等离子刻蚀

等离子刻蚀

等离子体刻蚀（也称干法刻蚀）是集成电路制造中的关键工艺之一,其目的是完整地将掩膜图形复制到硅片表面,其范围涵盖前端CMOS栅极（Gate）大小的控制,以及后端金属铝的刻蚀及Via和Trench的刻蚀。在今天没有一个集成电路芯片能在缺乏等离子体刻蚀技术情况下完成。刻蚀设备的投资在整个芯片厂的设备投资中约占10%~12%比重,它的工艺水平将直接影响到最终产品质量及生产技术的先进性。

最早报道等离子体刻蚀的技术文献于1973年在日本发表,并很快引起了工业界的重视。至今还在集成电路制造中广泛应用的平行电极刻蚀反应室（Reactive Ion Etch-RIE）是在1974年提出的设想。

图1显示了这种反应室的剖面示意图和重要的实验参数,它是由下列几项组成：一个真空腔体和真空系统,一个气体系统用于提供精确的气体种类和流量,射频电源及其调节匹配电路系统。

等离子刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤：

● 在低压下,反应气体在射频功率的激发下,产生电离并形成等离子体,等离子体是由带电的电子和离子组成,反应腔体中的气体在电子的撞击下,除了转变成离子外,还能吸收能量并形成大量的活性基团（Radicals）

● 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物

● 反应生成物脱离被刻蚀物质表面,并被真空系统抽出腔体。

在平行电极等离子体反应腔体中,被刻蚀物是被置于面积较小的电极上,在这种情况,一个直流偏压会在等离子体和该电极间形成,并使带正电的反应气体离子加速撞击被刻蚀物质表面,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。

自从最初的平行电极型等离子体反应室被用于芯片制造以来,随着芯片尺寸的不断扩大及图形尺寸的不断减小,平行电极等离子刻蚀设备在过去20年中已得到了很大的改进,虽然其原理还是一样,但最大的改进在反应腔室周围加上磁场（Magnetic Enhanced RIE,MERIE)。由于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（<10mT)。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。

当被刻蚀的线条宽小于0.25mm时,MERIE在控制刻蚀性能遇到了挑战,于是电感耦合等离子刻蚀（Inductive Coupled Plasma-ICP）便应运而生。ICP反应室是在RIE反应室的上方加置线圈状的电极,并通过电感耦合达到增强等离子密度的效果。目前在高端芯片生产中的导电体刻蚀基本上都采用ICP反应腔体技术,其优点是可以用上下两组电极分别控制离子的密度和能量以达到最优化的组合,这也是MERIE系统所无法比拟的。

随着集成电路最小尺寸不断减小、集成度的不断提高以及硅单晶衬底尺寸的扩大,对刻蚀设备的要求也越来越高。除了能提供高质量的刻蚀性能外,还要求刻蚀设备在大规模量产中能保证极高的稳定性、极低的缺陷率。

刻蚀设备制造商也在不断地优化其产品以满足前端研发的要求。就现有的理论研究及生产需要,新一代刻蚀设备将会具有以下几项特点,以满足芯片生产技术进一步发展的需要。

● 精确的工艺参数调节及控制系统;

● 反应腔内部材料进一步改善或新型材料的运用及自动清洁系统;

● 先进的探测系统及容易操作的控制软件平台;

● 在线检测及随时控制调节系统运用。