等离子体刻蚀工艺的研究现状和发展趋势 (2)

等离子体刻蚀工艺的研究现状和发展趋势摘要：目前等离子体刻蚀工艺已广泛应用于国防工业和民办企业，本文归纳了在实际应用方面的内容，介绍了从湿法刻蚀到干法刻蚀的发展历程，综述了等离子体刻蚀的研究现状，总结了等离子体刻蚀的机理，并对未来发展趋势做出了分析。

关键词：等离子体刻蚀工艺，湿法刻蚀，干法刻蚀

Abstract: At present,the technique of plasma etching has been widely used in national defense industry and private enterprises,this paper sums up the content in practical application,introduces the development from wet etching to the dry etching, reviews the current situation of the study of plasma etching,summarizes the mechanism of plasma etching and has made the analysis on the trend of future development.

Keyword: plasma etching technology ,wet etching ,dry etching

0 前言

自19世纪四十年代至六十年代，人类发明了晶体管，随后出现集成电路，湿法刻蚀工艺逐渐应用于各种半导体器件的加工过程。湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术。简单来说，就是中学化学课中化学溶液腐蚀的概念，它是一种纯化学刻蚀，具有优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就会停止，而不会损坏下面一层其他材料的薄膜。由于所有的半导体湿法刻蚀都具有各向同性，所以无论是氧化层还是金属层的刻蚀，横向刻蚀的宽度都接近于垂直刻蚀的深度。这样一来，上层光刻胶的图案与下层材料上被刻蚀出的图案就会存在一定的偏差，也就无法高质量地完成图形转移和复制的工作，因此随着特征尺寸的减小，在图形转移过程中基本不再使用。

直到六十年代人们才发现氧等离子体可用于去除残留碳化物，并成功地用于等离子体去胶工艺中。随后很快发展了半导体器件工艺中的干法刻蚀技术。自七十年代初，以辉光放电产生的气体等离子体进行腐蚀加工，经历了多样化的发展过程，,使技术不断得到完善和创新。

随着现代科学技术的迅速发展,电子技术越来越被各行各业及国防工业加以广泛利用。而MOS大规模集成电路则是当代电子工业的重要组成部分,它之所以重要是因其集成度高、可靠、速度快、功耗低、制造工艺简单、用途广等优点所致[1]。由于集成度的不断提高,对器件的可靠性及加工精度就提出了更高的要求,但原有的化学湿法腐蚀工艺却限制了其发展。为了克服此不足点,国外发明了一种新的刻蚀工艺——等离子体干法腐蚀工艺,这样就为MOS 工艺和大规模集成电路开辟了一条新的途径。

1 干法刻蚀取代湿法刻蚀

在超大规模集成电路制造发展过程中特征尺寸不断变小,由于湿法刻蚀无法避免的各向同性从而造成光刻胶或硬掩膜层下方薄膜的损失,线宽无法很好的控制,不能满足高精度工艺尺寸的要求,因此能形成各向异性的干法刻蚀己经逐渐取代湿法刻蚀成为当前集成电路刻蚀工艺的主流。

干法刻蚀是通过高频电场将气体部分电离成等离子体,然后利用等离子体中的自由基离子来进行化学的和物理(离子轰击)的作用去除被刻蚀材料的过程。由于刻蚀过程中不使用溶液所以称为干法刻蚀。干法刻蚀就其原理可以分为两种:一种是利用等离子体中的活性基团与被刻蚀材料发生化学反应生成挥发性的副产物从而完成刻蚀的过程,是一种各向同性的纯化学反应,特征尺寸控制较差;另一种是利用电场的加速使高能离子轰击被刻蚀材料从而完成刻蚀的过程,是一种具有良好方向性的纯物理的刻蚀,可以较好的控制线宽但选择比较差。上述两种方法的结合就能包括化学反应和物理轰击作用,从而获得合适的刻蚀速率,侧壁形貌以及选择比,这种方式就是反应离子刻蚀,在大多数干法刻蚀工艺中都被普遍采用。

刻蚀是利用显影后的光刻胶图形作为掩模，在SiO2 , Si3N4、金属、多晶硅等衬底上腐蚀掉一定深度的薄膜物质，得到与光刻胶图形相同的集成电路图形。光刻和刻蚀技术决定着集成电路图形的精细程度。随着集成电路的集成度提高和元件线宽减小，刻蚀技术由原来的化学“湿刻”转换为等离子体“干刻”。湿刻是指用液体化学溶剂腐蚀掉样片表面一定深度的物质。此方法是各向同性刻蚀，线宽一般在31um以上，刻蚀精度差，不均匀，污染环境等。干刻是指用气相刻蚀剂与表面作用，刻蚀产物为挥发性气体并被抽走。干刻有等离子体刻蚀、离子束刻蚀等。

等离子体刻蚀是在等离子体存在的条件下，以平面曝光后得到的光刻图形作掩模，通过溅射、化学反应、辅助能量离子(或电子)与模式转换等方式，精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质而留下不受影响的沟槽边壁上的物质的一种加工过程。该过程通常为各向异性且按直线进行。它还具有刻蚀速率高、均匀性和选择性好以及避免废液料污染环境等优点。正因为如此，它得到了广泛的工业应用。在现代工艺水平的超大规模集成电路制造中，等离子体刻蚀成为必须的主要加工技术，它与平面曝光、等离子体化学沉积、掩模、清洗、聚合等技术一起被广泛用于微电子器件、薄膜、材料加工等方面。等离子体刻蚀技术虽然给信息产业带来了巨大的利润和产值，但它存在一些不足之处。例如元件极限线宽被认为是0.10um，这是由于平面曝光分辨率的限制。

2 等离子体刻蚀的研究现状

所谓等离子体指的是部分电离的气体。等离子体中包括正负离子,不带电的分子和原子,电子,自由基团,光子等,整体是呈电中性的,是一种电荷集体行为的表现。等离子体具有以下特点:电中性、受电场驱动、发光、含有大量具有高度活性的离子和自由基。等离子体中的各种粒子会不断得进行碰撞和反应,包括以下几种:分裂、激活、电离、复合[4]。

分裂主要由于电子和分子的碰撞产生原子的过程,原子是形成自由基和离子的基本元素之一;激活主要是由于电子和原子碰撞产生自由基的过程,自由基是等离子刻蚀中化学刻蚀的主要粒子,同时自由基中的电子从高能级跃迁至低能级时会发出光子;电离是电子碰撞分子或原子形成离子的过程,离子在电场作用下能轰击硅片表面,是等离子刻蚀中离子轰击实现物理刻蚀的主要粒子;还有复合作用就是电子和离子重新结合形成原子或分子的过程。

常压射频低温冷等离子体具有温度低、损伤小、成本少和没有环境污染等优点，在许多