半導(dǎo)體蝕刻

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在半導(dǎo)體器件的制造中，蝕刻是指將選擇性地從襯底上的薄膜中去除材料的技術(shù)（在其表面上有或沒有先有結(jié)構(gòu)），并通過這種去除在襯底上形成該材料的圖案。該圖案由耐蝕刻工藝的掩模限定，該掩模的產(chǎn)生在光刻中詳細(xì)描述。一旦放置好掩模，就可以通過濕化學(xué)或“干”物理方法蝕刻不受掩模保護(hù)的材料。圖1顯示了此過程的示意圖。

從歷史上看，直到VLSI和ULSI技術(shù)問世之前，濕式化學(xué)方法在蝕刻圖案定義中都起著重要作用。但是，隨著器件特征尺寸的減小和表面形貌的日益嚴(yán)格，濕法化學(xué)蝕刻逐漸取代了干法蝕刻技術(shù)。這種變化主要是由于濕法刻蝕的各向同性。如圖2所示，濕法蝕刻會沿所有方向去除材料，這會導(dǎo)致由掩模定義的特征尺寸與在基板上復(fù)制的特征尺寸之間存在差異。與較大的特征尺寸相比，VLSI和ULSI設(shè)計要求掩模與圖形特征尺寸相關(guān)性要精確得多。此外，先進(jìn)設(shè)備中的長寬比（深度與寬度之比）增加了，要達(dá)到這些比例，就需要具有使用定向蝕刻技術(shù)各向異性地蝕刻材料的能力。圖3提供了有助于理解各向同性與各向異性特征生成和方向蝕刻的示意圖。濕法蝕刻在先進(jìn)工藝中的最終應(yīng)用受到了打擊，這可能是因為許多用于設(shè)備制造的較新材料沒有可用于蝕刻的易濕化學(xué)物質(zhì)。這些問題相結(jié)合，使?jié)穹ㄎg刻技術(shù)幾乎只能用于清潔而不是蝕刻應(yīng)用中。只有具有相對較大特征尺寸的設(shè)備（例如某些MEMS結(jié)構(gòu)）才繼續(xù)采用濕法進(jìn)行蝕刻。在下面詳細(xì)討論了表面清潔 各向異性特征生成和定向蝕刻。濕法蝕刻在先進(jìn)工藝中的最終應(yīng)用受到了打擊，這可能是因為許多用于設(shè)備制造的較新材料沒有可用于蝕刻的易濕化學(xué)物質(zhì)。這些問題相結(jié)合，使?jié)穹ㄎg刻技術(shù)幾乎只能用于清潔而不是蝕刻應(yīng)用中。只有具有相對較大特征尺寸的設(shè)備（例如某些MEMS結(jié)構(gòu)）才繼續(xù)采用濕法刻蝕。在下面詳細(xì)討論了表面清潔 各向異性特征生成和定向蝕刻。濕法蝕刻在先進(jìn)工藝中的最終應(yīng)用受到了打擊，這可能是因為許多用于設(shè)備制造的較新材料沒有可用于蝕刻的易濕化學(xué)物質(zhì)。這些問題相結(jié)合，使?jié)穹ㄎg刻技術(shù)幾乎專用于清洗，而不是用于蝕刻應(yīng)用。只有具有相對較大特征尺寸的設(shè)備（例如某些MEMS結(jié)構(gòu)）才繼續(xù)采用濕法刻蝕。在下面詳細(xì)討論了表面清潔 在先進(jìn)工藝中的實用性可能是由于許多用于設(shè)備制造的較新材料沒有可用于蝕刻的易濕化學(xué)物質(zhì)。這些問題相結(jié)合，使?jié)穹ㄎg刻技術(shù)幾乎只能用于清潔而不是蝕刻應(yīng)用中。只有具有相對較大特征尺寸的設(shè)備（例如某些MEMS結(jié)構(gòu)）才繼續(xù)采用濕法刻蝕。在下面詳細(xì)討論了表面清潔 在先進(jìn)工藝中的實用性可能是由于許多用于設(shè)備制造的較新材料沒有可用于蝕刻的易濕化學(xué)物質(zhì)。這些問題相結(jié)合，使?jié)穹ㄎg刻技術(shù)幾乎只能用于清潔而不是蝕刻應(yīng)用中。只有具有相對較大特征尺寸的設(shè)備（例如某些MEMS結(jié)構(gòu)）才繼續(xù)采用濕法刻蝕。在下面詳細(xì)討論了表面清潔晶圓表面清潔。

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各向異性蝕刻使用了一系列技術(shù)，這些技術(shù)被稱為“干式”蝕刻。這些技術(shù)普遍用于VLSI和ULSI器件制造中的蝕刻，它們將是本節(jié)中詳細(xì)討論的唯一方法。干蝕刻可以通過諸如離子沖擊之類的物理手段去除材料，伴隨著材料從襯底的彈出或通過化學(xué)反應(yīng)將襯底材料轉(zhuǎn)換成可以被抽走的揮發(fā)性反應(yīng)產(chǎn)物。干法蝕刻技術(shù)包括以下常用方法（蝕刻過程是通過化學(xué)蝕刻，物理蝕刻還是括號中所述的組合進(jìn)行）：

各向同性徑向蝕刻（化學(xué)）

反應(yīng)離子蝕刻（化學(xué)/物理）

濺射蝕刻（物理）

離子銑削（物理）

離子束輔助蝕刻（物理）

反應(yīng)離子束蝕刻（化學(xué)/物理）

所有干法蝕刻技術(shù)都是在真空條件下進(jìn)行的，壓力在一定程度上決定了蝕刻現(xiàn)象的性質(zhì)。

表1取自Wolf和Tauber，顯示了不同蝕刻方法的相對壓力范圍和一般特性。盡管用于蝕刻的設(shè)備和工藝特性有許多特定的變化形式，但我們將討論限于對工藝基礎(chǔ)和表1中確定的三種主要蝕刻方法的簡要說明。

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基本流程

有關(guān)等離子體刻蝕基礎(chǔ)知識的深入討論可在許多教科書中找到（Wolf和Tauber，Sze），感興趣的讀者可以參考這些資料。在這里，我們僅提供等離子體生成基本原理的最簡單描述。在等離子蝕刻過程中，許多物理現(xiàn)象正在起作用。當(dāng)使用電極（在直流電或射頻激勵的情況下）或波導(dǎo)（在微波的情況下）在等離子室中產(chǎn)生強(qiáng)電場時，該電場會加速任何可用的自由電子，從而提高其內(nèi)部能量（存在在任何環(huán)境中都是由宇宙射線等產(chǎn)生的自由電子）。自由電子與氣相中的原子或分子發(fā)生碰撞，如果電子在碰撞中將足夠的能量轉(zhuǎn)移到原子/分子上，將發(fā)生電離事件，產(chǎn)生一個正離子和另一個自由電子。盡管如此，傳遞不足能量以進(jìn)行電離的碰撞仍可以傳遞足夠的能量以產(chǎn)生穩(wěn)定但具有反應(yīng)性的中性物質(zhì)（即分子自由基）。當(dāng)向系統(tǒng)提供足夠的能量時，將生成包含自由電子，正離子和反應(yīng)性中性離子的穩(wěn)定的氣相等離子體。

在等離子體蝕刻工藝中，來自等離子體的原子和分子離子和/或反應(yīng)性中性離子可用于通過物理或化學(xué)途徑或通過采用兩者的機(jī)制從襯底去除材料。通過使用強(qiáng)電場將正原子離子（通常是重惰性元素（如氬氣）的離子）向基板加速，可以完成純物理蝕刻（圖4）。這種加速將能量賦予離子，并且當(dāng)離子撞擊基材表面時，其內(nèi)部能量會轉(zhuǎn)移到基材中的原子上。如果傳遞了足夠的能量，則底物原子將被噴射到氣相中，并被真空系統(tǒng)泵出。入射離子在碰撞中被中和，由于它是氣體，因此它解吸到氣相中以重新電離或泵出系統(tǒng)。

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化學(xué)蝕刻與物理蝕刻的不同之處在于，它采用了在等離子體內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)性中性物質(zhì)與基材之間的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)蝕刻最常見的類型涉及鹵化物化學(xué)，其中氯或氟原子是蝕刻過程中的活性劑。蝕刻工藝的代表性化學(xué)方法是使用NF 3進(jìn)行硅蝕刻。此蝕刻過程中的化學(xué)反應(yīng)順序為：

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NF 3在等離子體中解離以產(chǎn)生高反應(yīng)性的原子氟自由基。這些自由基與基材中的硅反應(yīng)，生成四氟化硅SiF 4，它是一種可被抽走的揮發(fā)性氣體。以這種方式，從襯底蝕刻硅。與濕法刻蝕一樣，化學(xué)刻蝕是各向同性的，沒有方向性（圖5）。其原因是反應(yīng)性中性物的粘附系數(shù)相對較低，因此大多數(shù)與基材表面的碰撞不會導(dǎo)致蝕刻，而是會導(dǎo)致反應(yīng)性中性物簡單地解吸回到氣相中。這種現(xiàn)象導(dǎo)致被蝕刻的特征內(nèi)的蝕刻過程不均勻，最終導(dǎo)致蝕刻中的各向同性。

現(xiàn)代設(shè)備制造中使用的大多數(shù)蝕刻技術(shù)都結(jié)合了物理和化學(xué)蝕刻方面。在反應(yīng)離子蝕刻等工藝中（RIE），通過對襯底施加偏壓來實現(xiàn)定向蝕刻，從而使來自等離子體的離子種類朝著襯底表面加速。它們在那里與表面和反應(yīng)性中性物相互作用，產(chǎn)生可被抽走的揮發(fā)性產(chǎn)物（圖6）。RIE中的離子能量遠(yuǎn)低于物理蝕刻技術(shù)所采用的離子能量，并且離子轟擊效應(yīng)可忽略不計。離子能量向表面的轉(zhuǎn)移可通過改善被轟擊表面上反應(yīng)物的吸附性（進(jìn)入的離子會在優(yōu)先發(fā)生吸附和反應(yīng)的情況下產(chǎn)生高能缺陷）以及增強(qiáng)的副產(chǎn)物解吸作用（進(jìn)入的離子能轉(zhuǎn)移到表面）來增強(qiáng)方向性。反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)致它們從表面解吸）。