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1微加工技术——刻蚀简介自从半导体诞生以来，很大程度上改变了人类的生产和生活。半导体除了在计算机领域应用之外，还广泛地应用于通信、网络、自动遥控及国防科技领域。本文主要介绍半导体制造工艺中的刻蚀工艺。随着半导体制造大规模集成电路技术的发展，图形加工线条越来越细，硅片尺寸越来越大，对刻蚀工艺的要求也越来高。因此，学习了解刻蚀工艺十分必要。本文将主要从刻蚀简介、刻蚀参数及现象、干法刻蚀和湿法刻蚀四个方面进行论述。1、刻蚀简介1.1刻蚀定义及目的刻蚀就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形。刻蚀的基本目的，是在涂光刻胶(或有掩膜)的硅片上正确的复制出掩膜图形[1]。刻蚀，通常是在光刻工艺之后进行。通过刻蚀，在光刻工艺之后，将想要的图形留在硅片上。从这一角度而言，刻蚀可以被称之为最终的和最主要的图形转移工艺步骤。在通常的刻蚀过程中，有图形的光刻胶层〔或掩膜层)将不受到腐蚀源显著的侵蚀或刻蚀，可作为掩蔽膜，保护硅片上的部分特殊区域，而未被光刻胶保护的区域，则被选择性的刻蚀掉。其工艺流程示意图如下。21.2刻蚀的分类从工艺上分类的话，在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。干法刻蚀，是利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于等离子体中的硅片行物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法[1]。该工艺技术的突出优点在于，是各向异性刻蚀（侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度，侧向几乎不被腐蚀），因此可以获得极其精确的特征图形。超大规模集成电路的发展，要求微细化加工工艺能够严格的控制加工尺寸，要求在硅片上完成极其精确的图形转移。任何偏离工艺要求的图形或尺寸，都可能直接影响产品性能或品质，给生产带来无法弥补的损害。由于干法刻蚀技术在图形转移上的突出表现，己成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方法。在特征图形的制作上，已基本取代了湿法腐蚀技术。对于湿法腐蚀，就是用液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学的方式去除硅片表面的材料。当然，在通过湿法腐蚀获得特征图形时，也要通过经光刻开出的掩膜层窗口，腐蚀掉露出的表面材料。但从控制图形形状和尺寸的准确性角度而言，由于湿法刻蚀是各向同性刻蚀（侧向与纵向腐蚀速度相同），在形成特征图形方面，湿法腐蚀一般只被用于尺寸较大的情况(大于3微米)。由于这一特点，湿法腐蚀远远没有干法刻蚀的应用广泛。但由于它的高选择比和批量制作模式，湿法腐蚀仍被广泛应用在腐蚀层间膜、去除干法刻蚀残留物和颗粒等工艺步骤中。干法刻蚀和湿法刻蚀的区别可以见如下示意图。（a）湿法刻蚀的各向同性刻蚀剖面（b）干法刻蚀的各向异性刻蚀剖面从刻蚀材料上来分类的话，刻蚀主要可分为金属刻蚀、介质刻蚀、硅（多晶硅）刻蚀。32、刻蚀参数及现象在刻蚀过程中，刻蚀速率、均匀性、选择比是刻蚀最主要的刻蚀参数。以下我们将分别进行介绍。2.1刻蚀速率刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面材料的速度，通常用A/min表示。通常对于量产，为提高产能，希望有较高的刻蚀速率。在采用单片工艺的干法刻蚀设备中，这一参数是非常重要的。刻蚀速率的计算公式如下[1]ER(etchrate)=△T/tER：刻蚀速率；△T：刻蚀量；t：刻蚀时间；刻蚀量单位为(A或µm)，刻蚀时间单位为分钟(min)。刻蚀速率由工艺和设备变量决定。如，被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构配置、使用的气体和工艺参数设置。刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度。硅片表面几何形状等因素不同，可造成不同的硅片之间不同的刻蚀速率。如，被刻蚀的面积较大，则会消耗较多的刻蚀剂，也就是说大部分气相刻蚀基在等离子反应过程中被消耗了，刻蚀剂浓度下降，刻蚀速率就随之减慢。反之，需刻蚀的面积较小，刻蚀速率就相对快些。这种现象，被称为负载效应。对于负载效应带来的刻蚀速率的变化，在有效的终点检测中起着重要的作用。2.2均匀性刻蚀速率的均一性，直接影响刻蚀整体的均匀性，是保证硅片刻蚀图形一致性的基础参数。其计算公式如下[1]Ux=士Eave/2(Emax-Emin)*100%E：面内各点刻蚀速率的平均值；Emax：面内刻蚀速率最大值；Emin：面内刻蚀速率最小值；µx：被刻蚀材料x的速率均一性，Ux的单位为(士%)等离子密度的分布、刻蚀腔体的构造均会影响刻蚀速率的均一性。一般而言，刻蚀速率的均一性受刻蚀腔体的限制，不同的刻蚀设备之间，在某一刻蚀速率的均一性上会有差别，体现出不同设备的性质。42.3选择比选择比，指在同一种刻蚀条件下，被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比值。如，对光刻胶的选择比计算公式，如下所示[1]：Sr=Ef/ErSr：对光刻胶的选择比，Ef:：被刻蚀材料刻蚀速率，Er：光刻胶刻蚀速率选择比低可以低到1:1，意味着被刻材料和另一种材料被去除的一样快。而选择比高可以高到100:1甚至100以上，意味着被刻蚀材料相对与另一种材料易被去除，而在去除过程中，不影响对另一种材料的刻蚀，将过刻蚀影响降致最低。至于刻蚀条件中，应使用多高的选择比，则应根据被刻蚀膜膜质的情况、图形的结构和对所要刻蚀图形的形状、尺寸的要求，来选择适当的选择比。选择比高，有利于刻蚀高宽比较高的图形。但，对于多层膜结构的图形，在进行层间刻蚀时，则不适合使用选择比高的刻蚀条件。基于以上基本参数，我们可以根据工艺的需要，在调整实际刻蚀工艺参数时，对这些基础刻蚀参数进行选择和组合，以获得满足需要的刻蚀图形。另外，从刻蚀管理的角度而言，除如上三种基本刻蚀参数外，刻蚀的整体均匀性、腔体之间的工艺差、刻蚀中的颗粒污染、残留物、等离子损伤等，均属于刻蚀参数范畴。它们将在刻蚀的整个工艺评价中，被逐一确认。只有既达到刻蚀参数的要求，又能刻蚀出符合规格的图形，这样的刻蚀条件，才能被应用在实际的量产中。3、干法刻蚀3.1干法刻蚀原理干法刻蚀，是利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于等离子体中的硅片行物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法。所谓的等离子体，是宇宙中常见的物质，其中包含了中性的粒子、离子和电子，它们混合在一起，表现为电中性。在干法刻蚀中，气体中的分子和原子，通过外部能量的激发，形成震荡，使质量较轻的电子脱离原子的轨道与相邻的分子或原子碰撞，释放出其他电子，在这样的反复过程中，最终形成气体离子与自由活性激团。而干法刻蚀，则利用了气体等离子体中的自由活性激团与离子，与被刻蚀表面进行反应，以此形成最终的特征图形[2]。53.2干法刻蚀过程干法刻蚀的过程如下图所示。干法刻蚀时，在样品表面同时发生物理作用和化学作用。反应腔体内气体等离子体中的离子，在反应腔体的扁压作用下，对被刻蚀的表面进行轰击，形成损伤层，从而加速了等离子中的自由活性激团在其表面的化学反应，经反应后产生的反应生成物，一部分被分子泵从腔体排气口排出，一部分则在刻蚀的侧壁上形成淀积层。干法刻蚀就是在自由活性激团与表面反应和反应生成物不断淀积的过程中完成的。离子轰击体现了干法刻蚀的各向异性，而由于侧壁的淀积，则很好的抑制了自由活性激团反应时，同性作用对侧壁的刻蚀[3]。正因为干法刻蚀这一物理反应和化学反应相结合的独特方式，在各向异性和各向同性的相互作用下，可以精确的控制图形的尺寸和形状，体现出湿法刻蚀无法比拟的优越性，成为亚微米图形刻蚀的主要工艺技术之一。刻蚀时，刻蚀气体主要分为惰性系、腐蚀系、氧化系以及C，F系等几类。刻蚀反应，包括了物理反应和化学反应。根据等离子体中自由活性激团与主要表面材料的刻蚀反应，其基本化学反应式可归纳为如下几种。SiO2:3SiO2+4CF3*→3SiF4↑+2CO↑+2CO2↑Si:Si+4F*→SiF4↑Si+4C1*→SiCl4↑W:W+6F*→WF6↑6A1:A1+3C1*→A1C13↑当然，在实际的刻蚀过程中，根据加工工序的要求，以及被刻蚀图形的膜层结构，还包括了上述以外的其他材料。如金属刻蚀中的Ti,TiN；金属配线层之间的有机或无机silica；钝化刻蚀中的SiON3；以及其他介质膜刻蚀中的SiN等。3.3干法刻蚀应用分类干法刻蚀，主要应用在图形形成工艺中。随着在生产制造上的广泛应用，针对图形加工，干法刻蚀可细致的被分为：有图形刻蚀和无图形刻蚀两大类。大部分干法刻蚀工艺，涉及有图形刻蚀。而对于部分无图形刻蚀，仍然可以通过干法刻蚀来完成。如LDD侧壁、孔塞、光刻胶的剥离。虽然无图形刻蚀是湿法腐蚀的项目之一，但根据生产工艺的需要，在部分关键的无图形刻蚀中，均采用了干法刻蚀技术，如LDD的侧壁刻。LDD侧壁的形状和尺寸的好坏，会直接影响器件的特性，用干法刻蚀进行刻蚀的控制是最好的选择。加上湿法腐蚀对于氧化膜的腐蚀作用和各向同性特征，是无法形成LDD侧壁的特殊形貌的。另外对光刻胶的剥离则是另一个干法刻蚀的例子。根据各加工工序、被刻蚀材料膜质的不同，干法刻蚀工艺又可以被细分成如下几项：a.硅基板刻蚀(siliconetch)b.氮化膜刻蚀(SiNetch)。c.金属多晶硅刻蚀(W-silicideetch)d.多晶硅刻蚀(poly-siliconetch)。e.金属刻蚀(metaletch)f.金属钝化刻蚀(SioN3etch)g.去胶刻蚀(Ashetch)综上所述，干法刻蚀根据被刻蚀的材料类型，可系统的分成三种。即金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅、氮化硅等。上述涉及介质的刻蚀，均属于介质刻蚀。硅刻蚀(包括多晶硅)，应用于需要去除硅的场合，如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容等。金属刻蚀，则主要在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。3.4干法刻蚀设备7讨论干法刻蚀设备，先要介绍一下等离子刻蚀反应器。等离子刻蚀反应器有以下几种类型：圆桶式等离子体反应器、平板(平面)反应器、顺流刻蚀系统、三极平面反应器、离子铣、反应离子刻蚀(RIE)、高密度等离子体刻蚀机[5]。从干法刻蚀等离子形成的方式而言，干法刻蚀方式主要包括有电极放电和无电极放电两大类。有电极放电主要有:RIE即ReactiveIonEtch(高周波、低周波、2周波、相位制御)。无电极放电主要为:诱导放电、U波、ECR-ElectronCycbrtonResonance[6]。所谓低周波，是指采用400kHz低周波的放电模式。上下部电极共用一个RF电源，离子追随底周波电界Vpp运动，可获得较大的离子能量，适用于氧化膜刻蚀。所谓2周波，则指在上部电极加载27MHz的周波，产生中密度的等离子体，在下部电极加载800kHz的周波，制御离子能量。这时，等离子密度与离子能量是分别独立控制的。此类装置适合于氧化膜刻蚀。所谓相位制御，是指上下部电极间加载13.56MHz周波后，上下部的电源间由相位控制器(phasecontroller)进行位相制御。由位相控制离子能量，此类装置适合poly-silicon与poly-silicide刻蚀。RIE反应离子刻蚀腔体，该干法刻蚀进行时，在高真空腔体内，导入气体。在平行电极板之间，加载13.56MHz高周波，使导入的气体分子解离，产生离子和具有高反应性能的自由活性激团，用于其后的刻蚀反应。这一特性，体现出干法刻蚀的化学特性。在上下极板之间产生直流自偏置电压(DCbias)，放置硅片的下部电极则处于负电位状态，等离子中的正离子在负电位的牵引下，得到加速，到达硅片表面。这一特点，体现了干法刻蚀的物理特性，使得朝硅片运动的离化基具有方向性，以此获得较好的侧壁图形。RIE刻蚀适用于氮化膜、氧化膜以及较早时期的钨刻蚀[7]。诱导放电刻蚀腔体，在上部线圈上加载2MHzRF，形成等离子体，并由下部电极加载13.56MHz的RF，用于控制离子能量。诱导放电模式中，等离子体密度与离子能量可以独立的被控制。同时，由于上部线圈的高RF，使这一诱导放电模式，可获得高密度的等离子体。此类设备，非常适用于铝、钨等金属膜质的刻蚀。作为诱导放电方式，包括了电子回旋加速反应器(ECR)、电感祸合(ICP)、双等离子体