浅谈离子刻蚀技术与发展

离子刻蚀工艺及其发展前景

摘要：

本文着重介绍了微电子工艺中的离子刻蚀工艺的基本概念，分类以及其发展趋势，着重介绍几种离子刻蚀技术如等离子体刻蚀，反应离子刻蚀等等，并且描述今后离子刻蚀的发展方向

关键词：

刻蚀技术，等离子体刻蚀，反应离子束刻蚀，离子刻蚀的发展方向

引言：

刻蚀技术是微电子工艺中一项重要的工艺，刻蚀是用化学或物理方法有选择的从硅片表面去除不需要的材料的过程。在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀是把硅片表面暴露于气态产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应，从而去掉暴露的表面材料。湿法刻蚀则是使用液体化学试剂以化学反应去除硅片表面的材料。本文着重干法刻蚀及几种重要刻蚀技术。

正文：

一：等离子体刻蚀

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。

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。

二：反应离子刻蚀

反应离子刻蚀（RIE）是利用高频电场下气体辉光放电产生的离子轰击的物理效应和活性活性粒子的化学反应相结合来实现加工目的的一种技术。一般来说，它具有较高的刻蚀效率，良好的方向选择性，能刻蚀精细结构的图形。

在进行反应离子刻蚀时，需注入适当的刻蚀气体，与基底材料化合成挥发性和准挥发性的化合物，一般的说，对三四族化合物半导体材料和铝等三族元素材料，反应气体多以氯气为主，对硅及其化合物，反应气体多以氟化物为主。

在刻蚀过程中发生的化学反应，可分为离子诱发和离子增强两种，其机理正如字面所理解的，一般的说，离子增强反应，掩膜将受到一个由自发反应所确定的钻蚀，而离子诱发则没有。如果在刻蚀气体中引入一些能提供交合的粒子添加剂混合试剂的作用，则既能与刻蚀剂粒子在材料表面上结合产生挥发性产物，也能作为形成钝化膜的预制体。

三：离子束刻蚀

离子束刻蚀以离子束为刻蚀手段达到刻蚀目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻蚀，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。但是，在离子束加工过程中，损伤问题比较突出，且离子束加工精度还不容易控制，控制精度也不够高。

四：除以上介绍的技术以外，还有很多刻蚀工艺技术，因本文作者水平有限，现不一一赘述。

小结：

高刻蚀速度和高均匀性一直是微细加工技术发展的主要内容，随着基片尺寸不断增大，器件结构尺寸不断缩小，这些要求就更为突出。

新的等离子体产生方式是近年来干法刻蚀技术发展的重点，电子回旋共振技术已得到普遍应用。它是1984年前后日本日立公司最早研究的，在较长的时间里得不到重视，只在日本发展。直到80年代末，美英法德的少数公司才开始开发，近年来发展很快。纵观那些新开发的刻蚀技术，我们可以发现，它们的共同特征就是能够产生高密度的等离子体，以提高腐蚀速率和腐蚀均匀性。

引用文献：

1, /view/9620373667ec102de2bd897a.html

2, /view/687379.htm

3,Michal Quirk,Julian Serda 半导体制造技术P405

4，任延同，离子刻蚀现状与未来发展