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干法刻蝕技術(shù)

更新時間:2015-08-28      瀏覽次數(shù):5826

干法刻蝕技術(shù)


*,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(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)生成不揮發(fā)的、難以去除的刻蝕副產(chǎn)品和微粒。
  4. 無損傷(Damage Free),即在刻蝕過程中不應(yīng)產(chǎn)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(cè)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(jié)合反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching),下表給出三種刻蝕的特點對照。

離子轟擊RIE反應(yīng)離子刻蝕PE等離子刻蝕
物理反應(yīng),離子轟擊物理與化學反應(yīng)相結(jié)合化學反應(yīng)刻蝕,刻蝕速率高
各向異性各向異性各向同性
選擇性差較好的選擇性良好的選擇性
襯底會有損傷襯底損傷程度介于中間襯底損傷小

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(cè)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31以屬罕見。

等離子體刻蝕的優(yōu)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(yīng)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(yīng)所以對材料的刻蝕是各向同性的,隨著工藝尺寸的持續(xù)縮小,這一缺點愈顯突出,使它的應(yīng)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(yīng)離子刻蝕是上述兩種刻蝕方法相結(jié)合的產(chǎn)物,它是利用有化學反應(yīng)性氣體產(chǎn)生具有化學活性的基團和離子。經(jīng)過電場加速的高能離子轟擊被刻蝕材料,產(chǎn)生損傷的表面,這進一步加速了活性刻蝕反應(yīng)基團與被刻蝕材料的反應(yīng)速率,正是這種化學和物理反應(yīng)的相互促進使得反應(yīng)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(yīng)用范圍的干法刻蝕,所以現(xiàn)在我們提到的干法刻蝕一般都是指反應(yīng)離子刻蝕。


當刻蝕氣體被通入刻蝕反應(yīng)腔中,在射頻電場的作用下產(chǎn)生等離子體輝光放電,反應(yīng)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(zhì)量不同使得質(zhì)量較輕的電子能夠響應(yīng)射頻電場的變化而離子卻不能,正是這種差異在電極上產(chǎn)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(yīng)離子刻蝕;一個持續(xù)的干法刻蝕必須要滿足這些條件:在反應(yīng)腔內(nèi)有*的自由基團;硅片必須靠等離子體足夠近以便反應(yīng)基團可以擴散到其表面;反應(yīng)物應(yīng)被硅片表面吸附以持續(xù)化學反應(yīng);揮發(fā)性的生成物應(yīng)可從硅片表面解吸附并被抽出反應(yīng)腔。上面的任一種條件末達到刻蝕過程都會中斷??涛g的具體過程可描述為如下六個步驟:

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

整個過程中有諸多的參數(shù)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(shè)備的結(jié)構(gòu)也會對刻蝕工藝,因此在實際生產(chǎn)中,針對不同的刻蝕膜質(zhì)設(shè)備廠家設(shè)計不同的設(shè)備,提供不同的氣體配比以達到工藝要求。

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