工业设计论文二氧化硅干法刻蚀倾角控制的工艺研究
干法刻蚀技术主要用于对基片进行精确加工，例如刻蚀掩膜、离子注入掩膜、终端结构成型等等。基片上的不同刻蚀结构，取决于不同的刻蚀倾角。随着半导体的发展，器件性能对二氧化硅的刻蚀工艺越来越严格，特别是垂直和平缓的倾角不易加工成型。
【摘要】采用反应离子体刻蚀机结合CHF3+SF6+O2混合气体[1，2]刻蚀二氧化硅的工艺研究，并且采用正交试验方法[3]调整刻蚀参数，得出影响刻蚀倾角的主要因素是CHF3和SF6。适当增加CHF3流量有助于形成陡直的刻蚀倾角；适当增加SF6流量并减小CHF3流量有助于形成平缓的刻蚀倾角。通过对实验参数进行整体优化处理，最终实现了垂直、平缓的刻蚀倾角。为采用二氧化硅作为刻蚀掩膜以及终端结构提供了帮助。
【关键词】二氧化硅,干法刻蚀,刻蚀倾角
为了改善这个问题，采用反应离子刻蚀（RIE）技术[6-8]，对二氧化硅进行刻蚀。刻蚀气体一般选用氟基气体，如：SF6、CHF3或这两者和氧气的混合气体，结合正交试验法找到影响刻蚀倾角的主要因素，并优化工艺参数，刻蚀出垂直、平缓的倾角[5]。
1.反应离子刻蚀原理（RIE）
对反应腔中的腐蚀气体，加上大于气体击穿临界值的高频电场，在强电场作用下，被高频电场加速的杂散电子与气体分子或原子进行随机碰撞，当电子能量大到一定程度时，随机碰撞变为非弹性碰撞，产生二次电子发射，它们又进一步与气体分子碰撞，不断激发或电离气体分子。这种激烈碰撞引起电离和复合。当电子的产生和消失过程达到平衡时，放电能继续不断地维持下去。由非弹性碰撞产生的离子、电子及游离基（游离态的原子、分子或原子团）也称为等离子体，具有很强的化学活性，可与被刻蚀样品表面的原子起化学反应，形成挥发性物质，达到腐蚀样品表层的目的。同时，由于阴极附近的电场方向垂直于阴极表面，高能离子在一定的工作压力下，垂直地射向样品表面，进行物理轰击，使得反应离子刻蚀具有很好的各向异性。系统示意图如图1所示。
3.结果分析
经过对正交试验的数据进行采集，分析得出影响刻蚀倾角的主要因素是CHF3和SF6两种因子，分别增加CHF3和SF6的流量，刻蚀倾角变化显著。
然而，O2流量、气压、功率的变化对于刻蚀倾角影响不大。如图2所示的不同因素与刻蚀倾角关系的曲线图。
如图2所示，随着CHF3的流量增加，刻蚀倾角逐渐增加，这是由于气体CHF3在辉光放电环境下，在SiO2表面沉积一层碳氟薄膜[1]，碳氟薄膜中的CFx基团与SiO2接触并反应生成SiFCOx，然后在离子轰击下生成挥发性物质SiF4和COx。当气体CHF3达到一定流量时，同时碳氟薄膜达到一定的厚度，阻碍了CFx基团与SiO2反应，从而刻蚀倾角变化甚微。然而随着SF6的流量增加，当达到4sccm时，气体流量达到饱和状态，刻蚀倾角达到了73o，如果继续加大气体流量，此时的工艺气体达到了过饱和状态，导致辉光放电产生的离子过盛，增加反应粒子之间的碰撞，从而使这些原本轰击SiO2表面的反应粒子失去较多的能量，削弱了粒子对SiO2的物理轰击作用。与此同时，增大反应气体流量，抽走的活性物质也会加快，导致部分反应粒子未与SiO2反应，便与废气一起抽走，从而刻蚀倾角难以形成。
通过对正交数据进行优化处理，主要调整CHF3和SF6的流量，其他因素进行微调，最终可以实现垂直的刻蚀倾角和平缓的刻蚀倾角。
如图3所示，在大流量CHF3的刻蚀下，最终SiO2被加工出90.96°近似垂直的刻蚀倾角；如图4所示，加大SF6的流量，并且减小CHF3的流量，SiO2刻蚀区域得到了162.60°平缓的刻蚀倾角。
4.结论
在反应离子刻蚀中，影响二氧化硅刻蚀倾角的主要因素是气体CHF3和气体SF6。通过工艺优化，增加一定流量的气体CHF3可以加工出垂直侧壁；增大一定流量的气体SF3并且减小CHF3的流量，可以加工出平缓侧壁。证明了倾角在一定范围内是可控的。
参考文献
[1]严剑飞，袁凯，太惠玲，吴志明.二氧化硅的干法刻蚀工艺研究[J].微机处理，1002-2279（2010）02-0016-0.
[2]郝慧娟，张玉林，卢文娟.二氧化硅的反应离子刻蚀[J].电子工业专业设备，1004-4507（2005）07-0048-04.
[3]张海峰.二氧化硅等离子刻蚀研究[J].集成电路通讯，2010.06.
[4]杨玲，杨磊，辛煜.频率组合对容性耦合等离子体SiO2刻蚀的影响[J].苏州大学学报，2010，10.
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