半导体刻蚀技术简介终稿

一、等离子体刻蚀技术的产生：在积体电路制造过程中，常需要在晶圆上定义出极细微尺寸的图案，这些图案主要的形成方式，乃是藉由刻蚀技术，将微光刻后所产生的光阻图案忠实地转印至光阻下的材质上，以形成积体电路的复杂架构。因此蚀刻技术在半导体制造过程中占有极重要的地位。广义而言，所谓的蚀刻技术，包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部份去除的技术。而其中大略可分为湿式蚀刻与干式蚀刻两种技术。早期半导体制程中所采用的蚀刻方式为湿式蚀刻，即利用特定的化学溶液将待蚀刻薄膜未被光阻覆盖的部分分解，并转成可溶于此溶液的化合物后加以排除，而达到蚀刻的目的。湿式蚀刻的进行主要是藉由溶液与待蚀刻材质间的化学反应，因此可藉由调配与选取适当的化学溶液，得到所需的蚀刻速率，以及待蚀刻材料与光阻及下层材质良好的蚀刻选择比（选择性）。然而，随着积体电路中的元件尺寸越做越小，由于化学反应没有方向性，因而湿式蚀刻是各向同性的，此时，当蚀刻溶液做纵向蚀刻时，侧向的蚀刻将同时发生，进而造成咬边现象，导致图案线宽失真。因此湿式蚀刻在次微米元件的制程中已被干式蚀刻所取代。干式蚀刻通常指利用辉光放电方式，产生包含离子，电子等带电粒子及具有高度化学活性的中性原子与分子及自由基的电浆来进行图案转印的蚀刻技术。由部份解离的气体及等量的带正，负电荷粒子所组成的等离子体被称为电浆。蚀刻用的电浆中，气体的解离程度很低，其中所含的气体具高度的活性，它是利用外加电场的驱动而形成，并且会产生辉光放电现象。自1970年代以来元件制造首先开始采用电浆蚀刻技术，对于电浆化学新的了解与认知也就蕴育而生。在现今的积体电路制造过程中，必须精确的控制各种材料尺寸至次微米大小且具有极高的再制性，而由于电浆蚀刻是现今技术中唯一能极有效率地将此工作在高良率下完成，因此电浆蚀刻便成为积体电路制造过程中的主要技术之一。影响电浆蚀刻特性好坏的因素包括了：1）电浆蚀刻系统的型态，2）电浆蚀刻的参数;3）前制程相关参数，如光阻，待蚀刻薄膜之沉积参数条件，待蚀刻薄膜下层薄膜的型态及表面的平整度等。二、电浆的基本概念：1、电浆形成的原理：电浆的产生可藉由直流（DC）的偏压或交流射频（RF）的偏压下的电场形成，而在电浆中的电子来源通常有二：一为分子或原子解离后所产生的电子，另一则为离子撞击电极所产生的二次电子，在直流（DC）的电场下产生的电浆其电子源主要以二次电子为主，而交流射频（RF）的电场下产生的电浆其电子源则以分子或原子解离后所产生的电子为主。在电浆蚀刻中以直流方式产生辉光放电的缺点包含了：1）需要较高的功率消耗，也就是说产生的离子密度低;2）须要以离子撞击电极以产生二次电子，如此将会造成电极材料的损耗。三）所需之电极材料必须为导体如此一来将不适用于晶圆制程中。在射频放电状况下，由于高频操作，使得大部份的电子在半个周期内没有足够的时间移动至正电极，因此这些电子将会在电极间作振荡，并与气体分子产生碰撞。而射频放电所需的振荡频率下限将视电极间的间距，压力，射频电场振幅的大小及气体分子的解离位能等因素而定，而通常振荡频率下限为50kHz的。一般的射频系统所采用的操作频率大都为13.56。相较于直流放电，射频放电具有下列优点：1）放电的情况可一直持续下去而无需二次电子的发射，当晶圆本身即为电极的一部份时，这点对半导体材料制程就显得十分重要了;2）由于电子来回的振荡，因此离子化的机率大为提升，蚀刻速率可因而提升;3）可在较低的电极电压下操作，以减低电浆对元件所导致之损坏;4）对于介电质材料同样可以运作。现今所有的电浆系统皆为射频系统。另外值得一提的是在射频系统中一个重要的参数是供给动力的电极面积与接地电极面积之比。2、等效电子及离子温度存在于电浆中的电场分别施力于带正电荷之离子与代负电荷之电子，女=é*q时，而加速度为a=男/女，由于离子质量远大于电子，因此电子所获得的加速度与速度将远大于离子，以致电子的动能远大于离子，电子与离子间处于一非平衡状态。从气体动力论中，得知Ekinetic=（3/2）KT公司，由此可知，等效电子温度远大于等效离子温度，如此可视为“热”电子处于“冷”电浆之中。因此电子能够在低温的状态下提供一般在高温下才能使分子解离所需要的能量。在一般蚀刻用的电浆中，等效的电子温度约为10000-100000°K的。3、电浆蚀刻中的基本物理及化学现象在干式蚀刻中，随着制程参数及电浆状态的改变，可以区分为两种极端的性质的蚀刻方式，即纯物理性蚀刻与纯化学反应性蚀刻。纯物理性蚀刻可视为一种物理溅射方式，它是利用辉光放电，将气体如氩气，解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被蚀刻物的表面，而将被蚀刻物质原子击出。此过程乃完全利用物理上能量的转移，故谓之物理性蚀刻。其特色为离子撞击拥有很好的方向性，可获得接近垂直的蚀刻轮廓。但缺点是由于离子是以撞击的方式达到蚀刻的目的，因此光阻与待蚀刻材料两者将同时遭受蚀刻，造成对遮罩物质的蚀刻选择比变差，同时蚀刻终点必须精确掌控，因为以离子撞击方式蚀刻对于底层物质的选择比很低。且被击出的物质往往非挥发性物质，而这些物质容易再度沉积至被蚀刻物薄膜的表面或侧壁。加上蚀刻效率偏低，因此，以纯物理性蚀刻方式在积体电路制造过程中很少被用到。纯化学反应性蚀刻，则是利用电浆产生化学活性极强的原（分）子团，此原（分）子团扩散至待蚀刻物质的表面，并与待蚀刻物质反应产生挥发性之反应生成物，并被真空设备抽离反应腔。因此种反应完全利用化学反应来达成，故谓之化学反应性蚀刻。此种蚀刻方式相近于湿式蚀刻，只是反应物及产物的状态由液态改变为气态，并利用电浆来促进蚀刻的速率。因此纯化学反应性蚀刻拥有类似于湿式蚀刻的优点及缺点，即高选择比及等向性蚀刻。在半导体制程中纯化学反应性蚀刻应用的情况通常为不需做图形转换的步骤，如光阻的去除等。一个仅基于化学反应机制的理想干蚀刻过程可分为以下几个步骤：1）反应气体进入腔体，2）产生电浆形态之蚀刻物种，如离子及自由基，3）蚀刻物种藉由扩散，碰撞或场力移至待蚀刻物表面并吸附于表面;4）蚀刻物种停滞在待蚀刻物表面一段时间;5）进行化学反应并产生挥发性之生成物;6）生成物脱离表面;7）脱离表面之生成物扩散至气体中。上述步骤中若其中一个停止发生，则整个反应将不再进行。而其中生成物脱离表面的过程最为重要，大部份的反应物种皆能与待蚀刻物表面产生快速的反应，但除非生成物有合理的蒸气压以致让其脱离表面，否则反应将不会发生。综观而论，纯物理性蚀刻，如离子束蚀刻有两大缺点：一为低选择比，一为低蚀刻效率而纯化学反应蚀刻也有两个缺点：。一为等向性蚀刻，另一为无法应用至次微米的元件制程上，包含了线宽控制与均匀性等问题。最具广泛使用的方法便是结合物理性蚀刻与化学反应性蚀刻，即所谓的活性离子蚀刻，此种蚀刻方式兼具非等向性及高选择比等双重优点，蚀刻的进行主要靠化学反应来达成，以获得高选择比加入离子撞击的作用有二：一是将待蚀刻物质表面的原子键结破坏，以加速蚀刻速率;二是将再沉积于待蚀刻。物质表面的产物或聚合物打掉，以便待蚀刻物质表面能再与反应蚀刻气体接触。非等向性蚀刻的达成，则是靠再沉积的产物或聚合物，沉积于待蚀刻图形上，在表面的沉积物可被离子打掉，蚀刻可继续进行，而在侧壁上的沉积物，因未受离子的撞击而保留下来，阻隔了表面与反应蚀刻气体的接触，使得侧壁不受侵蚀，而获得非等向性蚀刻。综合以上所言，电浆蚀刻的完成包含了以下几种过程：1）化学反应，属等向性，2）离子辅助蚀刻，具方向性，3）保护层的形成，可避免侧壁遭受蚀刻4）生成物残留的排除。垂直的蚀刻轮廓，主要源自于两大原因：一为垂直方向的离子撞击，加速垂直方向的蚀刻;一为侧壁保护层的形成而侧壁保护层的形成种类有下列。几种方式：1）非挥发性的副产物，例如：SiBr4，二氧化硅，BrxOy2）光阻蚀刻时所产生之聚合物;3）聚合物气体，例如：CFX的CClx中，x34）侧壁表面氧化或氮化，例如：AlxNy，SixOy。4、电浆蚀刻机制以硅蚀刻为例反应后的产物为挥发性之SiF4及SiF2。若以纯四氟化碳电浆气体蚀刻硅或氧化硅薄膜，则蚀刻速率相对很慢。但若将少量的氧气加入的CF4气体中，则硅或氧化硅薄膜的蚀刻速率将大幅度增加，氧气的加入通常伴随着电浆中氟原子密度的增加，此乃由于氧与CF4的反应而释出氟原子所致，可能的反应为：。四氟化碳+氧气àCOF2+2楼。氧气的加入并且消耗掉部份的碳，使得电浆中的氟碳比增加，进而增进了硅或氧化硅薄膜的蚀刻速率。在氧的添加后，对硅的蚀刻速率提升要比氧化硅来得快，由此可知，氧的加入将使得氧化硅对硅的蚀刻速率选择比降低。但若将氧的含量持续增加，则额外的氧将会把氟原子的浓度稀释，因而造成蚀刻速率的降低。如果我们在四氟化碳中加入氢气，则氢气分解成氢原子后与氟原子反应形成氟化氢（HF）的。对硅的蚀刻而言，氟原子浓度减少，使得蚀刻速率直线下降。对氧化硅的蚀刻而言，虽然高频可蚀刻氧化硅，但蚀刻速率仍比原来慢了点。因此，适量氢气的加入可提升氧化硅对硅的蚀刻选择比。图5-6为加入氢气后，硅，氧化硅及光阻蚀刻速率的变化情形。5、氟碳比模型（氟对碳比模型）在氟碳化物的电浆中，氟的作用是与基材表面反应，产生挥发性的产物，并藉由真空设备带出腔体外，因此当氟的成份增加时，蚀刻速率增加。碳在电浆中的作用为提供聚合物的来源，因此碳会抑制蚀刻的进行，当碳的成份增加时，将使得蚀刻速率减缓。基于上述之原理，我们可以藉由电浆中的氟/碳的比的变化来推测反应进行的方向。在添加其它气体的状况下，亦会改变氟/碳比，因此反应的趋势可借此来预知，此即称之为氟碳比模型。氟碳比模型适用于以氟碳化物电浆作为主要蚀刻机构的材料，除硅，氧化硅之外，在氮化钛，氮化硅，钨等均可适用。以硅，氧化硅为例，在硅表面上的反应只会消耗氟，而碳并不会损失。因此在蚀刻的过程中氟碳比（F值/C）下降，当晶片上硅表面积曝露于电浆增加时，蚀刻速率将变慢。而当加入氧气时会消耗许多碳原子而形成一氧化碳或二氧化碳，且氟原子的解离也因而增加，因此氟碳比（F值/C）上升，蚀刻速率也跟着上升。加入氢气则会消耗氟原子形成高频，氟碳比（F值/C）因而下降，对硅的蚀刻速率也就下降;但对氧化硅而言，因其含有氧的成份，可局部性地消耗碳的成份，因此氟碳比（男/三）在局部区域呈现不变的情形，使得氧化硅的蚀刻速率变化较小。除了加入氧气及氢气外，加入CHF3，或以CHF3，C2F4等氟碳比小于4的气体来取代CF4的，亦可达到降低氟碳比（F值/C），提高蚀刻选择比的效果。6、电浆蚀刻制程参数电浆蚀刻制程参数一般包括了射频（RF）的功率，压力，气体种类及流量，蚀刻温度及腔体的设计等因素，而这些因素的综合结果将直接影响蚀刻的结果，射频（RF）的功率是用来产生电浆及提供离子能量的来源，因此功率的改变将影响电浆中离子的密度及撞击能量而改变蚀刻的结果。压力也会影响离子的密度及撞击能量，另外也会改变化学聚合的能力。蚀刻反应物滞留在腔体内的时间正比于压力的大小，一般说来，延长反应物滞留的时间将会提高化学蚀刻的机率并且提高聚合速率气体流量的大小会影响反应物滞留在腔体内的时间;增加气体流量将加速气体的分布并可提供更多未反应的蚀刻反应物，因此可降低负载效应;改变气体流量也会影响蚀刻速率。原则上温度会影响化学反速率及反应物的吸附系数，提高晶片温度将使得聚合物的沉积速率降低，导致侧壁的保护减低，但表面在蚀刻后会较为干净;增加腔体的温度可减少聚合物沉积于管壁的机率，以提升蚀刻制程的再现性。晶圆背部氦气循环流动可控制蚀刻时晶圆的温度与温度的均匀性，以避免光阻烧焦或蚀刻轮廓变形。其他尚须考量的因素还有腔体的材质，一般常见的材质包含铝，陶瓷，石英，硅及石墨等，不同的腔体材质会产生不同的反应产物并会改变蚀刻的直流偏压。应用干式蚀刻时主要须注意蚀刻速率，均匀度，选择比及蚀刻轮廓等。蚀刻速率越快，则产能越快，有助于降低成本提升竞争力。蚀刻速率通常可由气体种类，流量，电浆源及功率等所控制，一般而言，在其他因素尚可接受的范围内，蚀刻速率越快越好。均匀度是晶圆上不同位置蚀刻差异的一个指标，均