干法刻蝕工藝與設(shè)備

陳海軍，魏宏杰

（株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

刻蝕是用化學(xué)或物理方法有選擇地從介質(zhì)表面去除不需要的材料的過程。刻蝕的基本目標(biāo)是在涂膠的襯底上正確地復(fù)制掩膜圖形。有圖形的光刻膠層在刻蝕中不受到腐蝕源顯著侵蝕。這層掩蔽膜用來在刻蝕中保護(hù)襯底上的特殊區(qū)域，選擇性地刻掉未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷推進(jìn)，半導(dǎo)體電子工業(yè)得到了迅速發(fā)展，特別是大面積集成電路的高速發(fā)展，對工藝生產(chǎn)中的刻蝕技術(shù)提出了更高要求。圖形加工在微細(xì)加工技術(shù)中被認(rèn)為是核心問題，它的精確程度受到多種因素影響，其中刻蝕方法便是一個(gè)重要因素。半導(dǎo)體制造有濕法腐蝕和干法刻蝕等兩種基本刻蝕工藝。

濕法腐蝕是利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕的方法，它在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用，如清洗、腐蝕等。優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、設(shè)備簡單、成本低、生產(chǎn)效率高；缺點(diǎn)是鉆刻嚴(yán)重、對形貌控制較差。

干法刻蝕主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基（處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等）與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的。因?yàn)楦飨虍愋远?，該方法可以很好地控制剖面形貌。在人們進(jìn)行大量探索與研究的過程中，干法刻蝕技術(shù)正是以這些無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，備受人們青睞。唯一不足的是其掩膜層和底層材料的選擇比不高，可能在不同程度上損傷底層材料。

1 干法刻蝕工藝

1.1 刻蝕原理

氣體在外電場作用下，分子間的自由電子獲得足夠的能量后與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子電離發(fā)出二次電子，進(jìn)一步碰撞后產(chǎn)生更多的電子和離子。當(dāng)電離與復(fù)合過程達(dá)到平衡時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電現(xiàn)象，形成穩(wěn)定的等離子體。等離子體中包括有電子、離子、還有處于激發(fā)態(tài)的分子，原子及各種原子團(tuán)（統(tǒng)稱游離基）。游離基具有高度的化學(xué)活性，游離基與被腐蝕材料的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的產(chǎn)物，使材料不斷被腐蝕。產(chǎn)生的過程如下。

（1）簡單電離。Ar+e→Ar++2e，O2+e→O2++2e。

（2）離解電離。CF4+e→CF3++F+2e。

（3）有吸附的離解電離。CF4+e→CF3++F-+e。

電子碰撞也可能引起分子離解（分裂）而無電離，這種分子離解一般要求能量最小的電子，大多數(shù)原子、原子團(tuán)以及某種情況下的負(fù)離子都是因?yàn)檫@些碰撞而產(chǎn)生的。O2+e→2O+2e→O+O-，CF3Cl+e→CF2+Cl+e，C2F6+e→CF3+e。例如，CF4是相當(dāng)惰性的氣體，在硅熔點(diǎn)（1412 ℃）的任何溫度下，它都不與硅發(fā)生反應(yīng)。然而，其副產(chǎn)物之一的原子F，在室溫下，卻能與硅很自然地發(fā)生反應(yīng)，形成揮發(fā)性的SiF4。

1.2 主要刻蝕參數(shù)

1.2.1 刻蝕速率

刻蝕速率是指在刻蝕過程中去除硅片表面的速度，即用去掉材料的厚度除以刻蝕所用時(shí)間，常用單位是A/min?？涛g速率=ΔT/t，其中，ΔT 是去掉的材料厚度（A 或μm），t 是刻蝕所用時(shí)間（min）?？涛g速率主要取決于工藝參數(shù)的設(shè)定和設(shè)備硬件。圖1 反映的是，在用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）對氮化硅刻蝕時(shí)，為提高刻蝕速率，會在工藝氣體Cl2中添加SF6。因?yàn)镾F6的化學(xué)反應(yīng)較強(qiáng)，在氣體中所占比率越大，產(chǎn)生的剖面也越大。

圖1 工藝氣體對刻蝕速率的影響

1.2.2 選擇比

選擇比指的是同一刻蝕條件下，被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率之比。選擇比S=Ef/Er，其中，Ef是被刻蝕材料的刻蝕速率，Er是掩蔽層材料的刻蝕速率（如光刻膠）。高選擇比刻蝕工藝要做到不刻下一層材料（刻蝕到恰當(dāng)深度時(shí)停止），并且保護(hù)的光刻膠也未被刻蝕。

1.2.3 均勻性

刻蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕能力的參數(shù)，影響它的因素有很多，例如，刻蝕速率、選擇比，以及等離子的密度等。

2 干法刻蝕設(shè)備概要

2.1 刻蝕機(jī)理

干法刻蝕，又叫等離子體輔助刻蝕。從機(jī)理來看，干法刻蝕有物理作用、化學(xué)作用、物理和化學(xué)雙重作用等3 種形式，它們分別對應(yīng)濺射與離子銑腐蝕、等離子刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕。

（1）濺射與離子銑腐蝕。通過高能惰性氣體分子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性良好，但選擇性較差。

（2）等離子刻蝕。利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差。

（3）反應(yīng)離子刻蝕。通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕，具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點(diǎn)，兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 設(shè)備分類及原理

結(jié)合刻蝕機(jī)理，再根據(jù)設(shè)備腔體結(jié)構(gòu)的不同，干法腐蝕可分為圓筒形等離子刻蝕、平板反應(yīng)離子刻蝕、平板等離子刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕，以及離子銑腐蝕等5 類?；谏a(chǎn)線上的使用情況，這里主要介紹圓筒形等離子刻蝕機(jī)和高密度等離子體刻蝕機(jī)。

2.2.1 圓筒形等離子體刻蝕機(jī)

圓筒式反應(yīng)腔呈圓柱形，在13.3～133.3 Pa（0.1～1 Torr）壓力下具有幾乎完全的化學(xué)各向同性刻蝕，射頻功率加在圓柱兩邊的電極上。硅片垂直、小間距地放在一個(gè)石英舟上，方向與電場平行，這樣使得物理刻蝕最小。該類設(shè)備主要用于硅片表面的光刻膠去除，常用工藝氣體為O2和N2。

2.2.2 高密度等離子體刻蝕機(jī)

在高密度等離子體刻蝕機(jī)中，電感耦合等離子體反應(yīng)器是其中之一，在美國被廣泛使用，例如，等離子刻蝕設(shè)備LAM TCP 9400、LAM Exelan HPT，以及MATTSON 等離子去膠機(jī)等。

電感耦合等離子體反應(yīng)器，通過用絕緣板或石英管與等離子體隔開的螺旋線圈產(chǎn)生等離子體。由于硅片放在遠(yuǎn)離線圈的地方，因而它不受電磁場影響，其刻蝕機(jī)理是化學(xué)和物理刻蝕。

2.3 D 品牌等離子去膠機(jī)

2.3.1 D 品牌去膠機(jī)故障分析

D 品牌等離子去膠機(jī)使用圓筒式反應(yīng)器。該設(shè)備使用2.45 GHz 的微波源，金屬外壁呈八邊形，接地。往里面一層就是石英管，即工藝腔，沒有與金屬外壁直接接觸。工藝氣體前上方進(jìn)入腔體后，在微波源作用下，形成等離子體。后下方是排放管道。目前，該設(shè)備存在的問題是去膠過程中其均勻性不穩(wěn)定，正常去膠范圍在0.4～0.8 μm，但實(shí)際去膠時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)片子被刻凸的現(xiàn)象，或者是片子上的光刻膠厚度一點(diǎn)沒變。借鑒中科院微電所的經(jīng)驗(yàn)，加以總結(jié)分析，產(chǎn)生該問題可能有以下原因。

（1）微波源問題。查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，微波源本身壽命是衰減的，在設(shè)定值（50%）情況下，實(shí)際值可能沒有那么多，以致沒有足夠多的等離子體產(chǎn)生，或者是產(chǎn)生等離子體時(shí)不穩(wěn)定。

（2）氣體流量不合適。流量過小時(shí)，所需工藝壓力條件可能達(dá)不到，程序會自動終止；流量過大時(shí)，腔體壓強(qiáng)也會隨著變大，也可能使得工藝壓力條件不滿足。

（3）溫度可能不夠。針對該類型設(shè)備，其溫度是與等離子體密切相關(guān)。等離子體轟擊時(shí)間短，去膠所需的溫度就達(dá)不到。

（4）硅片放置位置不恰當(dāng)。硅舟放置得太靠前、太靠后都不好，要盡量置于等離子體較均勻的區(qū)域。

（5）片子、光刻膠不平整。片子本身不平或光刻膠不均勻，這樣的前提條件都不能滿足，很難測定去膠是否均勻。

（6）腔體內(nèi)部不潔凈。腔體里面顆粒太多，在對其抽真空時(shí)，顆粒會打在硅片上，很大程度影響了去膠時(shí)的均勻性。這就需要在每一籃前后各放置一塊擋片。

（7）腔體壓力值不合適。根據(jù)圓筒形等離子體刻蝕機(jī)的原理，其壓力在133.3 Pa（約1 Torr）以內(nèi)是可以的。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合上述問題分析，對D 品牌等離子去膠機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)在工藝要求，去膠的厚度只要在0.4～0.8 μm 是可以的，最理想的情況是0.5 μm。通過咨詢工藝員得知，該工序之后的片子，表面所剩下的光刻膠厚度不低于2 μm，這樣也是滿足工藝要求。

實(shí)驗(yàn)主要思路：選片→RCA 清洗→甩干→預(yù)烘（200 ℃，30 min 以上）→勻膠（約2.8 μm）→前烘（80 ℃，30 min）→曝光→顯影→堅(jiān)膜（160 ℃，30 min）→去膠實(shí)驗(yàn)。

使用該去膠機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，先檢查設(shè)備配電及氣路情況，并用無水乙醇清潔工藝腔。事先測量好硅片上光刻膠的厚度，并做好記錄。整個(gè)驗(yàn)證過程思路如下。

（1）實(shí)驗(yàn)一。只取一片硅片，將其垂直放在硅舟上面。設(shè)定壓力為80 Pa（0.8 mbar），N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續(xù)時(shí)間為6 min。

結(jié)果：產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光現(xiàn)象，如圖2 所示。刻蝕前硅片膠厚2.9 μm，刻蝕后硅片膠厚2.4 μm，故該硅片的刻蝕工藝符合要求。

（2）實(shí)驗(yàn)二。正常生產(chǎn)過程中，流片數(shù)量較大，逐片進(jìn)行去膠，浪費(fèi)人力和時(shí)間，滿足不了大批量生產(chǎn)要求。因此，需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此次放入9 片硅片，腔體壓力為80 Pa（0.8 mbar），N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續(xù)時(shí)間為6 min。

結(jié)果：產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光現(xiàn)象，如圖3a 所示。對刻蝕過后的片子進(jìn)行膜厚測量，發(fā)現(xiàn)沒有明顯變化，見表1。

圖2 輝光現(xiàn)象

表1 實(shí)驗(yàn)二刻蝕前后膠厚

圖3 壓力變化對刻蝕工藝的影響

（3）實(shí)驗(yàn)三。在前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增大腔體的壓力值，大量實(shí)驗(yàn)之后，結(jié)果仍然不理想。微波源等離子體去膠機(jī)的工藝壓力范圍應(yīng)該是266～332.5 Pa（2.0～2.5 Torr）。當(dāng)設(shè)定壓力值為300 Pa（3 mbar）時(shí)，腔體內(nèi)部根本就不能實(shí)現(xiàn)這個(gè)值，最大只能到120 Pa（1.2 mbar），即在1 Torr 以內(nèi)。同樣，設(shè)定N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續(xù)時(shí)間為6 min。

結(jié)果：此次實(shí)驗(yàn)也有大量輝光現(xiàn)象產(chǎn)生，如圖3b 所示。測量光刻膠的厚度沒有明顯變化。此次實(shí)驗(yàn)說明，其他條件不變時(shí)，在設(shè)備能達(dá)到的最大壓力下，片子上的光刻膠厚度在刻蝕前后變化不能滿足工藝要求，故實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)嘗試改變其他參數(shù)。

（4）實(shí)驗(yàn)四。將腔體壓力值調(diào)至最大（120 Pa），N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續(xù)時(shí)間為8 min。

結(jié)果：產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光現(xiàn)象，但硅片局部有光刻膠完全被去掉的現(xiàn)象，顯然不滿足工藝要求，如圖4 所示。

依照前面實(shí)驗(yàn)方法，控制單一變量，即氣體的比例和微波源功率。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，最終得到比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 局部光刻膠被全部刻蝕掉

表2 實(shí)驗(yàn)五刻蝕前后膠厚

（5）實(shí)驗(yàn)五。設(shè)定壓力為65 Pa，N2與O2的流量比為1∶5，微波源功率為70%，等離子體持續(xù)時(shí)間為5 min。

結(jié)果：產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光現(xiàn)象，硅片上的光刻膠厚度變化值見表2，該過程中也沒有出現(xiàn)片子被刻凸的情況。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，刻蝕前后的光刻膠厚度值變化范圍在0.2～0.9 μm，而且刻蝕之后所剩下的光刻膠厚度都不低于2.0 μm，基本滿足工藝要求。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文簡單闡述干法刻蝕的工藝知識和設(shè)備知識，根據(jù)這些理論知識，對D 品牌的等離子體去膠機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出以下結(jié)論。

（1）刻蝕前后的光刻膠厚度變化與壓力、氣體流量比、微波源功率，以及工藝時(shí)間有很大關(guān)系。

（2）對比實(shí)驗(yàn)一、二可知，刻蝕過程中，硅片的數(shù)量對刻蝕前后的光刻膠厚度變化也有一定影響。

（3）根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，壓力值為70 Pa，N2與O2的流量比為1∶5，微波源功率為70%，等離子體持續(xù)時(shí)間為5 min 時(shí)，基本滿足工藝要求。