二氧化硅的反应离子刻蚀工艺研究_杨光.pdf

1、书书书微 处 理 机MICROPROCESSORS大规模集成电路设计 、制造与应用 二氧化硅的反应离子刻蚀工艺研究杨 光 ， 苟 君 ， 李 伟 ， 袁 凯( 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 ， 成都 610054)摘 要 : 采用 CHF3、CF4、CHF3+ CF4、CHF3+ O2和 CF4+ O2五种工艺气体体系对二氧化硅( SiO2) 作反应离子刻蚀实验 ， 在确定最优刻蚀气体基础上 ， 研究射频功率和气体流量配比对刻蚀速率 、均匀性和选择比等主要刻蚀参数的影响 。通过对实验结果比较分析 ， 确定了刻蚀速率 79nm/min、非均匀性 4%、对光刻胶的选择比 081 的

2、优化工艺 。关键词 : 反应离子刻蚀 ; 二氧化硅 ; 刻蚀速率 ; 优化工艺DOI 编码 : 103969/j issn1002 2279201203001中图分类号 : TN4 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 2279( 2012) 03 0001 03Optimization Study on the Reactive Ion Etching for SiO2YANG Guang， GOU Jun， LI Wei， YUAN Kai( University of Electronic Science and Technology of China， State Key Lab

3、oratoryof Electronic Thin Films and Integrated Devices， Chengdu 610054， China)Abstract: The reactive ion etching for SiO2was performed using CHF3， CF4， CHF3+ CF4， CHF3+O2， and CF4+ O2as etching gases respectively After the optimal etching gas had been ascertained， therelationship between RF power th

4、e ratio of different gases and the three major parameters of etchingrate， uniformity selectivity was researched By comparative analysis of the etching results， the optimizedetching process was obtained with the etching rate of 79nm/min， the uniformity of 4% and the PRselectivity of 081Key words: RIE

5、; SiO2; Etching rate; Optimized process1 引 言刻蚀是半导体微机械加工中关键的工艺之一 ，在器件生产过程中被广泛应用 ， 是影响制造成品率和可靠性的重要因素 。湿法刻蚀和干法刻蚀是半导体制造中两种基本的刻蚀工艺 。相比于湿法刻蚀 ，干法刻蚀具有各向异性 、精度高 、刻蚀均匀性好和工艺清洁度高等优点 ， 满足器件微细加工的要求 ， 成为目前主要的刻蚀方式 。反应离子刻蚀有较高的刻蚀速率 、良好的均匀性和方向性 ， 是现今广泛应用和很有发展前景的干法刻蚀技术 1。二氧化硅 ( SiO2) 具有硬度高 、耐磨性好 、绝热性好 、光透过率高 、抗侵蚀能力强等优点

6、以及良好的介电性质 2， 在电子器件和集成器件 、光学薄膜器件 、传感器等相关器件中得到广泛应用 。在微机械加工工艺中 ， SiO2常被用作绝缘层 、牺牲层材料 2。目前 ， 对 SiO2干法刻蚀工艺的研究较多 3 4， 但采用不同气体体系对 SiO2刻蚀进行对比研究的报道较少 。采用 CHF3、CF4、CHF3+ CF4、CHF3+ O2和CF4+ O2五种工艺气体体系对 SiO2作反应离子刻蚀 ， 并优化射频功率和气体流量比 ， 可得到优化工艺 。2 二氧化硅的反应离子刻蚀原理反应离子刻蚀 ( reactive ion etching， RIE) 包含物理性刻蚀和化学性刻蚀两种刻蚀作用 ，

7、 是本论文采用的干法刻蚀技术 。刻蚀时 ， 反应室中的气体辉光放电 ， 产生含有离子 、电子及游离基等活性物质的等离子体 ， 可扩散并吸附到被刻蚀样品表面与表面的原子发生化学反应 ， 形成挥发性物质 ， 达到刻蚀样品作者简介 : 杨光 ( 1987 ) ， 男 ， 江苏宿迁人 ， 硕士研究生 ， 主研方向 : 半导体制造工艺与器件 。收稿日期 : 2011 08 15第 3 期2012 年 6 月No3Jun ， 2012微 处 理 机表层的目的 。同时 ， 高能离子在一定的工作压力下 ，射向样品表面 ， 进行物理轰击和刻蚀 ， 去除再沉积的反应产物或聚合物 。化学反应产生的挥发性物质与物理轰

8、击的副产物均通过真空系统被抽走 5。刻蚀 SiO2的反应气体主要为含氟基或氯基气体 6; 前者如 CF4、CHF3、SF6、NF3等 ， 后者如 BCl3、Cl2等 。反应离子刻蚀 SiO2时 ， 在辉光放电中分解出的氟原子或氯原子 ， 与 SiO2表面原子反应生成气态产物 ， 达到刻蚀的目的 。氟碳化合物和氟化的碳氢化合物 ( 在碳氢化合物中有一个或几个氢原子被氟原子替代 ) 是 SiO2反应离子刻蚀工艺常用的刻蚀气体 ， 如 CF4、C3F8、C4F8、CHF3、CH2F2等 7。其中所含的碳可以帮助去除氧化层中的氧 ( 产生副产物 CO 及 CO2) 。CF4和 CHF3为最常用的气体

9、。用 CF4和 CHF3刻蚀SiO2时 ， 刻蚀气体发生离解 ， 主要反应过程如下 8 9:CHF3: CHF3+ eCHF2*+ F*+ e ( 1)CHF3+ eCF3*+ H*+ e ( 2)CF3*+ eC + F*+ e ( 3)CF4: CF4+ eCF3*+ F*+ e ( 4)CF3*+ eC + F*+ e ( 5)生成的氟活性原子到达 SiO2表面 ， 反应生成挥发物质 ， 如下 :SiO2+ F*SiF4+ O2 ( 6)式 ( 1) ( 6) 中有上标星号的 CF3*， CF2*，CF*， F*表示具有强化学反应活性的活性基 。SiO2分解生成的氧离子和 CHF2*等基

10、团反应 ， 生成的CO、CO2、H2O等挥发性气体被真空系统抽离反应腔体 ， 完成对 SiO2的刻蚀 。3 实验结果与分析实验所用的刻蚀设备是德国 FHR 公司生产的反应离子刻蚀机 RIE 150 4， 主要由以下几部分组成 : 硅片盒 、中央腔 、发生刻蚀反应的 3 个反应腔 、射频电源 、气体流量控制系统 、去除刻蚀生成物和气体真空系统等 。刻蚀系统包括传感器 、气体流量控制单元和终点触发探测器 。31 SiO2 的刻蚀气体选择实验选取了 CHF3、CF4、CHF3+ CF4、CHF3+ O2和 CF4+ O2五种气体体系对二氧化硅进行刻蚀 ， 通过对刻蚀速率和均匀性两个参数的对比分析 ，

11、 选择最佳刻蚀气体 。实验过程中气体压强为 5Pa， 射频功率为 500W， 反应腔室温度为 45， 基片冷却温度为 5， CHF3、CF4、CHF3+ CF4、CHF3+ O2和 CF4+O2气体流量分别为 40sccm、40sccm 、20sccm +20sccm、30sccm +5sccm 和 30sccm +5sccm。实验结果如表 1 所示 。表 1 五种气体体系刻蚀二氧化硅的刻蚀速率与非均匀性工艺气体 刻蚀速率 ( nm/min) 非均匀性 ( U%)CHF325 6%CF471 47%CHF3+ CF456 51%CHF3+ O240 4%CF4+ O294 10%非均匀性的计算

12、公式为 : U% = ( Xmax Xmin) /2ave( ni =1Xi) 100%。式中 ， Xi为测试点处的膜厚 ，Xmax、Xmin分别为所有测试点膜厚的最大值 、最小值 ，n 为测试点个数 。本论文中取 n =9， 测试膜厚的仪器为台阶仪 。表 1 显示 ， CF4刻蚀 SiO2的速率超过了 70nm/min， 与 CHF3的刻蚀速率相比 ， 有显著的提升 ， 而且均匀性也要好过 CHF3。这是因为 : 在辉光放电过程中 ， 对刻蚀 SiO2起主导作用的是氟等离子体 ， CF4的 F/C 比例高于 CHF3， 能提供更高的氟等离子体浓度 ， 而且在刻蚀过程中不会像 CHF3那样生成

13、较多聚合物 ， 因而对 SiO2具有更高的刻蚀速率 。而CHF3反应生成较多的聚合物在基片表面产生局部积淀 ， 也使得 CHF3的刻蚀均匀性不如 CF4。当选用 CHF3+ CF4( 20sccm + 20sccm) 作为刻蚀气体时 ， 由于其氟活性原子比例介于前两者之间 ，因而其刻蚀速率也介于两者之间 ， 均匀性也是如此 。从表 1 也可以看出 ， 对于刻蚀气体 CHF3或CF4， O2的加入对 SiO2刻蚀都起到了促进作用 。这是因为 : O2加入后 ， 会发生如下反应 :CFx*+ O2COFx+ CO+ CO2可见 ， O2消耗掉部分碳原子 ， 使氟活性原子比例上升 ， 从而导致刻蚀速

14、率显著提高 。一般而言 ， 在其他因素 ( 如均匀性 ， 对光刻胶和衬底的选择比等 ) 尚可接受的范围内 ， 刻蚀速率应越快越好 。虽然 CF4+ O2的刻蚀均匀性不甚理想 ，但考虑到其明显占优的刻蚀速率 ， 最终选择 CF4+O2作为 SiO2的刻蚀气体 。而均匀性的优化则通过改变射频功率及气体流量比来实现 。32 射频功率对刻蚀速率和均匀性的影响在选定 CF4+ O2作为刻蚀气体之后 ， 为了改善其刻蚀 SiO2的均匀性 ， 改变射频功率进行实验 。在2 2012 年杨 光等 : 二氧化硅的反应离子刻蚀工艺研究实验中选择 CF4+ O2， 气体流量为 30sccm +5sccm，并保持其他

15、工艺参数不变 ， 把射频功率分别设定为500W、450W 以及 400W， 测试其刻蚀速率与非均匀性 ， 实验结果如图 1 所示 。图 1 射频功率对刻蚀速率和均匀性的影响图 1 表明 ， 刻蚀速率随着射频功率的增加而明显提高 ， 原因有两方面 : 一方面射频功率增大 ， 使自由电子能量升高 ， 到达基片表面的离子速度增大 ， 物理轰击作用增强 ， 从而加快刻蚀速率 ; 另一方面 ， 射频功率的增大 ， 加快反应气体的离化 、分解 ， 使到达基片表面的粒子能量增大 ， 对基片表面材料撞击损伤程度增大 ， 促进表面化学反应 ， 因而使刻蚀速率加快 。当射频功率增大时 ， 均匀性却随之下降 ， 这

16、是因为 : 当射频功率较大时 ， 达到基片表面的离子速度很大 ， 会被基片迅速反弹 ， 导致与局部基片表面离子反应不充分 ， 刻蚀表面粗糙度增加 ， 造成刻蚀均匀性的下降 。从图 1 看出 ， 400W 是一个较理想的工作点 ，基片各点化学刻蚀进行得较为充分 ， 得到了较为理想的均匀性 。33 气体流量对刻蚀速率和均匀性的影响采用 CF4+ O2刻蚀二氧化硅 ， 保持射频功率( 400W) 与 CF4 的流量 ( 30sccm) 不变 ， 改变 O2的流量进行实验 。实验中 O2流量分别设定为 3sccm、5sccm 和 8sccm， 得到 SiO2与光刻胶的刻蚀速率 、非均匀性随 O2流量的

17、变化关系 ， 如图 2 所示 。从前面对表 1 的分析已知 ， CF4气体中 O2的加入可以促进对 SiO2的刻蚀 。然而 ， 并不是 O2的比例越高 ， SiO2的刻蚀速率就越高 。从图 2 可以看出 ，本实验中 SiO2的刻蚀速率随着 O2流量的增加而降低 。这是因为 : 少量的 O2可以促使氟活性离子的增加 ， 但是随着 O2比例的增加 ， O2对刻蚀气体 ( CF4)的稀释作用增强 ， 从而导致刻蚀速率的降低 。选择比是 SiO2刻蚀速率与光刻胶刻蚀速率的比值 。随着 O2流量的增加 ， SiO2的刻蚀速率降低 ，但光刻胶的刻蚀速率明显提高 。因此 ， 选择比随着O2流量的增加明显减小

18、 。图 2 二氧化硅刻蚀速率 ( ER( SiO2) ) 、光刻胶刻蚀速率 ( ER( PR) ) 、均匀性 ( U)与 O2流量 ( O2flow) 之间的关系用 CF4和 O2刻蚀 SiO2， 提高 O2比例 ， 易获得较好的刻蚀均匀性 。综合分析刻蚀速率 、选择比和均匀性三个刻蚀参数可知 ， O2流量为 3sccm 时 ， 均匀性较差 ( 7%) ，O2流量为 8sccm 时 ， 选择比太差 ( 0 44) ， CF4和 O2的流量比选择 30sccm 5sccm 时为最佳 。34 SiO2 的优化刻蚀工艺通过前面的分析 ， 采用 CF4和 O2刻蚀 SiO2， 射频功率为 400W，

19、气体流量比为 30sccm 5sccm 时 ，获得了最优化的刻蚀参数 ， 如表 2 所示 。表 2 采用 CF4+ O2刻蚀 SiO2的最优化工艺CF4流量O2流量射频功率气体压强刻蚀速率均匀性选择比30sccm 5sccm 400W 5 Pa 79nm/min 4% 0814 结 束 语刻蚀气体的选择对 SiO2反应离子刻蚀的结果有着很重要的影响 。实验采用 CHF3、CF4、CHF3+CF4、CHF3+ O2和 CF4+ O2五种气体体系刻蚀SiO2， 并对刻蚀速率 、均匀性等刻蚀参数进行考察 ，发现 CF4刻蚀 SiO2的结果好于 CHF3， 而 O2的加入对刻蚀起到了促进作用 ; 通过

20、优化射频功率 ， 获得了较好的刻蚀均匀性 ; 用二氧化硅的刻蚀速率 、均匀性与选择比三个参数优化了气体流量配比 。最终得到刻蚀速率 79nm/min、非均匀性 4%、对光刻胶的选择比 0 81 的优化工艺 ， 可作为 SiO2刻蚀的实用工艺 。 ( 下转第 6 页 )33 期微 处 理 机大 ， 因此只有在高精度的运放输入端才会采用这种 形式 。( a) M1 旁金属引起不对称性 ( b) 在 M2 旁对称放置一条线图 5 保持对称轴两边相同环境图 6 同心布局版图4 电阻匹配与电容匹配多晶电阻的匹配度是几何尺寸的函数 。针对MOS 器件版图设计的大多数规则也适用于电阻 。长宽比例严格定义的电

21、阻必须由相同的单位电阻通过串联或并联构成 ( 具有相同走向 ) 。采用比例电阻的结构进行设计时 ， 电路的电特性主要与比例精度有关 ， 而与单个电阻的绝对值精度呈弱函数关系 。在版图设计上 ， 这些比例电阻常采用矩阵连接结构 ，以减小比例误差 。对于精度高的电路 ， 电容器的版图必须遵循以上针对晶体管和电阻所提出的原则 。电容的误差主要来自面积误差和介质层厚度误差 。所以与比例电阻类似 ， 当每个小电容因工艺产生误差后 ， 电容的比例仍能保持不变 。5 消除耦合的布线设计信号线之间的电容可以形成耦合效应 。以下两种情况会有电容形成 :( 1) 两信号线在不同层交叠 ， 形成交叠电容 。( 2)

22、 两信号线在同层平行临近 ， 形成平行电容 。可以采用减小导体间交叠面积 、并行长度的方法来减小交叠电容和平行电容 ; 还可以在两平行导体之间加一个接地或固定电位的导体来屏蔽其间的串扰 。电源线上的电阻效应也会造成耦合 ， 使电压不稳 、形成噪声 ， 可尽量缩短或加宽电源线以减小电阻 。6 结 束 语以上对 CMOS 模拟电路版图设计中应注意的问题做出了简要介绍 。在实际电路设计中仍有许多细节需要注意 ， 包括建库 、参数化设计等 。设计人员根据具体情况综合考虑各种因素 ， 以达到电路的优化 。参考文献 : 1 Dan Clein CMOS IC LAYOUT concepts、methodo

23、logiesand tools technical contributor M gregg schimokura，2000 2 李玉山 ， 来新泉 电子系统集成设计技术 M 北京 :电子工业出版社 ， 2002 3 吴建辉 CMOS 模拟集成电路分析与设计 M 北京 :电子工业出版社 ， 2004( 上接第 3 页 )参考文献 : 1 Michael Quirk， Julian serda 半导体制造工艺 M 韩郑生 ， 等译 北京 : 电子工业出版社 ， 2006 2 V T Srikar， S M Spearing A critical review of microscalemechan

24、ical testing methods used in the design of micro-electromechanical systems J Experimental Mechanics，2003， 43，( 3) 3 Cho B O， Hwang SW， Lee G R， et al Angular dependenceof the redeposition rates during SiO2etching in a CH4plasma J J Vac Sci Tcchnol， 2001， A 19: 730 735 4 严剑飞 ， 袁凯 ， 太惠玲 ， 等 二氧化硅的干法刻蚀工

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