電子行業氣體--四氟化碳等含氟蝕刻氣體

電子行業氣體，包含含氟蝕刻氣體主要用於幹法蝕刻，幹法蝕刻有效克服了濕法蝕刻的致命缺陷，已成為亞微米尺寸下蝕刻器件的最主要方法，廣泛應用於半導體或LCD前段製程。含氟蝕刻劑品種主要包括四氟化碳、三氟甲烷、二氟乙烷、八氟環丁烷、C4F6 、C5F8等，具體用途與特點見表4.
  四氟化碳這種含氟有機化合物用於蝕刻二氧化矽和氮化矽這樣的介質材料已經有很多年了。在氧化膜的幹法蝕刻中，含氟有機物是主要是蝕刻氣體，如八氟環丁烷在高電場下，離化成等離子體和自由季（Radical）,包含CF*,CF2*,CF3*等，然後自由基與二氧化矽反應完成蝕刻，其反應式為：CF*+SiO2-SiF4+CO/CO2.
  含氟有機物往往與其它無機氣體一起使用，如含氟有機物與Ar轟擊被蝕刻體的表麵，可以加快蝕刻的速率。
  另外，在蝕刻過程中由於和光刻膠反應會生成大量的反應生成物，為（C-H）n聚合物，用O2可以幫助除去它們。
  反應中，CF基因是最關鍵的因子，F是起主要蝕刻作用的，但它和氧化膜（SiO2）和氮化膜（Si3N4）反應，速率相差不大，因此蝕刻速率選擇比低；而C的作用是生成（C-H）n聚合物等，優點是有利於提高蝕刻選擇比，缺點是過多的聚合物會在蝕刻過程中堵塞孔，造成蝕刻中止（Etch stop）,最終導致開孔不良。所以，不同的蝕刻工藝要求使用不同F/C比值的蝕刻劑。可以添加輔助氣體如CO來平衡C的比例，也可以改變蝕刻氣體，比如C/F比。
  通過提高等離子體中的氟/碳比，比如加入氧氣，二氧化矽的蝕刻速率就會增加。相反的，如果等離子體中的氟/碳比降低，比如加入氫氣或者CHF3、CH2F2，就可以降低二氧化矽的蝕刻速率。
  此外，當氟/碳比低於一個臨界值時，等離子體蝕刻可能會停止，並轉變為聚合物的沉積模式。
  二氧化矽等離子體幹法蝕刻工藝中最常用的蝕刻氣體為氟碳化合物、氟化的碳氫化合物（在碳氫化合物中有一個或幾個氫原子被氟原子替代），如CF4、CHF3、CH2F2等。其中所含的碳可以幫助去除氧化層中的氧（產生副產物CO及CO2）。CF4是微電子工業中用量最大的等離子蝕刻氣體，可以提供很高的蝕刻速率，但對多晶矽的選擇比很低。而且大氣壽命長，GWP高，逐漸被其它氣體替代。六氟化硫、NF3也由於大氣壽命和GWP高，難逃被替代的命運。
  CHF3、CH2F2除了作為主蝕刻劑外，還可用作其它主蝕刻劑的輔助氣，調節氟/碳比。
  全氟化物的電子氣體中，六氟乙烷使用量占50％左右。六氟乙烷（FC-116）因其無毒無臭、高穩定性而被廣泛應用在半導體製造過程中，例如作為幹蝕刻劑（Dry Etch）、化學氣相沉積（CVD,Chemical Vapor Deposition）後腔體的清洗劑。六氟乙烷作為幹法蝕刻劑，可用於集成電路中的等離子蝕刻，在RF（射頻）下能解離出高活性的氟離子，主要用於反應器內表麵矽、矽化合物的蝕刻。特別是隨著半導體器件的發展，集成電路精度要求越來越高，常規的濕法腐蝕不能滿足0.18-0.25um的深亞微米集成電路高精度細線蝕刻的要求。而六氟乙烷作為幹蝕刻劑具有邊緣側向侵蝕現象極微、高蝕刻率及高精確性的優點，可以極好地滿足此類線寬較小的製程的要求。特別是當接觸到孔徑為140nm或更小的元件時，原先的八氟環丁烷無法起到蝕刻作用，而六氟乙烷卻可以在小到110nm的元件上產生一條深凹槽。六氟乙烷也可作為清洗劑，主要用於半導體化學相沉積CVD腔體的清洗。在以傳統矽甲烷（SiH4）為基礎的各種CVD製程中，六氟乙烷作為清洗氣體與矽烷相比更具優越性，主要表現在排放低、氣體利用率高、清洗效率高和設備產出率高。
  一氟甲烷作為幹法蝕刻劑，主要用於集成電路中等離子蝕刻，尤其是HDP（高密度等離子）蝕刻。
  六氟丁二烯（C4F6）和八氟環戊烯（C5F8）作為下一代蝕刻氣體，被認為具有競爭優勢，尤其是C4F6。
  C4F6用作半導體級氟氣體的市場需求在全麵增長。它可取代CF4用於KrF激光銳利蝕刻半導體電容器圖形（Patterns）的幹工藝。C4F6在0.13um技術層麵有諸多蝕刻上的優點。C4F6有比C4F8更高的對光阻和氮化矽選擇比，這是很重要的兩個優點，因為隨著器件尺寸推進到0.13um，孔的CD（關鍵尺寸）要比0.18um小30％左右，鍵膜層的選擇比要高，這樣才能擴大蝕刻的窗口，提高蝕刻的穩定性。蝕刻速率的提高可以減少蝕刻所用的時間，從而提高生產效率。蝕刻均勻度和CDbias(關鍵尺寸偏置)的提高會提高CD和器件穩定可靠性，從而提高国产传媒在线優良率。
  另外，環境方麵也是一個非常重要的因素。使用溫室效應係數低、極有利於環保的氣體蝕刻設備及工藝技術估計將會迅速地相繼開發出來。C4F6的GWP值幾乎為0.比如，C4F6取代在氧化膜蝕刻工藝中使用的C4F8和C5F8，從而降低溫室氣體的排放。而且，半導體蝕刻專家提供蝕刻時PFC（Perfluorocompound）使用的數據指出，用C4F6來取代C4F8在氧化物之蝕刻上有相當的性能且可減少65％-82％PFC的排放，有關專家指出，到目前為止，C4F6可能是唯一能提供所需蝕刻條件及減少排放的替代物。