二氧化硅干法蚀刻参数的优化分析

王坤坤 宫小龙

摘要：本文首先阐述了二氧化硅干法蚀刻的主要原理，采用正交实验的方式，对蚀刻速率、均匀程度以及选择比等蚀刻参数方面进行了分析和优化，希望为蚀刻工艺参数的设置和调整提供一定的参考和借鉴。

关键词：二氧化硅干法蚀刻；参数；优化

大规模集成电路的发展令二氧化硅干法蚀刻技术得以产生并被推广和应用。作为精密加工技术的代表，干法刻蚀技术早在上世纪六十年代就在等离子腐蚀中被应用，此后干法刻蚀工艺得到了进一步完善。干法刻蚀效果受到诸多工艺参数的影响，对参数进行分析是极为必要的，明确参数的作用与原理才能有针对性的优化参数从而提升刻蚀效果。

一、二氧化硅干法蚀刻原理

（一）蚀刻基本原理

二氧化硅干法蚀刻的实施原理是对电场实现加速，并采用蝕刻气体在电场中形成等离子体，存在于等离子体中的活性物质会与被蚀刻的材料产生化学反应，生成挥发性物质，在气流的作用下被去除。在等离子法干法刻蚀中通常采用的刻蚀气体是碳元素和氟元素组成的化合物，以及在碳氢化合物中用氟原子替换氢原子形成的化合物，刻蚀气体中的碳元素起到的作用是与氧化层中的氧元素结合，形成一氧化碳或是二氧化碳等副产物。

（二）蚀刻气体的选择

等离子法干法刻蚀中最常采用的刻蚀气体是四氟化碳，该物质作用下的蚀刻速率可以达到很高水平，然而其不足在于对多晶硅的选择比不够高。在刻蚀气体的选取方面，由于蚀刻的二氧化硅主要是氟原子活性基，为了增加对蚀刻硅的选择比，氟原子的浓度应该适当降低。此外碳元素和氟元素的比例会影响蚀刻的聚合程度。在蚀刻气体中混合有其他气体的情况下，碳元素和氟元素的比例会随之发生变化。通常较大的F/C会使二氧化硅或是多晶硅与光阻的选择比较低，同时带来较大的蚀刻速率以及较少的聚合物生成。反之，若F/C比例较小，则会生成较多的聚合物，蚀刻速率较低对硅的选择性较大。

此外，加入氢气会使二氧化硅的蚀刻选择比提升。其原理是若在四氟化碳中引入氢元素，则氢原子会与氟原子结合生成氟化氢，由于氟原子的浓度降低，在蚀刻过程中生成的等离子体中富含碳元素，从而会极大减缓蚀刻速率。而由于作为蚀刻材料的二氧化硅自身含有氧元素，对二氧化硅进行蚀刻时，碳原子会与氧原子结合生成一氧化碳或是二氧化碳，当二者被排出系统后，刻蚀气体中的碳元素和氟元素的比例会稳定在一定范围内，从而使蚀刻速率基本不变。

（三）蚀刻设备

蚀刻工艺水平很大程度上受到蚀刻设备的影响，常用的蚀刻设备虽然各有不同，但基本结构中都包含操作系统、射频功率控制系统、气柜系统、腔体系统，以及起到真空和冷却作用的控制系统等。其中，射频功率控制系统直接导致等离子体的生成，对蚀刻效果有重要影响。腔体系统内进行蚀刻气体的流动，气体的类型与流量以及腔体内的压力水平也会影响蚀刻效果。

二、影响蚀刻效果的工艺参数

二氧化硅干法蚀刻的工艺参数有如下几种：压力、蚀刻气体类型与流量、射频功率、蚀刻时的温度和蚀刻腔体等。蚀刻效果的提升离不开对参数的研究、分析和优化。由于各个工艺参数之间存在交互作用，若仅做单因素实验则无法体现工艺参数之间的作用，而将多种因素混合实验的话，实验过程会相当复杂，为了减少实验资源与时间的耗费，并简化数据整理过程，采用正交实验方法可以有效解决这一问题，即通过规范的正交表进行四个因素、三个水平的实验。利用正交实验得到的参数对蚀刻效果的具体影响如下：

（1）射频功率对蚀刻效果的影响。影响蚀刻速率的最主要因素就是射频功率，射频功率越高对应的蚀刻速率也越大。射频功率提升后使得正负电极之间的电压随之增大，从而带来了更高的离子能量和离子密度，导致蚀刻速率对应提升。此外，射频功率的增加也会使蚀刻的均匀性变好。

（2）蚀刻气体类型与流量对蚀刻效果的影响。在本实验中采用四氟化碳作为蚀刻气体，随着四氟化碳气体流量的增加，由此造成了蚀刻速率的增大。其原理是四氟化碳作为蚀刻气体生成的等离子体中富含大量氟元素，较高的氟元素比例会增大蚀刻速率。在蚀刻均匀性方面，当四氟化碳的流量较小时，由于整体的蚀刻速率不是很高，从而表面可以达到很好的聚合，导致蚀刻的均匀水平较高。

（3）压力对蚀刻效果的影响。在实验的初始阶段，随着压力的增大，蚀刻速率有显著提升，而当压力达到一定程度后，蚀刻速率维持在某一水平不再变化。其原因是压力增大后，离子的密度会上升，滞留时间也会延长，从而增大ER，而分子的自由程度降低，再加上聚合作用的共同影响会减小ER，在这两种相反的作用下，蚀刻速率会先上升后维持稳定。在蚀刻均匀性方面，压力对蚀刻的均匀水平有着最主要的影响，压力的增大会导致均匀性降低。

三、蚀刻工艺参数优化建议

二氧化硅干法蚀刻过程中，工艺参数的不同会对蚀刻速率、蚀刻均匀性以及选择比等造成因素。其中，影响蚀刻速率的主要因素为射频功率，压力在均匀性方面是主要影响因素，对刻蚀气体流量的比率控制可以改善选择比，在具体的蚀刻工艺中，参数的确定要根据实验要求和实验效果的不同，精确的控制好各个工艺参数。

四、结语

二氧化硅干法刻蚀在工业生产中占据的地位越来越重要，对干法刻蚀工艺参数的研究对提高刻蚀效果具有重要作用。本文在阐述了二氧化硅干法刻蚀原理的基础上，从射频功率、刻蚀气体类型与流量以及压力三个方面分析了它们各自对蚀刻水平的影响，希望为相关部门带来一定的参考，使我国的干法刻蚀工艺更加成熟完善。

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