氮化硅（Si3N4）是一种物理、化学性能都非常优秀的半导体材料‚在微机械加工工艺中常被用作绝缘层、表面钝化层、最后保护膜和结构功能层。氮化硅薄膜刻蚀工艺是芯片制造业中的关键工艺之一。刻蚀过程是经过显影制程后,在基片的表面刻画出IC电路图案的晶圆,用化学腐蚀或物理撞击的方式,及两种方式的结合去除不需要的部分材质,留下所需的IC电路结构。换种方式说,在制作电路的过程中,必须将光刻胶图形转移到器件的薄膜层上,转移图形时选择性地清除薄膜层上暴露部分的图形过程称为刻蚀。刻蚀工艺一般有干法刻蚀和湿法刻蚀两种方法,反应离子刻蚀是目前干法刻蚀技术中最先进的技术,因为它同时具有化学和物理刻蚀方法的优点。反应离子刻蚀是利用荷能的活性粒子轰击表面,这样在动量的作用下,一部分分子被轰击出去,另一方面也伴随着化学反应。反应离子刻蚀是干法刻蚀技术,与离子束刻蚀相比具有反应面积大、针对性好、操作方便以及快速节能等诸多优点,因此更受欢迎。

反应离子刻蚀氮化硅薄膜原理

图1 反应离子刻蚀设备简图

图1是RIE设备的结构示意图。阳极和反应腔接地,阴极作为功率电极,射频功率源的频率是13.56MHz。刻蚀过程是将硅片放在功率电极上,反应室内的气体受到高频电场的作用发生辉光放电,产生等离子体。等离子体中含有的电子、离子及游离基等与表面的原子发生一系列的化学反应,形成挥发性物质,达到刻蚀的作用。同时,高能量的离子在固定的工作压力作用下,频繁射向样品的表面,进行物理轰击及刻蚀,使反应离子刻蚀具备很好的各向异性。

能刻蚀氮化硅的气体很多‚通常能产生氟、氯活性基的气体均可以刻蚀氮化硅‚如CHF₃、CF₄、SF₆、NF₃等。氟碳化合物是刻蚀氮化硅的常用气体‚如采用CHF₃、CF₄作为刻蚀气体‚刻蚀氮化硅的主要过程为：

CHF₃→CHF₂*，CF₃*，F*，‚H*

CF₄→CF₃*＋CF₂*＋CF*＋F*

F*＋H*→HF↑

Si＋F*→SiF₄↑

Si₃N₄＋F*→SiF₄↑＋N₂↑

式中有上标星号的CF₃∗‚CF₂∗‚CF∗‚F∗表示具有强化学反应活性的活性基。反应生成的SiF₄↑、HF↑、N₂↑等挥发性气体被真空系统抽离反应腔体‚完成对氮化硅的刻蚀。可见刻蚀氮化硅主要是氟原子活性基的作用。反应气体中氟活性原子的比例大则有利于刻蚀的进行。