摘 要：采用統(tǒng)計實驗方法研究了利用sf 6/o2/chf3混合氣體產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行硅的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)。為了優(yōu)化刻蝕條件，將刻蝕速率和選擇比表示為sf 6、o2、chf3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(jī)理，證實了加入chf 3可以顯著地減小表面粗糙的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：反應(yīng)離子刻蝕；硅；刻蝕速率；選擇比 中圖分類號：tn305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1003-353x(2005)06-0028-04
1 引言 對硅材料的各向異性干法刻蝕是微電子設(shè)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(zhuǎn)移到下面的襯底材料上。另一種圖形轉(zhuǎn)移過程實際上是連續(xù)面形的傳遞，即將光刻膠結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，存在再沉積、再濺射和槽底開溝等二次效應(yīng)影響圖形輪廓的問題[1]；而采用反應(yīng)離子刻蝕（rie）的方法則不存在上述問題。 sf6與o2的混合氣體可用于硅的反應(yīng)離子刻蝕，這項技術(shù)的優(yōu)點是由于依靠氟的化學(xué)刻蝕，無毒，可以用于普通的反應(yīng)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sf 6中添加一定量的o2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sf 6與o2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(rèn)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(jī)制是硅原子和游離的氟原子結(jié)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(yīng)可以形成so2和sof4，避免sf x+與f*復(fù)合反應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)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(guān)，此鈍化層對硅刻蝕速率的增加起到限制作用，但是對側(cè)壁則起到刻蝕保護(hù)作用，避免了橫向刻蝕，因而是產(chǎn)生各向異性刻蝕的主要原因。添加chf3可以產(chǎn)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(yīng)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(jié)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(chǎn)磁增強(qiáng)me-3a型反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，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(yīng)曲面法對工藝實驗進(jìn)行了初步設(shè)計和實施。所謂響應(yīng)曲面法，就是認(rèn)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(guān)系。一般認(rèn)為這個曲面是一個二次曲面，因此某個響應(yīng)y可以表示成下面的二次關(guān)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(shè)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(yīng)于中心點的設(shè)計值。借助實驗設(shè)計和統(tǒng)計分析方法進(jìn)行分析和預(yù)測，當(dāng)采用中心組合設(shè)計表面響應(yīng)時，設(shè)計的實驗總數(shù)為32次，其中在中心點實驗重復(fù)進(jìn)行6次，以消除各種隨機(jī)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(chǎn)的 spa-400型原子力顯微鏡測量得到。 4 結(jié)果與討論 實驗中的響應(yīng)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(guān)系，在
1.華中科技大學(xué)a.光電子工程系; b.激光技術(shù)國家重點實驗室，武漢，430074; 2.中國電子科技集團(tuán)第44研究所，重慶 400060） |
摘 要：采用統(tǒng)計實驗方法研究了利用sf 6/o2/chf3混合氣體產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行硅的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)。為了優(yōu)化刻蝕條件，將刻蝕速率和選擇比表示為sf 6、o2、chf3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(jī)理，證實了加入chf 3可以顯著地減小表面粗糙的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：反應(yīng)離子刻蝕；硅；刻蝕速率；選擇比 中圖分類號：tn305.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1003-353x(2005)06-0028-04
1 引言 對硅材料的各向異性干法刻蝕是微電子設(shè)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(zhuǎn)移到下面的襯底材料上。另一種圖形轉(zhuǎn)移過程實際上是連續(xù)面形的傳遞，即將光刻膠結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，存在再沉積、再濺射和槽底開溝等二次效應(yīng)影響圖形輪廓的問題[1]；而采用反應(yīng)離子刻蝕（rie）的方法則不存在上述問題。 sf6與o2的混合氣體可用于硅的反應(yīng)離子刻蝕，這項技術(shù)的優(yōu)點是由于依靠氟的化學(xué)刻蝕，無毒，可以用于普通的反應(yīng)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sf 6中添加一定量的o2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sf 6與o2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(rèn)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(jī)制是硅原子和游離的氟原子結(jié)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(yīng)可以形成so2和sof4，避免sf x+與f*復(fù)合反應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)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(guān)，此鈍化層對硅刻蝕速率的增加起到限制作用，但是對側(cè)壁則起到刻蝕保護(hù)作用，避免了橫向刻蝕，因而是產(chǎn)生各向異性刻蝕的主要原因。添加chf3可以產(chǎn)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(yīng)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(jié)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(chǎn)磁增強(qiáng)me-3a型反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，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(yīng)曲面法對工藝實驗進(jìn)行了初步設(shè)計和實施。所謂響應(yīng)曲面法，就是認(rèn)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(guān)系。一般認(rèn)為這個曲面是一個二次曲面，因此某個響應(yīng)y可以表示成下面的二次關(guān)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(shè)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(yīng)于中心點的設(shè)計值。借助實驗設(shè)計和統(tǒng)計分析方法進(jìn)行分析和預(yù)測，當(dāng)采用中心組合設(shè)計表面響應(yīng)時，設(shè)計的實驗總數(shù)為32次，其中在中心點實驗重復(fù)進(jìn)行6次，以消除各種隨機(jī)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(chǎn)的 spa-400型原子力顯微鏡測量得到。 4 結(jié)果與討論 實驗中的響應(yīng)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。可以看出，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(guān)系，在
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