半导体工艺中二氧化硅的刻蚀速率研究

高 益

（重庆航天职业技术学院电子工程系，重庆400021）

1 引 言

大规模半导体集成电路的广泛应用，要求MOSFET 器件的沟道长度越来越小，目前已经缩小至深亚微米范围，向纳米逼近[1]。传统的平面化技术，只能实现局部平面化，然而对于微小尺寸的电子器件，必须实现全局平面化以满足加工要求。平坦化工艺定义，简单来说就是在晶片的表面保持平整平坦的工艺。上世纪90 年代的新型化学机械抛光技术，从加工性能和速度上都可以满足硅片图形的加工要求，几乎是当前唯一可以提供全局平面化的技术。目前在半导体制造工艺中存在两种基本的刻蚀方法：湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀一般用在大尺寸的情况下，用来腐蚀硅片上某些层或去除干法刻蚀后的残留物[2]。干法刻蚀是把硅片表面曝露于特定气态中产生等离子体，利用等离子体通过光刻胶中开出的窗口，进而与硅片表面发生化学反应，达到去掉曝露的表面材料的效果。

2 半导体刻蚀工艺

半导体刻蚀工艺就是使用物理、化学或两者兼用的方法，有目的性地把没被抗蚀剂掩盖的那一部分薄膜层除去，这样就可以在薄膜上得到与抗蚀剂膜上一模一样的图形。刻蚀工艺可以分成干法刻蚀工艺与湿法刻蚀工艺[3]。通常，利用某些反应气体和等离子体进行薄膜刻蚀就是干法刻蚀工艺；利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀就是湿法刻蚀工艺。

2.1 湿法刻蚀特点

湿法刻蚀是传统的刻蚀方法，具体原理是把硅片浸泡在某种化学试剂或试剂溶液中，让没有被抗蚀剂掩盖的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去。其优点主要在于操作比较简单方便、对设备要求较低、易于大批量生产，并且刻蚀的选择性也较好。但是由于化学反应的各向异性较差，横向的钻蚀会使刻蚀剖面出现圆弧形，这让精确控制图形变得非常困难。湿法刻蚀的另一问题是抗蚀剂在溶液中，特别在较高温度的溶液中易受破坏，使得掩盖效果不理想，所以对于那些只能在高温下刻蚀的薄膜要采用更加复杂的掩蔽方式。

2.2 干法刻蚀特点

干法刻蚀是一种利用等离子体进行薄膜刻蚀的工艺。当气体以等离子体形式存在时，等离子体中的这些气体活性比常态下要强，如果根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现化学刻蚀去除的目的。还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使它具备一定的能量，再用于轰击被刻蚀材料的表面时，即可将其原子击出，这样就达到了利用物理的能量转移来实现刻蚀的目的。

干法刻蚀具有精度高、各向异性、刻蚀均匀性好的优点，满足半导体器件微细加工的要求，是目前主要的刻蚀方式。

反应离子刻蚀是由化学和物理相结合的方法，在真空中利用气体等离子进行刻蚀[4]，利用离子能量让被刻蚀层的表面形成易刻蚀层以促进化学反应。继而用电场加速的高能离子轰击被刻蚀的材料，以提高被刻蚀材料表面的活性，这样就加速与化学活性刻蚀反应基团的反应速度，获取很快的刻蚀速度。在化学和物理反应的相互促进下，反应离子刻蚀就具有很大的优越性，体现在：良好的各向异性、高选择比、较快的刻蚀速率。

3 刻蚀机制

3.1 刻蚀工艺原理及流程

刻蚀涉及一系列物理及化学方法的应用：物理方式通过正离子高速轰击表面的溅射刻蚀；化学方式通过等离子体产生的反应物与表面相互作用产生挥发性产物。将二者结合的反应离子刻蚀常用的刻蚀气体为含卤素的物质，如 CF4、SiF6、Cl2、HBr 等，再加入添加气体如：O2，H2，Ar 等。常用刻蚀气体可归纳为表1。

表1 常用刻蚀气体

刻蚀工艺的大致流程可归纳如下：

生成等离子体刻蚀反应物→反应物通过扩散的穿过滞留气体层到达表面→反应物被表面吸收→通过化学反应产生挥发性化合物→化合物离开表面回到等离子体气流中，被抽气泵抽出。

基于这一流程，对具体条件参数进行调节，即可设计出适应不同工艺要求的刻蚀工艺。

3.2 刻蚀气体选择

在刻蚀工艺中，用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，这个反应需要一个净正能量。CF4不会直接刻蚀硅，只有当等离子体高能量的电子碰撞使CF4分子分裂产生自由的氟原子和分子团，从而形成SiF 来达到这一目的。在进行多晶硅栅电极的刻蚀时，就需要下层栅氧化膜具有高选择比，所以反应气体可选用Cl2或SF6[5]；刻蚀单晶硅的气体可以用SiCl4/Cl2；刻蚀SiO2气体可选用CF4/H2；刻蚀Al 的气体可选用 BCl3、Cl2或 SiCl4[6]；刻蚀 Si3N4的腐蚀气体可用CF4/O2、SF6/O2；刻蚀 W 的气体可用 SF6或 CF4；对锗材料，含F 的气体是非常有效的。因为氧气与碳原子会产生反应生成CO2，如果从等离子体中减少C，而增加F 的浓度，就会提高对硅的刻蚀速率。比如向CF4等离子体中每增加12%的氧气，F 浓度会增加一个数量级，这样的话对硅的刻蚀速率将增加一个数量级。具体的影响程度如图1 中的曲线所示。

图1 添加氧对腐蚀速率的影响

由曲线可以看出在CF4腐蚀气体中加入少量O2将会提高Si 和SiO2的刻蚀速率。

4 反应离子刻蚀速率研究实验

为详细考查反应离子刻蚀速率在不同工艺条件下的规律性，设计相关实验进行研究。先测量SiO2薄膜厚度，然后进行反应离子刻蚀工艺。用电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料，因电压差较大，使得正离子朝向晶片盘漂移，进而与待蚀刻的材料碰撞。此时离子与薄膜表面上的材料发生化学反应，也通过转移一些动能敲除掉了部分的材料。因反应离子的大部分都是垂直传递的，所以反应离子蚀刻可以产生非常好的各向异性的蚀刻形貌轮廓。

刻蚀完毕后, 再对剩余的SiO2薄膜厚度进行测量[7]。由两次测得的厚度差算出在一定时间内刻蚀掉的SiO2薄膜厚度, 这样就能定量研究刻蚀速率和均匀性等参数。实验得到的具体数据如表2 所示。

表2 实验测试数据

在通常情况下, 反应离子刻蚀速率的均匀性可用一个参数U 来衡量[8]，即由所测刻蚀掉的二氧化硅薄膜厚度的Max 和Min 之差，比上2 倍的所测的所有值的平均值。氧化层厚度与刻蚀时间的关系的实验结果如图2 中曲线所示。由图可见，在反应离子刻蚀中SiO2均匀性随着刻蚀时间的增加而变差。

图2 SiO2 厚度与刻蚀时间关系曲线

5 结束语

在半导体制造技术中，目前主要的蚀刻工艺还是反应离子刻蚀。在真空中利用气体等离子来进行刻蚀，利用离子促进化学反应来实现各向异性刻蚀，同时离子还可起到清洁刻蚀材料表面的作用。基于对半导体刻蚀工艺和刻蚀机制的理论分析，设计进行了反应离子刻蚀速率研究实验。从实验得到的数据验证了刻蚀均匀性与时间、氧化层厚度等参数关系的规律性，可用于最佳刻蚀工艺条件的摸索，进而通过优化控制刻蚀时间，获得较高的图形质量。