干法蝕刻簡介
自1970年代以來組件制造首先開始采用電漿蝕刻技術(shù)，對于電漿化學(xué)新的了解與認知也就蘊育而生。在現(xiàn)今的集成電路制造過程中，必須精確的控制各種材料尺寸至次微米大小且具有極高的再制性，而由于電漿蝕刻是現(xiàn)今技術(shù)中唯一能極有效率地將此工作在高良率下完成，因此電漿蝕刻便成為集成電路制造過程中的主要技術(shù)之一。
電漿干法蝕刻主要應(yīng)用于集成電路制程中線路圖案的定義，通常需搭配光阻的使用及微影技術(shù)，其中包括了1) 氮化硅(Nitride)蝕刻：應(yīng)用于定義主動區(qū)；2) 復(fù)晶硅化物/復(fù)晶硅(Polycide/Poly)蝕刻：應(yīng)用于定義閘極寬度/長度；3) 復(fù)晶硅(Poly)蝕刻：應(yīng)用于定義復(fù)晶硅電容及負載用之復(fù)晶硅；4) 間隙壁(Spacer)蝕刻：應(yīng)用于定義LDD寬度；5) 接觸窗(Contact)及引洞(Via)蝕刻：應(yīng)用于定義接觸窗及引洞之尺寸大小；6) 鎢回蝕刻(Etch Back)：應(yīng)用于鎢栓塞(W-Plug)之形成；7) 涂布玻璃(SOG)回蝕刻：應(yīng)用于平坦化制程；8) 金屬蝕刻：應(yīng)用于定義金屬線寬及線長；9) 接腳(Bonding Pad) 蝕刻等。
影響干法蝕刻特性好壞的因素包括了：1) 干法蝕刻系統(tǒng)的型態(tài)；2) 干法蝕刻的參數(shù)；3) 前制程相關(guān)參數(shù)，如光阻、待蝕刻薄膜之沉積參數(shù)條件、待蝕刻薄膜下層薄膜的型態(tài)及表面的平整度等。
5-3-2何謂電漿?
基本上干法是由部份解離的氣體及等量的帶正、負電荷粒子所組成，其中所含的氣體具高度的活性，它是利用外加電場的驅(qū)動而形成，并且會產(chǎn)生輝光放電(Glow Discharge)現(xiàn)象。
蝕刻用的電漿中，氣體的解離程度很低，通常在10-5-10-1之間，在一般的電漿或活性離子反應(yīng)器中氣體的解離程度約為10-5-10-4，若解離程度到達10-3-10-1則屬于高密度電漿。
5-3-3干法蝕刻電漿形成之原理
電漿的產(chǎn)生可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓下的電場形成，如圖5-3所示，而在電漿中的電子來源通常有二：一為分子或原子解離后所產(chǎn)生的電子，另一則為離子撞擊電極所產(chǎn)生的二次電子(Secondary Electron)，在直流(DC)電場下產(chǎn)生的電漿其電子源主要以二次電子為主，而交流射頻(RF)電場下產(chǎn)生的電漿其電子源則以分子或原子解離后所產(chǎn)生的電子為主。
在電漿干法蝕刻中以直流方式產(chǎn)生輝光放電的缺點包含了：1) 需要較高的功率消耗，也就是說產(chǎn)生的離子密度低；2) 須要以離子撞擊電極以產(chǎn)生二次電子，如此將會造成電極材料的損耗；3) 所需之電極材料必須為導(dǎo)體。如此一來將不適用于晶圓制程中。
在射頻放電(RF Discharge)狀況下，由于高頻操作，使得大部份的電子在半個周期內(nèi)沒有足夠的時間移動至正電極，因此這些電子將會在電極間作振蕩，并與氣體分子產(chǎn)生碰撞。而射頻放電所需的振蕩頻率下限將視電極間的間距、壓力、射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位能等因素而定，而通常振蕩頻率下限為50kHz。一般的射頻系統(tǒng)所采用的操作頻率大都為13.56MHz。
相較于直流放電，射頻放電具有下列優(yōu)點：1) 放電的情況可一直持續(xù)下去而無需二次電子的發(fā)射，當晶圓本身即為電極的一部份時，這點對半導(dǎo)體材料制程就顯得十分重要了；2) 由于電子來回的振蕩，因此離子化的機率大為提升，蝕刻速率可因而提升；3) 可在較低的電極電壓下操作，以減低電漿對組件所導(dǎo)致之損壞；4) 對于介電質(zhì)材料同樣可以運作。
現(xiàn)今所有的電漿系統(tǒng)皆為射頻系統(tǒng)。另外值得一提的是在射頻系統(tǒng)中一個重要的參數(shù)是供給動力的電極面積與接地電極面積之比。
5-3-4等效電子及離子溫度
存在于電漿中的電場分別施力于帶正電荷之離子與代負電荷之電子，F(xiàn)=E*q ，而加速度a=F/M，由于離子質(zhì)量遠大于電子，因此電子所獲得的加速度與速度將遠大于離子，以致電子的動能遠大于離子，電子與離子間處于一非平衡狀態(tài)。從氣體動力論中，得知Ekinetic = (3/2) kT，由此可知，等效電子溫度遠大于等效離子溫度，如此可視為 “熱” 電子處于 “冷” 電漿之中。因此電子能夠在低溫的狀態(tài)下提供一般在高溫下才能使分子解離所需要的能量。在一般蝕刻用的電漿中，等效的電子溫度約為10000 - 100000°K。
5-3-5電漿干法蝕刻中的基本物理及化學(xué)現(xiàn)象
在干法蝕刻中，隨著制程參數(shù)及電漿狀態(tài)的改變，可以區(qū)分為兩種極端的性質(zhì)的蝕刻方式，即純物理性蝕刻與純化學(xué)反應(yīng)性蝕刻。純物理性蝕刻可視為一種物理濺鍍(Sputter)方式，它是利用輝光放電，將氣體如Ar，解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，濺擊在被蝕刻物的表面，而將被蝕刻物質(zhì)原子擊出。此過程乃完全利用物理上能量的轉(zhuǎn)移，故謂之物理性蝕刻。其特色為離子撞擊擁有很好的方向性，可獲得接近垂直的蝕刻輪廓。但缺點是由于離子是以撞擊的方式達到蝕刻的目的，因此光阻與待蝕刻材料兩者將同時遭受蝕刻，造成對屏蔽物質(zhì)的蝕刻選擇比變差，同時蝕刻終點必須精確掌控，因為以離子撞擊方式蝕刻對于底層物質(zhì)的選擇比很低。且被擊出的物質(zhì)往往非揮發(fā)性物質(zhì)，而這些物質(zhì)容易再度沉積至被蝕刻物薄膜的表面或側(cè)壁。加上蝕刻效率偏低，因此，以純物理性蝕刻方式在集成電路制造過程中很少被用到。
純化學(xué)反應(yīng)性蝕刻，則是利用電漿產(chǎn)生化學(xué)活性極強的原(分)子團，此原(分)子團擴散至待蝕刻物質(zhì)的表面，并與待蝕刻物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性之反應(yīng)生成物，并被真空設(shè)備抽離反應(yīng)腔。因此種反應(yīng)完全利用化學(xué)反應(yīng)來達成，故謂之化學(xué)反應(yīng)性蝕刻。此種蝕刻方式相近于濕式蝕刻，只是反應(yīng)物及產(chǎn)物的狀態(tài)由液態(tài)改變?yōu)闅鈶B(tài)，并利用電漿來促進蝕刻的速率。因此純化學(xué)反應(yīng)性蝕刻擁有類似于濕式蝕刻的優(yōu)點及缺點，即高選擇比及等向性蝕刻。在半導(dǎo)體制程中純化學(xué)反應(yīng)性蝕刻應(yīng)用的情況通常為不需做圖形轉(zhuǎn)換的步驟，如光阻的去除等。
一個僅基于化學(xué)反應(yīng)機制的理想干蝕刻過程可分為以下幾個步驟：1) 反應(yīng)氣體進入腔體；2) 產(chǎn)生電漿形態(tài)之蝕刻物種，如離子及自由基(Radicals)；3) 蝕刻物種藉由擴散、碰撞或場力移至待蝕刻物表面并吸附于表面；4) 蝕刻物種停滯在待蝕刻物表面一段時間；5) 進行化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生揮發(fā)性之生成物；6) 生成物脫離表面；7) 脫離表面之生成物擴散至氣體中并排出(1)。
上述步驟中若其中一個停止發(fā)生，則整個反應(yīng)將不再進行。而其中生成物脫離表面的過程最為重要，大部份的反應(yīng)物種皆能與待蝕刻物表面產(chǎn)生快速的反應(yīng)，但除非生成物有合理的蒸氣壓以致讓其脫離表面，否則反應(yīng)將不會發(fā)生。
綜觀而論，純物理性蝕刻，如離子束蝕刻(Ion Beam Etch)有兩大缺點：一為低選擇比，一為低蝕刻效率。而純化學(xué)反應(yīng)蝕刻也有兩個缺點：一為等向性蝕刻，另一為無法應(yīng)用至次微米的組件制程上，包含了線寬控制與均勻性等問題。
最具廣泛使用的方法便是結(jié)合物理性蝕刻與化學(xué)反應(yīng)性蝕刻，即所謂的活性離子蝕刻(RIE, Reactive Ion Etch)，此種蝕刻方式兼具非等向性及高選擇比等雙重優(yōu)點，蝕刻的進行主要靠化學(xué)反應(yīng)來達成，以獲得高選擇比。加入離子撞擊的作用有二：一是將待蝕刻物質(zhì)表面的原子鍵結(jié)破壞，以加速蝕刻速率；二是將再沉積于待蝕刻物質(zhì)表面的產(chǎn)物或聚合物(Polymer)打掉，以便待蝕刻物質(zhì)表面能再與反應(yīng)蝕刻氣體接觸。非等向性蝕刻的達成，則是靠再沉積的產(chǎn)物或聚合物，沉積于待蝕刻圖形上，在表面的沉積物可被離子打掉，蝕刻可繼續(xù)進行，而在側(cè)壁上的沉積物，因未受離子的撞擊而保留下來，阻隔了表面與反應(yīng)蝕刻氣體的接觸，使得側(cè)壁不受侵蝕，而獲得非等向性蝕刻。
綜合以上所言，電漿干法蝕刻的完成包含了以下幾種過程：1) 化學(xué)反應(yīng)，屬等向性；2) 離子輔助蝕刻，具方向性；3) 保護層的形成，可避免側(cè)壁遭受蝕刻；4) 生成物殘留的排除。
垂直的蝕刻輪廓(非等向性蝕刻)主要源自于兩大原因：一為垂直方向的離子撞擊，加速垂直方向的蝕刻；一為側(cè)壁保護層的形成。而側(cè)壁保護層的形成種類有下列幾種方式：1) 非揮發(fā)性的副產(chǎn)物，例如：SiBr4, SiO2, BrxOy；2) 光阻蝕刻時所產(chǎn)生之聚合物；3) 聚合物氣體，例如：CFx, CClx, x<3；4) 側(cè)壁表面氧化或氮化，例如：AlxNy, SixOy。
5-3-6電漿干法蝕刻機制
以硅蝕刻為例，圖5-4所示為含氟原子的電漿蝕刻硅薄膜的機制，反應(yīng)后的產(chǎn)物為揮發(fā)性之SiF4及SiF2(2)。
若以純CF4電漿氣體蝕刻硅或氧化硅薄膜，則蝕刻速率相對很慢。但若將少量的氧氣(O2)加入CF4氣體中，則硅或氧化硅薄膜的蝕刻速率將大幅度增加，如圖5-5所示(6)。氧氣的加入通常伴隨著電漿中氟原子密度的增加，此乃由于氧與CF4反應(yīng)而釋出氟原子所致，可能的反應(yīng)為：CF4 + O2 à COF2 + 2F。氧氣的加入并且消耗掉部份的碳，使得電漿中的氟碳比增加，進而增進了硅或氧化硅薄膜的蝕刻速率。
從圖5-5亦可看出，在氧的添加后，對硅的蝕刻速率提升要比氧化硅來得快，由此可知，氧的加入將使得氧化硅對硅的蝕刻速率選擇比降低。但若將氧的含量持續(xù)增加，則額外的氧將會把氟原子的濃度稀釋，因而造成蝕刻速率的降低。
如果我們在CF4中加入氫氣，則氫氣分解成氫原子后與氟原子反應(yīng)形成氟化氫(HF)。對硅的蝕刻而言，氟原子濃度減少，使得蝕刻速率直線下降。對氧化硅的蝕刻而言，雖然HF可蝕刻氧化硅，但蝕刻速率仍比原來慢了點。因此，適量氫氣的加入可提升氧化硅對硅的蝕刻選擇比。圖5-6為加入氫氣后，硅、氧化硅及光阻蝕刻速率的變化情形(7)。
5-3-7氟碳比模型(Fluorine-to-Carbon Ratio Model)
在氟碳化物的電漿中，氟的作用是與基材表面反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性的產(chǎn)物，并藉由真空設(shè)備帶出腔體外，因此當氟的成份增加時，蝕刻速率增加。碳在電漿中的作用為提供聚合物的來源，因此碳會抑制蝕刻的進行，當碳的成份增加時，將使得蝕刻速率減緩?；谏鲜鲋?，我們可以藉由電漿中的氟/碳(F/C)比的變化來推測反應(yīng)進行的方向。在添加其它氣體的狀況下，亦會改變氟/碳比，因此反應(yīng)的趨勢可藉此來預(yù)知，此即稱之為氟碳比模型。
氟碳比模型適用于以氟碳化物電漿作為主要蝕刻機構(gòu)的材料，除硅、氧化硅之外，在TiN, Si3N4, W等均可適用。以硅、氧化硅為例，在硅表面上的反應(yīng)只會消耗氟，而碳并不會損失。因此在蝕刻的過程中氟碳比(F/C)下降，當芯片上硅表面積曝露于電漿增加時，蝕刻速率將變慢。而當加入氧氣時會消耗許多碳原子而形成CO或CO2，且氟原子的解離也因而增加，因此氟碳比(F/C)上升，蝕刻速率也跟著上升。加入氫氣則會消耗氟原子形成HF，氟碳比(F/C)因而下降，對硅的蝕刻速率也就下降；但對氧化硅而言，因其含有氧的成份，可局部性地消耗碳的成份，因此氟碳比(F/C)在局部區(qū)域呈現(xiàn)不變的情形，使得氧化硅的蝕刻速率變化較小。除了加入氧氣及氫氣外，加入CHF3，或以CHF3, C2F4等氟碳比小于4的氣體來取代CF4，亦可達到降低氟碳比(F/C)，提高蝕刻選擇比的效果。
5-3-8電漿干法蝕刻制程參數(shù)
電漿蝕刻制程參數(shù)一般包括了射頻(RF)功率、壓力、氣體種類及流量、蝕刻溫度及腔體的設(shè)計等因素，而這些因素的綜合結(jié)果將直接影響蝕刻的結(jié)果，圖5-7中所示為其相互間關(guān)系的示意圖。
射頻(RF)功率是用來產(chǎn)生電漿及提供離子能量的來源，因此功率的改變將影響電漿中離子的密度及撞擊能量而改變蝕刻的結(jié)果。壓力也會影響離子的密度及撞擊能量，另外也會改變化學(xué)聚合的能力；蝕刻反應(yīng)物滯留在腔體內(nèi)的時間正比于壓力的大小，一般說來，延長反應(yīng)物滯留的時間將會提高化學(xué)蝕刻的機率并且提高聚合速率。氣體流量的大小會影響反應(yīng)物滯留在腔體內(nèi)的時間；增加氣體流量將加速氣體的分布并可提供更多未反應(yīng)的蝕刻反應(yīng)物，因此可降低負載效應(yīng)(Loading Effect)；改變氣體流量也會影響蝕刻速率。原則上溫度會影響化學(xué)反速率及反應(yīng)物的吸附系數(shù)(Adsorption Coefficient)，提高芯片溫度將使得聚合物的沉積速率降低，導(dǎo)致側(cè)壁的保護減低，但表面在蝕刻后會較為干凈；增加腔體的溫度可減少聚合物沉積于管壁的機率，以提升蝕刻制程的再現(xiàn)性。晶圓背部氦氣循環(huán)流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均勻性，以避免光阻燒焦或蝕刻輪廓變形。其它尚須考慮的因素還有腔體的材質(zhì)，一般常見的材質(zhì)包含鋁、陶瓷、石英、硅及石墨等，不同的腔體材質(zhì)會產(chǎn)生不同的反應(yīng)產(chǎn)物并會改變蝕刻的直流偏壓。
應(yīng)用干式蝕刻時主要須注意蝕刻速率、均勻度、選擇比及蝕刻輪廓等。蝕刻速率越快，則產(chǎn)能越快，有助于降低成本提升競爭力。蝕刻速率通?？捎蓺怏w種類、流量、電漿源及功率等所控制，一般而言，在其它因素尚可接受的范圍內(nèi)，蝕刻速率越快越好。均勻度是晶圓上不同位置蝕刻差異的一個指標，均勻度越好意謂著有較佳的良率，當晶圓尺寸越來越大，均勻度的控制就顯得更加重要?？刂七x擇比通常與氣體種類與比例、電漿源及功率、乃至于反應(yīng)溫度均有關(guān)系。蝕刻輪廓一般而言以接近90度為佳，除了少數(shù)特例，如接觸窗(Contact Window)或引洞(Via Hole)，為了使后續(xù)金屬濺鍍能有較佳的覆蓋能力(Step Coverage)，因而故意將其輪廓蝕刻成小于90度的型態(tài)。而通常蝕刻輪廓的控制可藉由調(diào)變氣體種類與比例、電漿源及功率等來進行

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