半导体蚀刻技术

简介

在积体电路制造过程中，常需要在晶圆上定义出极细微尺寸的图案（图案），这些图案主要的形成方式，乃是藉由蚀刻（蚀刻）技术，将微影（微光刻）后所产生的光阻图案忠实地转印至光阻下的材质上，以形成积体电路的复杂架构。因此蚀刻技术在半导体制造过程中占有极重要的地位。

广义而言，所谓的蚀刻技术，包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部份去除的技术。而其中大略可分为湿式蚀刻（湿蚀刻）与干式蚀刻（干式蚀刻）两种技术。

早期半导体制程中所采用的蚀刻方式为湿式蚀刻，即利用特定的化学溶液将待蚀刻薄膜未被光阻覆盖的部分分解，并转成可溶于此溶液的化合物后加以排除，而达到蚀刻的目的。湿式蚀刻的进行主要是藉由溶液与待蚀刻材质间的化学反应，因此可藉由调配与选取适当的化学溶液，得到所需的蚀刻速率（蚀刻率），以及待蚀刻材料与光阻及下层材质良好的蚀刻选择比（选择性）。

然而，随着积体电路中的元件尺寸越做越小，由于化学反应没有方向性，因而湿式蚀刻是等向性（各向同性）的，此时，当蚀刻溶液做纵向蚀刻时，侧向的蚀刻将同时发生，进而造成底切（咬边）现象，导致图案线宽失真。因此湿式蚀刻在次微米元件的制程中已被干式蚀刻所取代。

干式蚀刻通常指利用辉光放电（辉光放电）方式，产生包含离子，电子等带电粒子及具有高度化学活性的中性原子与分子及自由基的电浆来进行图案转印（模式传输）的蚀刻技术。在本章节中，将针对半导体制程中所采用的蚀刻技术加以说明，其中内容包括了湿式蚀刻与干式蚀刻的原理，以及其在各种材质上的应用。但基于干式蚀刻在半导体制程中与日俱增的重要地位，因此本章节将以干式蚀刻作为描述的重点。涵盖的内容包括电浆产生的原理，电浆蚀刻中基本的物理与化学现象，电浆蚀刻的机制，电浆蚀刻制程参数，电浆蚀刻设备与型态，终点侦测，各种物质（导体，半导体，绝缘体）蚀刻的介绍，微负载效应及电浆导致损坏等。

5-1-1蚀刻技术中的术语

5 - 1 - 1A型等向性与非等向性蚀刻（各向同性和各向异性蚀刻）

不同的蚀刻机制将对于蚀刻后的轮廓（资料）产生直接的影响。纯粹的化学蚀刻通常没有方向选择性，蚀刻后将形成圆弧的轮廓，并在遮罩（面膜）下形成底切（咬边），如图5-1所示，此谓之等向性蚀刻。等向性蚀刻通常对下层物质具有很好的选择比，但线宽定义不易控制。而非等向性蚀刻则是借助具有方向性离子撞击，造成特定方向的蚀刻，而蚀刻后形成垂直的轮廓，如图5-1所示。采用非等向性蚀刻，可定义较细微的线宽。

5 - 1 - 1B的选择比（性）（选择性）

选择比即为不同物质间蚀刻速率的差异值。其中又可分为对遮罩物质的选择比及对待蚀刻物质下层物质的选择比。

5 - 1 - 1C的负载效应（负载效应）

负载效应就是当被蚀刻材质裸露在反应气体电浆或溶液时，面积较大者蚀刻速率较面积较小者为慢的情形。此乃由于反应物质在面积较大的区域中被消耗掉的程度较为严重，导致反应物质浓度变低，而蚀刻速率却又与反应物质浓度成正比关系，大部份的等向性蚀刻都有这种现象。

湿式蚀刻技术

最早的蚀刻技术是利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光阻覆盖的部分，而达到蚀刻的目的，这种蚀刻方式也就是所谓的湿式蚀刻。因为湿式蚀刻是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿式蚀刻过程为等向性，一

般而言此方式不足以定义3微米以下的线宽，但对于3微米以上的线宽定义湿式蚀刻仍然为一可选择采用的技术。

湿式蚀刻之所以在微电子制作过程中被广泛的采用乃由于其具有低成本，高可靠性，高产能及优越的蚀刻选择比等优点。但相对于干式蚀刻，除了无法定义较细的线宽外，湿式蚀刻仍有以下的缺点：1）需花费较高成本的反应溶液及去离子水，2）化学药品处理时人员所遭遇的安全问题，3）光阻附着性问题; 4）气泡形成及化学蚀刻液无法完全与晶圆表面接触所造成的不完全及不均匀的蚀刻; 5）废气及潜在的爆炸性。

湿式蚀刻过程可分为三个步骤：1）化学蚀刻液扩散至待蚀刻材料之表面，2）蚀刻液与待蚀刻材料发生化学反应，3）反应后之产物从蚀刻材料之表面扩散至溶液中，并随溶液排出（3）。三个步骤中进行最慢者为速率控制步骤，也就是说该步骤的反应速率即为整个反应之速率。

大部份的蚀刻过程包含了一个或多个化学反应步骤，各种形态的反应都有可能发生，但常遇到的反应是将待蚀刻层表面先予以氧化，再将此氧化层溶解，并随溶液排出，如此反覆进行以达到蚀刻的效果。如蚀刻硅，铝时即是利用此种化学反应方式。

湿式蚀刻的速率通常可藉由改变溶液浓度及温度予以控制。溶液浓度可改变反应物质到达及离开待蚀刻物表面的速率，一般而言，当溶液浓度增加时，蚀刻速率将会提高。而提高溶液温度可加速化学反应速率，进而加速蚀刻速率。

除了溶液的选用外，选择适用的遮罩物质亦是十分重要的，它必须与待蚀刻材料表面有很好的附着性，并能承受蚀刻溶液的侵蚀且稳定而不变质。而光阻通常是一个很好的遮罩材料，且由于其图案转印步骤简单，因此常被使用。但使用光阻作为遮罩材料时也会发生边缘剥离或龟裂的情形。边缘剥离乃由于蚀刻溶液的侵蚀，造成光阻与基材间的黏着性变差所致。解决的方法则可使用黏着促进剂来增加光阻与基材间的黏着性，如六甲基-二硅氮烷（HMDS的）。龟裂则是因为光阻与基材间的应力差异太大，减缓龟裂的方法可利用较具弹性的遮罩材质来吸收两者间的应力差。

蚀刻化学反应过程中所产生的气泡常会造成蚀刻的不均匀性，气泡留滞于基材上阻止了蚀刻溶液与待蚀刻物表面的接触，将使得蚀刻速率变慢或停滞，直到气泡离开基材表面。因此在这种情况下会在溶液中加入一些催化剂增进蚀刻溶液与待蚀刻物表面的接触，并在蚀刻过程中予于搅动以加速气泡的脱离。

以下将介绍半导体制程中常见几种物质的湿式蚀刻：硅，二氧化硅，氮化硅及铝。

5-2-1硅的湿式蚀刻

在半导体制程中，单晶硅与复晶硅的蚀刻通常利用硝酸与氢氟酸的混合液来进行。此反应是利用硝酸将硅表面氧化成二氧化硅，再利用氢氟酸将形成的二氧化硅溶解去除，反应式如下：

泗+硝酸+ 6HF à H2SiF6 + + H2 +的水亚硝酸

上述的反应中可添加醋酸作为缓冲剂（缓冲剂），以抑制硝酸的解离。而蚀刻速率的调整可藉由改变硝酸与氢氟酸的比例，并配合醋酸添加与水的稀释加以控制。

在某些应用中，常利用蚀刻溶液对于不同硅晶面的不同蚀刻速率加以进行（4）。例如使用氢氧化钾与异丙醇的混合溶液进行硅的蚀刻。这种溶液对硅的（100 ）面的蚀刻速率远较（111）面快了许多，因此在（100）平面方向的晶圆上，蚀刻后的轮廓将形成V型的沟渠，如图5-2所示。而此种蚀刻方式常见于微机械元件的制作上。

5-2-2二氧化硅的湿式蚀刻

在微电子元件制作应用中，二氧化硅的湿式蚀刻通常采用氢氟酸溶液加以进行（5）。