刻蚀工艺气体:化学- 6 大气体 + 反应路径
气体分子在等离子体中解离、电离,生成活性自由基和离子。这些活性物种与晶圆表面材料发生化学反应,形成挥发性产物,从而实现材料去除。
在等离子刻蚀机刻蚀工艺中,反应气体的选择直接决定了刻蚀的选择性、速率、各向异性、均匀性的形成。
6大气体特性详解
CF₄ 是氟原子的主要来源。加入 O₂ 可以显著改变等离子体化学。
主要解离反应:
CF₄ + e⁻ → CF₃• + F• + e⁻ CF₄ + e⁻ → CF₂• + 2F• + e⁻
O₂ 的促进作用:
O₂ + e⁻ → 2O• + e⁻ CFₓ• + O• → COF₂, CO, CO₂ + (x-1)F•
O₂ 消耗 CFₓ 自由基,释放更多自由 F 原子,提高 Si 刻蚀速率,但可能降低对 SiO₂ 的选择性。
主反应路径:
等离子体区:CF₄ + e⁻ → F• (活性刻蚀剂) 表面反应:Si + 4F• → SiF₄(g) ↑ (挥发性产物) 副产物:CO
Cl₂ 和 HBr 混合气体是现代栅极刻蚀的主流选择。
看下面这张图,理解 Cl₂/HBr 如何协同:
Cl₂/HBr 刻多晶硅 — 侧壁钝化 + 高各向异性
2 大角色分工:
① Cl₂ 提供高刻蚀速率和良好的各向异性(通过离子轰击增强)
② HBr 提供 Br 自由基,与 Si 反应生成 SiBrₓ (x≤4),其挥发性低于 SiCl₄,有助于形成侧壁钝化层(SiBrₓ 或 SiOₓBrᵧ),实现极高的各向异性
关键表面反应:
Si + 2Cl• → SiCl₂(ads) → SiCl₄(g) ↑ Si + 4Br• → SiBr₄(g) ↑ (较慢)
侧壁钝化:
刻蚀副产物是工艺中不可避免的,需要严格管理。
看下面这张图,选气体的核心原则:
选择性
:选择与被刻蚀材料反应快、与下层/掩膜材料反应慢的气体
各向异性
:通过侧壁钝化(聚合物或非挥发性产物)或离子辅助刻蚀
刻蚀速率
:足够的自由基通量和离子能量
均匀性与负载效应
:气体流动设计、压力控制
安全与环保
:考虑气体的毒性、腐蚀性及 GWP(如 SF₆ 极高)
典型搭配:
应用
推荐气体
Si vs SiO₂ 高选择 HBr
SiO₂ vs Si 高选择 CHF₃
Al 刻蚀 Cl₂
Poly-Si 栅极 Cl₂/HBr/O₂/He
SiO₂ 介质 CF₄/CHF₃/Ar
沛沅仪器:ICP/CCP等离子刻蚀机,适应大学研究机构的科研,教学,以及小批量生产.
