硅刻蚀

硅刻蚀技术简介

在半导体制程中，单晶硅与多晶硅的刻蚀通常包括湿法刻蚀和干法刻蚀，两种方法各有优劣，各有特点。

湿法刻蚀即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刻胶掩膜覆盖的部分，而达到刻蚀的目的。因为湿法刻蚀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，因此湿法刻蚀过程为等向性。湿法刻蚀过程可分为三个步骤：1) 化学刻蚀液扩散至待刻蚀材料之表面；2) 刻蚀液与待刻蚀材料发生化学反应； 3) 反应后之产物从刻蚀材料之表面扩散至溶液中，并随溶液排出。

湿法刻蚀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、高产能及优越的刻蚀选择比等优点。但相对于干法刻蚀，除了无法定义较细的线宽外，湿法刻蚀仍有以下的缺点：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) 光刻胶掩膜附着性问题；4) 气泡形成及化学腐蚀液无法完全与晶片表面接触所造成的不完全及不均匀的刻蚀。

基于以上种种原因，这里就以下三个方面着重介绍下干法刻蚀。

1、硅等离子体刻蚀工艺的基本原理

干法刻蚀是利用射频电源使反应气体生成反应活性高的离子和电子，对硅片进行物理轰击及化学反应，以选择性的去除我们需要去除的区域。被刻蚀的物质变成挥发性的气体，经抽气系统抽离，最后按照设计图形要求刻蚀出我们需要实现的深度。

干法刻蚀可以实现各向异性，垂直方向的刻蚀速率远大于侧向的。其原理如图所示，生成CF基的聚合物以进行侧壁掩护，以实现各向异性刻蚀。

刻蚀过程一般来说包含物理溅射性刻蚀和化学反应性刻蚀。对于物理溅射性刻蚀就是利用辉光放电，将气体解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被蚀刻物的表面，而将被蚀刻物质原子击出（各向异性）。对于化学反应性刻蚀则是产生化学活性极强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待刻蚀物质的表面，并与待刻蚀物质反应产生挥发性的反应生成物（各向同性），并被真空设备抽离反应腔。

2、硅刻蚀工艺的要求

对于早期器件的刻蚀工艺要求，一般来说要求深度、选择比、掩膜的完全传递和侧壁的陡直度。

随着新型器件的不断出现，对于刻蚀工艺也提出了越来越多的要求，形貌方面比如圆包刻蚀、梯形刻蚀、三角刻蚀等；槽的状态方面要求很高的深宽比、V形槽、保证深度的情况下要求低损伤等等，要想达到各种要求，除了需要我们对影响刻蚀工艺的因素有足够的了解，还需要我们对于光刻工艺和掩膜条件有相当理解。

3、影响硅刻蚀工艺的重要因

影响刻蚀工艺的因素分为外部因素和内部因素。

外部因素主要包括设备硬件的配置以及环境的温度、湿度影响，对于操作人员来说，外部因素只能记录，很难改变，要做好的就是优化工艺参数，实现比较理想的实验结果。

内部因素就是在设备稳定的情况下对工艺结果起到决定性作用，以下所列因素对于刻蚀速率、形貌等均起到重要作用。

1）、工作压力的选择：对于不同的要求，工作压力的选择很重要，压力取决于通气量和泵的抽速，合理的压力设定值可以增加对反应速率的控制、增加反应气体的有效利用率等。

2）、RF功率的选择：RF功率的选择可以决定刻蚀过程中物理轰击所占的比重，对于刻蚀速率和选择比起到关键作用。RF功率、反应气体的选择和气体通入的方式可以控制刻蚀过程为同步刻蚀亦或是BOSCH工艺。

3）、ICP功率：ICP功率对于气体离化率起到关键作用，保证反应气体的充分利用，我们的设备ICP功率最大值为2500W。在气体流量一定的情况下，随着ICP功率的增加气体离化率也相应增加，可增加到一定程度时，离化率趋向于饱和，此时再增加ICP功率就会造成浪费。

4）、衬底温度和反应室温度：温度控制对于衬底本身和掩膜（特别是胶掩膜）的意义重大，目前大多数设备采用的是氦气冷却衬底背面的方式，背面控制在20℃左右。

5、反应气体的选择和配比：目前我们的设备通了四路气体SF6 、C4F8 、 O2和CF4 。其中SF6和C4F8作为反应气体参与刻蚀过程，O2和CF4作为清洗气体负责设备的CLEAN过程。选择合适的流量和气体通入的时间比会很大程

度上影响刻蚀面的侧壁形貌、反应速率等

Si与GaN刻蚀比较：刻蚀三五族化合物，还要尽量保持被刻蚀界面的化学平衡。

另外，直流偏压的选择，控制反射功率，待刻蚀面积的大小、刻蚀材料的差异等等都会影响到刻蚀面的形貌、刻蚀速率，这些都是要考虑的重要因素。总而言之，没有万能的程序可以适用所有的要求。所有的因素都不是单一的，而是相互作用相辅相成的，只有各项条件都相互匹配了才能得到比较理想的不同结果。