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摘要
硅可以在多种含氟等离子体和含氯等离子体中进行蚀刻。本文讨论了在商业工艺设备中发挥的作用以及更复杂的相互作用和副作用的一些基本的化学和物理现象。
介绍
通过将这种材料的表面暴露在含氟和含氟等离子体中形成的物质上，电路模式被转移到硅上。与这些过程相关的物理和化学已经被研究多年，并以广泛的形式被理解。下面将讨论游离卤素和含卤素物质与硅的基本相互作用，反过来它们又与用于半导体生产线的复杂现象和化学馈电联系起来。
条件和机制
通过高能离子增强机制对物质的蚀刻速率将跟踪这些变化，例如在C12等离子体中未掺杂的多晶硅。导致等离子体蚀刻的过程可以用另一种方式来看待。一个相当一般的逐步描述、蚀刻剂的形成、蚀刻剂在基质上的吸附、化学或离子辅助反应和产品解吸。洗渍必须首先在等离子体中形成，然后吸附在底物上。接下来，蚀刻剂与基质结合，以两种方式之一形成挥发性产物。如果自发化学反应快，如高掺杂硅与原子氯反应，过程可能占主导地位。然而，当化学反应缓慢时，如在未掺杂硅与c1的反应中，可能需要离子轰击来驱动反应反应高能离子辅助机制。最后，在这些反应中形成的产物必须被解吸附。原则上，这些过程中的任何一个都可能是控制整体蚀刻速率的步骤。事实上，可以选择工艺条件来有意地选择限速步骤。
基本机制和“真实过程”
表3列出了一些效应，以及每种效应及其对蚀刻速率、侧壁钝化（抑制剂各向异性蚀刻）和轮廓的影响。
表面加热是一个重要的物理副作用，大多数蚀刻速率随着温度的升高而增加，但温度降低了选择性。晶圆温度的升高可能源于许多因素，包括离子轰击沉积的能量，或晶圆表面附近的局部等离子体功率转移污染是另一个副作用，它非常值得关注。污染有多种形式。虽然使用“超精益”高真空系统硬件可能排除环境污染物，但在晶片上的蚀刻反应产物或材料在等离子体中通过化学和物理过程运输时可能是有害的。污染物的来源和敏感性的程度往往令人惊讶。例如，最近有研究表明，微小的铜，甚至单层覆盖，可以加速分子氟或氯加速硅蚀刻。由于铜是铝金属化中常见的成分，这种导体的溅射会影响硅蚀刻速率。
研究表明，大多数硅作为产物四氟化硅，而sif2仅占新生产物的5%到30%。Si和Si02的氟原子蚀刻速率由阿伦尼乌斯表达式进行蚀刻，这些参数对应于Si在so2上的f原子蚀刻的室温选择性约为40：l。注意，重要的是表面温度：如果等离子体加热硅表面，选择性都会下降。温度是一个重要的过程变量。
用类似物和模拟器进行蚀刻
图10还显示了晶体学对光到中等掺杂硅的蚀刻的显著影响。早在知道速率之前，研究人员就发现轻掺杂掺杂硅的特征通过氯蚀刻是强烈的。有报道称，在中等n掺杂的材料中，（100)和(111）平面之间的刻蚀率比，而在重掺杂硅的蚀刻中没有观察到方向性。与未掺杂的cl源等离子体中，nt硅未掺杂或p型硅的高蚀刻率与电荷转移有关。活化的n型载流子提高了传导带和价带的费米能级，使电子更容易从硅表面转移到化学床C1。在未掺杂的c111>硅上，硅原子之间的距离很近，原则上，单层共价键的c1原子将完全阻止更多的氯到达硅。因为有一个空间障碍化学吸附和氯穿透晶格时，反应速率很低。n型掺杂有助于电子转移到被吸收的氯上，从而刺激形成更离子的表面键。键合几何形状的变化打开了额外的化学吸附位点，并使C1更容易渗透到衬底晶格中。其基本思想如图所示。 “真实的”表面是阶梯状的，高度不规则，有许多缺陷。同样值得怀疑的是，被吸附的氯是否真正形成了一个均匀的单层。然而，在图中。11代表了一个简化的概念，它可以预测观察到的趋势。
由于空间位阻将最紧密地阻碍<111>表面的化学吸附，该取向的未掺杂材料的蚀刻速率最低，掺杂效应最强。这与数据是一致的。在动力学理论中，反应速率的指数前部分，与活性位点的数量成正比。根据电荷转移模型，吸附位点数量的增加是掺杂的主要效应。因此，如果相同的反应通道在所有掺杂水平上都决定速率，活化能应该几乎是恒定的。
图10 n型掺杂剂浓度和晶体取向对400°K下硅C1原子蚀刻反应的影响。纵轴给出了每环自由c1原子的蚀刻速率
图中 11.掺杂效应的简化机理
结论
氟和氯基等离子体蚀刻气体与硅衬底发生反应有一系列的机制。虽然在等离子体中形成的原子卤素吸附在硅表面并反应形成挥发性卤化物是很常见的，但这些反应的细节是复杂的。在生产化学中，更复杂的前体物种发挥作用，副作用调节固体硅向气态卤化物的转化。根据新的发展，回顾和讨论了化学氟蚀刻的动力学和速率常数。用氯化学蚀刻硅，由于巨大的晶体学和掺杂作用而复杂化。最近的动力学数据表明，n型掺杂增加了C1-Si和C12-Si反应的阿伦尼乌斯表达式的指数前部分，但活化能不受掺杂的影响。这种掺杂效应已经从非常低的掺杂水平，~1015cm-3，到接近饱和~1021被测量，并被解释为促进氯化学吸附的电荷转移机制。
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