反应离子刻蚀技术的原理

摘要：详细阐述离子刻蚀技术的原理，反应腔功能与结构设计，着重介绍适应集成电路特征尺寸微细化发展所采用的新技术。关键词：刻蚀，等离子体，射频Author: 刘晓明from Applied Material (China) --SolidState Technology( China) 前言目前，整个集成电路制造技术向着高集成度、小特征尺寸（CD）的方向发展。硅片直径从最初的4英寸发展到已批量生产的12英寸生产线。同时，衡量半导体制造技术的关键参数－特征尺寸亦朝着微细化方向发展，从最初的5祄发展到当前的110nm、90nm、65nm。而刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之一。刻蚀技术分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀采用化学腐蚀进行，是传统的刻蚀工艺。它具有各项同性的缺点，即在刻蚀过程不但有所需要的纵向刻蚀，还有不需要的横向刻蚀，因而精度差，线宽一般在3祄以上。干法刻蚀是因应大规模集成电路电路生产的需要而被开发出的精细加工技术，它具有各项异性的特点，在最大限度上保证了纵向刻蚀，还控制了横向刻蚀。目前流行的典型设备为反应离子刻蚀（RIE-Reactive Ion Etch）系统。它已被广泛应用于微处理器（CPU）、存储（DRAM）和各种逻辑电路的制造中。其分类按照刻蚀的材料分为介电材料刻蚀（Dielectric Etch）、多晶硅刻蚀（Poly-silicon Etch）和金属刻蚀（Metal Etch）。反应离子刻蚀技术的原理刻蚀精度主要是用保真度（Profile）、选择比（Selectivity）、均匀性（Uniformity）等参数来衡量。所谓保真度度，就是要求把光刻胶的图形转移到其下的薄膜上,即希望只刻蚀所要刻蚀的薄膜，而对其上的掩膜和其下的衬底没有刻蚀。事实上，以上三个部分都会被刻蚀，只是刻蚀速率不同。选择比（Selectivity）就是用来衡量这一指标的参数。S=V/U（V为对薄膜的刻蚀速率，U为对掩膜或衬底的刻蚀速率），S越大则选择比越好。由于跨越整个硅片的薄膜厚度和刻蚀速率不尽相同，从而也导致图形转移的不均匀，尤其是中心（Center）和边缘（Edge）相差较大。因而均匀性（Etch Rate Uniformity）成为衡量这一指标的重要参数。除以上参数外，刻蚀速率（Etch Rate）也是一个重要指标，它用来衡量硅片的产出速度，刻蚀速率越快，则产出率越高。反应离子刻蚀是以物理溅射为主并兼有化学反应的过程。通过物理溅射实现纵向刻蚀，同时应用化学反应来达到所要求的选择比，从而很好地控制了保真度。刻蚀气体（主要是F基和CL基的气体）在高频电场（频率通常为13.56MHz）作用下产生辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成“等离子体”（Plasma）。在等离子体中，包含有正离子（Ion+)、负离子（Ion-）、游离基（Radical）和自由电子（e）。游离基在化学上是很活波的，它与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。另一方面，如图1所示，反应离子刻蚀腔体采用了阴极（Cathode）面积小，阳极面积大的不对称设计。在射频电源所产生的电场的作用下带负电的自由电子因质量小、运动速度快，很快到达阴极；而正离子则由于质量大，速度慢不能在相同的时间内到达阴极, 从而使阴极附近形成了带负电的鞘层电压。同时由于反应腔的工作气压在10-3~10-2Torr, 这样正离子在阴极附近得到非常有效的加速，垂直轰击放置于阴极表面的硅片，这种离子轰击可大大加快表面的化学反应及反应生成物的脱附，从而导致很高的刻蚀速率。正是由于离子轰击的存在才使得各向异性刻蚀得以实现。[attach]201183[/attach] 图1. DPSII 刻蚀腔结构图初期的射频系统普遍为电容式耦合单射频系统设计（Bias RF）。但随着工艺要求的不断提高，双射频设计（Bias RF 和Source RF）开始被广泛应用。特别是到65nm以后，这已经成为必然选择。该设计方式能把离子的轰击速度和浓度分开控制，从而更好地控制刻蚀速率、选择比、均匀性和特征尺寸（CD）。传统的单射频系统为了提高刻蚀速率，通常会增加RF功率以提高电场强度，从而增加离子浓度（Ion Density）、加快刻蚀。但离子的能量（Ion Energy）也会相应增加，损伤硅片表面。为了解决这一问题，半导体设备厂商普遍采用了双射频系统设计，也就是在原有基础上，增加一个置于腔体顶部的射频感应电场来增加离子的浓度。其工作原理如下，如图2所示，一个射频电源（Source RF）加在一个电感线圈上，产生交变磁场从而产生感应电场。该电场加速产生更多的离子，而又不直接轰击硅片。[attach]201184[/attach] 图2. 电感耦合原理图此

外，在反应腔四周安装电磁场也是被广泛应用的以增加离子浓度的重要手段。电子在磁场和电场的共同作用下将作圆柱状回旋运动而不是电场下的直线运动。磁场的存在将直接导致反应气体电离截面的增加。磁场的引进会增强离子密度，并使得等离子刻蚀技术可以在更低气压下得以运用（<10 mT）。由于离子密度的增加，撞击表面的离子能量也可以在不降低刻蚀速率的情况下被降低，从而提高刻蚀选择比。反应腔功能与结构一个典型的刻蚀腔体（Plasma Etch Chamber）主要由以下几个部分组成：1. 反应腔由铝合金反应腔体、换洗套件（Swap Kit）和工艺套件（Process Kit）组成。它们与阴极（Cathode）和腔体上盖一起构成产生等离子体的反应室。在设备的定期保养和清洗过程中，只需更换换洗套件、工艺套件和腔体上盖，从而延长了腔体的使用寿命、缩短了保养时间、提高了生产效率。2．真空及压力控制系统刻蚀反应腔工作在真空状态下，工作压力一般在10-3~10-2Torr之间。整个系统主要由干泵（Dry Pump）、分子泵（Turbo Pump）、调压阀（Throttle Valve）、门阀（Gate Valve）、隔离阀（Isolation Valve）、真空计和各种真空检测开关组成。干泵真空度通常能达到100mT，分子泵则能达到0.1mT，分子泵的选型根据刻蚀压力和刻蚀腔容积的不同而不同。随着硅片由200mm发展到300mm，极限真空的要求越来越高，分子泵的抽速越来越大。从300－2200L/s发展到1600-2500L/s。为了进一步提高刻蚀的均匀性，某些产品还采用了双分子泵设计，如应用材料公司的300mm EMAX。压力的测量是由真空计来实现的，要求具有精度高、稳定性好的优点。薄膜式电容真空计（Manometer）则因具备上述特点，而被业界广泛应用。其量程范围有100mT，1T和10T三种。金属和多晶硅刻蚀多选用100mT 真空计，而介电材料刻蚀选用1T真空计。压力控制由电动调压阀（Throttle Valve）来完成。3. 射频（RF）系统射频系统由射频发生器（RF Generator）和匹配器（RF Match）组成，发生器产生的射频信号首先输出到匹配器，然后输出到反映腔阴极。该系统通常有两种组合方式：常用的为固定频率射频发生器和可调匹配器；另一种则为变频式射频发生器和不可调匹配器。当反应腔内的等离子体形成后，整个腔体为可变电容性负载。对于第一种组合方式，射频发生器的输出频率和功率固定，匹配器则自动调节其内部的可变电感（L）实现共振；同时调节可变电容器来实现阻抗匹配（50Ω）以减小反射频率，从而使发生器的功率最大限度地输出到阴极。对于第二种组合方式，匹配器由固定的电容和电感组成，射频发生器通过调节频率实现共振，同时增大实际输出功率来保证输出到阴极的功率达到设定值。4. 静电吸盘和硅片温度控制系统在200mm和300mm集成电路制造设备中，各供应商普遍采用了静电吸盘（Electrostatic Chuck）技术，而抛弃了传统的机械固定模式。它提高了刻蚀均匀性、减少了尘埃微粒（Particle）。同时，热交换器和硅片背面氦气（He）冷却技术进行温度控制的运用确保了整个硅片在刻蚀过程中的温度均匀，从而减少了对刻蚀速率均匀性的影响。静电吸盘按照原理分为库仑力静电场吸附和Johnsen-Rahbeck效应两种，主要是利用吸盘上所加高电压（HV）与硅片上因等离子效应而产生的负电压(DC Bias)之间的电压差将硅片吸附到吸盘上。它们采用了不同的介电材料，前一种采用高分子聚合物（Polymer），后一种则采用氮化铝（AlN）。它们与高电压（HV Module）发生器相配合，产生可通过软件设定的电压值。总的来说，高分子聚合物静电吸盘所需电压较高，漏电流也大，使用寿命较短。而陶瓷静电吸盘（ALN Ceramic ESC）价格相对昂贵，但使用寿命长，能提供更稳定的吸附力（Chucking Force）和背氦控制。5．气体流量控制系统刻蚀气体的流量由质量流量控制器（MFC）来控制，其流量范围一般为50-1000sccm，控制精度可达+/-1%，流量稳定时间<1s 。该控制器按照内部结构可分为模拟电路型，数字电路型及目前最先进的压力变化补偿型（PTI-Pressure Transient Insensitive Technology）。该控制器能够自动补偿气源压力的波动，保证输出流量稳定。6．刻蚀终点检测系统该系统被广泛应用于先进刻蚀设备中，以保证刻蚀深度。其工作原理为通过检测特定波长的光，来确定刻蚀是否结束。通常有两种方式：一是检测参与反应的化学气体浓度突然升高，或者检测反应生成物的浓度骤然下降。该设备按照检测波长的范围可分为单