混合气体_ＣＬ２＋ＳＦ６混合气体对Ｓｉ和ＳｉＮｘ的离子刻蚀研究
摘要：采用统计实验方法研究了利用SF6+Cl2混合气体产生的等离子体进行Si和SiNx的反应离子刻蚀技术。在相同的输出功率和压力的条件下，将Si和SiNx的刻蚀速率和选择比表示为SF6百分比含量的函数。文中讨论了SF6含量的变化对刻蚀速率、选择比和坡度角的影响及刻蚀机理，证实了即使是SF6含量的少量改变也会对Si和SiNx的刻蚀速率、选择比和坡度角有重要的影响。并通过光谱分析来深层次地讨论刻蚀速率受SF6含量影响的原因。
关键词: 等离子刻蚀；刻蚀速率；选择比
中图分类号：TN305.7文献标识码：A
Study on Reactive Ion Etching of Si and SiNx in Cl2+SF6 Mixtures
ZHENG Zai-run，CHEN Zheng-wei，JIANG Dong-hua，LI Zheng-xun，LI Dou-xi
（ Beijing BOE Optoelectronics Technology Co., Ltd. Beijing 100176, China)
Abstract: The etch rate and selectivity of Si and SiNx have been studied in SF6+Cl2plasma by statistacl experiment method in this paper. In thecondition ofsame power and pressure,the Percentage of SF6 has great effection to etch rate, selectivity and profile angle. We also have discussed this phenomena by spectrum.
Keyｗordｓ: ＲIE; etch rate; selectivity
1引言
对硅的反应离子各向异性刻蚀是半导体制造工业中的重要工艺手段，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。其优点是各向异性的刻蚀不会产生钻蚀，可用于更细微线宽的刻蚀，可以精确控制刻蚀过程,过刻蚀率易于把握，缺点是对下层绝缘材料的选择比较差。SF6+Cl2的混合气体可用于硅的反应离子刻蚀，研究表明，在一定量的Cl2中添加SF6可以明显地提高Si的刻蚀率，并且选择比不会下降太快。本实验选用SF6+Cl2体系作为刻蚀气体，研究在其它条件相同的情况下，SF6含量变化对Si和SiNx的刻蚀率、选择比和Si的坡度角的影响，这对于半导体制造工艺的改善具有重要意义。
2实验原理
单组分Cl2刻蚀Si机理：Si+2Cl2=SiCl4，在刻蚀过程中的产物是固体，刻蚀速率较慢，而且容易产生层积，不利于大规模生产。SF6能够产生游离的氟原子，与Si反应产生SiF4。由于SiF4是气体，优点是容易排出，缺点是SF6对绝缘层SiNx的刻蚀速率很快，加入SF6量过大会使Si和SiNx的选择比迅速下降。因此选用Cl2和SF6混合气体来进行Si的刻蚀能够弥补单组分气体刻蚀的不足。
3实验
实验采用的是东京电子SE-1300反应离子刻蚀机，玻璃基板上层积SiNx，a-Si，进行Mask曝光、显影。在一定的压力和输出功率下进行刻蚀。
所用Cl2+SF6气体总量保持不变，SF6含量分别为：1.6%、3.1%、4.7%、6.3%
测试Glass尺寸 ：1，100mm×1，300 mm
测量设备 ：FP-21X step height gauge
采用Verity EPD System对200nm~800nm波长范围内的光谱进行采集。
4结果与讨论
4.1Si和SiNx的刻蚀速率和选择比跟SF6含量的关系
实验中，在保持一定的压力和输出功率下，通过改变气体中SF6含量来得出对Si和SiNx的刻蚀率、选择比和坡度角的影响。由图1和图2可以看出：随着SF6含量的增加，Si和SiNx的刻蚀速率都会增加。SiNx刻蚀速率的增加幅度比Si要快，因此选择比（图3）下降。
4.2Si的坡度角与SF6含量的关系
Si的坡度角是生产过程中的一个重要参数。如图4所示，随着SF6含量的增加，Si Patten的坡度角也逐渐增大。RIE设备刻蚀Si时，各向同性和各向异性的刻蚀同时存在，各向异性主要表现是从上而下的离子轰击上，各向同性主要表现是横向的化学反应上。当Cl2气体中加入SF6的量增加时，横向反应的作用越来越明显，导致了坡度角增加，因此可以通过改变SF6含量来达到所需的坡度角，能有效地控制Patten的形状。
4.3不同SF6含量下Si和SiNx刻蚀时的光谱分析
为研究Cl2/SF6与Si和SiNx的反应过程，对反应过程中的光谱进行了收集。
利用Verity的EPD（End Point Detector System）对SF6含量为1.6%、3.1%、4.7%、6.3%的混合气体反应光谱进行采集。
4.3.1不同SF6含量下Si刻蚀时的光谱分析
图5中的波长分别为725.6620nm、741.4114nm、754.7072nm的3个波峰是Cl原子的特征波，从图中可以看出：随着SF6含量的增加，Cl的含量并没有明显变化，但是Si的刻蚀速率（图1）却有了明显的增加，这表明SF6激发的F优先与Si进行反应，产生SiF4气体排出，SF6的增加并没有激发更多的Cl。Cl2+SF6气体刻蚀Si时有两种主要反应存在，即Cl和F分别与Si反应。
4.3.2不同SF6含量下SiNx刻蚀时的光谱分析
图6中的波长分别为725.6620nm、741.4114nm、754.7072nm的3个波峰是Cl原子的特征波，从图中可以看出：随着SF6含量的增加，Cl的含量有明显增加，SiNx的刻蚀速率也有很大增加。表明使用Cl2+SF6刻蚀SiNx时，SF6的加入能够增加Cl的激发。加入SF6量较多后SiNx会显著增加（图2）。
5结论
（1)使用Cl2和SF6混合气体刻蚀Si和SiNx时，增加SF6含量能够提高Si和SiNx的刻蚀率，同时会使Si和SiNx的选择比减少。
（2)Si的坡度角会随着SF6含量的增加而变大。在工艺过程中，可以通过控制SF6含量来控制Si的坡度角。
（3)在SiNx刻蚀过程中加入SF6能够提高Cl的激发，使SiNx刻蚀率增加。
参考文献
1. 周宏，赖建军，赵悦，柯才军，张坤，易新建.SF6/O2/CHF3混合气体对硅材料的反应离子刻蚀研究[EB/OL].中国电子测试和制造网.省略。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文