什么是干法刻蚀的凹槽效应？凹槽效应的形成机理和抑制方法

前面的文章中讲到了SOI衬底，见之前文章：

什么是SOI衬底？

但是，在刻蚀SOI衬底时，通常会发生一种凹槽效应，导致刻蚀的形貌与预想的有很大出入。那么什么是凹槽效应？什么原因引起的？怎么抑制这种异常效应呢？

什么是凹槽效应？

凹槽效应，英文名称notching effect，又可以叫做缺口效应。指的是在多层结构的干法刻蚀过程中，会在某一层的边缘形成不希望出现的凹槽，影响整个芯片的性能。"Notching Effect" 并不是SOI衬底的专属，它是一个广泛存在于多层材料刻蚀过程中的现象。本文以SOI衬度刻蚀为例，来解释这一现象。

SOI衬底的中间有一层氧化硅，上下均为硅单晶。理论上，干法刻蚀过程在遇到氧化硅层时应当自动停止，即氧化硅作为一个刻蚀终止层。但是，实际过程中，在刻蚀到二氧化硅层后，刻蚀并没有完全停止。刻蚀在二氧化硅层的表面继续进行，形成横向的刻蚀，造成了凹槽效应。

凹槽效应的形成机理

由于氧化硅层本身的绝缘特性，离子电荷会在氧化硅上大量积聚。在氧化硅层表面积累的正电荷形成一个局部电场。这个电场会改变进入材料的离子轨迹，使其沿着硅氧化层的表面横向刻蚀，在多层材料的交界处，由于离子的横向刻蚀，形成一个不期望的缺口。

如何减弱凹槽效应？

上面我们已经了解到凹槽效应主要来源于绝缘层电荷的积累，那么我们抑制凹槽效应的一大思路便是及时导散掉积累的电荷，不让氧化硅表面有过多的电荷聚集。围绕着这个思路，我们可以从以下几个当面入手：

1，设计时做好考虑

在设计阶段就需要考虑到凹槽效应的可能性，预留出相应空间，避免高深宽比的结构，防止负载效应加深凹槽效应，负载效应见前文：

干法刻蚀的负载效应是什么？

2，优化工艺参数

通过改变刻蚀参数（电源频率、刻蚀气体种类和流量等）来找到一个更优化的刻蚀条件，以减轻凹槽效应。例如，在其他条件不变的情况下，采用低频率产生的凹槽效应就远远小于高频率产生的凹槽效应。如下图：

3，分步刻蚀

在刚开始阶段，使用高刻蚀速率的参数来移除大部分材料。当刻蚀接近目标层时，减小刻蚀速率、减小RF功率或增加保护气体的流量，以减小Notching Effect。

分步刻蚀适合优化在单一参数设置下可能出现的问题，有利于解决复杂结构中的刻蚀问题。

审核编辑：汤梓红