1、蚀刻(Etching)概念简介 一. 前言: 集成电路(IC)的制造流程,犹如一场精致细密的建筑结构施工 ,建筑师(Designer 离子植入),灌浆混沙填土上钢架(薄膜沉积), 再经过砌墙挖坑打洞筑沟(显影& 蚀刻)等重复的制程(Process),一层一层堆栈而上,制作成拥有复杂结构和完善功能的集成电路. “晶圆”这块”工地”有多大呢? 这个超现代”工地”的大小尺吋演进,正代表着人类科技突飞猛进的新里程碑.从三吋晶圆到目前的十二吋晶圆,可用面积增加了 16 倍,在一个 process cycle 后 ,晶粒产出量也提升了数十倍. 基本上,一套 Process flow 约需经过数百个不同步骤
2、(step),耗时一,二个月才得以完成.而模块(Module)工程师的任务就是负责开发(Setup),维护(Maintain)和改良(Improve)各个步骤.而蚀刻模块在这项工事中占有不可或缺的重要角色.本章将针对蚀刻制程作一简略介绍. 二. 蚀刻技术概论: 集成电路的制造需要在晶圆上做出极细微尺寸的图案(Pattern).而这些图案最主要的形成方式,乃是使用蚀刻(Etching)技术,将微影 (Lithography)技术所产生的光阻图形,无论是线(Line), 面(EtchBack)或是孔洞(Hole),以化学腐蚀反应(Chemical)的方式，或物理撞击 (Physical)的方式，或
3、上述两种方式的综合，忠实无误的移转到薄膜上,以定义出整个集成电路所需的复杂结构. 下图是最基本的集成电路制作流程(Process Flow): a. 薄膜沉积(Film Deposition) b. 蚀刻制程(Etching) & 微影制程(Photo Lithography) 2-1. 湿蚀刻(Wet Etching)与干蚀刻 (Dry Etching): 蚀刻方式主要分成湿蚀刻(Wet Etching)与干蚀刻(Dry Etching)两种方式.早期半导体制程是使用湿蚀刻的方法,也就是利用合适的化学溶液,腐蚀所要蚀刻的材质未被光阻覆盖的部分,并在完成蚀刻反应后,由溶液带走腐蚀物。湿蚀刻的进
4、行主要是凭借溶液与欲蚀刻材质之间的化学反应,因此,可调配出蚀刻速率适当,以及欲蚀刻材质对光阻与下层材质的良好蚀刻选择比. 然而,当集成电路中的组件尺寸愈作愈小时,由于化学反应没有方向性,所以湿蚀刻是等向性(Isotropic)的,会有侧向的蚀刻,而产生 Undercut 现象,导致组件线宽失真.因此,逐渐被干蚀刻所取代. 干蚀刻法概略而言即所谓电浆蚀刻(Plasma Etching).所谓电浆(Plasma)是气体分子被激发或解离后处于崩溃(Breakdown) 状态下的一种现象,它可称为是一种第四状态的物质(气态,液态,固态之外),在电浆的环境中,组成包含带电荷离子 (Charged Ion
5、s),原子团(Radicals), 分子(Molecules)及电子(electrons)等. 电浆蚀刻即利用气体分子或其产生的离子自由基，对晶圆上的材质同时进行物理式撞击溅蚀及化学反应,来移除欲蚀刻部份。被蚀刻的物质变成挥发性的气体，经抽气系统抽离。 干蚀刻和湿蚀刻的比较: 干式蚀刻法的主要优点是可以进行所谓的非等向性蚀刻,获得良好的尺寸控制，对集成电路而言，组件尺寸的控制可以得到不错的效果。而湿式蚀刻法会造成严重的侧向腐蚀的现象，显著地限制了组件尺寸向微细化的发展。 2-2. 等向蚀刻(Isotropic Etch)与非等向蚀刻(Anisotropic Etch): 一般蚀刻技术可分为等向
6、性(Isotropic)与非等向性(Anisotropic)两种，其蚀刻形成的形状如图所示。等向性蚀刻表示横向和纵向之蚀刻率相同，非等向性蚀刻则为横向性蚀刻率很慢或为0,因此,可较完美调控蚀刻截面轮廓(Etch Profile) 和线宽(CD Control) 。 2-3. 干蚀刻反应方式 :依蚀刻产生之原理而分为化学性蚀刻(Chemical Etching),物理性蚀刻(Physical Etching)和两者综合之蚀刻方式(RIE). a. 化学性蚀刻(Chemical Etching):主要介由 Plasma 产生的原子团 (Radicals)或反应性(Reactive)离子与薄膜间产生
7、活性化学反应进行蚀刻.其特性为较 Isotropic Etch, Profile Control 不易. b. 物理性蚀刻(Physical Etching):当带正电荷离子被电浆与阴极电极板间的电位差所加速,而轰击电极板表面,这种现象称为”离子轰击”(Ion Bonbardment).将芯片放置于阴极电极板上,利用加速离子对表面薄膜轰击以进行蚀刻,称为溅击蚀刻.这种物理性蚀刻方式非等向性极佳,但是相对的六亲不认,选择比很差. c. 反应性离子蚀刻 RIE(Reactive Ion Etching): RIE 是一种介于 Physical etching 与 Chemical etching
8、之间的主流蚀刻技术.可获得兼具非等向性蚀刻及适当选择比之双重考量.为了达到先进制程的需求(Criteria),Recipe tuning 的过程往往就是在其物性与化性之间取得一个平衡点,找出最佳的 process window 以 meet device criteria. 2-4. 蚀刻率(Etching Rate)与均匀性(Uniformity): 蚀刻率与均匀性是蚀刻性能优异与否的依据之一, 蚀刻率愈快,表示产量愈大. 但是,并不代表快就是好,适当的蚀刻速率只是制程能力表现的其中一项指针. 均匀性指的是芯片不同位置的相对表现差异.一般除了 within wafer 均匀性之外,还有 wi
9、thin lot, lot to lot 之均匀性. 均匀性愈好,代表芯片品质控制愈完善. 2-5. 蚀刻选择比: 定义为对于不同材质之薄膜间的蚀刻速率比. Plasma etching 时因为需要使用不同程度的轰击作用(Ion Bonbardment),以提升 etching performance,因此对不同材质薄膜间较难达到完美的蚀刻选择比.在制程开发中,提供适当足够可 work 的选择比是蚀刻制程工程师的角色和乐趣. 2-6. CD(Critical Dimension) Bias: ADI CD 与 AEI CD 之间的差异 ,称为 Etching CD Bias. 当 device
10、 越作越小 ,线宽的控制相对越重要 ,Etching CD Bias 的控制也越 critical. 2-7 蚀刻应用: 一般概略言之,蚀刻应用可分为以下几大类: 1. Poly Etching (Polysilicon Etching, Polycide Etching, STI etching, Deep Trench Etching) 2. Oxide Etching (SiO2 etching, Dual Damascene Etching, Low-K etching) 3. Nitride Etching (Si3N4 Etching) 4. Metal Etching (Aluminum Etching) 5. Tungston Etching (Pattern W Etching, W Etching Back) 6. PhotoResist Ashing 各种应用皆因其不同的材料特性及特殊需求(Criteria)而使用完全不同机制的蚀刻设备(Etcher)及蚀刻气体(Etchant),我们将在日后作更深入的介绍. 三. 后记: 当组件越作越小,晶圆尺吋越来越大, 蚀刻选择比与均匀性就越来越重要.因此,选择适当的蚀刻机台将是先进制程研发的利器,电浆蚀刻将仍是蚀刻技术的主流,而”电浆源”的研发和改良技术将成为耐米科技发展的瓶颈之一
