行業(yè)新聞

半導(dǎo)體工藝（六）刻蝕2.0

上一篇簡(jiǎn)單介紹了濕法刻蝕和干法刻蝕以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。這一篇對(duì)它們進(jìn)行具體的分析。

首先講解濕法刻蝕基本原理以及在刻蝕過程中需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。例如：刻蝕所需用到的各種溶液以及之間配比；在刻蝕中主要的影響因素和其解決方法等等。

在濕法刻蝕基本原理是待刻蝕的材料以浸沒的形式在特定的溶液中進(jìn)行腐蝕，使材料和溶液進(jìn)行一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到一個(gè)腐蝕（刻蝕）的效果。同時(shí)要清楚并了解主要的半導(dǎo)體材料；一些常見的酸、堿和溶劑；半導(dǎo)體制程中會(huì)用到的金屬；在濕法刻蝕中所用到的設(shè)備等等。濕法我認(rèn)為就兩個(gè)大致目的：一、清洗。二、腐蝕（刻蝕）。常見濕法用處：基材（晶圓）預(yù)處理、掩膜準(zhǔn)備、刻蝕過程及其控制、刻蝕后處理。

一、半導(dǎo)體材料（主要）以及常用的金屬

第一代：鍺（Ge）、硅（Si）為主

第二代：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb) 和硫化鎘(CdS) 等I-V族化合物材料為主

第三代：碳化硅(SiC)、氮化鎵 (GaN)、氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AIN) 等為代表

常用的金屬：鋁（Al）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鈦（Ti）、鉑（Pt）、金（Au）、銀（Ag）等

二、常用的濕法酸、堿、溶劑以及設(shè)備

1、酸：氫氟酸（HF）、鹽酸（HCL）、硫酸（H2SO4）、磷酸（H3PO4）、硝酸（HNO3）、醋酸（CH3COOH）、緩沖氧化刻蝕BOE(49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：6（體積比）的成分混合而成)

2、堿：氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈉（NAOH）、氫氧化銨（NH4OH）、氫氧化四甲基銨（TMAH）等

3、溶劑：超純水、丙酮（acetone）、異丙醇（IPA）、二甲苯（Xylenes）、三氯乙烯（TCE）等

4、配合使用的設(shè)備：磁力攪拌加熱器、超聲機(jī)、搖床等

三、常見的濕法腐蝕/處理

1、基材（晶圓）預(yù)處理

預(yù)處理一般是清洗。3個(gè)類型：1、顆粒2、有機(jī)/無機(jī)殘留物3、需要去除的保護(hù)層（氧化層/犧牲層）

當(dāng)然關(guān)于清洗還有非常多的方式和方法，例如RCA清洗，或者利用臭氧等等，這里就先不作詳細(xì)介紹。

2、常見基材、鈍化層以及金屬的腐蝕

大多數(shù)在進(jìn)行濕法腐蝕工藝的時(shí)候?yàn)榱四艿玫剿璧慕Y(jié)構(gòu)，一般是先通過光刻工藝得到第一步的圖形，利用光刻膠作為掩膜去腐蝕下一層材料，例如：Si、Sio2、SiN、Al等等。

當(dāng)然還有光刻膠作為掩膜來腐蝕下面一層的金屬薄膜，那么下圖主要是常見金屬的腐蝕方式方法

3、刻蝕控制

在濕法刻蝕過程中所需要控制的是刻蝕速率從而把握時(shí)間控制刻蝕的一個(gè)深度。為了保證刻蝕的均勻性，一致性以及準(zhǔn)確性要注意幾個(gè)因素。溫度、刻蝕溶液的配比比例以及濃度等等。通過這調(diào)節(jié)控制這些參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕速率以及刻蝕深度的一個(gè)把控。

4、刻蝕后的處理

在濕法刻蝕后一般需要用大量的超純水進(jìn)行沖洗，或者通過其他方式對(duì)晶圓進(jìn)行清洗，以便于下一步的工藝加工。如果用到了配套使用的設(shè)備需要及時(shí)進(jìn)行清洗維護(hù)等等。

5、安全防護(hù)

濕法刻蝕畢竟是涉及到多種化學(xué)品，在工藝時(shí)必須做好防護(hù)措施。

小結(jié)：對(duì)于濕法刻蝕我個(gè)人認(rèn)為首先需要確定好被刻蝕的材料，根據(jù)其性質(zhì)選擇相對(duì)的刻蝕溶液。再選擇保護(hù)的掩膜，同時(shí)在其他部分材料不被腐蝕的情況下再進(jìn)行腐蝕。例如晶圓是磷化銦襯底，同時(shí)晶圓表面有著一層犧牲層也是磷化銦，在這時(shí)去除犧牲層的時(shí)候需要在晶圓背后貼上保護(hù)膜（藍(lán)膜）。

接下來講解干法刻蝕。

干法刻蝕（dry etching）：是指以氣體為主要媒體，氣體在一定條件下以等離子的狀態(tài)下進(jìn)行薄膜的刻蝕技術(shù)。過程是以物理轟擊反應(yīng)或者化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕。

三種干法刻蝕技術(shù)：等離子體、離子銑、反應(yīng)離子刻蝕（RIE）。

干法刻蝕設(shè)備：磁場(chǎng)增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備、電容耦合等離子體刻蝕設(shè)備、電感耦合等離子刻蝕設(shè)備等等。

干法刻蝕中常見以及常用的氣體如下：

氣體分類小結(jié)：氯基氣體、氟基氣體、惰性氣體（輔助性氣體）等。

影響干法刻蝕的主要因素：

氣體的成分（組合）、氣體純度以及所用氣體之間的流量比、刻蝕過程中設(shè)備所提供的頻率以及設(shè)定的功率大小、刻蝕過程時(shí)的腔壓大小、樣品的溫度等等一系列因素。都會(huì)影響刻蝕的速率，選擇性、均勻性以及刻蝕所得的輪廓。

等離子體刻蝕可以根據(jù)等離子體產(chǎn)生和控制技術(shù)的不同而大致分為兩大類，即電容耦合等離子體（Capacitively Coupled Plasma，CCP）刻蝕和電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蝕。還有反應(yīng)離子刻蝕（RIE）和磁場(chǎng)增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備。

1. 電容耦合等離子體刻蝕設(shè)備（CCP）

是一種施加在極板上的射頻（或直流）電源通過電容耦合的方式在反應(yīng)腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體并用于刻蝕的設(shè)備。一般CCP會(huì)用到兩到三個(gè)不同頻率的射頻源，目前我所能接觸的所用的頻率一般是13MHz。當(dāng)然也有其他頻率例如2MHz和4MHz這兩個(gè)一般是低頻射頻源，一般接晶圓所在的下電極，因?yàn)槟苡行У乜刂齐x子能量，所以也叫偏壓電源。相反在27MHz以上的射頻源上下電極都可以接，對(duì)離子濃度能有效控制，所以叫源電源。

目前來看對(duì)于高深寬比結(jié)構(gòu)的刻蝕要求，在工作時(shí)候的氣壓（反應(yīng)腔）由50~500mTorr低至10mTorr。目的是增加離子的自由程，減少因?yàn)榕鲎菜鶐淼哪芰繐p失。其次為了加強(qiáng)離子能夠垂直進(jìn)入極高深寬比結(jié)構(gòu)底部而不發(fā)生偏移，一般采用10kw的偏壓電源從而獲得更高的離子能量。物極必反，離子能量的大小以及分布對(duì)刻蝕的細(xì)小部分以及對(duì)器件的損傷也是有很明顯的影響。CCP目前也是主要用于電介質(zhì)材料的刻蝕工藝。

2. 電感耦合等離子體設(shè)備（ICP）

電感耦合等離子體（ICP）刻蝕設(shè)備是一種將射頻電源（13.56MHz）的能量經(jīng)由電感線圈，以磁場(chǎng)耦合的形式進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)部，從而產(chǎn)生等離子體并用于刻蝕的設(shè)備。ICP刻蝕的核心是等離子體，它是由高頻電場(chǎng)作用下的氣體離子化形成的。在ICP刻蝕系統(tǒng)中，氣體通過進(jìn)氣口進(jìn)入反應(yīng)室，在高頻電場(chǎng)的作用下，氣體分子被電離成為正離子和電子。正離子在電場(chǎng)的作用下被加速，撞擊到反應(yīng)室內(nèi)的壁面，產(chǎn)生二次電子，形成等離子體。等離子體具有高能量、高反應(yīng)性和高密度等特點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)刻蝕材料表面。ICP刻蝕的刻蝕速率和選擇性取決于等離子體的密度和能量。等離子體密度越高，刻蝕速率越快，但選擇性越差：等離子體能量越高，刻蝕速率越快，但表面粗糙度越大。因此，ICP刻蝕需要控制等離子體的密度和能量，來達(dá)到高精度、高選擇性的刻蝕效果。等離子體濃度基本上由連接電感線圈的源電源的功率決定，而晶圓片表面離子鞘中的離子能量則基本上由偏壓電源的功率決定，所以離子的濃度和能量能夠獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)去耦合。

ICP刻蝕設(shè)備是目前各類等離子體刻蝕設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的兩類設(shè)備之一，它主要用于對(duì)硅溝槽、多晶硅柵結(jié)構(gòu)、金屬柵結(jié)構(gòu)。另外，隨著三維集成電路、CMOS圖像傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical System，MEMS）的興起，以及硅通孔（Through Si Via，TSV）、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蝕應(yīng)用的快速增加，多個(gè)生產(chǎn)商推出了專為這些應(yīng)用而開發(fā)的刻蝕設(shè)備，其特點(diǎn)是刻蝕深度大（數(shù)十甚至數(shù)百微米），所以多應(yīng)用在高氣流量、高氣壓和高功率條件下。

ICP刻蝕設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)和改善方向主要有如下3個(gè)方面：

1）刻蝕后關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension，CD）均勻性

2）刻蝕選擇性

3）等離子體引起的損傷

3.反應(yīng)離子刻蝕（RIE）、磁場(chǎng)增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備（MERIE）

反應(yīng)離子刻蝕（RIE）是一種采用化學(xué)反應(yīng)和物理離子轟擊去除硅片表面材料的技術(shù),是當(dāng)前常用技術(shù)路徑屬于物理和化學(xué)混合刻蝕。在傳統(tǒng)的反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中，進(jìn)入反應(yīng)室的氣體會(huì)被分解電離為等離子體，等離子體由反應(yīng)正離子、自由基、反應(yīng)原子等組成。反應(yīng)正離子會(huì)轟擊硅片表面形成物理刻蝕，同時(shí)被轟擊的硅片表面化學(xué)活性被提高，之后硅片會(huì)與自由基和反應(yīng)原子形成化學(xué)刻蝕。這個(gè)過程中由于離子轟擊帶有一定方向性，RIE技術(shù)具有較好的各向異性。磁場(chǎng)增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕（Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching，MERIE）設(shè)備是一種在平板式RIE設(shè)備的基礎(chǔ)上外加一個(gè)直流磁場(chǎng)而構(gòu)成的旨在提高刻蝕速率的刻蝕設(shè)備。