混合氣體(六氟化硫+高純氧+三氟甲烷)對硅材料的反應離子刻蝕研究

摘 要：采用統(tǒng)計實驗方法研究了利用混合氣體(六氟化硫+高純氧+三氟甲烷)產生的等離子體進行硅的反應離子刻蝕技術。為了優(yōu)化刻蝕條件，將刻蝕速率和選擇比表示為六氟化硫+高純氧+三氟甲烷各自的流量以及氣壓和射頻功率的函數(shù)。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面粗糙的結論。

1 引言

對硅材料的各向異性干法刻蝕是微電子設備制造的重要工藝手段。微電子工業(yè)中常用干法刻蝕來把光刻膠圖形作為掩蔽膜定義的平面圖案，轉移到下面的襯底材料上。另一種圖形轉移過程實際上是連續(xù)面形的傳遞，即將光刻膠結構的整個面形傳遞至襯底材料上。傳統(tǒng)的干法刻蝕手段如離子束刻蝕制作臺階結構，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。

六氟化硫與高純氧氣的混合氣體可用于硅的反應離子刻蝕，這項技術的優(yōu)點是由于依靠氟的化學刻蝕，無毒，可以用于普通的反應離子刻蝕系統(tǒng)；缺點是刻蝕出來的表面比較粗糙，限制了其使用。研究表明，在六氟化硫中添加一定量的高純氧氣可以實現(xiàn)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面[2~4]。本研究的目的是優(yōu)化使用六氟化硫與高純氧氣混合氣體刻蝕硅的方法，得到光滑平整的刻蝕面。

2 實驗原理

氟基等離子體是刻蝕硅材料的很有效的工具。一般認為，利用這些含氟的氣體刻蝕硅只能實現(xiàn)各向同性的刻蝕，這是因為它們的主要刻蝕機制是硅原子和游離的氟原子結合生成揮發(fā)性的SiF4。而在SF6/O2/CHF3多組分氣體等離子體中，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F*復合反應，結果導致F原子濃度比無O2時高，從而刻蝕速率也增高。另一種生成物為硅表面的鈍化層SiOxF y，其厚度與O原子密度、離子碰撞和局部溫度有關，此鈍化層對硅刻蝕速率的增加起到限制作用，但是對側壁則起到刻蝕保護作用，避免了橫向刻蝕，因而是產生各向異性刻蝕的主要原因。添加CHF3可以產生CFx+，和SFx+一起，在表面電場作用下轟擊硅表面，并與水平表面鈍化層SiO xFy反應生成揮發(fā)性的CO xFy或SOxFy，減少水平表面鈍化層的厚度，使高深寬比各向異性刻蝕成為可能。另外，SF6/O2 等離子體刻蝕過程造成的表面粗糙的原因在于大量的硅粒子和 O2結合生成SiO2粒子，它們在刻蝕表面重新沉積，形成“微草地”現(xiàn)象。CHF3添加后引入的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

實驗使用國產磁增強ME-3A型反應離子刻蝕機，SF6，O2和CHF3三種氣體的混合等離子體刻蝕硅圖形。為優(yōu)化工藝參數(shù)，采用響應曲面法對工藝實驗進行了初步設計和實施。所謂響應曲面法，就是認為刻蝕速率是依賴于氣體流量、氣壓、功率等變量的函數(shù)，畫出一個曲面表示刻蝕速率對這些變量的依賴關系。一般認為這個曲面是一個二次曲面，因此某個響應Y可以表示成下面的二次關系式[5]

其中, Xi代表獨立的工藝變量；bi 為線性項的系數(shù)； bii為二次項系數(shù)；bij 為交叉項的系數(shù)。

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

利用Dektek II臺階儀測試光刻膠的高度、刻蝕后保留的光刻膠和硅臺階的總高度以及光刻膠去掉后硅臺階的高度，可以確定硅和光刻膠的刻蝕速率。表面粗糙度通過日本Seiko儀器公司生產的 SPA-400型原子力顯微鏡測量得到。

4 結果與討論

實驗中的響應如硅的刻蝕速率和選擇比可以根據(jù)式(1)的二次模型來近似擬合。圖1～3分別為三種氣體對硅刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響?？梢钥闯?，隨著SF 6流量的增加，硅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。硅的刻蝕速率對O 2流量的依賴關系，在低O2流時，是隨O 2的增加呈線性增長的關系，在到達一個最大值后，開始下降。其轉變點約在O 2流量為10sccm時，對應于氣壓，為O2分壓占總氣壓的18%。CHF3對硅的刻蝕速率的影響規(guī)律與O2類似。

為了解釋上述的實驗結果，有必要考察一下硅的刻蝕機制。氟基等離子體對硅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)

硅的刻蝕速率為Rsi =kβSiNF。式中 k為比例系數(shù)；βSi為氟原子在硅表面的反應幾率； βSi為氟原子濃度。顯然高的SF6 流量，將增加F原子濃度，導致高的刻蝕速率，選擇比也會增加；另一方面，在高SF6流量下，由于對流損失或復合，F(xiàn)的濃度會停止增加，有減少的趨勢，因此刻蝕速率的增加也會停止并趨于下降。

前面已經(jīng)說明，當O2引入后，由于 O2與氟硫基團的反應，阻止了它和氟復合重新形成SF 6的途徑，導致氟原子濃度的增加，從而大大增加SF 6對硅的刻蝕速率，提高刻蝕選擇比。然而，在O2增加到某一值后，則對硅的刻蝕速率起著負面的作用。這可以認為是O2 和F原子在硅的表面相互競爭的結果。O2在硅表面會被吸收生成硅的氧化物，

圖4為硅的刻蝕速率和選擇比對功率的依賴關系?？梢钥闯?，隨著功率的增加，硅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，但氧的濃度只是稍微增加。由此，硅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制主要是氧原子和離子轟擊，由于氧原子的增加并不明顯，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系

圖5為硅的刻蝕速率和選擇比對氣壓的依賴關系?？梢钥闯?，隨著氣壓的增加，硅的刻蝕速率稍微增加，隨后以較大的幅度下降。Legtenberg 等人[2]也觀察到同樣的現(xiàn)象。他們指出，在低功率下，硅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，達到最大值后下降。圖5中的實驗對應的功率為中心值60W,為中等功率。在此功率下，起初的刻蝕功率的慢增加現(xiàn)象，可能與氟原子的濃度和離子密度的增加而導致加強的離子流對硅表面的轟擊有關。在高氣壓下，由于自偏壓的下降導致離子的轟擊效應減弱，因而硅的刻蝕速率下降。

CHF3的作用，一般認為是產生CF x+離子，與水平表面鈍化層SiO xFy反應生成揮發(fā)性的CO xFy或SOx Fy，并參與對硅水平表面的轟擊，去除硅表面的氧化層或鈍化層。CHF3還可以提供CF2 ，作為聚合物沉積，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，離子的轟擊會減弱，在一定的條件下，硅的刻蝕速率會降低。

圖6為將其他條件固定在中心點位置不變，而 CHF3流量取兩個極端時的原子力顯微鏡三維照片。

圖6其他條件不變，CHF3流量改變時硅表面的原子力顯微照片

其中（a）CHF3流量2sccm時的硅表面，其表面平均粗糙度達到149nm；（b）CHF3流量22sccm時的硅表面，其表面平均粗糙度僅有11.3nm。由此可見在沒有CHF 3或CHF3的流量很小的情況下，刻蝕后的硅表面比較粗糙。而引入CHF3之后，表面粗糙度得到了明顯的改善。