刻蝕技術(shù)總述

【資料圖】

在20世紀(jì)60年代后期，濕法刻蝕曾經(jīng)是低成本集成電路制造的關(guān)鍵技術(shù)。半導(dǎo)體工藝制程及芯片性能的不斷迭代不斷提升，隨著制程進(jìn)入六次微米級(jí)，基于化學(xué)反應(yīng)的濕法刻蝕，已經(jīng)跟不上芯片的精度要求了，邏輯電路自然不用說(shuō)，關(guān)鍵層需要納米級(jí)的精密刻蝕，即便像DRAM之類相對(duì)粗糙的存儲(chǔ)芯片，要刻出里面又窄又深的電容溝槽，也需要方向感極強(qiáng)的雕刻方法，這就是干法刻蝕。濕法用的是液體，干法用的是氣體。

濕法刻蝕由于精度較差，只適用于很粗糙的制程，但它還是有優(yōu)點(diǎn)的，比如價(jià)格便宜，適合批量處理，酸槽里可以一次浸泡25張硅片，所以有些高校和實(shí)驗(yàn)室，還在用濕法做器件，芯片廠里也會(huì)用濕法刻蝕來(lái)顯露表面缺陷（defect），腐蝕背面多晶硅。

干法刻蝕因?yàn)樗姆较蛐院?，氣體配比和射頻電源，也能實(shí)現(xiàn)更精密的調(diào)控，在主流的芯片制程中，超過(guò)90%的芯片刻蝕都是干法。

拋開技術(shù)的復(fù)雜程度不談，干法的缺點(diǎn)主要有倆個(gè)，一個(gè)是貴，一個(gè)是慢。一臺(tái)進(jìn)口刻蝕機(jī)的價(jià)格，數(shù)百萬(wàn)美元，那比光刻機(jī)是便宜多了，但是不同介質(zhì)的刻蝕，需要買不同的刻蝕機(jī)，而且工藝中，刻蝕的時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)超光刻，因此產(chǎn)線上，一臺(tái)光刻機(jī)，要配多臺(tái)刻蝕機(jī)，按照設(shè)備總成本來(lái)計(jì)算，兩者的開銷差不多。

今天我們主要展開講干法刻蝕在工藝制程中的具體分類及反應(yīng)氣體。

干法刻蝕簡(jiǎn)述

芯片廠每天消耗很多特種氣體，其中很大一部分就用于刻蝕。這些氣體在精確配比后，被通入反應(yīng)腔內(nèi)，再用電容或電感耦合的方式，讓氣體完全或部分電離，形成等離子或離子束，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，射向硅片進(jìn)行刻蝕，這是一種兼具物理與化學(xué)屬性的雕刻方式。

如果側(cè)重化學(xué)攻擊，可以通入更多氟碳類氣體，犧牲一些方向性來(lái)達(dá)到更好的選擇比；

如果側(cè)重物理攻擊，就通入更多惰性氣體，比如氬氣，主要用高能粒子濺射硅片，確?？v向刻蝕，但缺點(diǎn)是選擇比較低，容易不分?jǐn)澄遥舷聦右黄鸫┩浮?/p>

所以干法刻蝕設(shè)備，一般會(huì)配備終點(diǎn)檢測(cè)功能，盡量避免過(guò)度刻蝕，或者更保險(xiǎn)一點(diǎn)，我們?cè)谛酒?，先額外沉積一層氮化硅之類的物質(zhì)用來(lái)作為停止層。這里提到的沉積，是光刻與刻蝕之外，芯片制造的第三個(gè)重要工藝，這三者通?；ハ嚓P(guān)聯(lián)。

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(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

物理性刻蝕

物理性刻蝕是利用輝光放電將氣體，如Ar氣電離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，濺擊在被刻蝕物的表面，而將被刻蝕物的原子擊出、濺射，該過(guò)程完全是物理上的能量轉(zhuǎn)移。

物理性刻蝕可進(jìn)一步分為：濺射刻蝕和離子束蝕刻。

濺射刻蝕：利用等離子體中的離子或高能原子對(duì)襯底進(jìn)行轟擊，濺射出襯底原子，形成掩蔽膜圖形。

離子束銑蝕：利用高能離子束對(duì)襯底進(jìn)行轟擊，撞擊出襯底原子，形成掩蔽膜圖形。

離子束蝕刻

離子束蝕刻 (Ion beam etch) 是一種物理干法蝕刻工藝。由此，氬離子以約1至3keV的離子束輻射到表面上。由于離子的能量，它們會(huì)撞擊表面的材料。晶圓垂直或傾斜入離子束，蝕刻過(guò)程是絕對(duì)各向異性的。選擇性低，因?yàn)槠鋵?duì)各個(gè)層沒有差異。氣體和被打磨出的材料被真空泵排出，但是，由于反應(yīng)產(chǎn)物不是氣態(tài)的，顆粒會(huì)沉積在晶片或室壁上。

為避免顆粒，將第二種氣體引入腔室。該氣體與氬離子發(fā)生反應(yīng)并引起物理化學(xué)蝕刻過(guò)程。部分氣體與表面反應(yīng)，但也與打磨出的顆粒反應(yīng)形成氣態(tài)副產(chǎn)物。幾乎所有材料都可以用這種方法蝕刻。由于垂直輻射，垂直壁上的磨損非常低（高各向異性）。然而，由于低選擇性和低蝕刻速率，該工藝在當(dāng)今的半導(dǎo)體制造中很少使用。

特點(diǎn)：具有非常好的方向性，可獲得接近垂直的刻蝕輪廓。但是由于離子是全面均勻地濺射在芯片上，光刻膠和被刻蝕材料同時(shí)被刻蝕，造成刻蝕選擇比差。同時(shí)，被擊出的物質(zhì)大多為不易揮發(fā)的物質(zhì)，這些物質(zhì)容易二次沉積在被刻蝕薄膜的表面及側(cè)壁。因此，在超大規(guī)模集成電路制作工藝中，很少使用完全物理方式的干法刻蝕方法。

化學(xué)性刻蝕

化學(xué)性刻蝕（等離子體刻蝕Plasma Etching PE）就需要化學(xué)清洗，化學(xué)性刻蝕是一種利用化學(xué)反應(yīng)去除材料表面的工藝，但是每次刻蝕之后，都需要對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行清洗和除去殘留物，化學(xué)清洗是一種高效的清洗方法，通過(guò)在反應(yīng)室內(nèi)通入酸堿等化學(xué)試劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，清除反應(yīng)室內(nèi)的污染物。

等離子刻蝕（Plasma etch）是一種絕對(duì)化學(xué)刻蝕工藝（化學(xué)干法刻蝕，Chemical dry etch）。優(yōu)點(diǎn)是晶圓表面不會(huì)被加速離子損壞。由于蝕刻氣體的可移動(dòng)顆粒，蝕刻輪廓是各向同性的，因此該方法用于去除整個(gè)膜層（如熱氧化后的背面清潔）。

一種用于等離子體蝕刻的反應(yīng)器類型是下游反應(yīng)器。從而通過(guò)碰撞電離在2.45GHz的高頻下點(diǎn)燃等離子體，碰撞電離的位置與晶片分離。

在氣體放電區(qū)域，由于沖擊存在各種顆粒，其中有自由基。自由基是具有不飽和電子的中性原子或分子，因此非?；顫?。作為中性氣體，例如四氟甲烷CF4被引入氣體放電區(qū)并分離成CF2和氟分子F2。類似地，氟可以通過(guò)添加氧氣 O2 從 CF4 中分離出來(lái)：

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

氟分子可以通過(guò)氣體放電區(qū)的能量分裂成兩個(gè)單獨(dú)的氟原子：每個(gè)氟原子都是一個(gè)氟自由基，因?yàn)槊總€(gè)原子都有七個(gè)價(jià)電子，并希望實(shí)現(xiàn)惰性氣體構(gòu)型。除了中性自由基之外，還有幾個(gè)部分帶電的粒子（CF+4、CF+3、CF+2、...）。然后，所有粒子、自由基等都通過(guò)陶瓷管進(jìn)入蝕刻室。帶電粒子可以通過(guò)提取光柵從蝕刻室中阻擋或者在它們形成中性分子的途中重新組合。氟自由基也有部分重組，但足以到達(dá)蝕刻室，在晶圓表面發(fā)生反應(yīng)并引起化學(xué)磨損。其他中性粒子不是蝕刻過(guò)程的一部分，并且與反應(yīng)產(chǎn)物一樣被耗盡。

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 + 2N23.反應(yīng)離子蝕刻蝕刻特性: 選擇性、蝕刻輪廓、蝕刻速率、均勻性、可重復(fù)性 - 均可以在反應(yīng)離子蝕刻 (Reactive ion etch) 中非常精確地控制。各向同性蝕刻輪廓以及各向異性是可能的。因此，RIE 工藝是一種化學(xué)物理蝕刻工藝，是半導(dǎo)體制造中用于構(gòu)造各種薄膜的最重要工藝。在工藝室內(nèi)，晶圓放置在高頻電極（HF電極）上。通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生等離子體，其中出現(xiàn)自由電子和帶正電的離子。如果 HF 電極處于正電壓，則自由電子會(huì)在其上積聚，并且由于它們的電子親和力而無(wú)法再次離開電極。因此，電極充電至 -1000 V（偏置電壓）。不能跟隨快速交變場(chǎng)的慢離子向帶負(fù)電的電極移動(dòng)。

如果離子的平均自由程高，則粒子以幾乎垂直的方向撞擊晶片表面。因此，材料被加速離子（物理蝕刻）從表面擊出，此外，一些粒子與表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。橫向側(cè)壁不受影響，因此沒有磨損并且蝕刻輪廓保持各向異性。選擇性不是太小，但是，由于物理蝕刻進(jìn)程，它也不是太大。此外，晶圓表面會(huì)被加速離子損壞，必須通過(guò)熱退火進(jìn)行固化。蝕刻工藝的化學(xué)部分是通過(guò)自由基與表面以及物理銑削材料的反應(yīng)來(lái)完成的，這樣它就不會(huì)像離子束蝕刻那樣重新沉積到晶圓或腔室壁上。通過(guò)增加蝕刻室中的壓力，顆粒的平均自由程減少。因此會(huì)有更多的碰撞，因此粒子會(huì)朝著不同的方向前進(jìn)。這導(dǎo)致較少的定向蝕刻，蝕刻過(guò)程獲得更多的化學(xué)特性。選擇性增加，蝕刻輪廓更加各向同性。通過(guò)在硅蝕刻期間側(cè)壁的鈍化，實(shí)現(xiàn)了各向異性的蝕刻輪廓。因此，蝕刻室內(nèi)的氧氣與磨出的硅反應(yīng)形成二氧化硅，二氧化硅沉積垂直側(cè)壁。由于離子轟擊，水平區(qū)域上的氧化膜被去除，使得橫向的蝕刻進(jìn)程繼續(xù)進(jìn)行。

蝕刻速率取決于壓力、高頻發(fā)生器的功率、工藝氣體、實(shí)際氣體流量和晶片溫度。各向異性隨著高頻功率的增加、壓力的降低和溫度的降低而增加。蝕刻工藝的均勻性取決于氣體、兩個(gè)電極的距離以及電極的材料。如果距離太小，等離子體不能不均勻地分散，從而導(dǎo)致不均勻性。如果增加電極的距離，則蝕刻速率降低，因?yàn)榈入x子體分布在擴(kuò)大的體積中。對(duì)于電極，碳已證明是首選材料。由于氟氣和氯氣也會(huì)攻擊碳，因此電極會(huì)產(chǎn)生均勻的應(yīng)變等離子體，因此晶圓邊緣會(huì)受到與晶圓中心相同的影響。

選擇性和蝕刻速率在很大程度上取決于工藝氣體。對(duì)于硅和硅化合物，主要使用氟氣和氯氣。

蝕刻工藝不限于一種氣體、氣體混合物或固定工藝參數(shù)。例如，可以首先以高蝕刻速率和低選擇性去除多晶硅上的原生氧化物，而隨后以相對(duì)于下方層的更高選擇性蝕刻多晶硅。

在低氣壓氣體環(huán)境下，刻蝕設(shè)備利用外電場(chǎng)將刻蝕氣體（如氯或氟氣體，CF4、SF6CI2、BCI3等 ）電離成等離子體，等離子體中含有自由電子、帶電離子、分子及反應(yīng)活性很強(qiáng)的基團(tuán)，它們擴(kuò)散到被刻蝕薄膜表面后與薄膜表面原子反應(yīng)生成具有揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物，并被真空設(shè)備抽離反應(yīng)腔。因這種反應(yīng)完全利用化學(xué)反應(yīng)，故稱為化學(xué)性刻蝕。這種刻蝕方式與濕法刻蝕類似，只是反應(yīng)物與產(chǎn)物的狀態(tài)從液態(tài)改為氣態(tài)，并以等離子體來(lái)加快反應(yīng)速率。

物理化學(xué)性刻蝕

物理化學(xué)性刻蝕又稱為反應(yīng)離子刻蝕。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是物理性刻蝕和化學(xué)性刻蝕結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)更高效的刻蝕效果，因此，反應(yīng)腔里的反應(yīng)氣體流量反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等，都會(huì)影響刻蝕速率和刻蝕質(zhì)量。

無(wú)論是從化學(xué)性干法刻蝕還是物理性干法刻蝕，都有其固有的優(yōu)缺點(diǎn)，而物理化學(xué)性刻蝕則作為兩種刻蝕方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)存在，集成電路工藝中采用最多的刻蝕方法是結(jié)合物理性的等離子襲擊與化學(xué)反應(yīng)的刻蝕。

刻蝕工藝相關(guān)氣體應(yīng)用

同為刻蝕工藝，對(duì)應(yīng)各種各樣的材料和圖形，需要的結(jié)果也不相同，刻蝕工藝也都各不相同?？涛g材料：半導(dǎo)體、半導(dǎo)體薄膜、絕緣薄膜、金屬薄膜等；

同為刻蝕工藝，對(duì)應(yīng)各種各樣的材料和圖形，需要的結(jié)果也不相同，刻蝕工藝也都各不相同。刻蝕材料：半導(dǎo)體、半導(dǎo)體薄膜、絕緣薄膜、金屬薄膜等。

刻蝕氣體：SF6、CHF3、CF4、C4F8、Cl2、BCl3、HBr、NF3、SiCl4等；Ar、O2、He（輔助性氣體）

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，刻蝕反應(yīng)使用的氣體能夠與被刻蝕物反應(yīng)并產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，但不是任何一種氣體都可以使用。另外，希望使用的氣體最好處于穩(wěn)定狀態(tài)。使用液態(tài)氣體時(shí)，氣化場(chǎng)所的配置和適當(dāng)?shù)墓艿罍囟鹊?，都需要相?yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

附：刻蝕氣體表

刻蝕工藝中的關(guān)鍵因素——速率、均勻性、選擇性和輪廓

刻蝕工藝是微電子加工中不可或缺的一環(huán)。在制造各種芯片和器件時(shí)，刻蝕工藝可以對(duì)材料進(jìn)行加工和改良。然而，刻蝕工藝的質(zhì)量和效率受到許多因素的影響，其中包括刻蝕速率、刻蝕的均勻性、刻蝕選擇性和刻蝕輪廓等因素。

刻蝕速率

刻蝕速率是測(cè)量刻蝕物質(zhì)被移除的速率。由于刻蝕速率直接影響刻蝕的產(chǎn)量，因此刻蝕速率是一個(gè)重要參數(shù)。通過(guò)測(cè)量刻蝕前后的薄膜厚度，將差值除以刻蝕時(shí)間就能計(jì)算出刻蝕速率：

刻蝕速率=(刻蝕前厚度-刻蝕后厚度)/刻蝕時(shí)間

對(duì)于圖形化刻蝕，刻蝕速率可以通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)直接測(cè)量出被移除的薄膜厚度。

問(wèn)題：如果熱氧化層的厚度為5000A,經(jīng)過(guò)30s等離子體刻蝕后，厚度變?yōu)?400A,求刻蝕速率。

答：刻蝕速率=(5000A-2400A)/0.5min=2600A/0.5min=5200A/min

問(wèn)題：下圖顯示了BPSG接觸窗口的刻蝕輪廓，求刻蝕速率。

答：刻蝕速率=4500A/(45/60)min=4500A/0.75min=6000A/min。

刻蝕的均勻性

刻蝕過(guò)程重要的一點(diǎn)是要求整個(gè)晶圓必須有一個(gè)均勻的刻蝕速率，或好的晶圓內(nèi)(WithinWafer,WIW)均勻性，以及高的重復(fù)性，好的晶圓對(duì)晶圓均勻性。通常均勻性由測(cè)量刻蝕前后晶圓的特定點(diǎn)厚度，并計(jì)算這些點(diǎn)的刻蝕速率得出。若它們是x1、x2、xN，其中N表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)。

問(wèn)題：利用五點(diǎn)測(cè)量法計(jì)算NUm(見下圖)：

刻蝕前：3500A,3510A,3499A,3501A,3493A

刻蝕60s后：1500A,1455A,1524A,1451A,1563A

答：刻蝕速率為：2000A/min,2055A/min,1975A/min,

2055A/min和1930A/min。

平均刻蝕速率為：2003A/min

NUm=(2055-1930)/(2x2003)=3.12%

當(dāng)與代理商或客戶交易時(shí)，均勻性的定義很重要，因?yàn)椴煌亩x將產(chǎn)生不同的結(jié)果。

刻蝕選擇性

圖形化刻蝕通常包含三種材料:光刻膠、被刻蝕的薄膜及襯底?？涛g過(guò)程中，這三種材料都會(huì)受刻蝕劑的化學(xué)反應(yīng)或等離子體刻蝕中離子轟擊的影響。不同材料之間的刻蝕速率差就是所謂的選擇性。

選擇性是指不同材料之間的刻蝕速率比率，特別是對(duì)于要被蝕刻的材料和不被移除的材料。

比如，當(dāng)刻蝕柵電極時(shí)(見下圖),光刻膠作為刻蝕屏蔽層而多晶硅是被刻蝕的材料。由于等離子體刻蝕難免會(huì)刻蝕到光刻膠，所以必須有足夠高的多晶硅對(duì)光刻膠的選擇性以避免刻蝕完成前損失過(guò)多的光刻膠(PR)。多晶硅下方是厚度為15?100A的超薄柵氧化層。這個(gè)工藝過(guò)程中，多晶硅對(duì)氧化物的選擇性必須非常高，才能避免多晶硅過(guò)刻蝕中穿透柵氧化層。

刻蝕輪廓

刻蝕的最重要特征之一就是刻蝕輪廓，它將影響沉積工藝。下圖顯示了不同的刻蝕輪廓。一般利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察刻蝕輪廓。

垂直輪廓是最理想的刻蝕圖形，因?yàn)樗軐R上的圖形轉(zhuǎn)移到下面的薄膜而不造成任何CD損失。許多情況下，尤其是接觸窗和金屬層間接觸窗孔刻蝕，使用非等向性且略微傾斜的輪廓較好,這樣刻蝕窗口的張角較大，使后續(xù)的鎢CVD能夠容易填充而不留空隙。單純的化學(xué)刻蝕具有等向性輪廓，在光刻膠下產(chǎn)生底切效應(yīng)并造成CD損失。底切輪廓是由于反應(yīng)式離子刻蝕(RIE)過(guò)程中過(guò)多的蝕刻氣體分子或過(guò)多的離子散射到側(cè)壁上造成的，RIE結(jié)合了物理和化學(xué)刻蝕。輪廓底切效應(yīng)很容易造成后續(xù)的沉積過(guò)程并在填補(bǔ)空隙或空洞時(shí)產(chǎn)生間隙。另外，“I”字形輪廓的形成是因?yàn)閵A心式薄膜的中間層使用了錯(cuò)誤的刻蝕化學(xué)試劑形成的。

綜上所述，刻蝕工藝中的刻蝕速率、刻蝕的均勻性、刻蝕選擇性和刻蝕輪廓等因素是影響加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況來(lái)選擇合適的刻蝕條件和器件設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的加工效果。

編輯：黃飛

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