混合气体(六氟化硫+高纯氧+三氟甲烷)对硅材料的反应离子刻蚀研究

摘 要：采用统计实验方法研究了利用混合气体(六氟化硫+高纯氧+三氟甲烷)产生的等离子体进行硅的反应离子刻蚀技术。为了优化刻蚀条件，将刻蚀速率和选择比表示为六氟化硫+高纯氧+三氟甲烷各自的流量以及气压和射频功率的函数。文中讨论了各种变量的变化对刻蚀速率和选择比的影响以及刻蚀机理，证实了加入三氟甲烷可以显著地减小表面粗糙的结论。

1 引言

对硅材料的各向异性干法刻蚀是微电子设备制造的重要工艺手段。微电子工业中常用干法刻蚀来把光刻胶图形作为掩蔽膜定义的平面图案，转移到下面的衬底材料上。另一种图形转移过程实际上是连续面形的传递，即将光刻胶结构的整个面形传递至衬底材料上。传统的干法刻蚀手段如离子束刻蚀制作台阶结构，存在再沉积、再溅射和槽底开沟等二次效应影响图形轮廓的问题[1]；而采用反应离子刻蚀（RIE）的方法则不存在上述问题。

六氟化硫与高纯氧气的混合气体可用于硅的反应离子刻蚀，这项技术的优点是由于依靠氟的化学刻蚀，无毒，可以用于普通的反应离子刻蚀系统；缺点是刻蚀出来的表面比较粗糙，限制了其使用。研究表明，在六氟化硫中添加一定量的高纯氧气可以实现高刻蚀选择性的各向异性刻蚀，同时和CHF3混合还可以获得平滑的刻蚀表面[2~4]。本研究的目的是优化使用六氟化硫与高纯氧气混合气体刻蚀硅的方法，得到光滑平整的刻蚀面。

2 实验原理

氟基等离子体是刻蚀硅材料的很有效的工具。一般认为，利用这些含氟的气体刻蚀硅只能实现各向同性的刻蚀，这是因为它们的主要刻蚀机制是硅原子和游离的氟原子结合生成挥发性的SiF4。而在SF6/O2/CHF3多组分气体等离子体中，主要的分解物有SF5*、F*和O*。O2和SFx+反应可以形成SO2和SOF4，避免SF x+与F*复合反应，结果导致F原子浓度比无O2时高，从而刻蚀速率也增高。另一种生成物为硅表面的钝化层SiOxF y，其厚度与O原子密度、离子碰撞和局部温度有关，此钝化层对硅刻蚀速率的增加起到限制作用，但是对侧壁则起到刻蚀保护作用，避免了横向刻蚀，因而是产生各向异性刻蚀的主要原因。添加CHF3可以产生CFx+，和SFx+一起，在表面电场作用下轰击硅表面，并与水平表面钝化层SiO xFy反应生成挥发性的CO xFy或SOxFy，减少水平表面钝化层的厚度，使高深宽比各向异性刻蚀成为可能。另外，SF6/O2 等离子体刻蚀过程造成的表面粗糙的原因在于大量的硅粒子和 O2结合生成SiO2粒子，它们在刻蚀表面重新沉积，形成“微草地”现象。CHF3添加后引入的CF x+类粒子可以减少SiO2 粒子的形成，减小重新沉积的可能性。

3 实验

实验使用国产磁增强ME-3A型反应离子刻蚀机，SF6，O2和CHF3三种气体的混合等离子体刻蚀硅图形。为优化工艺参数，采用响应曲面法对工艺实验进行了初步设计和实施。所谓响应曲面法，就是认为刻蚀速率是依赖于气体流量、气压、功率等变量的函数，画出一个曲面表示刻蚀速率对这些变量的依赖关系。一般认为这个曲面是一个二次曲面，因此某个响应Y可以表示成下面的二次关系式[5]

其中, Xi代表独立的工艺变量；bi 为线性项的系数； bii为二次项系数；bij 为交叉项的系数。

本设计中，三种气体的流量、气压和射频功率为可变受控工艺变量。变量的离散取值见表1，其中变量值0对应于中心点的设计值。借助实验设计和统计分析方法进行分析和预测，当采用中心组合设计表面响应时，设计的实验总数为32次，其中在中心点实验重复进行6次，以消除各种随机误差。

利用Dektek II台阶仪测试光刻胶的高度、刻蚀后保留的光刻胶和硅台阶的总高度以及光刻胶去掉后硅台阶的高度，可以确定硅和光刻胶的刻蚀速率。表面粗糙度通过日本Seiko仪器公司生产的 SPA-400型原子力显微镜测量得到。

4 结果与讨论

实验中的响应如硅的刻蚀速率和选择比可以根据式(1)的二次模型来近似拟合。图1～3分别为三种气体对硅刻蚀速率和刻蚀选择比的影响。可以看出，随着SF 6流量的增加，硅的刻蚀速率也随之增加，在高SF 6流时，刻蚀速率的增长变得缓慢。硅的刻蚀速率对O 2流量的依赖关系，在低O2流时，是随O 2的增加呈线性增长的关系，在到达一个最大值后，开始下降。其转变点约在O 2流量为10sccm时，对应于气压，为O2分压占总气压的18%。CHF3对硅的刻蚀速率的影响规律与O2类似。

为了解释上述的实验结果，有必要考察一下硅的刻蚀机制。氟基等离子体对硅的刻蚀主要是依靠自由原子氟。SF6的分解主要靠电子碰撞过程

e+SFx→SFx -1+F+e (x=3-6) (2)

硅的刻蚀速率为Rsi =kβSiNF。式中 k为比例系数；βSi为氟原子在硅表面的反应几率； βSi为氟原子浓度。显然高的SF6 流量，将增加F原子浓度，导致高的刻蚀速率，选择比也会增加；另一方面，在高SF6流量下，由于对流损失或复合，F的浓度会停止增加，有减少的趋势，因此刻蚀速率的增加也会停止并趋于下降。

前面已经说明，当O2引入后，由于 O2与氟硫基团的反应，阻止了它和氟复合重新形成SF 6的途径，导致氟原子浓度的增加，从而大大增加SF 6对硅的刻蚀速率，提高刻蚀选择比。然而，在O2增加到某一值后，则对硅的刻蚀速率起着负面的作用。这可以认为是O2 和F原子在硅的表面相互竞争的结果。O2在硅表面会被吸收生成硅的氧化物，

图4为硅的刻蚀速率和选择比对功率的依赖关系。可以看出，随着功率的增加，硅的刻蚀速率随之增加。研究表明，随着功率的增加，氟原子的浓度增加，但氧的浓度只是稍微增加。由此，硅的刻蚀速率和刻蚀的选择比随着功率的增加而增加。考虑到光刻胶的刻蚀机制主要是氧原子和离子轰击，由于氧原子的增加并不明显，因此离子轰击的作用可能是主要的。在高功率下，光刻胶在离子轰击下的刻蚀效果比Si要强得多，因此导致刻蚀选择比下降。

图4 刻蚀速率和选择比对功率的依赖关系

图5为硅的刻蚀速率和选择比对气压的依赖关系。可以看出，随着气压的增加，硅的刻蚀速率稍微增加，随后以较大的幅度下降。Legtenberg 等人[2]也观察到同样的现象。他们指出，在低功率下，硅的刻蚀速率随着气压的增加而减少，但是在高功率下，刻蚀速率起初增加，达到最大值后下降。图5中的实验对应的功率为中心值60W,为中等功率。在此功率下，起初的刻蚀功率的慢增加现象，可能与氟原子的浓度和离子密度的增加而导致加强的离子流对硅表面的轰击有关。在高气压下，由于自偏压的下降导致离子的轰击效应减弱，因而硅的刻蚀速率下降。

CHF3的作用，一般认为是产生CF x+离子，与水平表面钝化层SiO xFy反应生成挥发性的CO xFy或SOx Fy，并参与对硅水平表面的轰击，去除硅表面的氧化层或钝化层。CHF3还可以提供CF2 ，作为聚合物沉积，在合适的条件下提高刻蚀的各向异性程度。但是在高CHF3流量下，离子的轰击会减弱，在一定的条件下，硅的刻蚀速率会降低。

图6为将其他条件固定在中心点位置不变，而 CHF3流量取两个极端时的原子力显微镜三维照片。

图6其他条件不变，CHF3流量改变时硅表面的原子力显微照片

其中（a）CHF3流量2sccm时的硅表面，其表面平均粗糙度达到149nm；（b）CHF3流量22sccm时的硅表面，其表面平均粗糙度仅有11.3nm。由此可见在没有CHF 3或CHF3的流量很小的情况下，刻蚀后的硅表面比较粗糙。而引入CHF3之后，表面粗糙度得到了明显的改善。