利用超臨界二氧化碳系統(tǒng)刻蝕SiO2的研究.pdf

1、刻蝕是集成電路制造工藝中極為重要的環(huán)節(jié)之一，它幾乎涉及到每道工序，刻蝕效果直接影響到整個半導(dǎo)體器件的性能和可靠性?？涛g技術(shù)主要包括濕法刻蝕和干法刻蝕兩大類。
　　 在微電子工業(yè)中，傳統(tǒng)的氫氟酸溶液濕法刻蝕二氧化硅(SiO2)廣泛應(yīng)用于集成電路制作工藝中。濕法刻蝕對犧牲層的去除往往會帶來結(jié)構(gòu)的坍塌，對深溝槽的刻蝕效果也不明顯，而且可能會破壞高縱橫比的結(jié)構(gòu)，這些對微電子器件制作的后續(xù)工藝都會產(chǎn)生極大的不利影響。氫氟酸的另外一個主要缺

2、點就是有毒且腐蝕性很強，從而導(dǎo)致刻蝕和清洗過程中的不安全性和對環(huán)境的污染。而干法刻蝕則有等離子體帶來的器件損傷、對下層材料的差的刻蝕選擇比和昂貴的設(shè)備等缺點。
　　 隨著集成電路特征尺寸的逐漸減小，器件結(jié)構(gòu)會要求更高的縱橫比。我們利用超臨界二氧化碳(scCO2)系統(tǒng)中的無水HF/pyridine干法刻蝕可以解決傳統(tǒng)刻蝕方法遇到的問題。超臨界二氧化碳具有一般溶劑所不具備的很多獨特的性質(zhì)，如密度、溶劑化能力、粘度、介電常數(shù)、擴散系數(shù)

3、等物理化學(xué)性質(zhì)可通過改變溫度和壓力進行調(diào)節(jié)。同時scCO2表面張力幾乎為零，很容易滲入到細孔和溝槽中，對不規(guī)則及高縱橫比的器件刻蝕能力較強，并且scCO2沒有腐蝕性，與硅材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會造成硅的損失。除此之外，scCO2還具有無毒、不易燃、來源廣、價格低、化學(xué)惰性等優(yōu)點，使用后只要減壓即會變回氣相，在細孔和溝槽中不會留下殘留物，且可以循環(huán)使用，對環(huán)境不造成污染，對產(chǎn)品的最終成型有重要的意義。
　　 本實驗中，我們在超臨界

4、二氧化碳系統(tǒng)中利用HF/pyridine刻蝕SiO2，研究HF濃度、溫度、壓力、刻蝕時間等參數(shù)對刻蝕速率的影響。對刻蝕之后的SiO2表面及Si-SiO2界面進行了形貌分析，并研究了殘渣成分，推斷了HF/pyridine/scCO2的刻蝕機理。
　　 本論文的研究工作與結(jié)果如下：
　　 1．改變HF濃度(0.5～5.0mM)、溫度(40～75℃)、壓力(10～25MPa)、刻蝕時間(3～25min)等參數(shù)，觀察它們對SiO

5、2刻蝕速率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著HF濃度的增大，刻蝕速率增大；當HF濃度達到2.5mM時，刻蝕速率維持在穩(wěn)定狀態(tài)。溫度、時間對刻蝕速率的影響比較大，而壓力對刻蝕速率的影響則很小。
　　 2．對利用HF/pyridine/scCO2刻蝕之后的SiO2表面分別進行了掃描電子顯微鏡與原子力顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)表面有刻蝕殘渣。用傅里葉變換紅外光譜儀分析殘渣的分子結(jié)構(gòu)，在2849cm-1和2917cm-1處觀察到了芳香族的C-H鍵，在610c

6、m-1處觀察到了C=C鍵，說明表面有吡啶存在；在673cm-1處觀察到了Si-F鍵，在1433cm-1和3327cm-1處沒有觀察到N-H鍵，說明反應(yīng)產(chǎn)物中不包括(PyrH+)2SiF6-2。所以我們確定刻蝕殘渣為(Pyr)2SiF4加合物。
　　 3．分析得出HF/pyridine/scCO2刻蝕SiO2的機理：HF/pyridine刻蝕劑以pyridine-H+.HF2-的形式存在，與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成(Pyr)2

7、SiF4加合物。
　　 4．利用不同HF濃度(0.5mM和1.0mM)對SiO2進行刻蝕，用傅里葉變換紅外光譜儀測量其表面，研究發(fā)現(xiàn)，HF濃度越高，刻蝕殘渣越多。然后對以上樣品用RCA工藝進行清洗，之后對樣品表面進行SEM和AFM分析，發(fā)現(xiàn)，HF濃度越大，SiO2表面粗糙度越大。
　　 5．刻蝕之后Si-SiO2界面的質(zhì)量是影響微電子器件制作后續(xù)工藝的關(guān)鍵因素。分別利用HF/pyridine/scCO2和氫氟酸把SiO2