刻蝕技術總述

【資料圖】

在20世紀60年代后期，濕法刻蝕曾經是低成本集成電路制造的關鍵技術。半導體工藝制程及芯片性能的不斷迭代不斷提升，隨著制程進入六次微米級，基于化學反應的濕法刻蝕，已經跟不上芯片的精度要求了，邏輯電路自然不用說，關鍵層需要納米級的精密刻蝕，即便像DRAM之類相對粗糙的存儲芯片，要刻出里面又窄又深的電容溝槽，也需要方向感極強的雕刻方法，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，但它還是有優點的，比如價格便宜，適合批量處理，酸槽里可以一次浸泡25張硅片，所以有些高校和實驗室，還在用濕法做器件，芯片廠里也會用濕法刻蝕來顯露表面缺陷（defect），腐蝕背面多晶硅。

干法刻蝕因為它的方向性好，氣體配比和射頻電源，也能實現更精密的調控，在主流的芯片制程中，超過90%的芯片刻蝕都是干法。

拋開技術的復雜程度不談，干法的缺點主要有倆個，一個是貴，一個是慢。一臺進口刻蝕機的價格，數百萬美元，那比光刻機是便宜多了，但是不同介質的刻蝕，需要買不同的刻蝕機，而且工藝中，刻蝕的時長遠超光刻，因此產線上，一臺光刻機，要配多臺刻蝕機，按照設備總成本來計算，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氣體。

干法刻蝕簡述

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，被通入反應腔內，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，經過電場加速，射向硅片進行刻蝕，這是一種兼具物理與化學屬性的雕刻方式。

如果側重化學攻擊，可以通入更多氟碳類氣體，犧牲一些方向性來達到更好的選擇比；

如果側重物理攻擊，就通入更多惰性氣體，比如氬氣，主要用高能粒子濺射硅片，確保縱向刻蝕，但缺點是選擇比較低，容易不分敵我，上下層一起穿透。

所以干法刻蝕設備，一般會配備終點檢測功能，盡量避免過度刻蝕，或者更保險一點，我們在芯片上，先額外沉積一層氮化硅之類的物質用來作為停止層。這里提到的沉積，是光刻與刻蝕之外，芯片制造的第三個重要工藝，這三者通常互相關聯。

在干法蝕刻中，氣體受高頻（主要為 13.56 MHz 或 2.45 GHz）激發。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

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，該過程完全是物理上的能量轉移。

物理性刻蝕可進一步分為：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襯底進行轟擊，濺射出襯底原子，形成掩蔽膜圖形。

離子束銑蝕：利用高能離子束對襯底進行轟擊，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，它們會撞擊表面的材料。晶圓垂直或傾斜入離子束，蝕刻過程是絕對各向異性的。選擇性低，因為其對各個層沒有差異。氣體和被打磨出的材料被真空泵排出，但是，由于反應產物不是氣態的，顆粒會沉積在晶片或室壁上。

為避免顆粒，將第二種氣體引入腔室。該氣體與氬離子發生反應并引起物理化學蝕刻過程。部分氣體與表面反應，但也與打磨出的顆粒反應形成氣態副產物。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，該工藝在當今的半導體制造中很少使用。

特點：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被刻蝕，造成刻蝕選擇比差。同時，被擊出的物質大多為不易揮發的物質，這些物質容易二次沉積在被刻蝕薄膜的表面及側壁。因此，在超大規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。

化學性刻蝕

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

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

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

在氣體放電區域，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被引入氣體放電區并分離成CF2和氟分子F2。類似地，氟可以通過添加氧氣 O2 從 CF4 中分離出來：

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

氟分子可以通過氣體放電區的能量分裂成兩個單獨的氟原子：每個氟原子都是一個氟自由基，因為每個原子都有七個價電子，并希望實現惰性氣體構型。除了中性自由基之外，還有幾個部分帶電的粒子（CF+4、CF+3、CF+2、...）。然后，所有粒子、自由基等都通過陶瓷管進入蝕刻室。帶電粒子可以通過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，但足以到達蝕刻室，在晶圓表面發生反應并引起化學磨損。其他中性粒子不是蝕刻過程的一部分，并且與反應產物一樣被耗盡。

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、可重復性 - 均可以在反應離子蝕刻 (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 工藝是一種化學物理蝕刻工藝，是半導體制造中用于構造各種薄膜的最重要工藝。在工藝室內，晶圓放置在高頻電極（HF電極）上。通過碰撞電離產生等離子體，其中出現自由電子和帶正電的離子。如果 HF 電極處于正電壓，則自由電子會在其上積聚，并且由于它們的電子親和力而無法再次離開電極。因此，電極充電至 -1000 V（偏置電壓）。不能跟隨快速交變場的慢離子向帶負電的電極移動。

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，一些粒子與表面發生化學反應。橫向側壁不受影響，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，由于物理蝕刻進程，它也不是太大。此外，晶圓表面會被加速離子損壞，必須通過熱退火進行固化。蝕刻工藝的化學部分是通過自由基與表面以及物理銑削材料的反應來完成的，這樣它就不會像離子束蝕刻那樣重新沉積到晶圓或腔室壁上。通過增加蝕刻室中的壓力，顆粒的平均自由程減少。因此會有更多的碰撞，因此粒子會朝著不同的方向前進。這導致較少的定向蝕刻，蝕刻過程獲得更多的化學特性。選擇性增加，蝕刻輪廓更加各向同性。通過在硅蝕刻期間側壁的鈍化，實現了各向異性的蝕刻輪廓。因此，蝕刻室內的氧氣與磨出的硅反應形成二氧化硅，二氧化硅沉積垂直側壁。由于離子轟擊，水平區域上的氧化膜被去除，使得橫向的蝕刻進程繼續進行。

蝕刻速率取決于壓力、高頻發生器的功率、工藝氣體、實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，從而導致不均勻性。如果增加電極的距離，則蝕刻速率降低，因為等離子體分布在擴大的體積中。對于電極，碳已證明是首選材料。由于氟氣和氯氣也會攻擊碳，因此電極會產生均勻的應變等離子體，因此晶圓邊緣會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。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，而隨后以相對于下方層的更高選擇性蝕刻多晶硅。

在低氣壓氣體環境下，刻蝕設備利用外電場將刻蝕氣體（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、分子及反應活性很強的基團，它們擴散到被刻蝕薄膜表面后與薄膜表面原子反應生成具有揮發性的反應產物，并被真空設備抽離反應腔。因這種反應完全利用化學反應，故稱為化學性刻蝕。這種刻蝕方式與濕法刻蝕類似，只是反應物與產物的狀態從液態改為氣態，并以等離子體來加快反應速率。

物理化學性刻蝕

物理化學性刻蝕又稱為反應離子刻蝕。簡單來說，就是物理性刻蝕和化學性刻蝕結合使用，以實現更高效的刻蝕效果，因此，反應腔里的反應氣體流量反應溫度、反應壓力等，都會影響刻蝕速率和刻蝕質量。

無論是從化學性干法刻蝕還是物理性干法刻蝕，都有其固有的優缺點，而物理化學性刻蝕則作為兩種刻蝕方法的優勢互補存在，集成電路工藝中采用最多的刻蝕方法是結合物理性的等離子襲擊與化學反應的刻蝕。

刻蝕工藝相關氣體應用

同為刻蝕工藝，對應各種各樣的材料和圖形，需要的結果也不相同，刻蝕工藝也都各不相同。刻蝕材料：半導體、半導體薄膜、絕緣薄膜、金屬薄膜等；

同為刻蝕工藝，對應各種各樣的材料和圖形，需要的結果也不相同，刻蝕工藝也都各不相同。刻蝕材料：半導體、半導體薄膜、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）

簡單來說，刻蝕反應使用的氣體能夠與被刻蝕物反應并產生揮發性物質，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定狀態。使用液態氣體時，氣化場所的配置和適當的管道溫度等，都需要相應的應對措施。

附：刻蝕氣體表

刻蝕工藝中的關鍵因素——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。在制造各種芯片和器件時，刻蝕工藝可以對材料進行加工和改良。然而，刻蝕工藝的質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

刻蝕速率是測量刻蝕物質被移除的速率。由于刻蝕速率直接影響刻蝕的產量，因此刻蝕速率是一個重要參數。通過測量刻蝕前后的薄膜厚度，將差值除以刻蝕時間就能計算出刻蝕速率：

刻蝕速率=(刻蝕前厚度-刻蝕后厚度)/刻蝕時間

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

問題：如果熱氧化層的厚度為5000A,經過30s等離子體刻蝕后，厚度變為2400A,求刻蝕速率。

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

問題：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

刻蝕過程重要的一點是要求整個晶圓必須有一個均勻的刻蝕速率，或好的晶圓內(WithinWafer,WIW)均勻性，以及高的重復性，好的晶圓對晶圓均勻性。通常均勻性由測量刻蝕前后晶圓的特定點厚度，并計算這些點的刻蝕速率得出。若它們是x1、x2、xN，其中N表示數據點的總數。

問題：利用五點測量法計算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%

當與代理商或客戶交易時，均勻性的定義很重要，因為不同的定義將產生不同的結果。

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過程中，這三種材料都會受刻蝕劑的化學反應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，特別是對于要被蝕刻的材料和不被移除的材料。

比如，當刻蝕柵電極時(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刻蝕到光刻膠，所以必須有足夠高的多晶硅對光刻膠的選擇性以避免刻蝕完成前損失過多的光刻膠(PR)。多晶硅下方是厚度為15?100A的超薄柵氧化層。這個工藝過程中，多晶硅對氧化物的選擇性必須非常高，才能避免多晶硅過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，因為它能將PR上的圖形轉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，使后續的鎢CVD能夠容易填充而不留空隙。單純的化學刻蝕具有等向性輪廓，在光刻膠下產生底切效應并造成CD損失。底切輪廓是由于反應式離子刻蝕(RIE)過程中過多的蝕刻氣體分子或過多的離子散射到側壁上造成的，RIE結合了物理和化學刻蝕。輪廓底切效應很容易造成后續的沉積過程并在填補空隙或空洞時產生間隙。另外，“I”字形輪廓的形成是因為夾心式薄膜的中間層使用了錯誤的刻蝕化學試劑形成的。

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量和效率的關鍵因素。在實際應用中，需要根據具體情況來選擇合適的刻蝕條件和器件設計，以達到最佳的加工效果。

編輯：黃飛

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