• 干法刻蚀技术

    点击次数:2622 发布时间:2015-08-28

    干法刻蚀技术


    众所周知,在芯片制造的过程中,硅片表面图形的形成主要依靠光刻和刻蚀两大模块。光刻的目的是在硅片表面形成所需的光刻胶图形,刻蚀则紧接其后地将光刻胶的图形转移到衬底或衬底上的薄膜层上。随着特征尺寸要求越来越小,对光刻和刻蚀的要求也越来越高。通常一个刻蚀工艺包含以下特性:

    1. 良好的刻蚀速率均匀性(Uniformity),不仅仅是片内的均匀性(Within Wafer),还包括片与片之间(Wafer to Wafer),批次与批次之间(Lot to Lot)
    2. 高选择比(High Selectivity),被刻蚀材料的刻蚀速率远大于光刻胶和衬底的损失率。
    3. 无残留(Residue Free),刻蚀过程中不应生成不挥发的、难以去除的刻蚀副产品和微粒。
    4. 无损伤(Damage Free),即在刻蚀过程中不应产生任何对衬底、薄膜以及器件的电损伤或等离子损伤。
    5. 不会使光刻胶在刻蚀完成后难以去除。
    6. 可控的良好的侧壁形貌(Side Profile)
    7. 良好的特征尺寸(Critical Dimension)控制
    8. 刻蚀速率(Etching Rate),保证流片量。


    等离子体干法刻蚀通常有三种形式:等离子体刻蚀、离子轰击和两种形式的结合反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching),下表给出三种刻蚀的特点对照。

    离子轰击RIE反应离子刻蚀PE等离子刻蚀
    物理反应,离子轰击物理与化学反应相结合化学反应刻蚀,刻蚀速率高
    各向异性各向异性各向同性
    选择性差较好的选择性良好的选择性
    衬底会有损伤衬底损伤程度介于中间衬底损伤小

    离子轰击顾名思义是利用高能量惰性气体离子轰击硅片表面,达到溅射刻蚀的作用。因为采用这种方法所以可以得到非常小的特征尺寸和垂直的侧壁形貌。这是一种通用"的刻蚀方式,可以在任何材料上形成图形,如钛、金等,可惜离子轰击有其致命弱点:刻蚀速率低下同时选择性比较差,能达到31以属罕见。

    等离子体刻蚀的优势不仅在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌,还可以通过对反应气体的选择达到针对光刻胶和衬底的高选择比。但是因为整个过程完全是化学反应所以对材料的刻蚀是各向同性的,随着工艺尺寸的持续缩小,这一缺点愈显突出,使它的应用越来越越受到限制,一般仅用于对特征形貌没有要求的去胶(Ashing)工艺。

    反应离子刻蚀是上述两种刻蚀方法相结合的产物,它是利用有化学反应性气体产生具有化学活性的基团和离子。经过电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料,产生损伤的表面,这进一步加速了活性刻蚀反应基团与被刻蚀材料的反应速率,正是这种化学和物理反应的相互促进使得反应离子刻蚀具有上述两种干法刻蚀所没有的优越性:良好的形貌控制能力(各向异性);较高的选择比;可以接受的刻速率。正是它的这些优越性使得它成为目前应用范围zui为广泛的干法刻蚀,所以现在我们提到的干法刻蚀一般都是指反应离子刻蚀。


    当刻蚀气体被通入刻蚀反应腔中,在射频电场的作用下产生等离子体辉光放电,反应气体分解成各种中性的化学活性基团,分子、电子、离子;由于电子和离子的质量不同使得质量较轻的电子能够响应射频电场的变化而离子却不能,正是这种差异在电极上产生负偏压 Vdc(Negative DC bias) ,离子在负偏压的加速下轰击硅片表面形成反应离子刻蚀;一个持续的干法刻蚀必须要满足这些条件:在反应腔内有源源不断的自由基团;硅片必须靠等离子体足够近以便反应基团可以扩散到其表面;反应物应被硅片表面吸附以持续化学反应;挥发性的生成物应可从硅片表面解吸附并被抽出反应腔。上面的任一种条件末达到刻蚀过程都会中断。刻蚀的具体过程可描述为如下六个步骤:

    1. 刻蚀物质的产生;
    射频电源施加在一个充满刻蚀 气体的反应腔上,通过等离子体辉光放电产生电子、离子、活性反应基团。
    2. 刻蚀物质向硅片表面扩散;
    3. 刻蚀物质吸附在硅片表面上;
    4. 在离子轰击下刻蚀物质和硅片表面被刻蚀材料发生反应;
    5. 刻蚀反应副产物在离子轰击下解吸附离开硅片表面;
    6. 挥发性刻蚀副产物和其它未参加反应的物质被真空泵抽出反应腔;

    整个过程中有诸多的参数影响刻蚀工艺,其中zui重要的是:压力、气体比率、气体流速、射频电源(RF POWER)。另外硅片的位置和刻蚀设备的结构也会对刻蚀工艺,因此在实际生产中,针对不同的刻蚀膜质设备厂家设计不同的设备,提供不同的气体配比以达到工艺要求。

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