等離子刻蝕工藝技術(shù)基本介紹

干法蝕刻（dry etch）工藝通常由四個(gè)基本狀態(tài)構(gòu)成：蝕刻前（before etch），部分蝕刻（partial etch），蝕刻到位（just etch），過(guò)度蝕刻（over etch），主要表征有蝕刻速率，選擇比，關(guān)鍵尺寸，均勻性，終點(diǎn)探測(cè)。

圖3 蝕刻前

圖4 部分蝕刻

圖5 蝕刻到位

圖6 過(guò)蝕刻

（1）蝕刻速率（etch rate）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)去除蝕刻材料的深度或厚度。

圖7 蝕刻速率示意圖

（2）選擇比（selectivity）：不同蝕刻材料的蝕刻速率比值。

圖8 選擇比示意圖

（3）關(guān)鍵尺寸（critical dimension）：蝕刻完成后特定區(qū)域圖形尺寸大小。

圖9 關(guān)鍵尺寸示意圖

（4）均勻性（uniformity）:衡量蝕刻關(guān)鍵尺寸（CD）均勻性，一般用CD的full map表征，公式為：U=(Max-Min)/2*AVG。

圖10 均勻性示意圖

（5）終點(diǎn)探測(cè)（end point）：在蝕刻過(guò)程中時(shí)刻檢測(cè)光強(qiáng)的變化，當(dāng)某一特定光強(qiáng)發(fā)生明顯上升或下降時(shí)終止蝕刻，以此標(biāo)志某一層film蝕刻的完成。

圖11 end point示意圖

在干法蝕刻中，氣體受高頻（主要為 13.56 MHz 或 2.45 GHz）激發(fā)。在 1 到 100 Pa 的壓力下，其平均自由程為幾毫米到幾厘米。主要有三種類(lèi)型的干法蝕刻： ? 物理干法蝕刻：加速粒子對(duì)晶圓表面的物理磨損 ? 化學(xué)干法蝕刻：氣體與晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng) ? 化學(xué)物理干法蝕刻：具有化學(xué)特性的物理蝕刻工藝

1.離子束刻蝕

離子束刻蝕（Ion Beam Etching）是一種物理干法加工工藝，利用高能氬離子束以大約1至3keV的能量照射在材料表面上。離子束的能量使其撞擊并去除表面材料。蝕刻過(guò)程在垂直或傾斜入射離子束的情況下是各向異性的。然而，由于其缺乏選擇性，對(duì)不同層面的材料沒(méi)有明顯區(qū)別。產(chǎn)生的氣體和被刻蝕的材料會(huì)被真空泵排出，但由于反應(yīng)產(chǎn)物不是氣體，微粒會(huì)沉積在晶片或腔體壁上。

為了防止顆粒的形成，可以向腔室引入第二種氣體。這種氣體將與氬離子發(fā)生反應(yīng)，并引起物理化學(xué)蝕刻過(guò)程。其中一部分氣體會(huì)與表面材料發(fā)生反應(yīng)，但也會(huì)與被打磨出的顆粒反應(yīng)而形成氣態(tài)副產(chǎn)物。幾乎所有種類(lèi)的材料都可以通過(guò)這種方法進(jìn)行刻蝕。由于是垂直輻射，因此在垂直墻壁上的磨損非常?。ǜ吒飨虍愋裕Ｈ欢?，由于其選擇性較低且蝕刻速率較慢，這種工藝在當(dāng)前的半導(dǎo)體制造中很少使用。 2.等離子刻蝕

等離子刻蝕（Plasma etch）是一種絕對(duì)化學(xué)刻蝕工藝，也稱(chēng)為化學(xué)干法刻蝕（Chemical dry etch）。它的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)導(dǎo)致晶圓表面的離子損傷。由于蝕刻氣體中的活性粒子可自由移動(dòng)，蝕刻過(guò)程是各向同性的，因此該方法適用于去除整個(gè)薄膜層（例如，清除經(jīng)過(guò)熱氧化后的背面）。

下游反應(yīng)器是一種常用于等離子體刻蝕的反應(yīng)器類(lèi)型。在這種反應(yīng)器中，等離子體在2.45GHz的高頻電場(chǎng)中通過(guò)碰撞電離來(lái)產(chǎn)生，而與晶片分離。

在氣體放電區(qū)域，由于沖擊和激發(fā)作用，會(huì)產(chǎn)生各種顆粒，其中包括自由基。自由基是具有不飽和電子的中性原子或分子，因此它們具有很高的反應(yīng)活性。在等離子體刻蝕過(guò)程中，常使用一些中性氣體，例如四氟甲烷（CF4），將其引入氣體放電區(qū)域，通過(guò)電離或分解來(lái)產(chǎn)生活性物種。

例如，在CF4氣體中，它會(huì)被引入氣體放電區(qū)，并分解成氟自由基（F）和二氟化碳分子（CF2）。類(lèi)似地，通過(guò)添加氧氣（O2），可以從CF4中分解出氟（F）。

2 CF4?+ O2 --->?2 COF2?+ 2 F2

氟分子在氣體放電區(qū)域的能量作用下，可以分裂成兩個(gè)獨(dú)立的氟原子，每個(gè)原子都是一個(gè)氟自由基。由于每個(gè)氟原子具有七個(gè)價(jià)電子，并且傾向于達(dá)到惰性氣體的電子構(gòu)型，因此它們都是非常反應(yīng)活躍的。除了中性的氟自由基外，氣體放電區(qū)域還會(huì)存在帶電的粒子，如CF+4、CF+3、CF+2等。隨后，所有這些粒子和自由基都會(huì)通過(guò)陶瓷管被引入蝕刻室。

帶電粒子可以通過(guò)提取光柵阻擋或在形成中性分子的過(guò)程中重新組合，以控制它們?cè)谖g刻室中的行為。氟自由基也會(huì)進(jìn)行部分重組，但仍然足夠活躍以進(jìn)入蝕刻室，在晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并導(dǎo)致材料的剝離。而其他中性粒子則不參與蝕刻過(guò)程，與反應(yīng)產(chǎn)物一起被耗盡。

可在等離子蝕刻中蝕刻的薄膜示例： ? 硅: Si + 4F---> SiF4 ? 二氧化硅: SiO2 + 4F---> SiF4 + O2 ? 氮化硅: Si3N4 + 12F---> 3SiF4 + 2N2 3.反應(yīng)離子蝕刻（Reactive ion etching，簡(jiǎn)稱(chēng)RIE）是一種能夠非常精確控制選擇性、蝕刻輪廓、蝕刻速率、均勻性和可重復(fù)性的化學(xué)物理蝕刻工藝。它可以實(shí)現(xiàn)各向同性和各向異性的蝕刻輪廓，因此在半導(dǎo)體制造中是構(gòu)建各種薄膜的最重要工藝之一。

在RIE過(guò)程中，晶圓被放置在高頻電極（HF electrode）上。通過(guò)碰撞電離，產(chǎn)生等離子體，在等離子體中存在自由電子和帶正電的離子。如果將HF電極施加正電壓，自由電子會(huì)在電極表面積聚，由于它們的電子親和力，無(wú)法再次離開(kāi)電極。因此，電極被充電至-1000V（偏置電壓），這樣慢速離子就不能跟隨快速變化的電場(chǎng)移動(dòng)到帶負(fù)電的電極處。

? ?

在離子蝕刻（RIE）過(guò)程中，如果離子的平均自由程較高，它們會(huì)以幾乎垂直的方向撞擊晶片表面。這樣，通過(guò)物理蝕刻作用，加速的離子會(huì)擊出材料并形成化學(xué)反應(yīng)。由于橫向側(cè)壁不受影響，蝕刻輪廓保持各向異性，表面磨損較小。然而，選擇性并不是非常高，因?yàn)槲锢砦g刻過(guò)程也會(huì)發(fā)生。此外，離子的加速會(huì)對(duì)晶圓表面造成損傷，需要進(jìn)行熱退火來(lái)修復(fù)。

蝕刻過(guò)程的化學(xué)部分是通過(guò)自由基與表面反應(yīng)以及離子物理撞擊材料來(lái)完成的，這樣它就不會(huì)重新沉積到晶圓或腔體壁上，避免了像離子束蝕刻那樣的重新沉積現(xiàn)象。當(dāng)增加蝕刻室內(nèi)的氣壓時(shí)，離子的平均自由程會(huì)減小，從而增加離子與氣體分子碰撞的次數(shù)，離子會(huì)以更多不同的方向散射。這導(dǎo)致了較少的定向蝕刻，使得蝕刻過(guò)程呈現(xiàn)更多的化學(xué)特性。

通過(guò)在硅蝕刻過(guò)程中對(duì)側(cè)壁進(jìn)行鈍化，實(shí)現(xiàn)了各向異性的蝕刻輪廓。在蝕刻室內(nèi)引入氧氣，氧氣會(huì)與蝕刻出的硅反應(yīng)形成二氧化硅，沉積在垂直的側(cè)壁上。由于離子轟擊，水平區(qū)域上的氧化層會(huì)被去除，從而使得橫向蝕刻過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。這種方法可以控制蝕刻輪廓的形狀和側(cè)壁的陡峭度。

蝕刻速率受到壓力、高頻發(fā)生器功率、工藝氣體、實(shí)際氣體流量和晶片溫度等因素的影響，其變化范圍保持在15%以下。隨著高頻功率增加、壓力降低和溫度降低，各向異性也會(huì)增加。蝕刻過(guò)程的均勻性由氣體、電極間距和電極材料決定。如果電極距離太小，等離子體無(wú)法均勻分散，導(dǎo)致不均勻性。增加電極距離會(huì)降低蝕刻速率，因?yàn)榈入x子體分布在更大的體積中。碳是首選的電極材料，因?yàn)樗墚a(chǎn)生均勻的應(yīng)變等離子體，以使晶圓邊緣受到與晶圓中心相同的影響。

工藝氣體在選擇性和蝕刻速率方面起著重要作用。對(duì)于硅和硅化合物，主要使用氟氣和氯氣來(lái)實(shí)現(xiàn)蝕刻。工藝中選擇適當(dāng)?shù)臍怏w、調(diào)整氣體流量和壓力，以及控制其他參數(shù)如溫度和功率，可以達(dá)到所需的蝕刻速率、選擇性和均勻性。這些參數(shù)的優(yōu)化通常根據(jù)不同的應(yīng)用和材料進(jìn)行調(diào)整。