應曲麵法對工藝實驗進行了初步設計和實施。所謂響應曲麵法，就是認為(wei) 刻蝕速率是依賴於(yu) 氣體(ti) 流量、氣壓、功率等變量的函數，畫出一個(ge) 曲麵表示刻蝕速率對這些變量的依賴關(guan) 係。一般認為(wei) 這個(ge) 曲麵是一個(ge) 二次曲麵，因此某個(ge) 響應Y可以表示成下麵的二次關(guan) 係式[5]

其中, Xi代表獨立的工藝變量；bi 為(wei) 線性項的係數； bii為(wei) 二次項係數；bij 為(wei) 交叉項的係數。

本設計中，三種氣體(ti) 的流量、氣壓和射頻功率為(wei) 可變受控工藝變量。變量的離散取值見表1，其中變量值0對應於(yu) 中心點的設計值。借助實驗設計和統計分析方法進行分析和預測，當采用中心組合設計表麵響應時，設計的實驗總數為(wei) 32次，其中在中心點實驗重複進行6次，以消除各種隨機誤差。

利用Dektek II台階儀(yi) 測試光刻膠的高度、刻蝕後保留的光刻膠和矽台階的總高度以及光刻膠去掉後矽台階的高度，可以確定矽和光刻膠的刻蝕速率。表麵粗糙度通過日本Seiko儀(yi) 器公司生產(chan) 的 SPA-400型原子力顯微鏡測量得到。

4 結果與(yu) 討論

實驗中的響應如矽的刻蝕速率和選擇比可以根據式(1)的二次模型來近似擬合。圖1～3分別為(wei) 三種氣體(ti) 對矽刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響。可以看出，隨著SF 6流量的增加，矽的刻蝕速率也隨之增加，在高SF 6流時，刻蝕速率的增長變得緩慢。矽的刻蝕速率對O 2流量的依賴關(guan) 係，在低O2流時，是隨O 2的增加呈線性增長的關(guan) 係，在到達一個(ge) 最大值後，開始下降。其轉變點約在O 2流量為(wei) 10sccm時，對應於(yu) 氣壓，為(wei) O2分壓占總氣壓的18%。CHF3對矽的刻蝕速率的影響規律與(yu) O2類似。

為(wei) 了解釋上述的實驗結果，有必要考察一下矽的刻蝕機製。氟基等離子體(ti) 對矽的刻蝕主要是依靠自由原子氟。SF6的分解主要靠電子碰撞過程

e+SFx→SFx -1+F+e (x=3-6) (2)

矽的刻蝕速率為(wei) Rsi =kβSiNF。式中 k為(wei) 比例係數；βSi為(wei) 氟原子在矽表麵的反應幾率； βSi為(wei) 氟原子濃度。顯然高的SF6 流量，將增加F原子濃度，導致高的刻蝕速率，選擇比也會(hui) 增加；另一方麵，在高SF6流量下，由於(yu) 對流損失或複合，F的濃度會(hui) 停止增加，有減少的趨勢，因此刻蝕速率的增加也會(hui) 停止並趨於(yu) 下降。

前麵已經說明，當O2引入後，由於(yu) O2與(yu) 氟硫基團的反應，阻止了它和氟複合重新形成SF 6的途徑，導致氟原子濃度的增加，從(cong) 而大大增加SF 6對矽的刻蝕速率，提高刻蝕選擇比。然而，在O2增加到某一值後，則對矽的刻蝕速率起著負麵的作用。這可以認為(wei) 是O2 和F原子在矽的表麵相互競爭(zheng) 的結果。O2在矽表麵會(hui) 被吸收生成矽的氧化物，

圖4為(wei) 矽的刻蝕速率和選擇比對功率的依賴關(guan) 係。可以看出，隨著功率的增加，矽的刻蝕速率隨之增加。研究表明，隨著功率的增加，氟原子的濃度增加，但氧的濃度隻是稍微增加。由此，矽的刻蝕速率和刻蝕的選擇比隨著功率的增加而增加。考慮到光刻膠的刻蝕機製主要是氧原子和離子轟擊，由於(yu) 氧原子的增加並不明顯，因此離子轟擊的作用可能是主要的。在高功率下，光刻膠在離子轟擊下的刻蝕效果比Si要強得多，因此導致刻蝕選擇比下降。

圖4 刻蝕速率和選擇比對功率的依賴關係

圖5為(wei) 矽的刻蝕速率和選擇比對氣壓的依賴關(guan) 係。可以看出，隨著氣壓的增加，矽的刻蝕速率稍微增加，隨後以較大的幅度下降。Legtenberg 等人[2]也觀察到同樣的現象。他們(men) 指出，在低功率下，矽的刻蝕速率隨著氣壓的增加而減少，但是在高功率下，刻蝕速率起初增加，達到最大值後下降。圖5中的實驗對應的功率為(wei) 中心值60W,為(wei) 中等功率。在此功率下，起初的刻蝕功率的慢增加現象，可能與(yu) 氟原子的濃度和離子密度的增加而導致加強的離子流對矽表麵的轟擊有關(guan) 。在高氣壓下，由於(yu) 自偏壓的下降導致離子的轟擊效應減弱，因而矽的刻蝕速率下降。

CHF3的作用，一般認為(wei) 是產(chan) 生CF x+離子，與(yu) 水平表麵鈍化層SiO xFy反應生成揮發性的CO xFy或SOx Fy，並參與(yu) 對矽水平表麵的轟擊，去除矽表麵的氧化層或鈍化層。CHF3還可以提供CF2 ，作為(wei) 聚合物沉積，在合適的條件下提高刻蝕的各向異性程度。但是在高CHF3流量下，離子的轟擊會(hui) 減弱，在一定的條件下，矽的刻蝕速率會(hui) 降低。

圖6為(wei) 將其他條件固定在中心點位置不變，而 CHF3流量取兩(liang) 個(ge) 極端時的原子力顯微鏡三維照片。

圖6其他條件不變，CHF3流量改變時矽表麵的原子力顯微照片

其中（a）CHF3流量2sccm時的矽表麵，其表麵平均粗糙度達到149nm；（b）CHF3流量22sccm時的矽表麵，其表麵平均粗糙度僅(jin) 有11.3nm。由此可見在沒有CHF 3或CHF3的流量很小的情況下，刻蝕後的矽表麵比較粗糙。而引入CHF3之後，表麵粗糙度得到了明顯的改善。