摘 要：采用統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法研究了利用混合氣體(六氟化硫+高純氧+三氟甲烷)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(duì)刻蝕速率和選擇比的影響以及刻蝕機(jī)理，證實(shí)了加入三氟甲烷可以顯著地減小表面粗糙的結(jié)論。

1 引言

對(duì)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(lái)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(guò)程實(shí)際上是連續(xù)面形的傳遞，即將光刻膠結(jié)構(gòu)的整個(gè)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(tái)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。

六氟化硫與高純氧氣的混合氣體可用于硅的反應(yīng)離子刻蝕，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是由于依靠氟的化學(xué)刻蝕，無(wú)毒，可以用于普通的反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)；缺點(diǎn)是刻蝕出來(lái)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(shí)現(xiàn)高刻蝕選擇性的各向異性刻蝕，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)各向同性的刻蝕，這是因?yàn)樗鼈兊闹饕涛g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(wú)O2時(shí)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(duì)硅刻蝕速率的增加起到限制作用，但是對(duì)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(chǎng)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(guò)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?cè)诳涛g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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用國(guó)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(duì)工藝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和實(shí)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(gè)曲面表示刻蝕速率對(duì)這些變量的依賴關(guān)系。一般認(rèn)為這個(gè)曲面是一個(gè)二次曲面，因此某個(gè)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(dú)立的工藝變量；bi 為線性項(xiàng)的系數(shù)； bii為二次項(xiàng)系數(shù)；bij 為交叉項(xiàng)的系數(shù)。

本設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)于中心點(diǎn)的設(shè)計(jì)值。借助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，當(dāng)采用中心組合設(shè)計(jì)表面響應(yīng)時(shí)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)總數(shù)為32次，其中在中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行6次，以消除各種隨機(jī)誤差。

利用Dektek II臺(tái)階儀測(cè)試光刻膠的高度、刻蝕后保留的光刻膠和硅臺(tái)階的總高度以及光刻膠去掉后硅臺(tái)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(guò)日本Seiko儀器公司生產(chǎn)的 SPA-400型原子力顯微鏡測(cè)量得到。

4 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)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(lái)近似擬合。圖1～3分別為三種氣體對(duì)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(shí)，刻蝕速率的增長(zhǎng)變得緩慢。硅的刻蝕速率對(duì)O 2流量的依賴關(guān)系，在低O2流時(shí)，是隨O 2的增加呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系，在到達(dá)一個(gè)最大值后，開始下降。其轉(zhuǎn)變點(diǎn)約在O 2流量為10sccm時(shí)，對(duì)應(yīng)于氣壓，為O2分壓占總氣壓的18%。CHF3對(duì)硅的刻蝕速率的影響規(guī)律與O2類似。

為了解釋上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有必要考察一下硅的刻蝕機(jī)制。氟基等離子體對(duì)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(guò)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(yīng)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(dǎo)致高的刻蝕速率，選擇比也會(huì)增加；另一方面，在高SF6流量下，由于對(duì)流損失或復(fù)合，F(xiàn)的濃度會(huì)停止增加，有減少的趨勢(shì)，因此刻蝕速率的增加也會(huì)停止并趨于下降。

前面已經(jīng)說(shuō)明，當(dāng)O2引入后，由于 O2與氟硫基團(tuán)的反應(yīng)，阻止了它和氟復(fù)合重新形成SF 6的途徑，導(dǎo)致氟原子濃度的增加，從而大大增加SF 6對(duì)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(duì)硅的刻蝕速率起著負(fù)面的作用。這可以認(rèn)為是O2 和F原子在硅的表面相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。O2在硅表面會(huì)被吸收生成硅的氧化物，

圖4為硅的刻蝕速率和選擇比對(duì)功率的依賴關(guān)系?？梢钥闯觯S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?？紤]到光刻膠的刻蝕機(jī)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(qiáng)得多，因此導(dǎo)致刻蝕選擇比下降。

圖4 刻蝕速率和選擇比對(duì)功率的依賴關(guān)系

圖5為硅的刻蝕速率和選擇比對(duì)氣壓的依賴關(guān)系。可以看出，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(dá)到最大值后下降。圖5中的實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)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(dǎo)致加強(qiáng)的離子流對(duì)硅表面的轟擊有關(guān)。在高氣壓下，由于自偏壓的下降導(dǎo)致離子的轟擊效應(yīng)減弱，因而硅的刻蝕速率下降。

CHF3的作用，一般認(rèn)為是產(chǎn)生CF x+離子，與水平表面鈍化層SiO xFy反應(yīng)生成揮發(fā)性的CO xFy或SOx Fy，并參與對(duì)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(huì)減弱，在一定的條件下，硅的刻蝕速率會(huì)降低。

圖6為將其他條件固定在中心點(diǎn)位置不變，而 CHF3流量取兩個(gè)極端時(shí)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(shí)硅表面的原子力顯微照片

其中（a）CHF3流量2sccm時(shí)的硅表面，其表面平均粗糙度達(dá)到149nm；（b）CHF3流量22sccm時(shí)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。