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摘要
? ? ? 硅可以在多種含氟等離子體和含氯等離子體中進(jìn)行蝕刻。本文討論了在商業(yè)工藝設(shè)備中發(fā)揮的作用以及更復(fù)雜的相互作用和副作用的一些基本的化學(xué)和物理現(xiàn)象。
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介紹
? ? ? 通過將這種材料的表面暴露在含氟和含氟等離子體中形成的物質(zhì)上，電路模式被轉(zhuǎn)移到硅上。與這些過程相關(guān)的物理和化學(xué)已經(jīng)被研究多年，并以廣泛的形式被理解。下面將討論游離鹵素和含鹵素物質(zhì)與硅的基本相互作用，反過來它們又與用于半導(dǎo)體生產(chǎn)線的復(fù)雜現(xiàn)象和化學(xué)饋電聯(lián)系起來。
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條件和機(jī)制
? ? ??通過高能離子增強(qiáng)機(jī)制對物質(zhì)的蝕刻速率將跟蹤這些變化，例如在C12等離子體中未摻雜的多晶硅。導(dǎo)致等離子體蝕刻的過程可以用另一種方式來看待。一個相當(dāng)一般的逐步描述、蝕刻劑的形成、蝕刻劑在基質(zhì)上的吸附、化學(xué)或離子輔助反應(yīng)和產(chǎn)品解吸。洗漬必須首先在等離子體中形成，然后吸附在底物上。接下來，蝕刻劑與基質(zhì)結(jié)合，以兩種方式之一形成揮發(fā)性產(chǎn)物。如果自發(fā)化學(xué)反應(yīng)快，如高摻雜硅與原子氯反應(yīng)，過程可能占主導(dǎo)地位。然而，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)緩慢時，如在未摻雜硅與c1的反應(yīng)中，可能需要離子轟擊來驅(qū)動反應(yīng)反應(yīng)高能離子輔助機(jī)制。最后，在這些反應(yīng)中形成的產(chǎn)物必須被解吸附。原則上，這些過程中的任何一個都可能是控制整體蝕刻速率的步驟。事實(shí)上，可以選擇工藝條件來有意地選擇限速步驟。
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基本機(jī)制和“真實(shí)過程”
? ? ? 表3列出了一些效應(yīng)，以及每種效應(yīng)及其對蝕刻速率、側(cè)壁鈍化（抑制劑各向異性蝕刻）和輪廓的影響。
? ? ? 表面加熱是一個重要的物理副作用，大多數(shù)蝕刻速率隨著溫度的升高而增加，但溫度降低了選擇性。晶圓溫度的升高可能源于許多因素，包括離子轟擊沉積的能量，或晶圓表面附近的局部等離子體功率轉(zhuǎn)移污染是另一個副作用，它非常值得關(guān)注。污染有多種形式。雖然使用“超精益”高真空系統(tǒng)硬件可能排除環(huán)境污染物，但在晶片上的蝕刻反應(yīng)產(chǎn)物或材料在等離子體中通過化學(xué)和物理過程運(yùn)輸時可能是有害的。污染物的來源和敏感性的程度往往令人驚訝。例如，最近有研究表明，微小的銅，甚至單層覆蓋，可以加速分子氟或氯加速硅蝕刻。由于銅是鋁金屬化中常見的成分，這種導(dǎo)體的濺射會影響硅蝕刻速率。
? ? ? 研究表明，大多數(shù)硅作為產(chǎn)物四氟化硅，而sif2僅占新生產(chǎn)物的5%到30%。Si和Si02的氟原子蝕刻速率由阿倫尼烏斯表達(dá)式進(jìn)行蝕刻，這些參數(shù)對應(yīng)于Si在so2上的f原子蝕刻的室溫選擇性約為40：l。注意，重要的是表面溫度：如果等離子體加熱硅表面，選擇性都會下降。溫度是一個重要的過程變量。
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用類似物和模擬器進(jìn)行蝕刻
? ? ? 圖10還顯示了晶體學(xué)對光到中等摻雜硅的蝕刻的顯著影響。早在知道速率之前，研究人員就發(fā)現(xiàn)輕摻雜摻雜硅的特征通過氯蝕刻是強(qiáng)烈的。有報道稱，在中等n摻雜的材料中，（100)和(111）平面之間的刻蝕率比，而在重?fù)诫s硅的蝕刻中沒有觀察到方向性。與未摻雜的cl源等離子體中，nt硅未摻雜或p型硅的高蝕刻率與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)?；罨膎型載流子提高了傳導(dǎo)帶和價帶的費(fèi)米能級，使電子更容易從硅表面轉(zhuǎn)移到化學(xué)床C1。在未摻雜的c111>硅上，硅原子之間的距離很近，原則上，單層共價鍵的c1原子將完全阻止更多的氯到達(dá)硅。因?yàn)橛幸粋€空間障礙化學(xué)吸附和氯穿透晶格時，反應(yīng)速率很低。n型摻雜有助于電子轉(zhuǎn)移到被吸收的氯上，從而刺激形成更離子的表面鍵。鍵合幾何形狀的變化打開了額外的化學(xué)吸附位點(diǎn)，并使C1更容易滲透到襯底晶格中。其基本思想如圖所示。 “真實(shí)的”表面是階梯狀的，高度不規(guī)則，有許多缺陷。同樣值得懷疑的是，被吸附的氯是否真正形成了一個均勻的單層。然而，在圖中。11代表了一個簡化的概念，它可以預(yù)測觀察到的趨勢。
? ? ? 由于空間位阻將最緊密地阻礙<111>表面的化學(xué)吸附，該取向的未摻雜材料的蝕刻速率最低，摻雜效應(yīng)最強(qiáng)。這與數(shù)據(jù)是一致的。在動力學(xué)理論中，反應(yīng)速率的指數(shù)前部分，與活性位點(diǎn)的數(shù)量成正比。根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移模型，吸附位點(diǎn)數(shù)量的增加是摻雜的主要效應(yīng)。因此，如果相同的反應(yīng)通道在所有摻雜水平上都決定速率，活化能應(yīng)該幾乎是恒定的。
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圖10 n型摻雜劑濃度和晶體取向?qū)?00°K下硅C1原子蝕刻反應(yīng)的影響?？v軸給出了每環(huán)自由c1原子的蝕刻速率
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圖中?11.摻雜效應(yīng)的簡化機(jī)理
結(jié)論
? ? ? ?氟和氯基等離子體蝕刻氣體與硅襯底發(fā)生反應(yīng)有一系列的機(jī)制。雖然在等離子體中形成的原子鹵素吸附在硅表面并反應(yīng)形成揮發(fā)性鹵化物是很常見的，但這些反應(yīng)的細(xì)節(jié)是復(fù)雜的。在生產(chǎn)化學(xué)中，更復(fù)雜的前體物種發(fā)揮作用，副作用調(diào)節(jié)固體硅向氣態(tài)鹵化物的轉(zhuǎn)化。根據(jù)新的發(fā)展，回顧和討論了化學(xué)氟蝕刻的動力學(xué)和速率常數(shù)。用氯化學(xué)蝕刻硅，由于巨大的晶體學(xué)和摻雜作用而復(fù)雜化。最近的動力學(xué)數(shù)據(jù)表明，n型摻雜增加了C1-Si和C12-Si反應(yīng)的阿倫尼烏斯表達(dá)式的指數(shù)前部分，但活化能不受摻雜的影響。這種摻雜效應(yīng)已經(jīng)從非常低的摻雜水平，~1015cm-3，到接近飽和~1021被測量，并被解釋為促進(jìn)氯化學(xué)吸附的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。
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