Paul Werbaneth and John Almerico,Tegal Corp., Petaluma, California

從電漿蝕刻製程的詳細機制中，證明其尚具有改善淺溝渠隔離蝕刻截面輪廓角度的能力。製程中應用了兩種氣體的化學蝕刻，而控制蝕刻生成物的再次沈積於已蝕刻圖案側壁上，則是本製程的關鍵部分。

在0.18微米的元件製程中，淺溝渠隔離製程已取代了區域氧化隔離的製程。矽蝕刻、介電層形成與化學機械平坦化等主要製程步驟之間的相關因素，決定了隔離結構在淺溝渠隔離製程模組中的實際表現。
對淺溝渠隔離電漿蝕刻而言，蝕刻深度的均一性與已蝕刻矽溝渠的側壁截面輪廓分佈特性，都是必須加以最佳化的重要反應。精確控制溝渠截面輪廓的必要性，甚至已經超越了縮小圖案大小的重要性。但根據以往的觀察顯示，淺溝渠隔離蝕刻製程在窄、寬圖案之間，會有相當大的蝕刻截面輪廓變動(微型負載，microloading)[1]。根據很多報告指出，對使用多種活性化學反應特性組合，以及把光阻或是氮化矽當作光罩材料的蝕刻結構之各種電漿蝕刻反應器中，一直以來都有這種截面輪廓微型負載的現象。一般而言，對使用全面聚合蝕刻化學作用(globally polymerizing etch chemistry)，例如Cl2-HBr-O2族，與把氯當作活化反應成分的區域聚合蝕刻化學作用的電漿蝕刻系統之間，其間的淺溝渠隔離結構截面輪廓的微型負載結果似乎有很大的差異。
觀察已蝕刻溝渠內的區域環境，可以解釋蝕刻截面輪廓的微型負載的現象。電漿離子激烈的轟擊與矽表面所吸收的反應物所產生的交互作用，是所謂的作用機制，使其在氯-氬氣氛化學作用下，得以控制淺溝渠隔離截面輪廓的角度，同時還能把蝕刻截面輪廓的微型負載限制在最小的程度之中。利用雙射頻的高密度電漿源，可以取得這種對區域蝕刻狀況的控制，其中所使用之低頻率射頻偏壓的晶圓上離子轟擊，與主要電漿狀況並無相關連。

#P#氯氣氛電漿中的矽蝕刻
處在氯氣氛電漿中的矽表面容易發生離子轟擊，在這種環境下的矽蝕刻，主要由三種活動來決定：濺擊蝕刻、熱或「自發性」(spontaneous)蝕刻、與離子加強式(ion-enhanced)蝕刻 [2]。基本上，形成淺溝渠隔離等的電漿矽蝕刻應用所使用的溫度並不高(攝氏20-80度)，因此由氯原子所進行的自發性矽蝕刻速率通常都可以加以忽略 [3]。離子輔助式或離子加強式蝕刻是主要的機制，利用這個機制，在任何電漿反應器內進入矽表面反應的蝕刻前段時間，這些反應器必需要供應充足的鹵素反應物。矽的物理濺擊可視為由相當高的離子能量所移除的矽量，在此同時也要很小心地避免高能量離子強烈轟擊元件的表面，而導致損害現象的發生。
在氯-氬氣氛電漿中進行矽蝕刻時，所釋放出的揮發性生成物，大概是矽與反應性鹵素原子的組合，加上來自基板上被吸收的氯與矽混合層上濺擊出的矽原子。氯化矽蝕刻生成物SiClx，會以好幾種可能的形式分佈，例如SiCl、SiCl2,、SiCl3及SiCl4，而SiCl4是完全飽和的生成物分子。
確切的結果是好幾種因素一起作用達成的。首先，就本文所談的系統(氯-氬氣氛電漿矽蝕刻)而言，蝕刻生成物的分佈，是進入蝕刻表面的離子轟擊能量與中性介子/離子通量比例之間的作用結果。離子轟擊能量減少時，四氯化矽的生成物產量將較二氯化矽來得多 [4]；而當離子轟擊能量大幅增加時，矽表面所釋放出的蝕刻生成物會從二氯化矽轉變成氯化矽，甚至是矽 [5]。(三氯化矽似乎比較少見。)
矽表面的中性介子/離子通量比例的影響與離子碰撞類似。中性介子/離子通量比例很低時，有利於以濺擊來移除蝕刻表面的矽。相反地，如果中性介子/離子通量比例增高時，則有利於氯化矽、二氯化矽與四氯化矽等蝕刻生成物的產生[6]。多種蝕刻生成物的精確混合物，對淺溝渠隔離蝕刻截面輪廓的變化有很大的影響。蝕刻生成物沿著逐漸形成的圖案側壁的再次沈積，會使溝渠在轉變成矽時，形成較斜的側面 [7]。請參考圖一所示的區域環境。

#F#圖一:淺溝渠隔離圖案區域蝕刻環境

蝕刻生成物隨著矽蝕刻前段時間而生成，並在離子轟擊的影響下自表面釋放出時，隨著SiClx生成物分子(或是已被濺擊矽)「黏滯性」的差異，可能造成已蝕刻圖案的內壁會有再次沈積的現象發生。黏滯性會以黏滯係數SP來表示，範圍可以從0(沒有黏滯性)到1(保證留於原地)。在一般商用電漿蝕刻反應器內，其反應時的晶圓溫度為攝氏20~80度之間，一個已被濺擊的矽原子黏滯係數將近是1。氯化矽與二氯化矽的黏滯係數範圍大約是在0.1到0.3之間 [8,9]，而四氯化矽的黏滯係數，據估計大約是小於等於0.002 [9]。

#P#淺溝渠隔離蝕刻截面輪廓的控制
對淺溝渠隔離蝕刻模組使用者而言，控制淺溝渠隔離蝕刻的截面輪廓是最重要的製程能力。蝕刻溝渠最理想的截面輪廓是正向角度(a positive taper)，範圍可以從目標值75度到89度之間。傳統的控制溝渠蝕刻截面輪廓的方式一直是採用氯、溴化氫(HBr)與氧的組合，一般都認為這三種是用於矽蝕刻時，可以製造高分子沈積的氣體 [10]。這些源自全面氣相的沈積，可以用來使淺溝渠隔離蝕刻截面輪廓獲得較斜的平面，雖然這種方法可能會有缺點，也就是沈積的材料會覆蓋在電漿反應器內任何的表面，進而引發製程穩定性與反應室內微塵產生量的問題。
控制淺溝渠隔離蝕刻截面輪廓的第二個方法，是利用了矽蝕刻生成物沈積的本性。如果小心控制區域環境內的蝕刻狀況，那麼在溝渠蝕刻的過程中所產生的「黏滯」蝕刻生成物，就會再次沈積在溝渠的側壁上。再次沈積量的多寡將決定側壁傾斜的角度。在此，使用雙頻高密度的電漿反應器來發展氯-氬混合氣體的淺溝渠隔離蝕刻製程。圖二為高密度反射電子(HRe-)(reflected electron)製程反應室的示意圖。

#F#圖二:反射電子(HRe-)雙頻反應器

圖二所示的這種反應器最大的特色，在於使用低頻的射頻作為晶圓的偏壓。根據觀察顯示，電漿蝕刻系統中晶圓電極的低頻偏壓(600kHz vs. 1MHz)，對於氯氣氛電漿中的矽蝕刻速率有舉足輕重的影響力。在射頻電場的一個循環內，控制穿過電漿鞘的離子加速度(相對於控制伴隨較高射頻偏壓所產生的平均時間加速反應)的反應機制足以說明這個現象[11]。
在反射電子(HRe-)反應器中，對使用氯-氬氣氛作化學反應的淺矽溝渠蝕刻進行初步的可行性測試。在這個測試中，先前定義的氮化矽硬式罩幕(hard mask)，被當作是已蝕刻溝渠圖案的樣本。晶圓偏壓取其中心值，從較低的45瓦改變成較高的75瓦。蝕刻後及蝕刻後以氫氟酸清洗圖案橫斷面的掃瞄式電子顯微影像，可以用來決定溝渠蝕刻的截面輪廓與蝕刻深度，而矽蝕刻速率則是據此計算得來的。圖三所顯示的是矽截面輪廓角度與矽蝕刻速率對所使用的射頻偏壓之曲線圖。
在圖三最值得注意的就是在這個單一變數的實驗中，截面輪廓角度與矽蝕刻速率對晶圓偏壓改變的強烈反應。為了製造以氬氣流量與晶圓偏壓(千赫茲)大小為兩個變因的篩選實驗，因此使用了實驗設計法(DOE)，結果顯示溝渠截面輪廓角度也有同樣的趨勢(圖四)。當晶圓偏壓所使用的千赫茲電力從10瓦增加到100瓦時，矽截面輪廓角度亦從89度減至81度。

#F#圖三:矽截面輪廓角度與蝕刻速率VS.晶圓偏壓
#F#圖四:矽截面輪廓角度VS.氬氣流量與晶圓偏壓

第二種雙重變因實驗設計法是以晶圓偏壓與壓力為變異，結果顯示矽蝕刻速率隨著晶圓偏壓的增加而大幅增加。所有的結果都顯示在圖五中。我們對於這些觀察所得之結果的解釋，是根據我們對上述矽蝕刻機制的觀察瞭解而得的。我們的理由如下：
(1)一般而言，當原極電力、氯的流量以及壓力維持不變時，如同單一變因實驗的狀況一樣，據推測應該會有固定量的電漿反應成分出現。
(2)要從晶圓的水平表面移除SiClx蝕刻生成物，可藉由穿過電漿鞘的加速離子垂直轟擊的運動來達成。
(3)增加離子轟擊(增加偏壓)，可以加速矽表面SiClx的形成與沈積。在增加偏壓及給予過量反應物的這些實驗中，明顯的影響了矽蝕刻速率的淨增加量。
(4)因為SiClx具有黏性，所以不飽和的SiClx蝕刻生成物容易在附近的表面再次沈積。在氯氣氛電漿中離子驅動矽蝕刻對角度有強烈依賴性，其顯示當表面角度在75度到89度之間時，幾乎不會有蝕刻的情況發生上，也就是說較垂直的蝕刻截面輪廓可以向下深入矽圖案。

#F#圖五:矽蝕刻速度VS.晶圓偏壓與壓力

因此，在反應物流量不變的情況下，我們所觀察到的離子驅動矽蝕刻速率的增加，則有利於具黏滯性的二氯化矽或氯化矽的生成(若不是離子能量相關，就是中性/離子通量比例相關)。這個生成的動作會增加蝕刻生成物再次沈積於溝渠側壁的現象，進而造成溝渠截面輪廓角度的減少。
要使用蝕刻生成物區域的再次沈積，作為溝渠截面輪廓控制的實際好處，在於最後所觀察到的截面輪廓的微型負載程度達最小化。在使用雙頻反應器，且以氮化矽為硬式罩幕的蝕刻反應中，無論大、小圖案的溝渠截面輪廓角度皆可達80度(HRe-80)或89度(HRe-89)的目標截面輪廓角度。這樣的結果與已發表的使用氯-溴化氫-氮-氦-氧(Cl2-HBr-N2-He-O2)為化學反應物之加強式磁性電漿蝕刻機台的淺溝渠隔離蝕刻結果是相類似的(圖六)[1] 。

#F#圖六:強化式磁性反應離子蝕刻的蝕刻截面輪廓的微型負載結果，以及兩種高密度反射電子蝕刻製程。

#P#結論
利用簡單的兩種蝕刻氣體的化學反應，可以說明如何有效地控制淺溝渠隔離蝕刻的矽截面輪廓角度。用來解釋在雙頻反應器中截面輪廓控制的機制，與不飽和二氯化矽以及氯化矽蝕刻生成物的生成有關，因為這些生成物具有黏滯性，所以容易沿著已蝕刻圖案內的側壁進行再次沈積。本實驗中所使用的晶圓偏壓是低頻率的射頻。在一個射頻的循環內，離子從電漿加速到晶圓的能力，是這項溝渠截面輪廓角度控制製程的關鍵特色。把蝕刻截面輪廓微型負載的結果，與其他製程比較之後，就會發現把蝕刻生成物區域再次沈積，當作是改變溝渠角度的方法有其好處。以氯-氬氣氛進行化學反應所觀察到的截面輪廓微型負載，比使用其他氣體的反應物要少得多。減少截面輪廓微型