光刻技术图形转移工艺三:刻蚀 - 汶颢股份
首页 > 技术资讯 > 技术学院

光刻技术图形转移工艺三:芯片刻蚀

光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺,但因为这两个工艺只有连续进行,才能完成真正意义上的图形转移,而且在工艺线上,这两个工艺经常是放在同一工序,因此,有时也将这两个步骤统称为光刻。

    刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜中没有被光刻胶(经过曝光和显影后)覆盖和保护的部分去除掉,达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。

    刻蚀工艺主要有湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是利用液体化学试剂与待刻材料反应生成可溶性化合物,达到刻蚀的目的,是一种纯化学腐蚀,具有优良的选择性,但属于各向同性因此对线条尺寸控制性差。干法刻蚀是利用等离子体与待刻材料相互作用(物理轰击和化学反应),从而除去未被光刻胶保护的材料而达到刻蚀的目的。

    目前在图形转移中,干法刻蚀占据主导地位。例如,氮化硅、多晶硅、金属以及合金材料等均采用干法刻蚀技术,而二氧化硅采用湿法刻蚀技术,有时金属铝也采用湿法刻蚀技术。

1.湿法刻蚀

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。

    目前,湿法刻蚀一般被用于工艺流程前面的晶圆片准备、清洗等不涉及图形的环节,而在图形转移中干法刻蚀已占据主导地位。

2.干法刻蚀

RIE刻蚀效果

RIE刻蚀效果

等离子刻蚀机

等离子刻蚀机

干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。当气体以等离子体形式存在时,它具备两个特点:一方面等离子体中的这些气体化学活性比常态下时要强很多,根据被刻蚀材料的不同,选择合适的气体,就可以更快地与材料进行反应,实现刻蚀去除的目的;另一方面,还可以利用电场对等离子体进行引导和加速,使其具备一定能量,当其轰击被刻蚀物的表面时,会将被刻蚀物材料的原子击出,从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。因此,干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程平衡的结果。

干法刻蚀又分为三种:物理性刻蚀、化学性刻蚀、物理化学性刻蚀。其中物理性刻蚀又称为溅射刻蚀。很明显,该溅射刻蚀靠能量的轰击打出原子的过程和溅射非常相像。(想象一下,如果有一面很旧的土墙,用足球用力踢过去,可能就会有墙面的碎片从中剥离)

这种极端的刻蚀方法方向性很强,可以做到各向异性刻蚀,但不能进行选择性刻蚀。

化学性刻蚀利用等离子体中的化学活性原子团与被刻蚀材料发生化学反应,从而实现刻蚀目的。由于刻蚀的核心还是化学反应(只是不涉及溶液的气体状态),因此刻蚀的效果和湿法刻蚀有些相近,具有较好的选择性,但各向异性较差。

人们对这两种极端过程进行折中,得到目前广泛应用的一些物理化学性刻蚀技术。例如反应离子刻蚀(RIE --Reactive Ion Etching)高密度等离子体刻蚀(HDP)。这些工艺通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀,同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前RIE已成为超大规模集成电路制造工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。