摘 要：采用统计实验方法研究了利用sf 6/o2/chf3混合气体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sf 6、o2、chf3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chf 3可以显著地减小表面粗糙的结论。
关键词：反应离子刻蚀；硅；刻蚀速率；选择比 中图分类号：tn305.7 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)06-0028-04
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。 sf6与o2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sf 6中添加一定量的o2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sf 6与o2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
1.华中科技大学a.光电子工程系; b.激光技术国家重点实验室，武汉，430074; 2.中国电子科技集团第44研究所，重庆 400060） |
摘 要：采用统计实验方法研究了利用sf 6/o2/chf3混合气体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sf 6、o2、chf3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chf 3可以显著地减小表面粗糙的结论。
关键词：反应离子刻蚀；硅；刻蚀速率；选择比 中图分类号：tn305.7 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)06-0028-04
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。 sf6与o2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sf 6中添加一定量的o2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sf 6与o2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
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