CCD多晶硅刻蚀技术研究

收稿日期:2010-11-03.

材料、结构及工艺

CCD 多晶硅刻蚀技术研究

向鹏飞,袁安波,杨修伟,高建威

(重庆光电技术研究所,重庆400060)

摘 要: CCD 晶硅刻蚀相比于传统CM OS 工艺的多晶硅刻蚀需要多晶硅对氮化硅更高的刻蚀选择比,更长的过刻蚀时间。采用Cl 2+H e,Cl 2+H e+O 2,Cl 2+H e+O 2+H Br 三种工艺气体组分在Lam4420机台进行了多晶硅刻蚀实验,研究了不同气体配比、不同射频功率对刻蚀速率、选择比、条宽、侧壁形貌等参数的影响。通过优化工艺参数,比较刻蚀结果,最终获得了适合于CCD 多层多晶硅刻蚀的工艺条件。

关键词: 多晶硅;刻蚀;选择比;CCD

中图分类号:TN386.5 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2010)06-0885-03

Study on Technology of Poly Etch in C CD

XIANG Pengfei,YUAN Anbo,YANG Xiuw ei,GAO Jianw ei

(C hongqing Optoelectronics Research Institute,C hongqing 400060,CHN)

Abstract: Relative to nor mal CM OS po ly etch process,the techno logy of poly etch in CCD need higher selectiv ity betw een poly and SiN,and mo re over etch tim e.Po ly etch on Lam 4420machine w as perform ed w ith Cl 2+H e,Cl 2+H e+O 2and Cl 2+H e+O 2+H Br as etching gases.The relationship betw een different etching gases,RF pow er and the four par am eters of etch rate,selectivity ,profile and CD bias w as researched.By o ptimizing the ratio of different gases and com paring the different etching results,the optimized etching process for CCD w as obtained.

Key words: poly;etch;selectiv ity;CCD

0 引言

CCD 和标准的CM OS 器件一样,都是用多晶硅作为器件的栅极,多晶硅栅的刻蚀是整个CCD 制作中的关键工艺,器件成品率和器件性能都与多晶硅栅的刻蚀工艺有直接的关系。目前多晶硅刻蚀在CM OS 工艺中是很成熟的工艺技术,但CCD 的多晶硅栅刻蚀与CMOS 器件的多晶硅刻蚀相比有较大的不同。因为CCD 多晶硅栅极下的介质层是氮化硅,而且需要3~4次多晶硅栅刻蚀布线以形成交叠,相比于CM OS 工艺中的多晶硅刻蚀需要更高的刻蚀选择比,更长的过刻蚀时间,才能满足CCD 多晶硅栅极刻蚀的要求。本文针对CCD 多晶硅刻蚀在刻蚀选择比、刻蚀形貌、条宽控制等几个方面进行

了研究,找到了满足CCD 多层多晶硅栅布线的多晶硅刻蚀条件。

1 多晶硅刻蚀原理

反应离子刻蚀多晶硅的反应气体是Cl 2,H Br

等气体,反应离子刻蚀主要有化学刻蚀和物理刻蚀两方面的作用。

(1)化学刻蚀(反应刻蚀)。反应气体(Cl 2,H Br)在高频电场中被电离,产生离子、电子、激发原子、游离原子(亦称游离基)等,具有很强的化学活性,可以与处于等离子体中的物质发生如下化学反应[1]:Si+4Cl SiCl 4 ,Si+4Br SiBr 4 。

(2)物理刻蚀(溅射刻蚀)。由于反应离子在电场中获得能量,并且定向移动到硅片表面,形成对硅片物理轰击作用,使原子或分子得到足够的动能离

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开表面,与反应气体反应,提高了反应速度。

多晶硅刻蚀后的主要反应生成物为气态,直接被真空系统抽走,在刻蚀过程中Cl,Br 与多晶硅及光刻胶反应,产生聚合物,并沉积于多晶硅条侧壁上,保护侧壁不受反应气体的刻蚀,有效地保证了刻蚀后的多晶硅线条宽度[2]。

2 实验结果与分析

本实验所用刻蚀机为美国Lam 公司Lam4420机台。本实验采用Cl 2+H e,Cl 2+H e+O 2,Cl 2+H e+O 2+H Br 三种工艺气体组分刻蚀多晶硅,并改变气体流量比、RF 功率等参数,在多晶硅刻蚀速率、对氮化硅的刻蚀选择比、多晶硅条侧壁形貌和刻蚀前后线宽损失等四个方面进行工艺优化。2.1 刻蚀速率及选择比与射频功率的关系

实验采用Cl 2+H e 作为刻蚀气体,实验中保持Cl 2和H e 的流量不变,分别为80和160cm 3

。改变RF 功率,得出多晶硅刻蚀速率、氮化硅刻蚀速率和多晶硅对氮化硅的选择比与RF 功率之间的关系曲线,如图1

所示。

图1 多晶硅刻蚀速率、氮化硅刻蚀速率及多晶硅对氮化硅

的选择比与RF 功率之间的关系

从上图可以看出,随着RF 功率的增加,多晶硅和氮化硅刻蚀速率都相应增大,但多晶硅对氮化硅的刻蚀选择比却逐渐减小。本实验系统的刻蚀方式为常用的反应离子刻蚀:它是利用射频放电使化学反应性气体(Cl 2)产生具有化学活性的基团和离子,由于电子和离子的质量不同使得质量较轻的电子能够响应射频电场的变化而离子却不能,正是这种差异在电极上产生负偏压,经过负偏压电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料,其作用有二:一是将待蚀刻物质表面的原子键结破坏,以加速蚀刻速率;二是将

再沉积于待蚀刻物质表面的产物或聚合物(Poly mer)打掉,以便待蚀刻物质表面能再与反应蚀刻气体接触,这也进一步加速了活性刻蚀反应基团与被刻蚀材料的反应速率[3]。RF 功率增加,射频放电形成的等离子体密度增大,参与反应的离子数增加,使得多晶硅和氮化硅的刻蚀速率都变快。RF 功率增加同时也导致电极上的负偏压增大,使得具有方向性的离子轰击作用增强,而离子轰击的物理作用明显,对刻蚀材料并不具有选择性,导致多晶硅对氮化硅的刻蚀速率选择比降低。2.2 刻蚀速率及选择比与气体组分的关系

实验中保持RF 功率(125W)不变,Cl 2和H e 气的流量不变,分别为80和160cm 3。加入不同流量的O 2和H Br 气体形成不同的气体组分,得出多晶硅刻蚀速率、氮化硅刻蚀速率以及多晶硅对氮化

硅的选择比与不同气体配比之间的关系曲线。

图2 多晶硅刻蚀速率和氮化硅刻蚀速率及刻蚀选择比与

O 2,HBr 流量之间的关系

从上图可以看出,随着O 2流量增加,多晶硅刻蚀速率明显增大,多晶硅对氮化硅的刻蚀选择比也

逐渐增大;而加入H Br 气体后,多晶硅刻蚀速率明显下降,H Br 气体流量增大后,多晶硅刻蚀速率再

次上升,对氮化硅的选择比最高达到232 1。多晶硅与Cl 2反应主要生成物是SiCl x ,加入少量O 2后,它易与SiCl x 结合形成SiO x Cl y [4-6],使得Cl 离子浓度比无O 2时高,从而导致刻蚀速率增加;加入O 2后,在射频放电的等离子体氛围中O 2和氮化硅反应在氮化硅表面形成SiO x N y 的化合物,阻挡氮化硅的继续刻蚀,使得多晶硅对氮化硅的刻蚀选择比增大。反应气体中加入H Br 后,与多晶硅反应会形成固态的SiBr x 生成物[7],不易被真空系统抽走,沉积在硅片表面,阻挡刻蚀导致多晶硅刻蚀速率下

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