半导体蚀刻技术.doc

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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(WetEtching)與乾式蝕刻(DryEtching)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

2、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(EtchingRate)，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

3、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(GlowDischarge)方式，產生包含離子、電子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(PatternTransfer)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

4、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(IsotropicandAnisotropicEtching)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

5、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。5-1-1b選擇比(性)(Selectivity)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(LoadingEffect)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

6、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

7、、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

8、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