干法刻蚀的负载效应是怎么产生的？有什么危害

有过深硅刻蚀的朋友经常会遇到这种情况：在一片晶圆上不同尺寸的孔或槽刻蚀速率是不同的。这个就是负载效应所导致的，且是负载效应的一种表现形式。负载效应，可能导致刻蚀速率和均匀性受到影响，那么负载效应是怎么产生的？有什么危害？又是如何抑制负载效应呢？

什么是负载效应？

负载效应（Load Effect）,指当刻蚀面积的大小或形状发生变化时，刻蚀速率也随之改变的现象，即刻蚀速率取决于被刻蚀表面材料的量的现象。负载效应可以分为三种：宏观负载效益，微观负载效益，与深宽比相关的负载效应。

1.宏观负载效应

Macro-loading Effect，指在反应物恒定供应的情况下，刻蚀速率随着晶圆被刻蚀的表面积增大而降低。因为，晶圆的开口率越大，需要的反应物越多，蚀刻速率越低。举个例子，当一片晶圆的需要刻蚀的表面积占晶圆总表面积的2%时，速率可能为10um/min；当需要刻蚀的面积占晶圆总面积50%时，速率可能为1um/min。

2.微观负载效应

Micro-loading Effect，指当晶圆同时包含稀疏和密集的待刻蚀图形时，密集区域的刻蚀速率比稀疏区域的刻蚀速率低。这是因为在密集区域消耗的反应物更多，反应物不能及时到达密集刻蚀区域所导致的。

3.与深宽比相关的负载效应

ARDE，指在高深宽比的结构刻蚀中，如深孔或深槽。较小尺寸的孔或槽刻蚀速率小于较大尺寸的孔或槽。这是因为刻蚀气体难以进入深部，而同时反应产物难以逸出，导致底部的刻蚀速率降低。

负载效应带来的问题

1.刻蚀的均匀性降低

负载效应导致晶圆上的不同区域具有不同的刻蚀深度。这可能导致晶圆上的某些区域过度刻蚀，而其他区域则未达到所需的刻蚀深度。这样可能会影响到后续的制程。

2.刻蚀效果差

负载效应可能导致刻蚀剖面的形状不规则，所刻蚀的尺寸与设计尺寸存在较大差距等问题。

3.成本增加

为了解决负载效应带来的问题，可能需要对不同尺寸结构进行多次光刻，干刻或换用更高级的设备等，导致项目的成本增加。

如何抑制负载效应？

1.优化刻蚀参数

通过调整刻蚀的参数，如功率、气体流量、气体压力和温度，可以达到更均匀的刻蚀效果。例如调节刻蚀机台的压力，在低压下，刻蚀物质的平均自由程更长。这使得它们可以更容易地进入深的、狭窄的特征中，从而提高这些结构的的刻蚀速率。

2.优化掩模设计

通过增加被刻蚀结构间的距离，减少高深宽比，减少大面积的图案等来减少负载效应。

3.脉冲刻蚀

使用脉冲模式进行刻蚀，其中刻蚀和沉积过程交替进行，有助于减轻负载效应。

审核编辑：刘清