干法刻蝕技術

干法刻蝕技術

*，在芯片制造的過程中，硅片表面圖形的形成主要依靠光刻和刻蝕兩大模塊。光刻的目的是在硅片表面形成所需的光刻膠圖形，刻蝕則緊接其后地將光刻膠的圖形轉移到襯底或襯底上的薄膜層上。隨著特征尺寸要求越來越小，對光刻和刻蝕的要求也越來越高。通常一個刻蝕工藝包含以下特性：

1. 良好的刻蝕速率均勻性(Uniformity)，不僅僅是片內的均勻性(Within Wafer)，還包括片與片之間(Wafer to Wafer)，批次與批次之間(Lot to Lot)。
2. 高選擇比(High Selectivity)，被刻蝕材料的刻蝕速率遠大于光刻膠和襯底的損失率。
3. 無殘留(Residue Free)，刻蝕過程中不應生成不揮發的、難以去除的刻蝕副產品和微粒。
4. 無損傷(Damage Free)，即在刻蝕過程中不應產生任何對襯底、薄膜以及器件的電損傷或等離子損傷。
5. 不會使光刻膠在刻蝕完成后難以去除。
6. 可控的良好的側壁形貌(Side Profile)。
7. 良好的特征尺寸(Critical Dimension)控制
8. 刻蝕速率(Etching Rate)，保證流片量。

等離子體干法刻蝕通常有三種形式：等離子體刻蝕、離子轟擊和兩種形式的結合反應離子刻蝕（Reactive Ion Etching），下表給出三種刻蝕的特點對照。

離子轟擊顧名思義是利用高能量惰性氣體離子轟擊硅片表面，達到濺射刻蝕的作用。因為采用這種方法所以可以得到非常小的特征尺寸和垂直的側壁形貌。這是一種“通用"的刻蝕方式，可以在任何材料上形成圖形，如鈦、金等，可惜離子轟擊有其致命弱點：刻蝕速率低下同時選擇性比較差，能達到3：1以屬罕見。

等離子體刻蝕的優勢不僅在于快速的刻蝕速率同時可獲得良好的物理形貌，還可以通過對反應氣體的選擇達到針對光刻膠和襯底的高選擇比。但是因為整個過程*是化學反應所以對材料的刻蝕是各向同性的，隨著工藝尺寸的持續縮小，這一缺點愈顯突出，使它的應用越來越越受到限制，一般僅用于對特征形貌沒有要求的去膠(Ashing)工藝。

反應離子刻蝕是上述兩種刻蝕方法相結合的產物，它是利用有化學反應性氣體產生具有化學活性的基團和離子。經過電場加速的高能離子轟擊被刻蝕材料，產生損傷的表面，這進一步加速了活性刻蝕反應基團與被刻蝕材料的反應速率，正是這種化學和物理反應的相互促進使得反應離子刻蝕具有上述兩種干法刻蝕所沒有的*性：良好的形貌控制能力(各向異性)；較高的選擇比；可以接受的刻速率。正是它的這些*性使得它成為目前應用范圍的干法刻蝕，所以現在我們提到的干法刻蝕一般都是指反應離子刻蝕。

當刻蝕氣體被通入刻蝕反應腔中，在射頻電場的作用下產生等離子體輝光放電，反應氣體分解成各種中性的化學活性基團，分子、電子、離子；由于電子和離子的質量不同使得質量較輕的電子能夠響應射頻電場的變化而離子卻不能，正是這種差異在電極上產生負偏壓 Vdc(Negative DC bias) ，離子在負偏壓的加速下轟擊硅片表面形成反應離子刻蝕；一個持續的干法刻蝕必須要滿足這些條件：在反應腔內有*的自由基團；硅片必須靠等離子體足夠近以便反應基團可以擴散到其表面；反應物應被硅片表面吸附以持續化學反應；揮發性的生成物應可從硅片表面解吸附并被抽出反應腔。上面的任一種條件末達到刻蝕過程都會中斷。刻蝕的具體過程可描述為如下六個步驟：

1. 刻蝕物質的產生；
射頻電源施加在一個充滿刻蝕 氣體的反應腔上，通過等離子體輝光放電產生電子、離子、活性反應基團。
2. 刻蝕物質向硅片表面擴散；
3. 刻蝕物質吸附在硅片表面上；
4. 在離子轟擊下刻蝕物質和硅片表面被刻蝕材料發生反應；
5. 刻蝕反應副產物在離子轟擊下解吸附離開硅片表面；
6. 揮發性刻蝕副產物和其它未參加反應的物質被真空泵抽出反應腔；

整個過程中有諸多的參數影響刻蝕工藝，其中zui重要的是：壓力、氣體比率、氣體流速、射頻電源（RF　POWER）。另外硅片的位置和刻蝕設備的結構也會對刻蝕工藝，因此在實際生產中，針對不同的刻蝕膜質設備廠家設計不同的設備，提供不同的氣體配比以達到工藝要求。