干法刻蚀工艺与设备

陈海军，魏宏杰

（株洲中车时代半导体有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

刻蚀是用化学或物理方法有选择地从介质表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的衬底上正确地复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著侵蚀。这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护衬底上的特殊区域，选择性地刻掉未被光刻胶保护的区域。

随着科学技术不断推进，半导体电子工业得到了迅速发展，特别是大面积集成电路的高速发展，对工艺生产中的刻蚀技术提出了更高要求。图形加工在微细加工技术中被认为是核心问题，它的精确程度受到多种因素影响，其中刻蚀方法便是一个重要因素。半导体制造有湿法腐蚀和干法刻蚀等两种基本刻蚀工艺。

湿法腐蚀是利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，它在半导体工艺中有着广泛应用，如清洗、腐蚀等。优点是选择性好、设备简单、成本低、生产效率高；缺点是钻刻严重、对形貌控制较差。

干法刻蚀主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。因为各向异性度，该方法可以很好地控制剖面形貌。在人们进行大量探索与研究的过程中，干法刻蚀技术正是以这些无可比拟的优点，备受人们青睐。唯一不足的是其掩膜层和底层材料的选择比不高，可能在不同程度上损伤底层材料。

1 干法刻蚀工艺

1.1 刻蚀原理

气体在外电场作用下，分子间的自由电子获得足够的能量后与气体分子发生碰撞，使气体分子电离发出二次电子，进一步碰撞后产生更多的电子和离子。当电离与复合过程达到平衡时，出现稳定的辉光放电现象，形成稳定的等离子体。等离子体中包括有电子、离子、还有处于激发态的分子，原子及各种原子团（统称游离基）。游离基具有高度的化学活性，游离基与被腐蚀材料的表面发生化学反应，形成挥发性的产物，使材料不断被腐蚀。产生的过程如下。

（1）简单电离。Ar+e→Ar++2e，O2+e→O2++2e。

（2）离解电离。CF4+e→CF3++F+2e。

（3）有吸附的离解电离。CF4+e→CF3++F-+e。

电子碰撞也可能引起分子离解（分裂）而无电离，这种分子离解一般要求能量最小的电子，大多数原子、原子团以及某种情况下的负离子都是因为这些碰撞而产生的。O2+e→2O+2e→O+O-，CF3Cl+e→CF2+Cl+e，C2F6+e→CF3+e。例如，CF4是相当惰性的气体，在硅熔点（1412 ℃）的任何温度下，它都不与硅发生反应。然而，其副产物之一的原子F，在室温下，却能与硅很自然地发生反应，形成挥发性的SiF4。

1.2 主要刻蚀参数

1.2.1 刻蚀速率

刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除硅片表面的速度，即用去掉材料的厚度除以刻蚀所用时间，常用单位是A/min。刻蚀速率=ΔT/t，其中，ΔT 是去掉的材料厚度（A 或μm），t 是刻蚀所用时间（min）。刻蚀速率主要取决于工艺参数的设定和设备硬件。图1 反映的是，在用反应离子刻蚀（RIE）对氮化硅刻蚀时，为提高刻蚀速率，会在工艺气体Cl2中添加SF6。因为SF6的化学反应较强，在气体中所占比率越大，产生的剖面也越大。

图1 工艺气体对刻蚀速率的影响

1.2.2 选择比

选择比指的是同一刻蚀条件下，被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率之比。选择比S=Ef/Er，其中，Ef是被刻蚀材料的刻蚀速率，Er是掩蔽层材料的刻蚀速率（如光刻胶）。高选择比刻蚀工艺要做到不刻下一层材料（刻蚀到恰当深度时停止），并且保护的光刻胶也未被刻蚀。

1.2.3 均匀性

刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在片内、片间、批次间的刻蚀能力的参数，影响它的因素有很多，例如，刻蚀速率、选择比，以及等离子的密度等。

2 干法刻蚀设备概要

2.1 刻蚀机理

干法刻蚀，又叫等离子体辅助刻蚀。从机理来看，干法刻蚀有物理作用、化学作用、物理和化学双重作用等3 种形式，它们分别对应溅射与离子铣腐蚀、等离子刻蚀和反应离子刻蚀。

（1）溅射与离子铣腐蚀。通过高能惰性气体分子的物理轰击作用刻蚀，各向异性良好，但选择性较差。

（2）等离子刻蚀。利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。

（3）反应离子刻蚀。通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，兼有各向异性和选择性好的优点。

2.2 设备分类及原理

结合刻蚀机理，再根据设备腔体结构的不同，干法腐蚀可分为圆筒形等离子刻蚀、平板反应离子刻蚀、平板等离子刻蚀、反应离子束刻蚀，以及离子铣腐蚀等5 类。基于生产线上的使用情况，这里主要介绍圆筒形等离子刻蚀机和高密度等离子体刻蚀机。

2.2.1 圆筒形等离子体刻蚀机

圆筒式反应腔呈圆柱形，在13.3～133.3 Pa（0.1～1 Torr）压力下具有几乎完全的化学各向同性刻蚀，射频功率加在圆柱两边的电极上。硅片垂直、小间距地放在一个石英舟上，方向与电场平行，这样使得物理刻蚀最小。该类设备主要用于硅片表面的光刻胶去除，常用工艺气体为O2和N2。

2.2.2 高密度等离子体刻蚀机

在高密度等离子体刻蚀机中，电感耦合等离子体反应器是其中之一，在美国被广泛使用，例如，等离子刻蚀设备LAM TCP 9400、LAM Exelan HPT，以及MATTSON 等离子去胶机等。

电感耦合等离子体反应器，通过用绝缘板或石英管与等离子体隔开的螺旋线圈产生等离子体。由于硅片放在远离线圈的地方，因而它不受电磁场影响，其刻蚀机理是化学和物理刻蚀。

2.3 D 品牌等离子去胶机

2.3.1 D 品牌去胶机故障分析

D 品牌等离子去胶机使用圆筒式反应器。该设备使用2.45 GHz 的微波源，金属外壁呈八边形，接地。往里面一层就是石英管，即工艺腔，没有与金属外壁直接接触。工艺气体前上方进入腔体后，在微波源作用下，形成等离子体。后下方是排放管道。目前，该设备存在的问题是去胶过程中其均匀性不稳定，正常去胶范围在0.4～0.8 μm，但实际去胶时经常出现片子被刻凸的现象，或者是片子上的光刻胶厚度一点没变。借鉴中科院微电所的经验，加以总结分析，产生该问题可能有以下原因。

（1）微波源问题。查询相关资料发现，微波源本身寿命是衰减的，在设定值（50%）情况下，实际值可能没有那么多，以致没有足够多的等离子体产生，或者是产生等离子体时不稳定。

（2）气体流量不合适。流量过小时，所需工艺压力条件可能达不到，程序会自动终止；流量过大时，腔体压强也会随着变大，也可能使得工艺压力条件不满足。

（3）温度可能不够。针对该类型设备，其温度是与等离子体密切相关。等离子体轰击时间短，去胶所需的温度就达不到。

（4）硅片放置位置不恰当。硅舟放置得太靠前、太靠后都不好，要尽量置于等离子体较均匀的区域。

（5）片子、光刻胶不平整。片子本身不平或光刻胶不均匀，这样的前提条件都不能满足，很难测定去胶是否均匀。

（6）腔体内部不洁净。腔体里面颗粒太多，在对其抽真空时，颗粒会打在硅片上，很大程度影响了去胶时的均匀性。这就需要在每一篮前后各放置一块挡片。

（7）腔体压力值不合适。根据圆筒形等离子体刻蚀机的原理，其压力在133.3 Pa（约1 Torr）以内是可以的。

2.3.2 实验验证

结合上述问题分析，对D 品牌等离子去胶机进行实验验证。根据现在工艺要求，去胶的厚度只要在0.4～0.8 μm 是可以的，最理想的情况是0.5 μm。通过咨询工艺员得知，该工序之后的片子，表面所剩下的光刻胶厚度不低于2 μm，这样也是满足工艺要求。

实验主要思路：选片→RCA 清洗→甩干→预烘（200 ℃，30 min 以上）→匀胶（约2.8 μm）→前烘（80 ℃，30 min）→曝光→显影→坚膜（160 ℃，30 min）→去胶实验。

使用该去胶机进行实验之前，先检查设备配电及气路情况，并用无水乙醇清洁工艺腔。事先测量好硅片上光刻胶的厚度，并做好记录。整个验证过程思路如下。

（1）实验一。只取一片硅片，将其垂直放在硅舟上面。设定压力为80 Pa（0.8 mbar），N2与O2的流量比为1∶4，微波源功率为60%，等离子体持续时间为6 min。

结果：产生稳定的辉光现象，如图2 所示。刻蚀前硅片胶厚2.9 μm，刻蚀后硅片胶厚2.4 μm，故该硅片的刻蚀工艺符合要求。

（2）实验二。正常生产过程中，流片数量较大，逐片进行去胶，浪费人力和时间，满足不了大批量生产要求。因此，需根据实际生产条件进行实验。此次放入9 片硅片，腔体压力为80 Pa（0.8 mbar），N2与O2的流量比为1∶4，微波源功率为60%，等离子体持续时间为6 min。

结果：产生稳定的辉光现象，如图3a 所示。对刻蚀过后的片子进行膜厚测量，发现没有明显变化，见表1。

图2 辉光现象

表1 实验二刻蚀前后胶厚

图3 压力变化对刻蚀工艺的影响

（3）实验三。在前面两个实验基础上增大腔体的压力值，大量实验之后，结果仍然不理想。微波源等离子体去胶机的工艺压力范围应该是266～332.5 Pa（2.0～2.5 Torr）。当设定压力值为300 Pa（3 mbar）时，腔体内部根本就不能实现这个值，最大只能到120 Pa（1.2 mbar），即在1 Torr 以内。同样，设定N2与O2的流量比为1∶4，微波源功率为60%，等离子体持续时间为6 min。

结果：此次实验也有大量辉光现象产生，如图3b 所示。测量光刻胶的厚度没有明显变化。此次实验说明，其他条件不变时，在设备能达到的最大压力下，片子上的光刻胶厚度在刻蚀前后变化不能满足工艺要求，故实验时应尝试改变其他参数。

（4）实验四。将腔体压力值调至最大（120 Pa），N2与O2的流量比为1∶4，微波源功率为60%，等离子体持续时间为8 min。

结果：产生稳定的辉光现象，但硅片局部有光刻胶完全被去掉的现象，显然不满足工艺要求，如图4 所示。

依照前面实验方法，控制单一变量，即气体的比例和微波源功率。经过大量实验后，最终得到比较理想的实验结果。

图4 局部光刻胶被全部刻蚀掉

表2 实验五刻蚀前后胶厚

（5）实验五。设定压力为65 Pa，N2与O2的流量比为1∶5，微波源功率为70%，等离子体持续时间为5 min。

结果：产生稳定的辉光现象，硅片上的光刻胶厚度变化值见表2，该过程中也没有出现片子被刻凸的情况。

从表2 数据可以看出，刻蚀前后的光刻胶厚度值变化范围在0.2～0.9 μm，而且刻蚀之后所剩下的光刻胶厚度都不低于2.0 μm，基本满足工艺要求。

2.3.3 实验结论

本文简单阐述干法刻蚀的工艺知识和设备知识，根据这些理论知识，对D 品牌的等离子体去胶机进行实验验证，最终得出以下结论。

（1）刻蚀前后的光刻胶厚度变化与压力、气体流量比、微波源功率，以及工艺时间有很大关系。

（2）对比实验一、二可知，刻蚀过程中，硅片的数量对刻蚀前后的光刻胶厚度变化也有一定影响。

（3）根据大量实验验证，压力值为70 Pa，N2与O2的流量比为1∶5，微波源功率为70%，等离子体持续时间为5 min 时，基本满足工艺要求。