電子行業(yè)氣體--四氟化碳等含氟蝕刻氣體

電子行業(yè)氣體，包含含氟蝕刻氣體主要用于干法蝕刻，干法蝕刻有效克服了濕法蝕刻的致命缺陷，已成為亞微米尺寸下蝕刻器件的最主要方法，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體或LCD前段制程。含氟蝕刻劑品種主要包括四氟化碳、三氟甲烷、二氟乙烷、八氟環(huán)丁烷、C4F6 、C5F8等，具體用途與特點(diǎn)見表4.
  四氟化碳這種含氟有機(jī)化合物用于蝕刻二氧化硅和氮化硅這樣的介質(zhì)材料已經(jīng)有很多年了。在氧化膜的干法蝕刻中，含氟有機(jī)物是主要是蝕刻氣體，如八氟環(huán)丁烷在高電場(chǎng)下，離化成等離子體和自由季（Radical）,包含CF*,CF2*,CF3*等，然后自由基與二氧化硅反應(yīng)完成蝕刻，其反應(yīng)式為：CF*+SiO2-SiF4+CO/CO2.
  含氟有機(jī)物往往與其它無(wú)機(jī)氣體一起使用，如含氟有機(jī)物與Ar轟擊被蝕刻體的表面，可以加快蝕刻的速率。
  另外，在蝕刻過(guò)程中由于和光刻膠反應(yīng)會(huì)生成大量的反應(yīng)生成物，為（C-H）n聚合物，用O2可以幫助除去它們。
  反應(yīng)中，CF基因是最關(guān)鍵的因子，F(xiàn)是起主要蝕刻作用的，但它和氧化膜（SiO2）和氮化膜（Si3N4）反應(yīng)，速率相差不大，因此蝕刻速率選擇比低；而C的作用是生成（C-H）n聚合物等，優(yōu)點(diǎn)是有利于提高蝕刻選擇比，缺點(diǎn)是過(guò)多的聚合物會(huì)在蝕刻過(guò)程中堵塞孔，造成蝕刻中止（Etch stop）,最終導(dǎo)致開孔不良。所以，不同的蝕刻工藝要求使用不同F(xiàn)/C比值的蝕刻劑?？梢蕴砑虞o助氣體如CO來(lái)平衡C的比例，也可以改變蝕刻氣體，比如C/F比。
  通過(guò)提高等離子體中的氟/碳比，比如加入氧氣，二氧化硅的蝕刻速率就會(huì)增加。相反的，如果等離子體中的氟/碳比降低，比如加入氫氣或者CHF3、CH2F2，就可以降低二氧化硅的蝕刻速率。
  此外，當(dāng)氟/碳比低于一個(gè)臨界值時(shí)，等離子體蝕刻可能會(huì)停止，并轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锏某练e模式。
  二氧化硅等離子體干法蝕刻工藝中最常用的蝕刻氣體為氟碳化合物、氟化的碳?xì)浠衔铮ㄔ谔細(xì)浠衔镏杏幸粋€(gè)或幾個(gè)氫原子被氟原子替代），如CF4、CHF3、CH2F2等。其中所含的碳可以幫助去除氧化層中的氧（產(chǎn)生副產(chǎn)物CO及CO2）。CF4是微電子工業(yè)中用量最大的等離子蝕刻氣體，可以提供很高的蝕刻速率，但對(duì)多晶硅的選擇比很低。而且大氣壽命長(zhǎng)，GWP高，逐漸被其它氣體替代。六氟化硫、NF3也由于大氣壽命和GWP高，難逃被替代的命運(yùn)。
  CHF3、CH2F2除了作為主蝕刻劑外，還可用作其它主蝕刻劑的輔助氣，調(diào)節(jié)氟/碳比。
  全氟化物的電子氣體中，六氟乙烷使用量占50％左右。六氟乙烷（FC-116）因其無(wú)毒無(wú)臭、高穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，例如作為干蝕刻劑（Dry Etch）、化學(xué)氣相沉積（CVD,Chemical Vapor Deposition）后腔體的清洗劑。六氟乙烷作為干法蝕刻劑，可用于集成電路中的等離子蝕刻，在RF（射頻）下能解離出高活性的氟離子，主要用于反應(yīng)器內(nèi)表面硅、硅化合物的蝕刻。特別是隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，集成電路精度要求越來(lái)越高，常規(guī)的濕法腐蝕不能滿足0.18-0.25um的深亞微米集成電路高精度細(xì)線蝕刻的要求。而六氟乙烷作為干蝕刻劑具有邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微、高蝕刻率及高精確性的優(yōu)點(diǎn)，可以極好地滿足此類線寬較小的制程的要求。特別是當(dāng)接觸到孔徑為140nm或更小的元件時(shí)，原先的八氟環(huán)丁烷無(wú)法起到蝕刻作用，而六氟乙烷卻可以在小到110nm的元件上產(chǎn)生一條深凹槽。六氟乙烷也可作為清洗劑，主要用于半導(dǎo)體化學(xué)相沉積CVD腔體的清洗。在以傳統(tǒng)硅甲烷（SiH4）為基礎(chǔ)的各種CVD制程中，六氟乙烷作為清洗氣體與硅烷相比更具優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在排放低、氣體利用率高、清洗效率高和設(shè)備產(chǎn)出率高。
  一氟甲烷作為干法蝕刻劑，主要用于集成電路中等離子蝕刻，尤其是HDP（高密度等離子）蝕刻。
  六氟丁二烯（C4F6）和八氟環(huán)戊烯（C5F8）作為下一代蝕刻氣體，被認(rèn)為具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是C4F6。
  C4F6用作半導(dǎo)體級(jí)氟氣體的市場(chǎng)需求在全面增長(zhǎng)。它可取代CF4用于KrF激光銳利蝕刻半導(dǎo)體電容器圖形（Patterns）的干工藝。C4F6在0.13um技術(shù)層面有諸多蝕刻上的優(yōu)點(diǎn)。C4F6有比C4F8更高的對(duì)光阻和氮化硅選擇比，這是很重要的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)殡S著器件尺寸推進(jìn)到0.13um，孔的CD（關(guān)鍵尺寸）要比0.18um小30％左右，鍵膜層的選擇比要高，這樣才能擴(kuò)大蝕刻的窗口，提高蝕刻的穩(wěn)定性。蝕刻速率的提高可以減少蝕刻所用的時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率。蝕刻均勻度和CDbias(關(guān)鍵尺寸偏置)的提高會(huì)提高CD和器件穩(wěn)定可靠性，從而提高產(chǎn)品優(yōu)良率。
  另外，環(huán)境方面也是一個(gè)非常重要的因素。使用溫室效應(yīng)系數(shù)低、極有利于環(huán)保的氣體蝕刻設(shè)備及工藝技術(shù)估計(jì)將會(huì)迅速地相繼開發(fā)出來(lái)。C4F6的GWP值幾乎為0.比如，C4F6取代在氧化膜蝕刻工藝中使用的C4F8和C5F8，從而降低溫室氣體的排放。而且，半導(dǎo)體蝕刻專家提供蝕刻時(shí)PFC（Perfluorocompound）使用的數(shù)據(jù)指出，用C4F6來(lái)取代C4F8在氧化物之蝕刻上有相當(dāng)?shù)男阅芮铱蓽p少65％-82％PFC的排放，有關(guān)專家指出，到目前為止，C4F6可能是唯一能提供所需蝕刻條件及減少排放的替代物。