利用CF4/O2大气压辉光放电等离子体的Si基材料的干蚀刻特性
利用CF4／O2大气压辉光放电等离子体的Si基材料的干蚀刻特性
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等离子体应用技术快报2000年第1O期
利用CF4/O2大气压辉光放电等离子体
的Si料干蚀刻特性牛刊
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在本工作中，用OEX(光发射谱)分析和XPS(X射线光电子谱术)确定蚀刻特性及放电
和下游区域内基的行为，井根据结果导出蚀刻机制.
实验装置的结构如下：放电电极为平行板型，接地电极为铝台架.RF铝电极安装在铝
台架的顶部.RF电极相对于接地电极是可移动的.两个电极的表面用氧化铝绝缘层覆
盖，并且两个电极之间的距离定为0,6—1.0mm.RF电极的宽度和长度分别为10mm和
100mm.施加上40.68MHz和400W的RF功率.2000seem流率下的He用作载气，并CF
及Oz的混合物作为蚀刻气体，以40scorn总流率供应给电极之间，并产生大气压放电等离子
体.在蚀刻之前不进行除去电极上吸附的H2O和大气成分(N,O和HO)的预处理,He
气也经过一个装有水的室，并供应给两个电极之间以研究O对蚀刻的影响.
实验中所用基体为硅晶片，多晶硅和SiN薄膜，用LP.CVD(低压化学气相沉积)制备厚
度分别为400nm和200nm;SiO2薄膜和光致抗蚀剂分别由热氧化和自旋涂镀形成,
厚
55Onm和300,120Onm.20mm×20mm尺寸的样品直接安放在RF电极下方的放电区域,
或安放在离开接地侧RF电极3—23mm的下游区域.实验期间不加温度控制.
为了识别等离子体中产生的原子团的类型，而进行了OES分析.为了弄清低压放电中
的原子密度，光能l删定术是一种有救的方法.本实验将这种方法应用于大气压放电，用光
能测定术测量了F基和O基的浓度，并研究了其密度的相对变化.为适于光能测定术，以
10sccm流率添加了Ar，并监测了750.3mm(Ar),703.8nm(F)和777.2nm(O)发射谱线.此
外.为确定输送到下游区域的基的种类，将20mm×20mm尺寸的A1样品安放在下游区域.
并用XPS分析了A】样品表面的化学成分.
为了将利用大气辉光放电等离子体获得的蚀刻特性同利用低压辉光放电等离子体获得
的蚀刻特性进行比较，利用平行板电极进行了低压蚀刻.铝真空室是一个直径为250mm的
圆筒，电源的频率为13.56MHz.RF电极为圆形，直径170mm,RF电极和接地电极之间的
距离为20mm，佯品位于接地电极上.实验期间不加温度控制.
测量了多晶硅,SiN薄膜,s02薄膜和光致抗蚀剂的蚀刻率对02/(CF4+02)流量比的依赖关系.以4mm/s速度移动样品上面的RF电饭进行了蚀刻；由于电极宽度为10mm，因
此每个样品的蚀刻时间为2.5s.利用热标记证实了蚀刘温度在蚀刻期间从室温增加到
190℃.当哭利用cF气体时.s02薄膜的蚀刻率最大(1~tm/min)；蚀刻率随追加的数量增加而逐渐减小：多晶硅和SiN薄膜的蚀刻率随02加入CFJ气体而增大.井分
别在02/
(c+02)比为04和0.15时.获得了最大蚀刻率：对于这两种样品，最大蚀刻率都超过了2um/min：在光致抗蚀剂情况下.蚀刻率随02的加入而逐渐减小.井在02/(CF4+O2)
比为0.5时获得了最大蚀到率(7~m/min):
对于多晶硅,SiN"和so：薄膜，测量了60Pa低压和200WRF功率下的蚀刻率与O/ (cF+01)流量比之间的关系：与利用大气压辉光放电观测J的蚀刻率相比，总的蚀刻率
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2000年第l0期等离子体应用技术快报25
很低；特别是siq薄膜的蚀刻率更低(~20nm/min)然而，多晶硅和SiN薄膜的总的蚀刻
特性类似于利用大气压辉光放电获得的特性;Od(CF+O,)比分别在～012和～038时,
观删到了最大蚀刻率.其次.为了研究大气压辉光放电等离子体中产生的基的行为，进行了
OES分析.测量了O2./(CF,)+O2=0.25时的发射强度.除He载气的发射外，也观测到了
,O,F和N2基的发射.根据这个光谱，证宴了O基和F基的产生，前者对光致抗蚀剂的
蚀刻有贡献，后者对多晶硅,SiN和si薄膜的蚀刻有贡献.假设自N2基的发射是由大气
中剩余的N2引起的从F和O基的密和02/(CF+)流量比之间的关系可知,O基的密度随cF4和O2混合物中O2浓度的增大而增加，从而显示出与所观测到的抗蚀剂蚀刻率
随02/(cFd+O2)比中的变化有良好的关系.F基的密度随cF4和q混合物中O2量
大雨增大，并在O2/(CFO2)比近似为0.4时，变为最大.对于多晶硅薄膜,F基的密度对
/(cF4+O2)流比的依赖关系与蚀刻率和流比之间的关系良好吻合.这种倾向类似于利
用低压辉光放电等离子体进行蚀刻的情况下观测到的倾向，从而证明，利用大气压辉光放电
等离子体所观测到的蚀刻反应以类似于用低压辉光放电等离子体时的方式进行. 当以30/10sccm将O加到c和O2中时,si薄膜和光致抗蚀剂的蚀刻率分别增
到54倍和1.6倍；然而多晶硅薄膜和SiN薄膜的蚀刻率却分别下降到1/lO和1/24当
加入}0时，据推测等离子体中产生的F基转变成HF.在这些情况下，大量的水蒸汽和
HF建立一个与湿蚀刻反应中相类似的条件；所以,Sj薄膜的蚀刻率增大.另一方面，多
晶硅和SiN薄膜的蚀刻率减小，因为气相中F基的量由于它们转变成HF而减少.而且，根
据用银增强IRJohnson方法分析SiN薄膜表面所得结果证实，在蚀刻之后有铵盐存在.沉
积的铵盐也影响了si原子和F原子团之间的反应，从而导致SiN蚀刻率的明显减小.在光
致抗蚀剂情况下，蚀刻率增大的原因可能是HF使光致抗蚀剂化学结构变弱和所造成的氧
化分解的增强.
测量了下游区域中的蚀刻率和样品离RF电极的距离之间的关系.用于蚀刻的样品是
多晶硅薄膜,SiN薄膜,SiO2薄膜和光致抗蚀剂；多晶硅薄膜的蚀刻时间为20s，其它样品的
蚀刻时间为180s.在s薄膜情况下几乎没有观测到蚀刻，因此，不可能对这种样品的
刻率进行测量.祥品在电极附近时的蚀刻率高，而且对所有样品的蚀刻都是不均匀的.其
原因假设是，在上游区域的蚀刻消耗了活性粒种，从而对下游区域的样品活性粒种供应不
足估算的蚀刻率随蚀刻面到RF电极的距离的关系表明，多晶硅薄膜的蚀刻率明显大于
光致抗蚀荆或SiN薄膜的蚀刻率，并且所有样品的蚀刻率都随高RF电极距离的增大而减
小.另一方面,si和SiN薄膜没有显示出任何较大的蚀刻.在光致抗蚀剂情况下，蚀刻率很低(1OOnm/min以下).
根据上述实验结果，对大气压辉光放电等离子体蚀刻情况下的蚀刻机制结果如下：在
c/放电区域.产生F和O基多晶硅薄膜,SiN薄膜,si薄膜和光致抗蚀剂均实现了
火炬之光2属性加点极高速率的蚀刻.高速率蚀刻的原因是，电极面积很小，所以等离子体集中在较小面积上,
从而导致高密度基的产生.而且，通过提高温度反应加速，这对增大蚀刻率有作用.大气压
放电等离子体与低压放电等离子体的比较显示，将加到cF时，在特定的流量比下蚀刻
率变为最大，并且对于不同类型的薄膜，蚀刻率也不相同.这些现象类似于利用低压放电完
成浊列的情况下观洲到的现象，从而表明，两者的蚀刻机制是相同的然而，在大气压放电
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中，备向异性蚀刻几乎是不可能的.并且，在O加入到大气压放电的情况下.产生了HF.
从而导致类似于湿蚀刻的现象;sich薄膜的蚀刻率增大.而多晶硅和SiN薄膜的蚀

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