简单认识精密结构刻蚀工艺

刻蚀是把经光刻工艺形成的精密图形转变精密结构的工艺技术。在光刻曝光和显影以后的硅片表面图形上，以光刻胶为掩蔽薄膜，对暴露区域的硅或薄膜进行刻蚀，在硅片上形成器件结构图形。图4.10光刻、刻蚀两者结合形成氧化硅窗口的示意图。从物体结构上说，各种半导体器件都是由不同导电类型单晶膜、多晶膜、介质、金属等多层次薄膜定域微结构构成的。形成各个层次微结构的关键步骤之一，是对相关薄膜或薄层刻蚀。在集成电路制造工艺中，经常需要刻蚀的材料有SiO2、Si3N4、铝、多晶硅薄膜和单晶硅层等。为了得到精密微结构，不仅要求刻蚀技术达到适当的刻蚀速率，还必须具有对不同材料的刻蚀选择性，并应获得所需要的刻蚀剖面。刻蚀选择性，要求对所要去除的材料刻蚀速率远大于其他材料。例如，在刻蚀SiO2时，对下面的硅的刻蚀速率要非常低。刻蚀剖面则取决于刻蚀方向性，各向异性刻蚀可形成陡峭刻蚀剖面，各向同性刻蚀则产生缓变刻蚀剖面。

对不同材料有多种方法进行刻蚀，可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类，刻蚀所应用的原理有化学反应和物理作用。湿法刻蚀通常基于纯化学反应，应用某种化学溶液，通过与所需腐蚀薄膜或薄层材料的化学反应，生成可溶解的化合物。例如，半导体器件中常用的SiO2薄膜，在室温下就可用氢氟酸水溶液腐蚀，形成二氧化硅图形；集成电路互连常用的铝膜，可用70~80°C的热磷酸腐蚀，形成铝布线，等等。湿法刻蚀具有较好的选择性，如上面两例中腐蚀液对硅都不腐蚀。湿法化学反应通常具有各向同性刻蚀特性。

干法刻蚀技术有等离子体刻蚀、溅射刻蚀等。溅射刻蚀是纯物理作用的刻蚀，利用能量在102～103eV范围的Ar+或其他惰性气体离子，轰击被刻蚀区域表面，通过能量和动量交换，把表面原子溅射出来，实现刻蚀剥层。溅射刻蚀具有强方向性，是典型各向异性刻蚀，但其刻蚀选择性很差，对不同材料的刻蚀速率差别较小。自20世纪70年代以来，等离子体刻蚀逐渐发展成为集成电路的主要刻蚀技术。等离子体刻蚀的基本原理是：对于需要刻蚀的材料，选择合适反应气体通入真空反应室，应用射频电源产生气体放电等离子体，形成具有反应活性的离子、原子和分子，它们与被刻蚀材料反应生成挥发性物质，从真空室中抽出。

针对不同线条工艺和不同材料刻蚀要求，有多种多样的等离子体刻蚀装置与工艺。在等离子体刻蚀机制中，化学反应与物理作用两者兼而有之。应用优选的刻蚀气体，等离子体刻蚀可以获得良好的刻蚀选择性。等离子体刻蚀形成的刻蚀剖面与刻蚀模式有关。常用等离子体刻蚀有两种基本模式，即一般等离子体刻蚀和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）。在一般等离子体刻蚀模式中，刻蚀作用以化学反应为主，刻蚀方向性较弱。而在反应离子刻蚀模式中，被刻蚀的衬底处于较高负偏压下，等离子体中的正离子获得较大能量，轰击刻蚀区域，这种物理作用与活性粒子的化学反应相结合，形成各向异性刻蚀效应，得到陡峭刻蚀剖面。各向异性 RIE 刻蚀技术在各种固体电子器件制造中广泛应用。例如，MOS晶体管的多晶硅栅结构就必须用 RIE 工艺实现。