逐層刻蝕工藝在半導體器件制造中的應用

張軼銘，劉利堅

(北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司，北京 100176)

1 等離子體刻蝕面臨的挑戰(zhàn)

等離子體刻蝕技術在集成電路、化合物半導體、MEMS（微機電系統(tǒng)）、先進封裝、LED等領域應用廣泛。然而，常規(guī)的等離子體刻蝕從時間維度看一般是連續(xù)刻蝕，面臨著以下幾個方面的挑戰(zhàn)：一是深寬比相關效應（ARDE）會導致高深寬比結構的刻蝕速率要比低深寬比結構的刻蝕速率低（如圖1a）；其二在于去除待刻蝕材料的同時，很難完好地保留下一層材料，存在一定的過刻蝕（如圖1b）；其三是等離子體中的高能離子還會導致被刻蝕材料的表面粗糙或內(nèi)部損傷，引起器件電學性能變差。

圖1 常規(guī)等離子體刻蝕的挑戰(zhàn)

2 基于循環(huán)方式的逐層刻蝕

基于循環(huán)方式的逐層刻蝕在原理上與常規(guī)的等離子體刻蝕有所不同，可以有效改善常規(guī)等離子體刻蝕的深寬比相關效應，提高刻蝕選擇比，降低刻蝕粗糙度和損傷。

一種典型的逐層刻蝕方法如圖2所示，首先將結合氣體導入刻蝕腔，吸附于材料的表面，形成一個結合層。這一改性步驟具有自停止性，即表面一旦飽和，反應立即停止。接著，清除刻蝕腔中過量的結合氣體，并引入刻蝕氣體。刻蝕氣體形成等離子體后，通過離子轟擊材料表面，物理性去除之前產(chǎn)生的結合層，進而留下下層未經(jīng)改性的表面。這種去除過程仍然是有自停止性的，因為一旦結合層被全部去除后，該過程也將終止，不會繼續(xù)去除下面的材料。上述步驟完成后，表面的一層材料即可被精確地去除。不斷循環(huán)重復上述過程，通過控制循環(huán)次數(shù)，可精確控制刻蝕深度、刻蝕速率等。

圖2 基于循環(huán)方式的逐層刻蝕原理示意圖

3 循環(huán)方式逐層刻蝕的進一步改善

效果更好的一種方式是將結合氣體形成等離子體，通過隔離裝置分離活性中性粒子與帶電原子（如圖3所示），采用活性吸附粒子化學吸附替代傳統(tǒng)反應氣體吸附，一方面可以顯著提高刻蝕速率，縮短刻蝕周期時間，而且在化學吸附階段能夠大幅度節(jié)約刻蝕反應氣體的使用量，降低了工藝成本。另一方面，采用等離子體離子解吸附替代離子束/中性粒子束解吸附，可以避免離子束/中性離子束產(chǎn)生裝置所帶來的復雜性，使得刻蝕設備結構簡單可靠，有利于大規(guī)模生產(chǎn)應用。

圖3 隔離裝置示意圖

4 結束語

本文在常規(guī)的等離子體刻蝕基礎上，研究了一種基于循環(huán)方式的逐層刻蝕方法，可以有效解決常規(guī)等離子體刻蝕的深寬比相關效應，提高刻蝕選擇比，降低刻蝕粗糙度和損傷。通過增加隔離裝置，可以進一步改善循環(huán)式逐層刻蝕的工藝效率，降低工藝成本。