氮化硅的刻蚀及其它应用

【摘要】氮化硅介质作为集成电路或半导体功率器件的介质层，具有掩蔽杂质沾污的作用，通过一系列试验研究，找到了氮化硅的干法、湿法刻蚀工艺，对半导体器件的性能有很好的提高，并且通过试验，还发现氮化硅具有透明耐摩擦的特性，可用于制作掩膜版的保护膜。

【关键词】Si3N4（氮化硅）；刻蚀；保护膜

引言

氮化硅（silicon nitride）薄膜是无定形的绝缘材料，具有以下特性：

（1）对扩散来说，它具有非常强的掩蔽能力，尤其是钠和水汽在氮化硅中的扩散速度非常慢；

（2）通过PECVD可以制备出具有较低压应力的氮化硅薄膜；

（3）可以对底层金属实现保形覆盖；

（4）薄膜中的针孔很少。

作为选择氧化的掩蔽层时，可以把氮化硅直接淀积到硅衬底的表面上，有时考虑到氮化硅与硅直接接触产生应力，形成界面态，往往在硅表面上先淀积一层二氧化硅作为缓冲层，然后再淀积一层作为掩蔽层的氮化硅。因氮化硅氧化速度非常慢，只要氮化硅具有一定的厚度，它将保护下面的硅不被氧化。

目前我们就是采用在Si3N4下面再做一层SiO2的方法，使Si3N4起掩蔽的作用，通过一些试验研究出它的干法、湿法刻蚀工艺条件，还发现了它在光刻版上的应用。

1、Si3N4薄膜的制备

1.1Si3N4薄膜制备原理

氮化硅可替代氧化硅使用，特别是对顶部保护层，在铝金属层上淀积时，其温度要足够低。PECVD的出现开始了不同化学源的使用，其中之一是硅烷与氨气或氮气在氩气等离子体状态下反应。 3SiH4+4NH3Si3N4+12H2

然而，PECVD制作的氮化硅往往是非化学配比的，含有相当数量的氢原子（10%～30%），因此有时候化学表示式写为SixNyHz。由SiH4-N2制备的薄膜含有较少的氢和较多的氮。

PECVD氮化硅的淀积反应式如下：

1.2制备Si3N4薄膜

利用等离子增强型化学气相淀积，在较低温度生长Si3N4薄膜，选用的设备为PECVD（等离子化学气相淀积）

根据以上工艺条件在9000?氧化层上淀积Si3N4薄膜

2、Si3N4薄膜的刻蚀

刻蚀是利用化学或物理方式对氧化硅膜、氮化硅膜和金属膜等进行刻蚀加工的工艺。刻蚀湿法腐蚀和干法刻蚀两种方法。湿法刻蚀是利用溶液中发生化学反应来进行腐蚀的方法。以光刻胶作为掩蔽，湿法刻蚀在纵、横两方向将以同样比例进行腐蚀，称此为各向同性腐蚀。干法刻蚀有等离子刻蚀的各向同性方法，但是，反应离子刻蚀（RIE）、溅射刻蚀由于在纵向是选择性刻蚀，故称为各向异性刻蚀。

Si3N4等离子刻蚀的气体通常有CF4、SF6、SiCl4、NF3等

2.1 Si3N4薄膜的干法刻蚀

2.1.1干法刻蚀原理

干法刻蚀（dry etching）是指以气体为主要媒体的刻蚀技术，晶圆不需要液体化学品或冲洗。晶圆在干燥的状态进出系统。有三种干法刻蚀技术：等离子体、离子束打磨（刻蚀）和反应离子刻蚀（RIE）。

置入等离子场中的分子因等离子能量的激励，生成了活性的游离基分子、原子，这些活性游离基分子、原子引起化学反应，形成挥发性产物，而使被蚀物剥离去掉。游离基种类不受电场影响而处于向四面八方的热运动之中，故成为各项同性。

2.1.2PECVD做Si3N4干法刻蚀

a）使用设备：AME8110刻蚀机干法刻蚀Si3N4 薄膜

b）使用气体：SF6、N2和O2

c）通过一系列的试验，得出干法刻蚀工艺条件如下：

d）由于采用氮化硅-二氧化硅-硅结构（如图2），在氮化硅被刻蚀后下面有SiO2保护硅表面，所以，可以不考虑刻蚀的损伤，刻蚀后明显看出表面颜色变化

e）再将残留的氧化物用HF：NH4F（溶液）=1：5 T=37±1℃腐蚀约5min后即可看见硅色。

2.2 Si3N4薄膜的湿法刻蚀

2.2.1湿法刻蚀原理

氮化硅是一种具有很高的化学稳定性的绝缘材料，它比二氧化硅更加耐酸，除HF和热磷酸能缓慢地腐蚀它外，其他的酸几乎不与它反应.

2.2.2 PECVD做Si3N4湿法刻蚀

a）使用设备：清洗机

b）腐蚀试验条件：

1）高温腐蚀液：HF：NH4F（溶液）=1：5 T=37±1℃ t =1min～2min

2）低温腐蚀液：[HF：NH4F（溶液）]：HAC=2：1，其中HF：NH4F（溶液）=1：5，温度为室温， t =3min～3min30Sec

3）低温腐蚀液：HF：NH4F（溶液）=1：5 T=27±1℃ t=1min～2min

c）腐蚀结果分析：

腐蚀后通过在显微镜下观察，用低温腐蚀液腐蚀存在以下两方面问题：

①Si3N4腐蚀后有杆状缺陷 ②Si3N4腐蚀后有轻微侵蚀现象.

用高温腐蚀液腐蚀后以上问题并没有出现，腐蚀后结果正常。

d）由于要将下面的SiO2进行腐蚀，并避免长时间腐蚀的过腐蚀问题。还是采用干法刻蚀的方法，再将残留的氧化物用高温HF溶液腐蚀约5min后即可看见硅色。

3、Si3N4薄膜的其它应用

3.1 Si3N4薄膜在光刻掩膜版上的应用原理

随着光刻机的发展大大延长了掩膜版的使用寿命，也促进了高质量的掩膜版的发展，在生产线上，掩膜版使用了很长时间以后，可能会有灰尘和划痕，从而造成晶圆的良品率降低。解决这一问题的一个办法是掩膜版薄膜，薄膜加在掩膜版上后，环境中的微粒就会附着在薄膜表面。薄膜与掩膜版之间的距离保证了微粒不会在掩膜版的焦平面上。

使用薄膜的另一个好处是由于掩膜版表面被薄膜覆盖，一定程度上防止了掩膜版划痕。

在制作Si3N4的过程中，由于发现它具有非常强的掩蔽能力，薄膜中的针孔很少，所以试验将Si3N4薄膜淀积在我们使用的光刻掩膜版上，以减少光刻版的损伤。

3.2 Si3N4薄膜淀积在光刻掩膜版上

在光刻版上做Si3N4，我们选择试验条件如下

a）准备表面干净的掩膜版

b）试验设备：PECVD

c） Si3N4厚度选择400?、500?、200～300?、150～200?

制作完Si3N4的掩膜版，从显微镜下观察，光刻版上图形正常，不影响曝光；

通过曝光试验后，在显微镜下检查曝光片曝光质量，发现线条整齐，检查正常；

通过一定时间的运行，观察光刻版表面的情况，进行综合考虑后，推荐使用Si3N4厚度在300?的光刻版，可以减小生产磨损，生产情况良好。

当然，目前采用的掩膜版薄膜是用硝化纤维或醋酸纤维制成的。薄膜非常薄，各个工艺生产厂商，可以根据自己的需要制作，适合自己要求的薄膜。

4、结语

Si3N4薄膜的制备、刻蚀工艺研究是硅集成电路技术产业化研究的一部分，也是薄膜技术工艺发展的关键。

本文以Si3N4薄膜的制备为线索，介绍了Si3N4薄膜的干法、湿法刻蚀的原理，并通过试验形成最终的工艺，并通过对光刻掩膜版的分析，将Si3N4薄膜运用在光刻掩膜版上，为我国薄膜工艺技术的发展打下了坚实的基础。

根据本工艺研究过程，本文认为现有工艺虽能够满足氮化硅-二氧化硅-硅结构要求，但在工艺运行过程中发现干法刻蚀后光刻胶难去除，湿法刻蚀后有时会有侧向腐蚀的问题，对此在以后的工作中还需要对以上两方面的问题进行研究，以推动我国半导体行业的进步。若本文有不妥之处，希望各位老师能给予批评指导。

参考文献

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作者简介

张晓情（1980―），女，陕西户县人，工程师，主要从事功率器件、集成电路光刻工艺技术的研究。