等離子刻蝕工藝技術基本介紹

干法蝕刻（dry etch）工藝通常由四個基本狀態(tài)構成：蝕刻前（before etch），部分蝕刻（partial etch），蝕刻到位（just etch），過度蝕刻（over etch），主要表征有蝕刻速率，選擇比，關鍵尺寸，均勻性，終點探測。

圖3 蝕刻前

圖4 部分蝕刻

圖5 蝕刻到位

圖6 過蝕刻

（1）蝕刻速率（etch rate）：單位時間內(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）關鍵尺寸（critical dimension）：蝕刻完成后特定區(qū)域圖形尺寸大小。

圖9 關鍵尺寸示意圖

（4）均勻性（uniformity）:衡量蝕刻關鍵尺寸（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）終點探測（end point）：在蝕刻過程中時刻檢測光強的變化，當某一特定光強發(fā)生明顯上升或下降時終止蝕刻，以此標志某一層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。主要有三種類型的干法蝕刻： ? 物理干法蝕刻：加速粒子對晶圓表面的物理磨損 ? 化學干法蝕刻：氣體與晶圓表面發(fā)生化學反應 ? 化學物理干法蝕刻：具有化學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，對不同層面的材料沒有明顯區(qū)別。產(chǎn)生的氣體和被刻蝕的材料會被真空泵排出，但由于反應產(chǎn)物不是氣體，微粒會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，并引起物理化學蝕刻過程。其中一部分氣體會與表面材料發(fā)生反應，但也會與被打磨出的顆粒反應而形成氣態(tài)副產(chǎn)物。幾乎所有種類的材料都可以通過這種方法進行刻蝕。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，這種工藝在當前的半導體制造中很少使用。 2.等離子刻蝕

等離子刻蝕（Plasma etch）是一種絕對化學刻蝕工藝，也稱為化學干法刻蝕（Chemical dry etch）。它的優(yōu)點在于不會導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，蝕刻過程是各向同性的，因此該方法適用于去除整個薄膜層（例如，清除經(jīng)過熱氧化后的背面）。

下游反應器是一種常用于等離子體刻蝕的反應器類型。在這種反應器中，等離子體在2.45GHz的高頻電場中通過碰撞電離來產(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活性。在等離子體刻蝕過程中，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，通過電離或分解來產(chǎn)生活性物種。

例如，在CF4氣體中，它會被引入氣體放電區(qū)，并分解成氟自由基（F）和二氟化碳分子（CF2）。類似地，通過添加氧氣（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，可以分裂成兩個獨立的氟原子，每個原子都是一個氟自由基。由于每個氟原子具有七個價電子，并且傾向于達到惰性氣體的電子構型，因此它們都是非常反應活躍的。除了中性的氟自由基外，氣體放電區(qū)域還會存在帶電的粒子，如CF+4、CF+3、CF+2等。隨后，所有這些粒子和自由基都會通過陶瓷管被引入蝕刻室。

帶電粒子可以通過提取光柵阻擋或在形成中性分子的過程中重新組合，以控制它們在蝕刻室中的行為。氟自由基也會進行部分重組，但仍然足夠活躍以進入蝕刻室，在晶圓表面發(fā)生化學反應并導致材料的剝離。而其他中性粒子則不參與蝕刻過程，與反應產(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.反應離子蝕刻（Reactive ion etching，簡稱RIE）是一種能夠非常精確控制選擇性、蝕刻輪廓、蝕刻速率、均勻性和可重復性的化學物理蝕刻工藝。它可以實現(xiàn)各向同性和各向異性的蝕刻輪廓，因此在半導體制造中是構建各種薄膜的最重要工藝之一。

在RIE過程中，晶圓被放置在高頻電極（HF electrode）上。通過碰撞電離，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，自由電子會在電極表面積聚，由于它們的電子親和力，無法再次離開電極。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移動到帶負電的電極處。

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在離子蝕刻（RIE）過程中，如果離子的平均自由程較高，它們會以幾乎垂直的方向撞擊晶片表面。這樣，通過物理蝕刻作用，加速的離子會擊出材料并形成化學反應。由于橫向側壁不受影響，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，因為物理蝕刻過程也會發(fā)生。此外，離子的加速會對晶圓表面造成損傷，需要進行熱退火來修復。

蝕刻過程的化學部分是通過自由基與表面反應以及離子物理撞擊材料來完成的，這樣它就不會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。當增加蝕刻室內(nèi)的氣壓時，離子的平均自由程會減小，從而增加離子與氣體分子碰撞的次數(shù)，離子會以更多不同的方向散射。這導致了較少的定向蝕刻，使得蝕刻過程呈現(xiàn)更多的化學特性。

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

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，各向異性也會增加。蝕刻過程的均勻性由氣體、電極間距和電極材料決定。如果電極距離太小，等離子體無法均勻分散，導致不均勻性。增加電極距離會降低蝕刻速率，因為等離子體分布在更大的體積中。碳是首選的電極材料，因為它能產(chǎn)生均勻的應變等離子體，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。對于硅和硅化合物，主要使用氟氣和氯氣來實現(xiàn)蝕刻。工藝中選擇適當?shù)臍怏w、調整氣體流量和壓力，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)不同的應用和材料進行調整。