半導(dǎo)體八大工藝之刻蝕工藝-干法刻蝕

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

1.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(méi)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。

2.等離子刻蝕

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?；顫姟Ｗ鳛橹行詺怏w，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(kāi)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(méi)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。