半導(dǎo)體干法刻蝕技術(shù)解析

文章來源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

主要介紹幾種常用于工業(yè)制備的刻蝕技術(shù)，其中包括離子束刻蝕（IBE）、反應(yīng)離子刻蝕（RIE）、以及后來基于高密度等離子體反應(yīng)離子的電子回旋共振等離子體刻蝕（ECR）和電感耦合等離子體刻蝕（ICP）。

刻蝕是指通過物理或化學(xué)方法對(duì)材料進(jìn)行選擇性的去除，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖形的一種技術(shù)。

目前的半導(dǎo)體器件許多采用臺(tái)面型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，臺(tái)面形成的方法主要有濕法腐蝕和干法刻蝕兩種，盡管在半導(dǎo)體器件的制備中，簡單而快速的濕法腐蝕發(fā)揮了很大的作用，但由于該方法同時(shí)又具有腐蝕各向同性、均勻性較差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在完成小尺寸的圖形轉(zhuǎn)移時(shí)表現(xiàn)出較差的控制性。

而干法刻蝕因具有高度的各向異性、均勻性好、重復(fù)性高等優(yōu)勢開始在半導(dǎo)體器件的制備工藝中脫穎而出。

干法刻蝕技術(shù)其實(shí)是一個(gè)非常寬泛的概念，可泛指一切用于去除表面材料、實(shí)現(xiàn)微納圖形轉(zhuǎn)移的非濕法刻蝕技術(shù)，包括激光刻蝕、氣浴刻蝕以及化學(xué)蒸汽刻蝕等多種技術(shù)手段。

這篇文章提到的干法刻蝕技術(shù)是基于等離子體放電產(chǎn)生的物理或化學(xué)過程對(duì)材料表面進(jìn)行加工處理的狹義的干法刻蝕。

離子束刻蝕

離子束刻蝕（Ion Beam Etching，IBE）又被稱為離子銑，是上個(gè)世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的一種純物理刻蝕技術(shù)，其原理是利用惰性氣體（例如 Ar，Xe 等）產(chǎn)生的離子束經(jīng)加速電壓作用后高速轟擊靶材表面，轟擊過程中離子束不斷的將能量傳遞給材料表面原子，當(dāng)表面原子積累的能量大于其自身結(jié)合能時(shí)，則會(huì)脫離固體表面發(fā)生濺射，從而達(dá)到刻蝕的目的，其原理示意圖如圖所示。

該技術(shù)采用加速電壓控制離子束的方向及能量，因而刻蝕表現(xiàn)出極好的各向異性和速率可控性，加之其完全屬于純物理刻蝕，可應(yīng)用的材料范圍也非常廣，至今在刻蝕化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的材料（例如陶瓷、某些金屬等）時(shí)依然發(fā)揮著重要作用。但正因?yàn)槿绱耍摷夹g(shù)的掩膜選擇比往往較低，在刻蝕較深的溝槽時(shí)需要采用很厚的掩膜而影響刻蝕精度；且高速轟擊的離子束容易造成表面晶格損傷，給器件帶來不可避免的電學(xué)損傷。

反應(yīng)離子刻蝕

反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）是在IBE基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一類化學(xué)反應(yīng)為主、離子物理轟擊為輔的干法刻蝕技術(shù)。與 IBE 相比，RIE 具有更高的刻蝕速率且同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)異的各向異性以及大面積均勻性，是目前微納加工過程中使用最為廣泛的刻蝕技術(shù)之一。

其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，當(dāng)在平行板電極系統(tǒng)兩側(cè)施加射頻電壓時(shí)，腔室內(nèi)的電子會(huì)加速轟擊反應(yīng)氣體導(dǎo)致其發(fā)生電離，電離過程中會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生自由電子繼續(xù)參與碰撞，直至達(dá)到平衡的輝光放電狀態(tài)，在平行板一側(cè)形成穩(wěn)定的等離子體。由于電子的質(zhì)量較輕因而運(yùn)動(dòng)速度也比較快，陽極附近的電子在射頻電壓的加速下碰撞到接地的金屬內(nèi)壁被直接導(dǎo)走，而陰極附近的電子則被基板吸附形成負(fù)電荷積累，從而導(dǎo)致整個(gè)等離子體帶了一定的正電勢，而陰極基板處于負(fù)電位狀態(tài)，在腔室內(nèi)部自然形成一定的電勢差，帶正電的等離子體在該偏置電壓的作用下加速轟擊到與陰極電極互連的待刻樣品表面，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕作用。

刻蝕過程中整個(gè)腔室保持在一定的低壓環(huán)境下（0.1~10 Pa），半真空環(huán)境在一定程度提高了反應(yīng)氣體電離率，同時(shí)也加速了中性活性基團(tuán)到達(dá)樣品表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。一般而言，RIE 刻蝕需要反應(yīng)生成物具有一定的揮發(fā)性，以便在刻蝕過程中能及時(shí)有效的被真空系統(tǒng)抽離，從而避免二次沉積從而保持刻蝕的高精度。

在 RIE 刻蝕系統(tǒng)中，射頻電場的 RF 功率直接決定了等離子體的濃度以及加速偏置電壓的大小，繼而可以控制刻蝕速率。但遺憾的是，RIE 在提高等離子密度的同時(shí)也會(huì)提高加速偏置電壓，加速轟擊離子使其具有較高的能量，可能會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生晶格損傷，同時(shí)也降低了掩膜選擇比，因此在刻蝕應(yīng)用中還是具有一定限制。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，晶體管的尺寸不斷縮小，對(duì)微納加工技術(shù)的精度、深寬比等指標(biāo)提出了更高的要求，由此基于高密度等離子體的干法刻蝕技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為電子信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來了新的曙光。

電子回旋共振等離子體刻蝕

早期的一種實(shí)現(xiàn)高密度等離子體的方式是基于微波電子回旋共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，即電子回旋共振等離子體刻蝕（Electron Cyclotron Resonance，ECR）技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

該系統(tǒng)從頂部導(dǎo)入高頻微波（~2.5GHz），利用微波與腔體內(nèi)的電子形成共振，并在腔體外側(cè)施加與之頻率匹配的、均勻分布的磁場，使電子發(fā)生回旋共振以獲得較高的能量，從而提高電離率。通過該方法可以得到高于 10E11/cm3的等離子體密度，較RIE至少提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（10E9~10E10/cm3）。同時(shí)，底部樣品臺(tái)依舊與射頻源相連，通過控制射頻源功率可以獨(dú)立控制等離子體的加速偏置電壓。

ECR 刻蝕技術(shù)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了RIE 刻蝕技術(shù)等離子體密度和偏置電壓不能分別控制的缺點(diǎn)，同時(shí)高密度的等離子體大大提高了刻蝕速率和掩膜選擇比，促進(jìn)了微納加工中超高深寬比刻蝕圖形的實(shí)現(xiàn)。

但該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依托于微波源、射頻源、磁場等多個(gè)系統(tǒng)的共同作用，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都比較復(fù)雜，同時(shí)存在各個(gè)射頻源之間相互調(diào)節(jié)匹配的問題，給實(shí)際操作也帶來一定難度。因此在 ECR 刻蝕技術(shù)提出不久后，又衍生出了新的 ICP 刻蝕技術(shù)。

電感耦合等離子體刻蝕

電感耦合等離子體刻蝕（Inductively Coupled Plasma，ICP）技術(shù)在ECR技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化，采用兩個(gè)13.56MHz的射頻源分別控制等離子體的產(chǎn)生和加速偏置電壓的大小，同時(shí)通過螺旋線圈感應(yīng)出交變電磁場的方式代替 ECR 中的外部磁場，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，射頻源通過電磁耦合將能量傳遞給內(nèi)部電子，電子在感應(yīng)電磁場內(nèi)做回旋運(yùn)動(dòng)碰撞反應(yīng)氣體使其電離，且可以獲得與 ECR 相當(dāng)?shù)牡入x子體密度。ICP 刻蝕技術(shù)基本上兼顧了上述幾種刻蝕系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足了高刻蝕速率、高選擇比、大面積均勻性且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單易控等需求，因此也迅速取代了 ECR 成為了新一代高密度等離子刻蝕技術(shù)的首選。

干法刻蝕的特點(diǎn)

干法刻蝕技術(shù)以各向異性度好、刻蝕速率高等優(yōu)點(diǎn)取代了濕法腐蝕并迅速在微納加工中占領(lǐng)了主要地位。

好的干法刻蝕技術(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要有：掩膜選擇比、各向異性度、刻蝕速率、整體均勻性、表面平滑晶格損傷等。由于評(píng)估指標(biāo)眾多，具體情況還是需要根據(jù)制備需求而定。

對(duì)于干法刻蝕而言，其最直觀的考察指標(biāo)即表面形貌，包括刻蝕底面及側(cè)壁平整度、刻蝕臺(tái)面的各向異性度等，且二者均可通過控制化學(xué)反應(yīng)與物理轟擊的比例調(diào)控。刻蝕后的微觀形貌表征主要采用掃描電子顯微鏡以及原子力顯微鏡完成。

掩膜選擇比即相同刻蝕條件、相同刻蝕時(shí)間內(nèi)掩膜的刻蝕深度與材料的刻蝕深度之比，一般而言，選擇比越好，圖形轉(zhuǎn)移精度也越高。

ICP 刻蝕常用的掩膜主要有光刻膠、金屬以及介質(zhì)膜等，其中光刻膠的選擇比較差且在高溫或高能量轟擊下容易變性；而金屬具有極高的選擇比，但在去除掩膜時(shí)存在一定難度，往往需要采取多層掩膜的方式進(jìn)行，且金屬掩膜在刻蝕過程中可能會(huì)附著在臺(tái)面?zhèn)缺谛纬陕╇娡ǖ馈Ｒ虼瞬捎煤线m的掩膜工藝對(duì)于刻蝕尤其重要，掩膜材料的選擇也要根據(jù)具體器件的性能來確定！