在眾多半導(dǎo)體工藝中,刻蝕是決定特征尺寸的核心工藝技術(shù)之--,要在Si襯底上獲得一定的結(jié)構(gòu)就需要刻蝕工藝?？涛g工藝的目的是將膠層掩模上的圖形盡可能精確地轉(zhuǎn)移到下面的硅片上。結(jié)構(gòu)尺寸越小,對(duì)刻蝕工藝的要求也就越高。-方面要求高度的各向異性,另一方面要求很高的選擇性和均勻性。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還要從生產(chǎn)效率的角度考慮，要求提高刻蝕速率。刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕。
干法刻蝕以等離子體技術(shù)為基礎(chǔ)。這種方法是將被加工的晶片置于等離子體中,在帶有刻蝕性并有一定能量離子的轟擊下,反應(yīng)生成氣態(tài)物質(zhì),去除被刻材料。包括除等離子體刻蝕外的其他物理和化學(xué)加工方法,例如,激光加工、火花放電加工、化學(xué)蒸氣加工，以及噴粉加工等。這些干法加工技術(shù)中,反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)應(yīng)用最廣泛,也是微納米加工能力最強(qiáng)的技術(shù)。干法刻蝕具有各向異性和控制精確等優(yōu)點(diǎn);但設(shè)備昂貴,過(guò)程復(fù)雜,單片成本較高。
干法刻蝕是用等離子體進(jìn)行薄膜刻蝕的技術(shù)。以等離子體形式存在的氣體,具有兩個(gè)特點(diǎn):一個(gè)是,等離子體中的這些氣體化學(xué)活性比常態(tài)下時(shí)要強(qiáng)很多,根據(jù)被刻蝕材料的不同選擇合適的氣體,就可以更快地與材料進(jìn)行反應(yīng),達(dá)到刻蝕去除的目的;另一個(gè)是，可以利用電場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速,使其具備--定能量,當(dāng)其轟擊被刻蝕物的表面時(shí),將被刻蝕物的原子擊出,從而達(dá)到利用物理上的能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)刻蝕的目的。因此,干法刻蝕是晶圓片表面物理和化學(xué)兩種過(guò)程平衡的結(jié)果。干法刻蝕又分為物理性刻蝕、化學(xué)性刻蝕和物理化學(xué)性刻蝕。
物理性刻蝕又稱為濺射刻蝕,它是利用輝光放電將氣體如氬氣電離成帶正電的離子，在低壓(0.13~13Pa)中加偏壓將離子加速轟擊基片表面,通過(guò)高能惰性氣體離子和基片表面原子間的能量交換達(dá)到去除被刻蝕材料原子的目的。離子刻蝕具有純度高,定向性、均勻性和重復(fù)性好的特點(diǎn),有很高的刻蝕分辨率(0.01μm),并可通過(guò)對(duì)離子人射角的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)刻蝕剖面的控制。缺點(diǎn)是:刻蝕速度慢,刻蝕選擇性差,刻蝕時(shí)會(huì)產(chǎn)生再淀積現(xiàn)象。這種極端的刻蝕方法方向性很強(qiáng),可以做到各向異性刻蝕,但不能進(jìn)行選擇性刻蝕。
化學(xué)性刻蝕利用等離子體中的化學(xué)活性原子團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而達(dá)到刻蝕目的。在低壓(13~1300Pa)下對(duì)氣體施加高頻電場(chǎng)時(shí),氣體原子或分子與具有一定能量的電子發(fā)生碰撞,電離產(chǎn)生由離子、電子及中性原子和分子組成的等離子體。這種低溫等離子體的電離度小,相當(dāng)部分是處于激發(fā)態(tài)的原子和分子,具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，當(dāng)與被刻蝕物接觸時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì),達(dá)到刻蝕目的。由于在低溫(50~200℃)等離子刻蝕中,離子動(dòng)能小，主要是活性物質(zhì)(活性基)的化學(xué)反應(yīng),幾乎無(wú)轟擊作用。另外，因等離子體中的活性物質(zhì)自由程較小,可認(rèn)為到達(dá)欲刻蝕面上各處離子的碰撞概率大致相同,因而刻蝕各向同性。由于刻蝕的核心是化學(xué)反應(yīng)(只是不涉及溶液的氣體狀態(tài)),因此刻蝕的效果和濕法刻蝕有些相近,具有較好的選擇性,但各向異性較差。
對(duì)這兩種極端過(guò)程進(jìn)行折中,得到目前廣泛應(yīng)用的一-些物理化學(xué)性刻蝕技術(shù)。例如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和高密度等離子體刻蝕(HDP)是在等離子刻蝕基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種刻蝕方式,在比等離子刻蝕更低的壓力(1.3-130Pa)下進(jìn)行,反應(yīng)氣體通過(guò)放電產(chǎn)生各種活性等離子體,靠射頻濺射使活性離子做固有的定向運(yùn)動(dòng),既獲得高選擇比,又產(chǎn)生各向異性刻蝕,同時(shí)活性離子在電場(chǎng)作用下破壞了被刻蝕物質(zhì)的原子鍵及清除了反應(yīng)面上的生成物或聚合物，因而加速了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。這種刻蝕既有化學(xué)作用又有物理作用，有良好的刻蝕效果,同時(shí)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。目前,RIE已成為超大規(guī)模集成電路制造工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)。24425