干法刻蝕工藝與設備

陳海軍，魏宏杰

（株洲中車時代半導體有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從介質表面去除不需要的材料的過程。刻蝕的基本目標是在涂膠的襯底上正確地復制掩膜圖形。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襯底上的特殊區域，選擇性地刻掉未被光刻膠保護的區域。

隨著科學技術不斷推進，半導體電子工業得到了迅速發展，特別是大面積集成電路的高速發展，對工藝生產中的刻蝕技術提出了更高要求。圖形加工在微細加工技術中被認為是核心問題，它的精確程度受到多種因素影響，其中刻蝕方法便是一個重要因素。半導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化學試劑或溶液通過化學反應進行刻蝕的方法，它在半導體工藝中有著廣泛應用，如清洗、腐蝕等。優點是選擇性好、設備簡單、成本低、生產效率高；缺點是鉆刻嚴重、對形貌控制較差。

干法刻蝕主要指利用低壓放電產生的等離子體中的離子或游離基（處于激發態的分子、原子及各種原子基團等）與材料發生化學反應或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的。因為各向異性度，該方法可以很好地控制剖面形貌。在人們進行大量探索與研究的過程中，干法刻蝕技術正是以這些無可比擬的優點，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生碰撞，使氣體分子電離發出二次電子，進一步碰撞后產生更多的電子和離子。當電離與復合過程達到平衡時，出現穩定的輝光放電現象，形成穩定的等離子體。等離子體中包括有電子、離子、還有處于激發態的分子，原子及各種原子團（統稱游離基）。游離基具有高度的化學活性，游離基與被腐蝕材料的表面發生化學反應，形成揮發性的產物，使材料不斷被腐蝕。產生的過程如下。

（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，大多數原子、原子團以及某種情況下的負離子都是因為這些碰撞而產生的。O2+e→2O+2e→O+O-，CF3Cl+e→CF2+Cl+e，C2F6+e→CF3+e。例如，CF4是相當惰性的氣體，在硅熔點（1412 ℃）的任何溫度下，它都不與硅發生反應。然而，其副產物之一的原子F，在室溫下，卻能與硅很自然地發生反應，形成揮發性的SiF4。

1.2 主要刻蝕參數

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間，常用單位是A/min。刻蝕速率=ΔT/t，其中，ΔT 是去掉的材料厚度（A 或μm），t 是刻蝕所用時間（min）。刻蝕速率主要取決于工藝參數的設定和設備硬件。圖1 反映的是，在用反應離子刻蝕（RIE）對氮化硅刻蝕時，為提高刻蝕速率，會在工藝氣體Cl2中添加SF6。因為SF6的化學反應較強，在氣體中所占比率越大，產生的剖面也越大。

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（刻蝕到恰當深度時停止），并且保護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、片間、批次間的刻蝕能力的參數，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 干法刻蝕設備概要

2.1 刻蝕機理

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

（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。利用放電產生的游離基與材料發生化學反應，形成揮發物，實現刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差。

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

2.2 設備分類及原理

結合刻蝕機理，再根據設備腔體結構的不同，干法腐蝕可分為圓筒形等離子刻蝕、平板反應離子刻蝕、平板等離子刻蝕、反應離子束刻蝕，以及離子銑腐蝕等5 類。基于生產線上的使用情況，這里主要介紹圓筒形等離子刻蝕機和高密度等離子體刻蝕機。

2.2.1 圓筒形等離子體刻蝕機

圓筒式反應腔呈圓柱形，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、小間距地放在一個石英舟上，方向與電場平行，這樣使得物理刻蝕最小。該類設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

在高密度等離子體刻蝕機中，電感耦合等離子體反應器是其中之一，在美國被廣泛使用，例如，等離子刻蝕設備LAM TCP 9400、LAM Exelan HPT，以及MATTSON 等離子去膠機等。

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

2.3 D 品牌等離子去膠機

2.3.1 D 品牌去膠機故障分析

D 品牌等離子去膠機使用圓筒式反應器。該設備使用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，該設備存在的問題是去膠過程中其均勻性不穩定，正常去膠范圍在0.4～0.8 μm，但實際去膠時經常出現片子被刻凸的現象，或者是片子上的光刻膠厚度一點沒變。借鑒中科院微電所的經驗，加以總結分析，產生該問題可能有以下原因。

（1）微波源問題。查詢相關資料發現，微波源本身壽命是衰減的，在設定值（50%）情況下，實際值可能沒有那么多，以致沒有足夠多的等離子體產生，或者是產生等離子體時不穩定。

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

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

（4）硅片放置位置不恰當。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）腔體內部不潔凈。腔體里面顆粒太多，在對其抽真空時，顆粒會打在硅片上，很大程度影響了去膠時的均勻性。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。根據圓筒形等離子體刻蝕機的原理，其壓力在133.3 Pa（約1 Torr）以內是可以的。

2.3.2 實驗驗證

結合上述問題分析，對D 品牌等離子去膠機進行實驗驗證。根據現在工藝要求，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。

實驗主要思路：選片→RCA 清洗→甩干→預烘（200 ℃，30 min 以上）→勻膠（約2.8 μm）→前烘（80 ℃，30 min）→曝光→顯影→堅膜（160 ℃，30 min）→去膠實驗。

使用該去膠機進行實驗之前，先檢查設備配電及氣路情況，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。整個驗證過程思路如下。

（1）實驗一。只取一片硅片，將其垂直放在硅舟上面。設定壓力為80 Pa（0.8 mbar），N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續時間為6 min。

結果：產生穩定的輝光現象，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）實驗二。正常生產過程中，流片數量較大，逐片進行去膠，浪費人力和時間，滿足不了大批量生產要求。因此，需根據實際生產條件進行實驗。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%，等離子體持續時間為6 min。

結果：產生穩定的輝光現象，如圖3a 所示。對刻蝕過后的片子進行膜厚測量，發現沒有明顯變化，見表1。

圖2 輝光現象

表1 實驗二刻蝕前后膠厚

圖3 壓力變化對刻蝕工藝的影響

（3）實驗三。在前面兩個實驗基礎上增大腔體的壓力值，大量實驗之后，結果仍然不理想。微波源等離子體去膠機的工藝壓力范圍應該是266～332.5 Pa（2.0～2.5 Torr）。當設定壓力值為300 Pa（3 mbar）時，腔體內部根本就不能實現這個值，最大只能到120 Pa（1.2 mbar），即在1 Torr 以內。同樣，設定N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續時間為6 min。

結果：此次實驗也有大量輝光現象產生，如圖3b 所示。測量光刻膠的厚度沒有明顯變化。此次實驗說明，其他條件不變時，在設備能達到的最大壓力下，片子上的光刻膠厚度在刻蝕前后變化不能滿足工藝要求，故實驗時應嘗試改變其他參數。

（4）實驗四。將腔體壓力值調至最大（120 Pa），N2與O2的流量比為1∶4，微波源功率為60%，等離子體持續時間為8 min。

結果：產生穩定的輝光現象，但硅片局部有光刻膠完全被去掉的現象，顯然不滿足工藝要求，如圖4 所示。

依照前面實驗方法，控制單一變量，即氣體的比例和微波源功率。經過大量實驗后，最終得到比較理想的實驗結果。

圖4 局部光刻膠被全部刻蝕掉

表2 實驗五刻蝕前后膠厚

（5）實驗五。設定壓力為65 Pa，N2與O2的流量比為1∶5，微波源功率為70%，等離子體持續時間為5 min。

結果：產生穩定的輝光現象，硅片上的光刻膠厚度變化值見表2，該過程中也沒有出現片子被刻凸的情況。

從表2 數據可以看出，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 實驗結論

本文簡單闡述干法刻蝕的工藝知識和設備知識，根據這些理論知識，對D 品牌的等離子體去膠機進行實驗驗證，最終得出以下結論。

（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，以及工藝時間有很大關系。

（2）對比實驗一、二可知，刻蝕過程中，硅片的數量對刻蝕前后的光刻膠厚度變化也有一定影響。

（3）根據大量實驗驗證，壓力值為70 Pa，N2與O2的流量比為1∶5，微波源功率為70%，等離子體持續時間為5 min 時，基本滿足工藝要求。