半導(dǎo)體制造中的等離子體刻蝕過程

從下圖中可以看出結(jié)合使用XeF2氣流和氯離子轟擊的刻蝕速率最高，明顯高于這兩種工藝單獨使用時的刻蝕速率總和。原因在于氯離子轟擊會打斷表面硅原子的化學(xué)鍵形成懸浮鍵。

表面上帶有懸浮鍵的硅原子比沒有斷裂的硅原子更易于和氟自由基形成四氟化硅。由于離子轟擊以垂直方向為主，因此垂直方向的刻蝕速率比水平方向高，所以RIE具有非等向性刻蝕輪廓。

先進(jìn)的半導(dǎo)體制造中，幾乎所有的圖形化刻蝕都是RIE過程。RIE的刻蝕速率和刻蝕選擇性可以控制，刻蝕輪廓是非等向性且可控的，下表給出了這三種刻蝕工藝的比較。

刻蝕工藝原理

等離子體刻蝕中，首先將刻蝕氣體注入真空反應(yīng)室。當(dāng)壓力穩(wěn)定后再利用射頻產(chǎn)生輝光放電等離子體。部分刻蝕劑受高速電子撞擊后將分解產(chǎn)生自由基，接著自由基擴(kuò)散到邊界層下的晶圓表面并被表面吸附。

在離子轟擊作用下，自由基很快和表面的原子或分子發(fā)生反應(yīng)而形成氣態(tài)的副產(chǎn)品。從晶圓表面脫附而岀的易揮發(fā)性副產(chǎn)品擴(kuò)散穿過邊界層進(jìn)入對流氣流中，并從反應(yīng)室中排出。整個等離子體刻蝕過程如下圖所示。

等離子體刻蝕由于具有等離子體的離子轟擊，所以能達(dá)到非等向性的刻蝕輪廓，非等向性原理有兩種:損傷機(jī)制和阻絕機(jī)制，這兩者都和離子轟擊有關(guān)。

對于損傷機(jī)制，有力的離子轟擊將打斷晶圓表面上原子之間的化學(xué)鍵，帶有懸浮鍵的原子就會受到刻蝕自由基的作用。這些原子容易和刻蝕劑的自由基產(chǎn)生化學(xué)鍵而形成揮發(fā)性的副產(chǎn)品，并從表面移除掉。由于離子轟擊的方向垂直于晶圓表面，因此垂直方向的刻蝕速率遠(yuǎn)高于水平方向，所以等離子體刻蝕能形成非等向性的刻蝕輪廓。釆用損傷機(jī)理刻蝕是一種接近于物理刻蝕的RIE工藝。下圖顯示了非等向性刻蝕的損傷機(jī)理。

電介質(zhì)刻蝕包括二氧化硅、氮化硅和低左介質(zhì)層刻蝕，是傾向于物理刻蝕的RIE技術(shù)。使用損傷機(jī)制的刻蝕如果要增強(qiáng)非等向性輪廓就必須增加離子轟擊。低壓和高射頻采用重離子轟擊，能夠得到接近理想的垂直刻蝕輪廓。然而此舉會使等離子體造成器件的損壞，尤其對于多晶硅柵刻蝕，因此一般常選擇另一種離子轟擊較少的非等向性刻蝕機(jī)制。

當(dāng)發(fā)展單晶硅刻蝕時，在進(jìn)行硅刻蝕之前，沒有將二氧化硅硬遮蔽層圖形化的光刻膠去除（一般要求硅刻蝕之前先去光刻膠以避免污染），接著刻蝕的結(jié)果導(dǎo)致了另一種非等向性刻蝕機(jī)制，這就是阻擋機(jī)制。在等離子體刻蝕工藝中，離子轟擊會濺鍍一些光刻膠進(jìn)入空洞中。當(dāng)光刻膠沉積在側(cè)壁時就阻擋側(cè)壁方向的刻蝕，沉積在底層的光刻膠會逐漸被等離子體的離子轟擊移除，所以使底部的晶圓表面暴露在刻蝕劑中，因此這種刻蝕過程以垂直方向為主（見下圖）。

這種刻蝕很長時間被用來發(fā)展各種非等向性刻蝕技術(shù)，如非等向性刻蝕中所產(chǎn)生的化學(xué)沉積物將會保護(hù)側(cè)壁，并且阻擋水平方向的刻蝕。使用阻擋機(jī)制的刻蝕所需的離子轟擊比使用損傷機(jī)制少，從而可以達(dá)到非等向刻蝕的目的。單晶硅刻蝕、多晶硅刻蝕和金屬刻蝕一般都釆用這種機(jī)制，它們屬于接近化學(xué)刻蝕的RIE過程。對于側(cè)壁的沉積物則需要通過干法/濕法清洗，或者二者并用的清洗方式來處理。

審核編輯：劉清