等离子体刻蚀多晶硅

等离子体刻蚀多晶硅

与刻蚀SiO2相同，选择合适的化学物质刻蚀多晶硅也需要考虑到以下几个因素：副产品挥发性、选择比和各向异性。另一个需要考虑的因素是，Si表面普遍存在一层天然氧化层，这一氧化层需要在刻蚀初期，用额外的“穿透”步骤去除。刻蚀多晶硅常采用含氟刻蚀剂，Si和F的化合物SiF4具有很好的挥发性。然而采用SF6、CF4或CF4／O2刻蚀多晶硅时，等离子体中产生的F自由基的浓度很高，而聚合物的生成相对较少，因而刻蚀会倾向于各向同性。上一节我们介绍SiO2的刻蚀时，曾提到降低相关氟的组分并增加碳的组分可以提高刻蚀的各向异性，降低自发刻蚀作用，增强离子诱发的刻蚀作用。添加H2或使用CHF3可以实现这一点。但这样做也会增加SiO2相对于Si的刻蚀速率，因为在Si上会优先生成一层聚合物。这一点对刻蚀SiO2是适用的，但对刻蚀多晶硅并不适用，因为我们要提高刻蚀对下层SiO2的选择性。因而采用含氟物质，难以同时保证各向异性和刻蚀多晶硅对SiO2的选择性。

若对各向异性要求并不高，可以在CF4中加入O2，因O2的加入，Si的刻蚀速率比SiO2的刻蚀速率增加的多，因而刻蚀Si对于SiO2的选择性就提高了，但此时刻蚀会更趋于各向同性。对于氟化物来说，为了兼顾各向异性和选择性，可以在刻蚀过程中改变化学气体。开始时选择刻蚀为各向异性，例如采用CF4／H2混合气体，当刻蚀快结束时，可以提高刻蚀对SiO2的选择性，如可采用CF4／O2混合气体。但这一方法会使多晶硅或多或少地存在钻蚀。

刻蚀多晶硅要同时获得各向异性和良好的选择性，可采用氯化物刻蚀剂。硅同Cl原子生成副产物的挥发性略低于同F原子生成副产物的挥发性，但仍可以接受。氯化物如Cl2，HC1或SiCl4都可以用来刻蚀多晶硅。同采用氟化物刻蚀相比较，氯化物中参与刻蚀的化学物质含量较低，因而对Si的侧向刻蚀相对少一些。同时由于离子轰击的作用，纵向刻蚀速率显著增长。这或者是由于离子轰击作用导致了表面化学键的断裂，或者是由于它增强产物的去除作用。从这点可以看出，采用含氯化合物刻蚀Si，即使没有抗蚀层存在，也可以达到相当好的各向异性，同时刻蚀Si对SiO2的选择性也很高。采用氯化物刻蚀也不易在Si表面形成聚合物抗蚀层，而采用氟化物则不同，Si上易于形成抗蚀层会使选择性有所降低。同时氯化物刻蚀SiO2的速率会很低。如果系统中C的含量较低甚至为零，SiO2的刻蚀速率会显著降低。在SiO2同Cl的刻蚀反应中，碳起着相当重要的作用，碳含量较低时刻蚀作用会得到增强。因此采用氯化物刻蚀剂刻蚀Si，除了刻蚀可以达到各向异性外，对SiO2的选择性也相当高，一般情况下选择性的典型值大于100。加入少量O2，可进一步增强各向异性。O2与硅反应，或与侧壁上吸附的刻蚀副产物反应，生成非聚合物，即SiO2含基的抗蚀层。加入O2也有利于刻蚀时对氧化物的选择性，因为氧气同光刻胶掩膜腐蚀生成的C的含量。在硅片背面加氦气增强热传导作用，保持硅片温度较低，也会通过增强抗蚀层的形成改善各向异性。

氯化物刻蚀剂对掺杂很敏感。高浓度n+掺杂可以将硅刻蚀速率提高到25倍，同时能够增加自发刻蚀和钻蚀的作用。含SiO2的抗蚀层可以阻碍这一作用。氯化物刻蚀多晶硅速率比氯化物慢，也采用两种气体的混合物。加入SF6可以减少边缘沟槽作用。氯化物刻蚀时栅极边缘的沟槽会成为一个问题，下层的栅氧化物会受到损伤。含氯碳氟化合物，如C2Cl2F5，也可用于刻蚀多晶硅，但它对臭氧层有破坏作用，因而不常被采用。

刻蚀多晶硅最常用的刻蚀剂是含溴的化合物。溴是元素周期表中继F和C之后

的另一个卤族元素。常用的含溴化合物为HBr和Br2。同氯化物刻蚀剂相似，它们中纯化学刻蚀成分比较低，而且也不会形成聚合物抗蚀层，刻蚀更具各向异性，对SiO2的选择性更高。采用溴化物刻蚀也会减少边缘沟槽的形成。但与含氯化合物相比，溴化物刻蚀剂的刻蚀速率较低，因而在现行的刻蚀工艺中常在其中加入Cl2。同氯化物刻蚀相同，在这些不含碳的气体中加入O2可以促使抗蚀层生成，增强各向异性刻蚀。抗蚀层可能是由Si薄膜氧化生成的SiO2形成。O2也会同掩膜腐蚀生成的碳反应削除碳的存在，从而增加刻蚀对SiO2的选择性。使用HBr 和Cl2的缺点是它们的毒性很高，这就对设备和气体处理系统提出了更严格的要求。

多晶硅同单晶硅一样，表面通常存在一层薄的天然氧化物，甚至在刚刚清洗之后。刻蚀之前必须先将它们刻蚀掉。用多晶硅的刻蚀剂刻蚀SiO2的速率很慢，因而开始须改变刻蚀气体以增加氧化物的刻蚀速率，这一步骤被称为“穿透”。在刻蚀的前5到10秒，可以通过物理刻蚀能力，从而将这次表面氧化物去掉。

对多晶硅而言，主刻蚀之后的过刻也是十分重要。这不仅是为了克服淀积和刻蚀的不均匀性，而且因为在台阶处存在的纵也需要过刻来去除。过刻时，通常采用的RF功率较低，这样可以提高刻蚀对SiO2的选择性。最后进行刻蚀“清除”工艺以除去侧壁上淀积的材料。聚合物（含碳）需先经O2等离子体剥离，然后漂HF，无机膜通常只需漂HF。

硅的刻蚀工艺对于制作浅沟槽隔离结构非常关键。获取需要的刻蚀剖面，以及选择适当的对掩膜的选择性是相当重要的，采用和刻蚀多晶硅类似的办法可以达到这些要求。如上所述，采用氯化物和溴化物刻蚀剂可以获得好的各向异性，且对SiO2和氮化硅掩膜层的选择性也很高。单独采用氯化物在刻蚀中会在底部角落处产生有害的离子诱发的边缘挖槽，而溴化物则不会，因而常采用溴化物或溴化物与氯化物的混合物进行刻蚀。适当添加其他气体，如O2，可以很好地控制刻蚀剖面的斜坡程度。为了获取需要的剖面，也可以采取多步刻蚀。

测量方法

刻蚀中采用的测量技术分为两种：后刻蚀测量和原位测量。后刻蚀测量一般在刻蚀腔外进行。原位测量则不同，为了便于诊断和监控在刻蚀过程中即在腔内进行。最重要的监控方法之一是终点监测。

后刻蚀测量用于表征刻蚀工艺。可以采用光学显微镜最终得到的线宽。在显微镜下观察硅片表面能够看出是否有未刻完的薄膜残留在图形区域。但是当线宽为亚微米时才用光学方法观察和测量会有困难。现在已设计了更为自动的专用SEM 设备用于观察和测量由光刻和刻蚀得到的线条宽度。这种测量方法垂直于硅片表面进行，因而假定刻蚀薄膜的边界是垂直的。很明显实际情况并非如此。为了观察和测量刻蚀薄膜的实际剖面，使用横截面的SEM图像。用这种方法需要将硅片竭力，制作成通常能显示工艺的测试样品。

还有一种后刻蚀测量技术，包括组分和污染测量。即使是少量的残留聚合物也可能对后续工艺和电路性能造成不良影响。表面分析技术，如俄歇电子能谱分析（AES）和X射线光电能谱分析（XPS），可以用来分析和测量残留在薄膜表面或近表面区域的化学组合。例如，通常采用XPS可以获取一些化学键信息，如