2022年半导体蚀刻技术 .pdf

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1、簡介在積體電路製造過程中，常需要在晶圓上定義出極細微尺寸的圖案(Pattern)，這些圖案主要的形成方式，乃是藉由蝕刻(Etching)技術，將微影(Micro-lithography)後所產生的光阻圖案忠實地轉印至光阻下的材質上，以形成積體電路的複雜架構。因此蝕刻技術在半導體製造過程中佔有極重要的地位。廣義而言，所謂的蝕刻技術，包含了將材質整面均勻移除及圖案選擇性部份去除的技術。而其中大略可分為濕式蝕刻(Wet Etching)與乾式蝕刻(Dry Etching)兩種技術。早期半導體製程中所採用的蝕刻方式為濕式蝕刻，即利用特定的化學溶液將待蝕刻薄膜未被光阻覆蓋的部分分解，並轉成可溶於此溶液的

2、化合物後加以排除，而達到蝕刻的目的。濕式蝕刻的進行主要是藉由溶液與待蝕刻材質間的化學反應，因此可藉由調配與選取適當的化學溶液，得到所需的蝕刻速率(Etching Rate)，以及待蝕刻材料與光阻及下層材質良好的蝕刻選擇比(Selectivity)。然而，隨著積體電路中的元件尺寸越做越小，由於化學反應沒有方向性，因而濕式蝕刻是等向性(Isotropic)的，此時，當蝕刻溶液做縱向蝕刻時，側向的蝕刻將同時發生，進而造成底切(Undercut)現象，導致圖案線寬失真。因此濕式蝕刻在次微米元件的製程中已被乾式蝕刻所取代。乾式蝕刻通常指利用輝光放電(Glow Discharge)方式，產生包含離子、電子

3、等帶電粒子及具有高度化學活性的中性原子與分子及自由基的電漿來進行圖案轉印(Pattern Transfer)的蝕刻技術。在本章節中，將針對半導體製程中所採用的蝕刻技術加以說明，其中內容包括了濕式蝕刻與乾式蝕刻的原理，以及其在各種材質上的應用。但基於乾式蝕刻在半導體製程中與日俱增的重要地位，因此本章節將以乾式蝕刻作為描述的重點。涵蓋的內容包括電漿產生的原理、電漿蝕刻中基本的物理與化學現象、電漿蝕刻的機制、電漿蝕刻製程參數、電漿蝕刻設備與型態、終點偵測、各種物質(導體、半導體、絕緣體)蝕刻的介紹、微負載效應及電漿導致損壞等。5-1-1 蝕刻技術中的術語5-1-1a 等向性與非等向性蝕刻(Isotr

4、opic and Anisotropic Etching)不同的蝕刻機制將對於蝕刻後的輪廓(Profile)產生直接的影響。純粹的化學蝕刻通常沒有方向選擇性，蝕刻後將形成圓弧的輪廓，並在遮罩(Mask)下形成底切(Undercut)，如圖 5-1 所示，此謂之等向性蝕刻。等向性蝕刻通常對下層物質具有很好的選擇比，但線寬定義不易控制。而非等向性蝕刻則是藉助具有方向性離子撞擊，造成特定方向的蝕刻，而蝕刻後形成垂直的輪廓，如圖 5-1 所示。採用非等向性蝕刻，可定義較細微的線寬。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 20 页 -5-1-1b 選擇比(性)(Selectivit

5、y)選擇比即為不同物質間蝕刻速率的差異值。其中又可分為對遮罩物質的選擇比及對待蝕刻物質下層物質的選擇比。5-1-1c 負載效應(Loading Effect)負載效應就是當被蝕刻材質裸露在反應氣體電漿或溶液時，面積較大者蝕刻速率較面積較小者為慢的情形。此乃由於反應物質在面積較大的區域中被消耗掉的程度較為嚴重，導致反應物質濃度變低，而蝕刻速率卻又與反應物質濃度成正比關 係，大 部份 的等 向 性蝕 刻都 有這 種現 象。濕式蝕刻技術最早的蝕刻技術是利用特定的溶液與薄膜間所進行的化學反應來去除薄膜未被光阻覆蓋的部分，而達到蝕刻的目的，這種蝕刻方式也就是所謂的濕式蝕刻。因為濕式蝕刻是利用化學反應來進

6、行薄膜的去除，而化學反應本身不具方向性，因此濕式蝕刻過程為等向性，一般而言此方式不足以定義3 微米以下的線寬，但對於 3 微米以上的線寬定義濕式蝕刻仍然為一可選擇採用的技術。濕式蝕刻之所以在微電子製作過程中被廣泛的採用乃由於其具有低成本、高可靠性、高產能及優越的蝕刻選擇比等優點。但相對於乾式蝕刻，除了無法定義較細的線寬外，濕式蝕刻仍有以下的缺點：1)需花費較高成本的反應溶液及去離子水；2)化學藥品處理時人員所遭遇的安全問題；3)光阻附著性問題；4)氣泡形成及化學蝕刻液無法完全與晶圓表面接觸所造成的不完全及不均勻的蝕刻；5)廢氣及潛在的爆炸性。濕式蝕刻過程可分為三個步驟：1)化學蝕刻液擴散至待蝕

7、刻材料之表面；2)蝕刻液與待蝕刻材料發生化學反應；3)反應後之產物從蝕刻材料之表面擴散至溶液中，並隨溶液排出(3)。三個步驟中進行最慢者為速率控制步驟，也就是說該步驟的反應速率即為整個反應之速率。大部份的蝕刻過程包含了一個或多個化學反應步驟，各種形態的反應都有可能發生，但常遇到的反應是將待蝕刻層表面先予以氧化，再將此氧化層溶解，並隨溶液排出，如此反覆進行以達到蝕刻的效果。如蝕刻矽、鋁時即是利用此種化學反應方式。濕式蝕刻的速率通常可藉由改變溶液濃度及溫度予以控制。溶液濃度可改變反應物質到達及離開待蝕刻物表面的速率，一般而言，當溶液濃度增加時，蝕刻速率將會提高。而提高溶液溫度可加速化學反應速率，進

8、而加速蝕刻速率。除了溶液的選用外，選擇適用的遮罩物質亦是十分重要的，它必須與待蝕刻材料表面有很好的附著性、並能承受蝕刻溶液的侵蝕且穩定而不變質。而光阻通常是一個很好的遮罩材料，且由於其圖案轉印步驟簡單，因此常被使用。但使用光阻作為遮罩材料時也會發生邊緣剝離或龜裂的情形。邊緣剝離乃由於蝕刻名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 20 页 -溶液的侵蝕，造成光阻與基材間的黏著性變差所致。解決的方法則可使用黏著促進劑來增加光阻與基材間的黏著性，如Hexamethyl-disilazane(HMDS)。龜裂則是因為光阻與基材間的應力差異太大，減緩龜裂的方法可利用較具彈性的遮罩材質

9、來吸收兩者間的應力差。蝕刻化學反應過程中所產生的氣泡常會造成蝕刻的不均勻性，氣泡留滯於基材上阻止了蝕刻溶液與待蝕刻物表面的接觸，將使得蝕刻速率變慢或停滯，直到氣泡離開基材表面。因此在這種情況下會在溶液中加入一些催化劑增進蝕刻溶液與待蝕刻物表面的接觸，並在蝕刻過程中予於攪動以加速氣泡的脫離。以下將介紹半導體製程中常見幾種物質的濕式蝕刻：矽、二氧化矽、氮化矽及鋁。5-2-1 矽的濕式蝕刻在半導體製程中，單晶矽與複晶矽的蝕刻通常利用硝酸與氫氟酸的混合液來進行。此反應是利用硝酸將矽表面氧化成二氧化矽，再利用氫氟酸將形成的二氧化矽溶解去除，反應式如下：Si+HNO3+6HF H2SiF6+HNO2+H2

10、+H2O 上述的反應中可添加醋酸作為緩衝劑(Buffer Agent)，以抑制硝酸的解離。而蝕刻速率的調整可藉由改變硝酸與氫氟酸的比例，並配合醋酸添加與水的稀釋加以控制。在某些應用中，常利用蝕刻溶液對於不同矽晶面的不同蝕刻速率加以進行(4)。例如使用氫氧化鉀與異丙醇的混合溶液進行矽的蝕刻。這種溶液對矽的(100)面的蝕刻速率遠較(111)面快了許多，因此在(100)平面方向的晶圓上，蝕刻後的輪廓將形成V型的溝渠，如圖 5-2 所示。而此種蝕刻方式常見於微機械元件的製作上。5-2-2 二氧化矽的濕式蝕刻在微電子元件製作應用中，二氧化矽的濕式蝕刻通常採用氫氟酸溶液加以進行(5)。而二氧化矽可與室溫

11、的氫氟酸溶液進行反應，但卻不會蝕刻矽基材及複晶矽。反應式如下：SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O 由於氫氟酸對二氧化矽的蝕刻速率相當高，在製程上很難控制，因此在實際應用上都是使用稀釋後的氫氟酸溶液，或是添加氟化銨作為緩衝劑的混合名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 20 页 -液，來進行二氧化矽的蝕刻。氟化銨的加入可避免氟化物離子的消耗，以保持穩定的蝕刻速率。而無添加緩衝劑氫氟酸蝕刻溶液常造成光阻的剝離。典型的緩衝氧化矽蝕刻液(BOE:Buffer Oxide Etcher)(體積比 6:1 之氟化銨(40%)與氫氟酸(49%)對於高溫成長氧化層的蝕刻速率約為1

12、000?/min。在半導體製程中，二氧化矽的形成方式可分為熱氧化及化學氣相沉積等方式；而所採用的二氧化矽除了純二氧化矽外，尚有含有雜質的二氧化矽如BPSG等。然而由於這些以不同方式成長或不同成份的二氧化矽，其組成或是結構並不完全相同，因此氫氟酸溶液對於這些二氧化矽的蝕刻速率也會不同。但一般而言，高溫熱成長的氧化層較以化學氣相沉積方式之氧化層蝕刻速率為慢，因其組成結構較為緻密。5-2-3 氮化矽的濕式蝕刻氮化矽可利用加熱至180 C的磷酸溶液(85%)來進行蝕刻(5)。其蝕刻速率與氮化矽的成長方式有關，以電漿輔助化學氣相沉積方式形成之氮化矽，由於組成結構(SixNyHz相較於 Si3N4)較以高

13、溫低壓化學氣相沉積方式形成之氮化矽為鬆散，因此蝕刻速率較快許多。但在高溫熱磷酸溶液中光阻易剝落，因此在作氮化矽圖案蝕刻時，通常利用二氧化矽作為遮罩。一般來說，氮化矽的濕式蝕刻大多應用於整面氮化矽的剝除。對於有圖案的氮化矽蝕刻，最好還是採用乾式蝕刻為宜。5-2-4 鋁的濕式蝕刻鋁或鋁合金的濕式蝕刻主要是利用加熱的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液加以進行(1)。典型的比例為 80%的磷酸、5%的硝酸、5%的醋酸及 10%的水。而一般加熱的溫度約在35 C-45 C左右，溫度越高蝕刻速率越快，一般而言蝕刻速率約為 1000-3000?/min，而溶液的組成比例、不同的溫度及蝕刻過程中攪拌與否都會影響到

14、蝕刻的速率。蝕刻反應的機制是藉由硝酸將鋁氧化成為氧化鋁，接著再利用磷酸將氧化鋁予以溶解去除，如此反覆進行以達蝕刻的效果。在濕式蝕刻鋁的同時會有氫氣泡的產生，這些氣泡會附著在鋁的表面，而局部地抑制蝕刻的進行，造成蝕刻的不均勻性，可在蝕刻過程中予於攪動或添加催化劑降低介面張力以避免這種問題發生。乾式蝕刻技術(電漿蝕刻技術)5-3-1 電漿蝕刻簡介名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 20 页 -自 1970 年代以來元件製造首先開始採用電漿蝕刻技術，對於電漿化學新的瞭解與認知也就蘊育而生。在現今的積體電路製造過程中，必須精確的控制各種材料尺寸至次微米大小且具有極高的再製性，

15、而由於電漿蝕刻是現今技術中唯一能極有效率地將此工作在高良率下完成，因此電漿蝕刻便成為積體電路製造過程中的主要技術之一。電漿蝕刻主要應用於積體電路製程中線路圖案的定義，通常需搭配光阻的使用及微影技術，其中包括了 1)氮化矽(Nitride)蝕刻：應用於定義主動區；2)複晶矽化物/複晶矽(Polycide/Poly)蝕刻：應用於定義閘極寬度/長度；3)複晶矽(Poly)蝕刻：應用於定義複晶矽電容及負載用之複晶矽；4)間隙壁(Spacer)蝕刻：應用於定義LDD寬度；5)接觸窗(Contact)及引洞(Via)蝕刻：應用於定義接觸窗及引洞之尺寸大小；6)鎢回蝕刻(Etch Back)：應用於鎢栓塞(

16、W-Plug)之形成；7)塗佈玻璃(SOG)回蝕刻：應用於平坦化製程；8)金屬蝕刻：應用於定義金屬線寬及線長；9)接腳(Bonding Pad)蝕刻等。影響電漿蝕刻特性好壞的因素包括了：1)電漿蝕刻系統的型態；2)電漿蝕刻的參數；3)前製程相關參數，如光阻、待蝕刻薄膜之沉積參數條件、待蝕刻薄膜下層薄膜的型態及表面的平整度等。5-3-2 何謂電漿?基本上電漿是由部份解離的氣體及等量的帶正、負電荷粒子所組成，其中所含的氣體具高度的活性，它是利用外加電場的驅動而形成，並且會產生輝光放電(Glow Discharge)現象。蝕刻用的電漿中，氣體的解離程度很低，通常在10-5-10-1之間，在一般的電漿

17、或活性離子反應器中氣體的解離程度約為10-5-10-4，若解離程度到達10-3-10-1則屬於高密度電漿。5-3-3 電漿形成之原理電漿的產生可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓下的電場形成，如圖 5-3 所示，而在電漿中的電子來源通常有二：一為分子或原子解離後所產生的電子，另一則為離子撞擊電極所產生的二次電子(Secondary Electron)，在直流(DC)電場下產生的電漿其電子源主要以二次電子為主，而交流射頻(RF)電場下產生的電漿其電子源則以分子或原子解離後所產生的電子為主。在電漿蝕刻中以直流方式產生輝光放電的缺點包含了：1)需要較高的功率消耗，也就是說產生的離子密度低；2

18、)須要以離子撞擊電極以產生二次電子，如此將會造成電極材料的損耗；3)所需之電極材料必須為導體。如此一來將不適用於晶圓製程中。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 20 页 -在射頻放電(RF Discharge)狀況下，由於高頻操作，使得大部份的電子在半個週期內沒有足夠的時間移動至正電極，因此這些電子將會在電極間作振盪，並與氣體分子產生碰撞。而射頻放電所需的振盪頻率下限將視電極間的間距、壓力、射頻電場振幅的大小及氣體分子的解離位能等因素而定，而通常振盪頻率下限為 50kHz。一般的射頻系統所採用的操作頻率大都為13.56MHz。相較於直流放電，射頻放電具有下列優點：1)

19、放電的情況可一直持續下去而無需二次電子的發射，當晶圓本身即為電極的一部份時，這點對半導體材料製程就顯得十分重要了；2)由於電子來回的振盪，因此離子化的機率大為提昇，蝕刻速率可因而提昇；3)可在較低的電極電壓下操作，以減低電漿對元件所導致之損壞；4)對於介電質材料同樣可以運作。現今所有的電漿系統皆為射頻系統。另外值得一提的是在射頻系統中一個重要的參數是供給動力的電極面積與接地電極面積之比。5-3-4 等效電子及離子溫度存在於電漿中的電場分別施力於帶正電荷之離子與代負電荷之電子，F=E*q，而加速度 a=F/M，由於離子質量遠大於電子，因此電子所獲得的加速度與速度將遠大於離子，以致電子的動能遠大於

20、離子，電子與離子間處於一非平衡狀態。從氣體動力論中，得知Ekinetic=(3/2)kT，由此可知，等效電子溫度遠大於等效離子溫度，如此可視為“熱”電子處於“冷”電漿之中。因此電子能夠在低溫的狀態下提供一般在高溫下才能使分子解離所需要的能量。在一般蝕刻用的電漿中，等效的電子溫度約為10000-100000K。5-3-5 電漿蝕刻中的基本物理及化學現象在乾式蝕刻中，隨著製程參數及電漿狀態的改變，可以區分為兩種極端的性質的蝕刻方式，即純物理性蝕刻與純化學反應性蝕刻。純物理性蝕刻可視為一種物理濺鍍(Sputter)方式，它是利用輝光放電，將氣體如Ar，解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，濺擊在

21、被蝕刻物的表面，而將被蝕刻物質原子擊出。此過程乃完全利用物理上能量的轉移，故謂之物理性蝕刻。其特色為離子撞擊擁有很好的方向性，可獲得接近垂直的蝕刻輪廓。但缺點是由於離子是以撞擊的方式達到蝕刻的目的，因此光阻與待蝕刻材料兩者將同時遭受蝕刻，造成對遮罩物質的蝕刻選擇比變差，同時蝕刻終點必須精確掌控，因為以離子撞擊方式蝕刻對於底層物質的選擇比很低。且被擊出的物質往往非揮發性物質，而這些物質容易再度沉積至被蝕刻物薄膜的表面或側壁。加上蝕刻效率偏低，因此，以純物理性蝕刻方式在積體電路製造過程中很少被用到。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 20 页 -純化學反應性蝕刻，則是利用

22、電漿產生化學活性極強的原(分)子團，此原(分)子團擴散至待蝕刻物質的表面，並與待蝕刻物質反應產生揮發性之反應生成物，並被真空設備抽離反應腔。因此種反應完全利用化學反應來達成，故謂之化學反應性蝕刻。此種蝕刻方式相近於濕式蝕刻，只是反應物及產物的狀態由液態改變為氣態，並利用電漿來促進蝕刻的速率。因此純化學反應性蝕刻擁有類似於濕式蝕刻的優點及缺點，即高選擇比及等向性蝕刻。在半導體製程中純化學反應性蝕刻應用的情況通常為不需做圖形轉換的步驟，如光阻的去除等。一個僅基於化學反應機制的理想乾蝕刻過程可分為以下幾個步驟：1)反應氣體進入腔體；2)產生電漿形態之蝕刻物種，如離子及自由基(Radicals)；3)

23、蝕刻物種藉由擴散、碰撞或場力移至待蝕刻物表面並吸附於表面；4)蝕刻物種停滯在待蝕刻物表面一段時間；5)進行化學反應並產生揮發性之生成物；6)生成物脫離表面；7)脫離表面之生成物擴散至氣體中並排出(1)。上述步驟中若其中一個停止發生，則整個反應將不再進行。而其中生成物脫離表面的過程最為重要，大部份的反應物種皆能與待蝕刻物表面產生快速的反應，但除非生成物有合理的蒸氣壓以致讓其脫離表面，否則反應將不會發生。綜觀而論，純物理性蝕刻，如離子束蝕刻(Ion Beam Etch)有兩大缺點：一為低選擇比，一為低蝕刻效率。而純化學反應蝕刻也有兩個缺點：一為等向性蝕刻，另一為無法應用至次微米的元件製程上，包含了

24、線寬控制與均勻性等問題。最具廣泛使用的方法便是結合物理性蝕刻與化學反應性蝕刻，即所謂的活性離子蝕刻(RIE,Reactive Ion Etch)，此種蝕刻方式兼具非等向性及高選擇比等雙重優點，蝕刻的進行主要靠化學反應來達成，以獲得高選擇比。加入離子撞擊的作用有二：一是將待蝕刻物質表面的原子鍵結破壞，以加速蝕刻速率；二是將再沉積於待蝕刻物質表面的產物或聚合物(Polymer)打掉，以便待蝕刻物質表面能再與反應蝕刻氣體接觸。非等向性蝕刻的達成，則是靠再沉積的產物或聚合物，沉積於待蝕刻圖形上，在表面的沉積物可被離子打掉，蝕刻可繼續進行，而在側壁上的沉積物，因未受離子的撞擊而保留下來，阻隔了表面與反應

25、蝕刻氣體的接觸，使得側壁不受侵蝕，而獲得非等向性蝕刻。綜合以上所言，電漿(乾式)蝕刻的完成包含了以下幾種過程：1)化學反應，屬等向性；2)離子輔助蝕刻，具方向性；3)保護層的形成，可避免側壁遭受蝕刻；4)生成物殘留的排除。垂直的蝕刻輪廓(非等向性蝕刻)主要源自於兩大原因：一為垂直方向的離子撞擊，加速垂直方向的蝕刻；一為側壁保護層的形成。而側壁保護層的形成種類有下列幾種方式：1)非揮發性的副產物，例如：SiBr4,SiO2,BrxOy；2)光阻蝕刻時所產生之聚合物；3)聚合物氣體，例如：CFx,CClx,x0.5mm2)；2)雷射必須對準該蝕刻區，將增加設備及晶圓設計上的困擾；3)被雷射照射到的

26、區域溫度會升高，因而影響蝕刻速率，造成偵測出的蝕刻速率與其它位置不同；4)如果被蝕刻區的表面不平，則偵測出的信號會很弱。5-3-11b 光學放射頻譜分析(Optical Emission Spectroscopy)光學放射頻譜分析是利用偵測電漿中某種光線強度的變化來達到終點偵測的目的。此種光線的激發，乃由於電漿中的原子或分子被電子激發到某個激發態，在返回到另一個狀態的同時，所伴隨發出的光線。不同的原子或分子所激發出的光線波長不同，光線強度的變化則反應了電漿中相對應的原子或分子濃度的變化。偵測蝕刻終點時，波長的選擇有兩種方式，一是反應物在蝕刻終點時光線強度將增加，二為產物在蝕刻終點時光線強度會減

27、少。光學放射頻譜分析是最常用的終點偵測方式，因為它可以很容易地架設在蝕刻設備上，且不影響蝕刻的進行。它對於反應的些微變化也可以靈敏的偵測，可提供有關蝕刻反應過程中許多有用的資訊。但是光學放射頻譜分析也有一些缺點及限制：一為光線強度正比於蝕刻速率，所以對於蝕刻速率很慢的蝕刻，信號將變得難以偵測；另一則是當待蝕刻的面積很小時，信號強度將不足，而使終點偵測失敗。5-3-11c 質譜分析(Mass Spectroscopy)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 20 页 -質譜分析是另一種終點偵測的方法，此外，它還可以提供蝕刻前後，反應腔內成份的相關資訊。此方法為利用蝕刻腔壁

28、的孔洞對電漿中的成份進行取樣。取得的中性分子被燈絲產生的電子束解離為離子，離子經由電磁場的偏折，而不同質量的離子偏折程度不同，因此可將不同的離子分辨出。不同的離子可藉由電磁場的改變而收集。當應用於終點偵測時，則將電磁場固定在觀測分析時所需之大小，觀察收集資訊的變化情形即可得知蝕刻終點。雖然質譜分析能夠提供許多有用的資訊，但仍有一些限制存在：1)部分化合物的質/荷比相同，如N2,CO,Si，使得偵測同時擁有這些成份的蝕刻無法判斷蝕刻是否完成；2)取樣的結果將左右蝕刻終點的偵測；3)設備不易安裝於各種蝕刻機台。金屬蝕刻(Metal Etch)5-4-1 鋁及鋁合金的蝕刻：鋁是半導體製程中最主要的導

29、線材料。它具有低電阻、易於沉積及蝕刻等優點而廣為大家所採用。在先進積體電路中，由於元件的密度受限於導線所佔據之面積，加上金屬層的非等向性蝕刻可使得金屬導線間的間距縮小，藉以增加導線之接線能力，因此鋁及鋁合金的乾蝕刻在積體電路製程中是一個非常重要的步驟。氟化物氣體所產生的電漿並不適用於鋁的蝕刻，此乃因為反應產物 AlF3的蒸氣壓很低不易揮發，很難脫離被蝕刻物表面而被真空設備所抽離。相反的，鋁的氯化物(如 AlCl3)則具有足夠高的蒸氣壓，因此能夠容易地脫離被蝕刻物表面而被真空設備所抽離，所以氯化物氣體所產生的電漿常被利用作為鋁合金的乾蝕刻源。一般鋁的蝕刻溫度較室溫稍高，如此AlCl3的揮發性更佳

30、，可減少殘留物的發生。鋁的蝕刻機制如 下圖所示：在鋁的蝕刻中，化學反應主導著蝕刻的進行，增加氯化物的含量則蝕刻速率可增加，但蝕刻速率卻與離子轟擊程度無關，如下圖 5-18(2)。而鋁的蝕刻屬放熱反應，對於殘留物及保持光阻的完整性而言，表面溫度的控制就顯得很重要了。由於鋁在常溫下表面極易氧化成氧化鋁(Al2O3)，而氧化鋁氯分子或原子發生反應，因此在鋁的蝕刻製程中常會添加BCl3等氣體來去除這層寄生氧化層。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 20 页 -再者 BCl3極易與水氣及氧氣反應，故可吸收腔體內的水氣及氧氣，以減低氧化鋁的再形成(12)。由於水氣及氧氣嚴重影響

31、鋁的蝕刻速率，因此降低腔體內水氣及氧氣的含 量便 顯 得 十分 重 要。由 於 反應 產物Al Cl3吸 水 性 極強，因 此必 須避 免 AlCl3沉積於腔體表面上，一般做法為提高蝕刻溫度，使得AlCl3的揮發性更佳，讓其更容易藉由真空設備抽出腔體之外。避免水氣的侵入另一作法為真空隔絕室(Load Lock Chamber)的設計。在鋁的乾式蝕刻中，增進非等向性蝕刻的方法為添加某些氣體，如 SiCl4,CCl4,CHF3,CHCl3等。這些氣體的氯或氟原子與光阻中的的碳或矽原子反應形成聚合物，沉積於金屬側壁上，以避免遭受離子的轟擊。因此在鋁的乾式蝕刻中，光阻的存在是不可或缺的。圖 5-19

32、說明了鋁蝕刻時，使用光阻或二氧化矽作為遮罩產生之不同結果。另外，為了增強光阻的抗蝕性，製程中也會加入些使光阻強化的步驟。加入少量的矽、銅於鋁中，為半導體製程中常見的鋁合金材料，因此矽、銅的去除也成為鋁蝕刻時所須考慮的因素。如果兩者未能去除，所遺留下來的矽或銅顆粒將會阻礙下方鋁材料蝕刻的進行，而形成一柱狀的殘留物，即所謂微遮罩現象(Micromasking)。對於矽的蝕刻，可直接於氯化物氣體電漿中完成，而SiCl4的揮發性很好，因此鋁合金中矽的去除應沒有什麼問題。然而銅的去除就比較困難了，因為 CuCl2的蒸氣壓很低揮發性不佳(13)，所以銅的去除無法以化學反應方式達成，必須以高能量的離子撞擊來

33、將銅原子去除；另外，提高溫度亦可以幫助 CuCl2揮發。在蝕刻鋁及鋁合金時所遭遇到的另一問題為蝕刻後鋁的腐蝕，原因為鋁合金在氯氣電漿蝕刻後，含氯的殘留物仍遺留在合金表面、側壁及光阻上。一旦晶圓離開真空腔體後，這些成份將會和空氣中的水氣反應形成氯化氫(HCl)，進一步侵蝕鋁合金並產生AlCl3，若提供的水氣足夠，反應將持續進行，鋁合金將不斷地被腐蝕，如下面反應式中所示。在含銅的鋁合金中，這種現象將更為嚴重(14)。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 20 页 -AlC3(By product)left on metal side-wall AlC3+H2O(moist

34、ure)Al2O3+HCHC+Al AlC3+H2(g)反應如右圖所示若要減低蝕刻後鋁合金的腐蝕，則可採用下列幾種方法：1)在晶片從腔體中取出後，施以大量的去離子水(Deionized Water)沖洗；2)在蝕刻後，晶片尚在真空狀態下時，以氧氣電漿將光阻去除，並在鋁合金表面形成氧化鋁來保護鋁合金；3)在晶片移出腔體之前，以氟化物(如 CF4,CHF3)電漿作表面處理(15)，將殘留的氯置換為氟，形成AlF3，在鋁合金表面形成一層聚合物，以隔離鋁合金與氯的接觸。圖 5-20 為一常見的金屬層結構:頂部的 TiN 是用來作為反反射層(Anti-Reflection Layer)，因為鋁的反射率太

35、高，易造成曝光的不正確；或是用來抑制突起(Hillocks)。Al-Si-Cu合金中，Si 的作用為避免接面尖峰(Junction Spiking)的發生，而 Cu則是用來抑制電子遷移(Electronmigration)現象。底層的 TiN 則是為避免鋁的尖峰(spiking)現象及增進階梯覆蓋(Step Coverage)。而最底層的 Ti 則可減低與源、汲極的接觸電阻(Contact Resistance)或是增進階梯覆蓋。用來蝕刻鋁的的氯氣電漿與Ti 反應產生 TiCl4，其揮發性並不高，所以蝕刻速率並不快，以TiN 為例，其蝕刻速率約為鋁的1/3-1/4。覆蓋在鋁合金上的 TiN，通

36、常使用與鋁相同的蝕刻參數即可。至於當蝕刻鋁合金下之TiN,Ti 乃至於 TiSi2時，因蝕刻時間較長，容易造成鋁合金的側向蝕刻。解決的方法為在蝕刻此階段時，改變蝕刻條件，如增加離子撞擊能量，以加速TiN,Ti 的蝕刻速率，或是降低氯的含量，以降低對鋁的蝕刻速率。5-4-2 耐火金屬及其矽化物的蝕刻：在積體電路中，耐火金屬常應用於金屬間連結洞插栓(Intermetal-via-hole Plug,如 W)及擴散防止層(Diffusion Barrier,如 TiN,名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 20 页 -TiW)中，而其矽化物則廣為應用於複晶矽閘極上方之區域連

37、接線。因此其相關蝕刻機制亦有需要在此探討。要了解耐火金屬及其矽化物的乾蝕刻機制，首先必須了解其鹵化物的揮發性。鎢(W)及鉬(Mo)可形成和矽一樣的高揮發性鹵化物，因此它們的蝕刻機制也與矽類似。在 CF4-O2的系統中，WF6的揮發速率快於 W與 F之反應速率，所以W與 F之反應速率主宰了蝕刻速率，故W的蝕刻速率隨氟原子的增加而變快。而鎢矽化物(WSi2)的蝕刻速率則介於鎢和矽之間。TiF4的揮發性不佳，因此揮發速率主導著蝕刻速率，故適當提高溫度則有助於蝕刻速率的提高。耐火金屬的矽化物大多可用以氟為主的電漿氣體蝕刻，但對複晶矽金屬矽化物(Polycide)而言並不合適。因為採用高濃度的氟原子作蝕

38、刻時，氟原子亦會對下層之複晶矽進行側向蝕刻，造成底切(Undercut)的現象。若改採低濃度的氟原子作蝕刻時，雖可形成非等向性蝕刻，但此時複晶矽化物對氧化層的選擇比將小於 1。使用氯氣為主的電漿來蝕刻金屬矽化物不但對氧化層有很好的選擇比，而且可以很容易的達成非等向性蝕刻。但一般而言，這些金屬的氯化物揮發性都較差，因此蝕刻速率也較差。改善的方法可採用含氟與氯的混合氣體，如SF6+Cl2(16)。5-4-3 複晶矽蝕刻(Poly Etch)在金氧半(MOS)元件的應用中，閘極線寬必須嚴格的控制，因為它代表著 MOS 元件通道的長度，而與元件特性有很大的關係。因此當複晶矽作為閘極材料時，複晶矽的蝕刻

39、必須要能夠忠實地將光罩上的尺寸轉移到複晶矽上。因此，在複晶矽的蝕刻中必須具備高度的線寬控制及均勻性。再者，高度的非等向性蝕刻亦是十分重要的，假如因為閘極複晶矽蝕刻後，側壁有所傾斜，此時閘極之厚度將不足以抵擋源、汲極的離子佈植，將造成雜質濃度分佈不均，通道長度將隨傾斜程度而改變。另外，複晶矽對二氧化矽的蝕刻選擇比也要很高。其原因有二：其一為在非等向性蝕刻中，會形成所謂的階梯殘留(Stringer)，如圖 5-21 所示。為了去除階梯殘留，必須作過蝕刻(Overetch)的動作，以避免線路發生短路。其二是因為複晶矽覆蓋在很薄的閘極氧化層上，如果閘極氧化層被吃穿，則氧化層下的源、汲極矽將會被快速的蝕

40、刻掉。由於採用 CF4,SF6等氟原子為主的電漿氣體時，其選擇比不足，將對元件 造成 傷害，因 此不 適用 於閘極 複晶 矽的 蝕刻。再者，這 些 電漿 氣 體 在名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 20 页 -蝕刻複晶矽時較具等向性，因而容易產生負載效應(Loading Effect)。若改用 Cl 原子為主的電漿氣體時，蝕刻速率會較慢，但卻有很好的選擇比(Si/SiO2)，且非等向性亦會增加，此乃由於Cl 與光阻反應，產生聚合物，並沉積於側壁上，保護側壁不受電漿的侵蝕所致。為了兼顧蝕刻速率與選擇比，可在 SF6或 CF4中添加含 Cl 原子的電漿氣體如 CCl4

41、,CHCl3(17)，當 SF6,CF4比例越高時，蝕刻速率越快；當CCl4,CHCl3比例越高時，對 SiO2選擇比越高，蝕刻亦越趨於非等向性。除了含氯及氟的氣體外，在深次微米的元件製程中，由於閘極氧化層小於 100?，所以需要更高的選擇比(Si/SiO2)，而溴化氫(HBr)為一常用的氣體，因為其複晶矽對氧化層的選擇比高於以Cl 原子為主的電漿(18)。5-4-4 氧化層蝕刻(Oxide Etch)氧化層蝕刻的應用主要可分為以下幾項：1)間隙壁(Spacer)的蝕刻，主要為定義 LDD的寬度以降低熱載子效應，可見於圖 5-22 之圖示；2)接觸窗(Contact)蝕刻，用以定義接觸窗尺寸大

42、小以達成金屬與複晶矽或矽間的連結，通常需要作一些等向性蝕刻使得金屬在接觸窗邊緣能有好的階梯覆蓋(Step Coverage)；3)塗佈玻璃(SOG,Spin-On-Glass)回蝕刻(Etch Back)，主要用來減低平緩階梯之起伏，以增進表面之平坦化，可參見於下列圖 5-23、5-24、5-25之圖例；4)引洞(Via)蝕刻，用以定義金屬與金屬間連結接觸窗的大小；5)腳位(Pad)蝕刻，用以定義封裝時所需的接線腳位。蝕刻氧化層中所常見的蝕刻氣體通常含有CHxFy,BHxCly,CHxCly及 F 等化學成份。其中 CHxFy及 CHxCly中所含之碳可以幫助去除氧化層中的氧而產生CO及 CO

43、2之副產物。而由於氟原子蝕刻矽的速率很快，若要增加對矽的蝕刻選擇比，則必須降低氟原子的濃度。再者由於 Si-O 鍵結甚強，因此在作氧化層的蝕刻時，必 須 配 合 離 子 的 撞 擊，以 破 壞S i-O 鍵 結，加 速 蝕 刻 的 速 率。氧化層蝕刻中可能遭遇到的問題則包括了：1)微負載效應(Micro-Loading Effect)；2)側壁條痕(Sidewall Striation)；3)蝕刻選擇比名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 20 页 -的控制；4)終點偵測(End Point Detection)困難；5)電漿損害(Plasma Damage)。5-4

44、-4a 微負載效應(Micro-Loading Effect)微負載效應乃由於高寬比(Aspect Ratio)的增加使得蝕刻速率變慢的現象，進而造成蝕刻的不均勻性。圖 5-26 為其示意圖。造成微負載效應的原因可歸類為以下幾點：1)離子的撞擊加速了密集區域中聚合物或光阻的再沉積，見圖 5-27；2)光阻累積電荷效應。由於光阻為絕緣體，因此當負電荷(電子或負離子)累積在光阻上時將使得正電荷軌道偏離。當高寬比增加時，電荷累積及軌道偏離的現象就越嚴重，圖 5-28；3)副產物再沉積。而沉積速率將視副產物蒸氣壓及晶圓溫度而定。降低微負載效應基本方式為減低開闊區域的蝕刻速率並增加密集區域的蝕刻速率，實

45、際可採用的方法為：1)加入蝕刻抑制物，如氮、氧；2)採用硬質遮罩(Hard Mask)以減低高寬比；3)提高晶圓溫度。5-4-4b 電漿導致損壞(Plasma Induced Damage)在電漿蝕刻中，常伴隨著高能量的粒子及光子的轟擊，而這些幅射包含了離子、電子、紫外光及微弱的X射線，當高能幅射撞擊到晶圓表面時將會對元件特性造成傷害，而可回復性及不可回復性的傷害都有可能發生。一般而言，隨著粒子能量的增加，造成的傷害越嚴重。這些傷害包括了：a)在閘極氧化層中產生電子缺陷；b)由於離子的撞擊造成原原子晶格的位移及變形或電漿中的離子植入某種材料中而成為雜質；c)在某些情況下甚至能將閘極氧化層摧毀(

46、1)。一般由紫外光或離子、電子轟擊所造成的損傷可藉由後續的回火處理後而回復，但在某些情形下則可能無法回復，一個常見無法回復的損傷即為電漿電荷累積所造成的靜電崩潰現象。電漿電荷累積損壞，或稱之為天線效應(Antenna Effect)，如圖 5-29 所示。此乃電漿中由於局部電荷不均勻，造成電荷累積在面積很大或邊長很長的導體上，而這些電荷將在很薄的閘極氧化層上產生電場。當電荷收集夠多時，跨在閘極氧化層上的電場將導致電流貫穿閘極氧化層，造成損傷。此損傷通常發生在過度蝕刻時，因蝕刻完成前，導體仍為連續，局部不均勻的電荷將相互中和，最後仍能維持電中性。蝕刻完成後，導體不再相連，過度蝕刻時不均勻的電荷將

47、繼續累積，最後對閘極氧化層造成損壞。當電荷累積至足以產生讓閘極氧化層崩潰的電場時，閘極氧化層將發生靜電崩潰現象，造成無法回復的損傷。圖 5-30 為電荷累積所造成的靜電崩潰現象之示意圖(19)。導體與閘極氧化層的面積或邊長比稱之為天線比(Antenna Ratio)，一般而言，天線比越大，造成的損傷越大。此乃因導體的面積或邊長越大，所收集名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 20 页 -的電荷也越多，相對於施加於閘極氧化層的電場越大。再者，過度蝕刻的時間越長，損傷也越大，因電流貫穿閘極氧化層的的時間較長，產生的缺陷較多。總結當元件越做越小，而晶圓尺寸越來越大，蝕刻的選

48、擇比與均勻度就變得很重要。傳統的活性離子蝕刻系統因操作壓力高，無法達到垂直的側壁蝕刻，在大尺寸的晶圓上均勻度亦不易維持，因此將不再適用，取而代之的將是高密度電漿系統。此類系統不但能在極低壓條件下產生高密度電漿，並能可減少直流偏壓之使用，因而降低或消除電漿所導致的元件損傷，而蝕刻速率也因離子密度的增加而增加，產能也可因而提高。在大尺寸的晶圓上亦能保持良好的均勻性，提高生產良率。此外，如何減少電漿電荷導致損壞，使用靜電吸附夾具，及採用多腔蝕刻系統，均為未來蝕刻設備所須的考量的要素。多腔設計可避免相互污染，並提高生產速率。使用靜電吸附夾具可降低粒子污染，增進晶片冷卻效率。減少電漿電荷導致損壞則可提高元件的可靠度。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 20 页 -