刻蚀简介.txt遇事潇洒一点，看世糊涂一点。相亲是经销，恋爱叫直销，抛绣球招亲则为围标。没有准备请不要开始，没有能力请不要承诺。爱情这东西，没得到可能是缺憾，不表白就会有遗憾，可是如果自不量力，就只能抱憾了。    本文由bshxl1贡献
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    等离子刻蚀简介
    自 1970 年代以来组件制造首先开始采用等离子刻蚀技术，对于等离子化学新的了解与 认知也就蕴育而生。 在现今的集成电路制造过程中， 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， 而由于等离子刻蚀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，因此等离子刻蚀便成为集成电路制造过程中的主要技术之一。 等离子刻蚀主要应用于集成电路制程中线路图案的定义，通常需搭配光刻胶的使用及 微影技术，其中包括了 1) 氮化硅(Nitride)蚀刻：应用于定义主动区；2) 多晶硅化物/多晶硅 (Polycide/Poly)刻蚀：应用于定义栅极宽度/长度；3) 多晶硅(Poly)刻蚀：应用于定义多晶硅 电容及负载用之多晶硅；4) 间隙壁(Spacer)刻蚀：应用于定义 LDD 宽度；5) 接触窗(Contact) 及引线孔(Via)刻蚀：应用于定义接触窗及引线孔的尺寸大小；6) 钨回刻蚀(Etch Back)：应用 于钨栓塞(W-Plug)的形成；7) 涂
布玻璃(SOG)回刻蚀：应用于平坦化制程；8) 金属刻蚀：应 用于定义金属线宽及线长； 接脚(Bonding Pad)刻蚀等。 9) 影响等离子刻蚀特性好坏的因素包 括了：1) 等离子刻蚀系统的型态；2) 等离子刻蚀的参数；3) 前制程相关参数，如光刻胶、 待刻蚀薄膜的沉积参数条件、 待刻蚀薄膜下层薄膜的型态及表面的平整度等。 何谓等离 子体?基本上等离子体是由部份解离的气体及等量的带正、负电荷粒子所组成，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(Glow Discharge) 现象。刻蚀用的等离子体中，气体的解离程度很低，通常在 10-5-10-1 之间，在一般的等离 子体或活性离子反应器中气体的解离程度约为 10-5-10-4，若解离程度到达 10-3-10-1 则属于 高密度等离子体。 等离子体形成的原理：等离子体的产生可藉由直流(DC)偏压或交流射 频(RF)偏压下的电场形成，如图 1-3 所示，而在等离子体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(Secondary Electron)， 在直流(DC)电场下产生的等离子体其电子源主要以二次电子为主，而交流射频(RF)电场下产 生的等离子体其电子源则以分子或原子解离后所产生的电子为主。 在等离子刻蚀中以直 流方式产生辉光放电的缺点包含了： 需要较高的功率消耗， 1) 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；3) 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(RF Discharge)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。一般的射频系统所采用的操作频率大都为 13.56MHz。 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； 由于电子来回的振荡， 2) 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 低电浆对组件所导致之损坏；4) 对于介电质材料同样可以运作。 现今所有的等离子体系 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。 等效电子及离子温度： 存在于等离子体中的电场分别施力于带正电荷之 离子与代负电荷之电子，F=E*q ，而加速度 a=F/M，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，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” 等离子体之中。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。 在一般刻蚀用的等离子中， 等效的电子 温度约为 10000 - 100000°K。等离子刻蚀中的基本物理及化学现象 在干式刻蚀中，随着 制程参数及等离子体状态的改变，可以区分为两种极端的性质的蚀刻方式，
    mandy 15:52:23 即纯物理性刻蚀与纯化学反应性刻蚀。纯物理性刻蚀可视为一种物理溅镀(Sputter) 方式，它是利用辉光放电，将气体如 Ar，解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速， 溅击在被刻蚀物的表面，而将被刻蚀物质原子击出。此过程乃完全利用物理上能量的转移， 故谓之物理性刻蚀。其特为离子撞击拥有很好的方向性，可获得接近垂直的刻蚀轮廓。但 缺点是由于离子是以撞击的方式达到刻蚀的目的， 因此光刻胶与待刻蚀材料两者将同时遭受 刻蚀，造成对屏蔽物质的刻蚀选择比变差，同时刻蚀终点必须精确掌控，因为以离子撞击方 式刻蚀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 度沉积至被刻蚀物薄膜的表面或侧壁。加上刻蚀效率偏低，因此，以纯物理性刻蚀方式在集 成电路制造过程中很少被用到。 纯化学反应性蚀刻，则是利用等离子体产生化学活性极 强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待刻蚀物质的表面，并与待刻蚀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 学反应性刻蚀。 此种蚀刻方式相近于湿式刻蚀， 只是反应物及产物的状态由
液态改变为气态， 并利用等离子体来促进刻蚀的速率。 因此纯化学反应性刻蚀拥有类似于湿式刻蚀的优点及缺 点， 即高选择比及等向性刻蚀。 在半导体制程中纯化学反应性刻蚀应用的情况通常为不需做 图形转换的步骤，如光刻胶的去除等。 一个仅基于化学反应机制的理想干刻蚀过程可分 为以下几个步骤：1) 反应气体进入腔体；2) 产生等离子体形态的刻蚀物种，如离子及自由 基(Radicals)；3)刻蚀物种藉由扩散、碰撞或场力移至待刻蚀物表面并吸附于表面；4)刻蚀物 种停滞在待刻蚀物表面一段时间；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并排出(1)。 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 待刻蚀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，纯物理性刻蚀，如离子束刻蚀(Ion Beam Etch)有两大缺点：一为 低选择比，一为低刻蚀效率。而纯化学反应刻蚀也有两个缺点：一为等向性刻蚀，另一为无 法应用至次微米的组件制程上，包含了线宽控制与均匀性等问题。 最具广泛使用的方法 便是结合物理性刻蚀与化学反应性刻蚀，即所谓的反应离子刻蚀(RIE, Reactive Ion Etch)，此 种刻蚀方式兼具非等向性及高选择比等双重优点， 刻蚀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刻蚀物质表面
的原子键结破坏，以加速刻 蚀速率； 二是将再沉积于待刻蚀物质表面的产物或聚合物(Polymer)打掉， 以便待刻蚀物质表 面能再与反应刻蚀气体接触。非等向性刻蚀的达成，则是靠再沉积的产物或聚合物，沉积于 待刻蚀图形上，在表面的沉积物可被离子打掉，刻蚀可继续进行，而在侧壁上的沉积物，因 未受离子的撞击而保留下来，阻隔了表面与反应刻蚀气体的接触，使得侧壁不受侵蚀，而获 得非等向性蚀刻。 综合以上所言，等离子(干式)刻蚀的完成包含了以下几种过程：1) 化 学反应， 属等向性； 离子辅助刻蚀， 2) 具方向性； 保护层的形成， 3) 可避免侧壁遭受蚀刻； 4) 生成物残留的排除。垂直的刻蚀轮廓(非等向性蚀刻)主要源自于两大原因：一为垂直方向 的离子撞击，加速垂直方向的刻蚀；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, SiO2, BrxOy；2) 光刻胶刻蚀时所产生之聚 合物；3) 聚合物气体，例如：CFx, CClx, x<3；4) 侧壁表面氧化或氮化，例如：AlxNy, SixOy。 等离子刻蚀机制 以硅刻蚀为例图 1-4 所示为含氟原子的等离子 刻蚀硅薄膜的机制，反应 后的产物为挥发性的 SiF4 及 SiF2 。 若以纯 CF4 等离子气体刻蚀硅或氧化硅薄膜，则刻蚀 速率相对很慢。但若将少量的氧气(O2)加入 CF4 气体中，则硅或氧化硅薄膜的蚀刻速率将大 幅度增加，如图 1-5 所示。氧气的加入通常伴随着等离子体中氟原子密度的增加，此乃由于 氧与 CF4 反应而释出氟原子所致，可能
的反应为：CF4 + O2 à COF2 + 2F。氧气的加入并且 消耗掉部份的碳，使得等离子体中的氟碳比增加，进而增进了硅或氧化硅薄膜的蚀刻速
    率。 从图 1-5 亦可看出，在氧的添加后，对硅的刻蚀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刻蚀速率选择比降低。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，因而造成刻蚀速率的降低。如果我们在 CF4 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)。对硅的刻蚀而言，氟原子浓度减少，使 得刻蚀速率直线下降。对氧化硅的刻蚀而言，虽然 HF 可刻蚀氧化硅，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刻蚀选择比。 1-6 为加入氢气后， 图 硅、 氧化硅及光刻胶刻蚀速率的变化情形 。氟碳比模型(Fluorine-to-Carbon Ratio Model) 在氟 碳化物的等离子体中，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，刻蚀速率增加。碳在等离子体中的作用为提供聚合物的 来源，因此碳会抑制刻蚀的进行，当碳的成份增加时，将使得刻蚀速率减缓。基于上述之原 理，我们可以藉由等离子体中的氟/碳(F/C)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reactive近场区/碳比，因此反应的趋势可藉此来预知，此即称之为氟碳比模 型。 氟碳比模型适用于以氟碳化物等离子体作为主要刻蚀机构的材料，除硅、氧
化硅之 外，在 TiN, Si3N4, W 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。 因此在刻蚀的过程中氟碳比(F/C)下降， 当芯片上硅表面积曝露于等离子体增加 时，刻蚀速率将变慢。而当加入氧气时会消耗许多碳原子而形成 CO 或 CO2，且氟原子的解 离也因而增加，因此氟碳比(F/C)上升，刻蚀速率也跟着上升。加入氢气则会消耗氟原子形成 HF， 氟碳比(F/C)因而下降， 对硅的刻蚀速率也就下降； 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(F/C)在局部区域呈现不变的情形， 使得氧化硅的刻蚀 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，亦可达到降低氟碳比(F/C)，提高刻蚀选择比的效果。等离子体刻蚀制程参 数 等离子刻蚀制程参数一般包括了射频(RF)功率、压力、气体种类及流量、刻蚀温度及腔 体的设计等因素，而这些因素的综合结果将直接影响刻蚀的结果，图 1.7 中所示为其相互间 关系的示意图。 射频(RF)功率是用来产生等离子体及提供离子能量的来源，因此功率的改 变将影响等离子体中离子的密度及撞击能量而改变刻蚀的结果。 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； 刻蚀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刻蚀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 未反应的刻蚀反应物，因此可降低负载效应(Loading Effect)；改变气体流量也会影响刻蚀
    速 率。原则上温度会影响化学反速率及反应物的吸附系数(Adsorption Coefficient)，提高芯片温 度将使得聚合物的沉积速率降低，导致侧壁的保护减低，但表面在刻蚀后会较为干净；增加 腔体的温度可减少聚合物沉积于管壁的机率， 以提升刻蚀制程的再现性。 晶圆背部氦气循环 流动可控制刻蚀时晶圆的温度与温度的均匀性， 以避免光刻胶烧焦或刻蚀轮廓变形。 其它尚 须考虑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刻蚀的直流偏压。 应用干式刻蚀时主要须注意 蚀刻速率、均匀度、选择比及刻蚀轮廓等。刻蚀速率越快，则产能越快，有助于降低成本提 升竞争力。刻蚀速率通常可由气体种类、流量、RF 源及功率等所控制，一般而言，在其它 因素尚可接受的范围内， 刻蚀速率越快越好。 均匀度是晶圆上不同位置刻蚀差异的一个指标， 均匀度越好意味着有较佳的良率，当晶圆尺寸越来越大，均匀度的控制就显得更加重要。控 制选择比通常与气体种类与比例、RF 源及功率、乃至于反应温度均有关系。刻蚀轮廓一般 而言以接近 90 度为佳，除了少数特例，如接触窗(Contact Window)或引线孔 (Via Hole)，为 了使后续金属溅镀能有较佳的覆盖能力(Step Coverage)， 因而故意将
其轮廓蚀刻成小于 90 度 的型态。而通常刻蚀轮廓的控制可藉由调变气体种类与比例、RF 源及功率等来进行
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