干法刻蚀基础知识及应用

1 刻蚀介绍及分类

1.1关于刻蚀

    刻蚀，是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目的，是在涂胶(或有掩膜)的硅片上正确的复制出掩膜图形。

    刻蚀，通常是在光刻工艺之后进行。我们通常通过刻蚀，在光刻工艺之后，将想要的图形留在硅片上。从这一角度而言，刻蚀可以被称之为最终的和最主要的图形转移工艺步骤。在通常的刻蚀过程中，有图形的光刻胶层〔或掩膜层)将不受到腐蚀源显著的侵蚀或刻蚀，可作为掩蔽膜，保护硅片上的部分特殊区域，而未被光刻胶保护的区域，则被选择性的刻蚀掉。

1.2干法刻蚀与湿法刻蚀

在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。

干法刻蚀，是利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于等离子体中的硅片行物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法。该工艺技术的突出优点在于，可以获得极其精确的特征图形。超大规模集成电路的发展，要求微细化加工工艺能够严格的控制加工尺寸，要求在硅片上完成极其精确的图形转移。任何偏离工艺要求的图形或尺寸，都可能直接影响产品性能或品质，给生产带来无法弥补的损害。由于干法刻蚀技术在图形轶移上的突出表现，己成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方法。在特征图形的制作上，已基本取代了湿法腐蚀技术。

    对于湿法腐蚀，就是用液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学的方式去除硅片表面的材料。

    当然，在通过湿法腐蚀获得特征图形时，也要通过经光刻开出的掩膜层窗口，腐蚀掉露出的表面材料。但从控制图形形状和尺寸的准确性角度而言，在形成特征图形方面，湿法腐蚀一般只被用于尺寸较大的情况(大于3微米)。但由于它的高选择比和批量制作模式，湿法腐蚀仍被广泛应用在腐蚀层间膜、去除干法刻蚀残留物和颗粒等工艺步骤中。

2 干法刻蚀的原理

2.1干法刻蚀中的等离子体

    干法刻蚀工艺是利用气体中阴阳粒子解离后的等离子体来进行刻蚀的。所谓的等离子体，宇宙中99%的物质，均处于等子状态。其中包含了中性的粒子、离子和电子，它们混合在一起，表现为电中性。在干法刻蚀中，气体中的分子和原子，通过外部能量的激发，形成震荡，使质量较轻的电子脱离原子的轨道与相邻的分子或原子碰撞，释放出其他电子，在这样的反复过程中，最终形成气体离子与自由活性激团。而干法刻蚀，则利用了气体等离子体中的自由活性激团与离子，与被刻蚀表面进行反应，以此形成最终的特征图形。

2.2干法刻蚀的特征

    干法刻蚀与湿法腐蚀工艺利用药液处理的原理不同，干法刻蚀在刻蚀表面材料时，既存在化学反应又存在物理反应。因此在刻蚀特性上既表现出化学的等方性，又表现出物理的异方性。

所谓等方性，是指纵横两个方向上均存在刻蚀。而异方性，则指单一纵向上的刻蚀。 

2.3干法刻蚀过程

我们可以了解到干法刻蚀的主要过程。反应腔体内气体等离子体中的离子，在反应腔体的扁压作用下，对被刻蚀的表面进行轰击，形成损伤层，从而加速了等离子中的自由活性激团在其表面的反应，经反应后产生的反应生成物，一部分被分子泵从腔体排气口排出，一部分则在刻蚀的侧壁上形成淀积层。干法刻蚀就是在自由活性激团与表面反应和反应生成物不断淀积的过程中完成的。离子轰击体现了干法刻蚀的异方性，而由于侧壁的淀积，则很好的抑制了自由活性激团反应时，等方性作用对侧壁的刻蚀。正因为干法刻蚀这一物理反应和化学反应相结合的独特方式，在异方性和等方性的相互作用下，可以精确的控制图形的尺寸和形状，体现出湿法刻蚀无法比拟的优越性，成为亚微米图形刻蚀的主要工艺技术之一。

3 干法刻蚀的应用

随着微细化加工的深入发展，干法刻蚀工艺技术已贯穿了整个制品流程，参与到了各个关键的工艺工序中。从器件隔离区、器件栅极、LDD侧壁保护、接触孔与通孔、孔塞、上下部配线的形成，到金属钝化以及光刻胶的剥离与底部损伤层的修复，均涉及了干法刻蚀技术。

3.1刻蚀气体的分类

    主要分为：惰性系、腐蚀系、氧化系以及C，F系。

3.2刻蚀反应的分类

    刻蚀反应，包括了物理反应和化学反应。根据等离子体中自由活性激团与主要表面材料的刻蚀反应，其基本化学反应式可归纳为如下几种。

SiO2: 3SiO2+4CF3*→3SiF4 ↑+2CO↑+2CO2 ↑

Si: Si+4F*→SiF4↑  Si+4C1*→SiCl4 ↑

W: W+6F*→WF6↑

A1: A1+3C1*→A1C13↑

    当然，在实际的刻蚀过程中，根据加工工序的要求，以及被刻蚀图形的膜层结构，还包括了上述以外的其他材料。如，金属刻蚀中的Ti, TiN；金属配线层之间的有机或无机silica；钝化刻蚀中的SiON3；以及其他介质膜刻蚀中的SiN等。

3.3刻蚀应用的分类

    干法刻蚀，主要应用在图形形成工艺中。随着在生产制造上的广泛应用，针对图形加工，干法刻蚀可细致的被分为：有图形刻蚀和无图形刻蚀两大类。

大部分干法刻蚀工艺，涉及有图形刻蚀。而对于部分无图形刻蚀，仍然可以通过干法刻蚀来完成。如，LDD侧壁、孔塞、光刻胶的剥离。虽然在前儿节中曾描述了无图形刻蚀是湿法腐蚀的项目之一。但根据生产工艺的需要，在部分关键的无图形刻蚀中，均采用了干法刻蚀技术。除剥离工艺外，类似这样的全面干法刻蚀，通常被称为回刻(即，ETCH BACK)。如，LDD的侧壁刻蚀。LDD侧壁的形状和尺寸的好坏，会直接影响器件的特性，用干法刻蚀进行刻蚀的控制是最好的选择。加上湿法腐蚀对于氧化膜的腐蚀作用和等方性特征，是无法形成LDD侧壁的特殊形貌的。

另外，在钨塞的形成工艺中，采用了钨的干法回刻工艺。湿法的全面腐蚀是无法精确控制钨塞损失量的。而在剥离方面，如STI氮化硅剥离和钦在制备晶体管侧墙注入时与硅化物结合后的剥离。对光刻胶而言，则是另一个干法剥离的例子。

干法刻蚀根据被刻蚀的材料类型，可系统的分成三种。即，金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅、氮化硅等。上述涉及介质的刻蚀，均属于介质刻蚀。硅刻蚀(包括多晶硅)，应用于需要去除硅的场合，如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容等。金属刻蚀，则主要在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。关于钨的刻蚀，从目前的亚微米芯片制造来看，钨配线在制程过程中已很少被采用，与钨刻蚀相关的刻蚀工艺，大多为钨塞的回刻工艺。至于接触金属刻蚀，是指金属硅化物的刻蚀。金属硅化物是难熔金属与硅的合金。接触金属等离子刻蚀与通常的金属配线刻蚀略有不同，主要采用氟基气体(如，NF3和SF6)，在增大刻蚀速率的情况下，具有良好的尺寸控制特性。在接触金属刻蚀中，形成接触的部分是一个自对准工艺。因此，在刻蚀时往往不需要光刻胶或其他种类的掩蔽膜。

4 干法刻蚀设备

4.1干法刻蚀反应器

讨论干法刻蚀设备，先要介绍一下等离子刻蚀反应器。干法等离子反应器有以下儿种类型：圆桶式等离子体反应器；平板(平面)反应器；顺流刻蚀系统；三极平面反应器；离子铣；反应离子刻蚀(RIE )；高密度等离子体刻蚀机。

从干法刻蚀等离子形成的方式而言，干法刻蚀方式主要包括有机放电和无机放电两大类。有电极放电主要有:R工E-Reactive Ion Etch(高周波、低周波、2周波、相位制御)。无电极放电主要为:诱导放电、U波、ECR-Electron Cycbrton Resonance。

4.2终点检测系统

终点检测系统，是干法刻蚀除等离子刻蚀反应腔体外，又一重要的系统。在干法刻蚀过程中，被刻蚀层材料与最终刻蚀停止层的材料之间往往没有好的选择比，所以需要通过终点检测系统来监控刻蚀过程，判断刻蚀停止的最佳位置，以减少对刻蚀停止层的的过度刻蚀。

终点检测系统，是利用等离子体发光强度的变化来进行检测的。当检测刻蚀气体的发光强度时，通常在终点检出后，检出波形上升。而当检测反应生成物的发光强度时，在终点检出后，检出波形下降。而作为检出的终点，也就是刻蚀停止的地方，则发生在波形上升或下降的拐点附近。对于终点的具体检出位置，将依据检出窗口的大小，停止在波形变化的某一个区域。较为普遍的终点检测方法，是采用光发射谱，可以很方便的对刻蚀腔体进行实时监测。关于终点检出的波形，可以根据发光强度变化量的一次或二次微分换算而成。了解终点检测的波形形成方式，掌握终点检测窗口的设置，对于准确设置刻蚀工艺条件，是非常重要的。