半导体光刻工艺之刻蚀

湿法腐蚀的优点在于可以控制腐蚀液的化学成分，使得腐蚀液对特定薄膜材料的腐蚀速率远远大于其他材料的腐蚀速率，从而提高腐蚀的选择性。但是，由于湿法腐蚀的化学反应是各向同性的，因而位于光刻胶边缘下边的薄膜材料就不可避免的遭到腐蚀，这就使得湿法腐蚀无法满足ULSI工艺对加工精细线条的要求。所以相对于各向同性的湿法腐蚀，各向异性的干法刻蚀就成为了当前集成电路技术中刻蚀工艺的主流。

一、干法刻蚀的原理

干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击去除物质的方法。因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称之为干法刻蚀。干法刻蚀因其原理不同可分为两种，一种是利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀，也称为等离子体刻蚀。第二种是通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使材料表面产生损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀，这种刻蚀是通过溅射过程完成的，也称为溅射刻蚀。上述两种方法的结合就产生了第三种刻蚀方法，称为反应离子刻蚀（简称RIE）。

在干法刻蚀中，纵向上的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率。这样，位于光刻胶边缘下边的材料，由于受到光刻胶的保护就不会被刻蚀。不过，在干法刻蚀的过程中，离子会对硅片上的光刻胶和无保护的薄膜同时进行轰击刻蚀，其刻蚀的选择性就比湿法刻蚀差（所谓的选择性是指刻蚀工艺对刻蚀薄膜和其他材料的刻蚀速率的比值，选择性越高，表示刻蚀主要是在需要刻蚀的材料上进行）。

在等离子体中存在有离子、电子和游离基（游离态的原子、分子或原子团）等，这些游离态的原子、分子或原子团等活性粒子，具有很强的化学活性，如果在这种等离子体中放入硅片，位于硅片表面上的薄膜材料原子就会与等离子体中的激发态游离基发生化学反应，生成挥发性的物质，从而使薄膜材料受到刻蚀，这就是等离子体刻蚀的原理和过程。因为等离子体刻蚀主要是通过化学反应完成的，所以具有比较好的选择性，但是各向异性就相对较差。

在溅射刻蚀过程中，等离子体的高能离子射到硅片表面上的薄膜表面时，通过碰撞，高能离子与被碰撞的原子之间就会发生能量和动量的转移，从而使被撞原子受到扰动。如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原来的结合能（从几个eV到几十个eV）还要大，就会使被撞原子脱离原来的位置飞溅出来，产生溅射现象。例如，辉光放电中产生的氩离子，其能量高达500eV以上，这种高能离子束轰击硅片上的薄膜表面就会形成溅射刻蚀。溅射刻蚀的优点是各向异性刻蚀，而且效果很好，但是对刻蚀的选择性相对较差。

反应离子刻蚀是一种介于溅射刻蚀与等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。在反应离子刻蚀中，同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制。反应离子刻蚀与溅射刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀所使用的气体相同。由于在反应离子刻蚀中化学和物理作用都有助于实现刻蚀，因此就可以灵活的工作条件以求获得最佳的刻蚀效果。举例来说，如果某种气体的等离子体只与Si起化学反应，由于化学反应阻挡层SiO2的存在，就可以得到良好的Si/SiO2刻蚀速率比，从而保证刻蚀选择性的要求。反应离子刻蚀的缺点在于刻蚀重点难以检测。

综上所述，等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间并没有明显的界限，一般来说，在刻蚀中物理作用和化学反应都可以发生。我们分析反应离子刻蚀、等离子体刻蚀和溅射刻蚀之间的关系可以看到：在反应离子刻蚀中，物理和化学作用都特别重要；在等离子体刻蚀中，物理效应很弱，主要是化学反应；而在溅射刻蚀中，几乎是纯物理作用。比较这三种刻蚀技术我们还可以发现，它们都是利用低压状态下（约0.01—133Pa）气体放电来形成等离子体作为干法刻蚀的基础，其区别是放电条件、使用气体的类型和所用反应系统的不同。刻蚀反应的模式取决于刻蚀系统的压力、温度、气流、功率和相关的可控参数。目前，在集成电路工艺过程中广泛使用的是反应离子技术。下面简要介绍采用干法刻蚀对集成电路制造中常用材料的刻蚀情况。

二、二氧化硅和硅的干法刻蚀

二氧化硅在集成电路工艺中的应用非常广泛，它可以作为隔离MOSFET的场氧化层，或者是MOSFET的栅氧化层，也可以作为金属间的介电材料，直至作为器件的最后保护层。因此，在集成电路工艺中对SiO2的刻蚀是最为频繁的。在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳（CF4），现在使用比较广泛的气体主要有CHF3、Ｃ2F4、SF4，其目的都是用来提供碳原子核和氟原子与SO2进行反应。以CF4为例，当CF4与高能量电子（约10eV以上）碰撞时，就会产生各种离子、原子团、原子和游离基。其中产生氟游离基和CF3分子的电离反应。氟游离基可以与SiO, 和Si 发生化学反应。反应将生成具挥发性的四氟化硅（SiF4)。

CF4+e——CF3 十F(游离基）＋e

SiO2+4F——SiF4(气）＋02

Si+4F——SiF4(气）

在ULSI工艺中对SiO2 的干法刻蚀主要是用于刻蚀接触窗口，以MOSFET的接触窗口刻蚀为例。在MOSFET的上方覆盖有SiO2 层（通常是硼磷硅玻璃，简称BPSG), 为了实现金属层与 MOSFET的源／漏极之间的接触，需要刻蚀掉位于 MOSFET源／漏极上方的SiO2。为了使金属与 MOSFET源／漏极能够充分接触，源／漏极上方的SiQ2必须彻底清除。但是在使用CF4等离子体对SiO2进行刻蚀时，等离子体在刻蚀完 SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。因此，在刻蚀硅上的二氧化硅时，必须认真考虑刻蚀的选择性问题。

为了解决这一问题，在CF4 等离子体中通常加人一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图形边缘的剖面效果。

在使用CF4对硅和二氧化硅进行等离子刻蚀时，如果在CF4的等离子体中加人适量的氧气，氧气也同样被电离。其中，氧原子将与CF4反应生成CO和CO2 , 以及少量的COF2 ,另一方面，氟原子在与SiO2反应的同时，还与CF4原子团（x≤3)结合而消耗掉。在纯CF4等离子体中，由于存在使氟原子消耗的反应，造成氟原子的稳态浓度比较低，所以刻蚀的速度也比较慢。如果加入氧，则氧可与CFx原子团形成COF2 , CO和CO2, 造成CF, 原子团耗尽，从而减少了氟原子的消耗，进而使得CFx等离子体内的氟原子数对碳原子数的比例上升，其结果是氟原子的浓度增加，从而加快SiO2 的刻蚀速度。

对于CF, 刻蚀Si薄膜，也有相同的情况。在CF4刻蚀二氧化硅的过程中，氧的组分大约占20%时刻蚀的速度达到最大值。而使用CF4刻蚀硅，刻蚀速度最大时氧的组分大约占12% 。继续增加氧的组分，刻蚀速度将会下降，而且硅刻蚀速度的下降程度比刻蚀二氧化硅快。对于刻蚀 SiO2而言，氧的组分达到23%之前，刻蚀速度都是增加的，在达到氧组分临界值之后，由于氟原子浓度被氧冲淡，刻蚀速度开始下降。另一方面，由干于反应是在薄膜表面进行的，在刻蚀硅的情况下，氧原子倾向于吸附在Si的表面上，这样就部分地阻挡了氟原子加人反应。随着更多氧的吸附，对Si的刻蚀影响进一步增加。而在刻蚀二氧化硅时就不存在类似的效应。因为等效地看，SiO2的表面一开始就被氧原子所包围。因此，对硅的刻蚀速度最大时，其氧气的组分要小于刻蚀 SiO2的情况。

如果在CF4等离子体中加人氢，情况就会完全不同。在反应离子刻蚀二氧化硅的过程中，在相当低的气压下加大氢的组分，二氧化硅的刻蚀速度随氢的组分的增加而缓慢减小，这种情况可以持续到氢的组分大约占40%.而对于硅的刻蚀来说，刻蚀速度随氢组分的增加快速下降，当氢的组分大于40%时，对Si的刻蚀将停止。在CF4等离子体中加人氢对刻蚀的影响情况。

我们可以通过CF4等离子体刻蚀Si和SiO2的化学反应机制来解释这一现象。在刻蚀Si的过程中，氟原子与氢原子发生反应，从而使氢原子的浓度下降，这样等离子体中碳的含量升高，刻蚀反应就会被生成高分子聚合物的反应所代替，这就减小了对Si的刻蚀速度。另一方面，CFx(x≤3)原子团也可以与Si反应，生成挥发性的 SiF, 但是反应剩余的碳原子会吸附在Si的表面上，这些碳原子就会妨碍后续反应的进行。对于刻蚀SiO2的情况，氟原子也会与氢原子发生反应，氢原子的浓度下降也使SiO2的刻蚀速度减缓。面与刻蚀Si的情况不同的是，在CFx(x≤3)原子团与SiO2反应生成挥发性的SiF4的同时，CFx(XNe+>He+。大量的研究结果表明，这些离子的加速作用与动量转移有关。但是，在CF4及其有关气体的等离子体刻蚀中，情况又不一样，这里离子本身就含有反应剂（例如CF3+）。在用XeF2刻蚀Si，并同时进行离子轰击的情况下，若用CF3+代替Ar+进行轰击，其刻蚀速率基本上不发生变化。因此，高能离子通过物理过程可以增强反应过程，与离子的化学反应无关。

对于反应离子刻蚀，等离子体中产生的主要是中性反应物，这些中性反应物先吸附于固体表面，再与表面原子反应，形成的反应物再解析成挥发性物质，整个反应可有等离子体中的高能离子诱发并加速。当然，高能离子提高反应速率的程度取决于所用的气体，材料和工艺参数的选取。

五、气体成份

气体成份在等离子体刻蚀或反应离子到蚀中是影响刻蚀速率和选择性的关键因素，表8、1是VLSI制造中常用材料的一些代表性刻蚀气体。由表8.1可见，除了去除光削胶和刻蚀有机质之外，VLSI中主要使用卤素气体。选择气体的主要依据是，在等离子刻蚀温度(室温附近)下，它们是否能和剥蚀材料形成挥发性或准挥发性卤化物，由于含卤气体能相当容易地剂蚀VLSI所用的无机材料，而且工艺危害也很小，所以，卤化毒气体占有主要优势。

在反应刻蚀中，经常使用的是含多种成份的混合气体，这些混合气体由一种主要气体加入一种或几种添加剂组成，添加剂的作用是改善刻蚀速率、选择性、均匀性和刻蚀剖面。例如，在刻蚀Si和SiO2时，使用CF4为主的混合气体，

六、气体流速

气体流速决定反应剂的有效供给程度。反应剂的实际需要取决于有效反应物质产生与消耗之间的平衡过程，刻蚀剂损失的主要机制是漂移、扩散、复合以及附着和输运。

在一般工作条件中，气体流速射到蚀邃率R的影响不大，在极端情况下，可以观察到气体液邃的影响，例如，诙邃很小，刻蚀速率受反应剂供给量的限制1相反，当流邃很大时，输运成为反应剂损失的主要原因。是否发生输出损失取决于泵速、气体和反应器内的材料，在一般情况下，活性反应剂的寿命根短，流速的影响不必考虑}当活性剂的寿命较长(例如F原子)时，流速对刻蚀速率R产生影响，由图8.34可见，R-1是流速的线性函数，这与反应剂滞留时间与流速的关系一致，说明在所示的条件下，活性剂的寿命由输运损失决定。

七、温度

在反应剥蚀中，M度对刻蚀速率的影响主要是通过化学反应j直率体现的。为获得均匀、重复的刻蚀速率，必须认真控制衬底温度，等离子体加热是衬底温度上升的主要原因；此外，刻蚀过程的放热效应也不可忽视。

八、压力、功率密度和频率

压力、功率密度和频率都是独立的工艺参数，但在实际中，它们各自对刻蚀工艺的影响是难以预计的。压力和频率较低，而功率密度较高，可以提高电子能量和人射离子的能量，增加功率也可提高等离子体中活性剂和离子的密度。因此，在离子加速反应刻蚀中，降低压力或频率，或增加功率密度，可以获得更好的各向异性刻蚀。

一般刻蚀速率单调地随功率而增加。由于外加功率几乎都要转变为热量，因此，在功率密度板高时，样品温度升高，需要考虑衬底散热，否则，会造成有害的影响。

系统压力对到蚀速率的影响，随刻蚀材料及气体的不同而有明显的差异。随着系统压力増加，刻蚀速率增大，选择合适的刻蚀条件可以获得最大的刻恤速率。

频率主要是通过离子能量面影响到蚀速率。放电的工作电压障频率的降低而增加，因而离子的轰击能量在低频下将比高频下的高，又因为刻蚀速率与您轰击能量成正比，所以，在低频下能获得比较高的划蚀速率。

九、负载效应

在反应刻蚀的过程中，刻蚀的速率往往隲刻蚀面积的增大而减小，这种现象称为负载效应。当反应剂与剥蚀材料的反应迅速时，容易产生负戦效应。如果刻蚀是反应剂的主要损失机制，则刻蚀材料的表面积越大，反应剂的消耗速率就越快。活性物质的产生率由工艺参数(例如压力、功率、频率等)决定，与到蚀材料的多少无关、这样，反应刑的平衡浓度可由产生率和损失率之差决定，在反应离子刻蚀的过程中，刻蚀速率只与被刻蚀的面积成反比，刻蚀的速率R随被刻蚀的面积的増大而减小。这说明在一次刻蚀的过程中，需要刻蚀的硅片数目越多，由于反应原子和原子团的消耗，整体的刻蚀速率就越慢。若等离子体中反应刑的寿命很短，负载效应很小就可以忽略，反应剂的损失机构主要由刻蚀消耗所决定。

在集成电路工艺中，负载效应的出现，将影响图形尺寸的精确控制，因为，随着刻蚀到达终点，被腐材料的表面积迅速减小，此时的刻蚀速率就会比正常划蚀速率高得多，不但进行过刻蚀，而且也加速了倒向刻蚀，给条宽的控制造成困难。

从某种意义上说，负载效应是一种宏观过程，反应室中某个硅片的存在将影响另一硅片的刻蚀速率，这就意味着等离子体中反应剂的输运过程非常迅速，以致等离子体中的反应剂并不存在多大的浓度梯度。当然，被多打虫图形的尺寸和密度不同，也会影响刻蚀速率，这可能是由于反应速率不同，引起反应剂的局部浓度梯度而造成的。