alias: 等离子体刻蚀,溅射刻蚀,反应离子刻蚀
干法刻蚀的原理
特点：
分类
二氧化硅和硅的干法刻蚀
- 加入适量的氧气
- 加入适量的氢气
Si3N4的干法刻蚀
多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀
- 刻蚀金属硅化物
- 刻蚀多晶硅
铝及铝合金的干法刻蚀
- 刻蚀选择性：
其他材料的干法刻蚀

alias: 等离子体刻蚀,溅射刻蚀,反应离子刻蚀

tag: 蚀刻

干法刻蚀的原理

利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击去除物质的方法。

主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的

特点：

各向异性，纵向的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率；

离子对光刻胶和无保护的薄膜同时进行刻蚀，选择性比湿法腐蚀差。

优点: 各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。

刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制
好的关键尺寸控制
最小的光刻胶脱落或粘附问题
片内、片间、批次间的刻蚀均匀性
较低的化学制品使用和处理费用

缺点：成本高，设备复杂。对下层材料的差的刻蚀选择比，等离子体带来的器件损伤

二氧化硅和硅的干法刻蚀

在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳(CF4)，现在使用比较广泛的反应气体有CHF3，C2F6，SF6和C2F8，其目的都是用来提供碳原子及氟原子与SiO2进行反应。

CF4的反应为：

![[A=ET=干法刻蚀 image 2.png]]

使用CF4对SiO2进行刻蚀时，刻蚀完SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。

为了解决这一问题，在CF4等离子体中通常加入一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图形边缘的剖面效果。

加入适量的氧气

在使用CF4对硅和SiO2进行等离子刻蚀时，氟与SiO2 反应的同时，还与CFx原子团(x≤3)结合而消耗掉，造成氟原子的稳态浓度比较低，刻蚀速率较慢。

![[A=ET=干法刻蚀 image 2.png]]

如果加入适量的氧气，氧气也同样被电离，氧可与CFx原子团反应，造成CFx 原子团耗尽，减少了氟原子的消耗，使F/C原子比增加，加快SiO2刻蚀速度。在氧组分达到临界值之后，继续增加氧的组分，由于氟原子浓度被氧冲淡，刻蚀速度下降。

刻蚀硅时，临界氧组分只有12%，氧组分继续增加，刻蚀速率下降比SiO2更快。这是由于氧原子倾向于吸附在Si的表面上，阻挡了氟原子加入反应。随着更多氧的吸附，对Si的刻蚀影响加剧。

加入适量的氢气

在CF4等离子体中加入氢气，随氢组分增加：

SiO2的刻蚀速度缓慢减小，持续到氢的组分达到40%；
Si的刻蚀速度迅速减小，当氢的组分大于40%时，对Si的刻蚀停止。

![[tmp_A=ET=干法刻蚀 image 3.png]]

在CF4等离子体中加入适量的氢气，可以增强SiO2/Si刻蚀的选择性。

在CF4等离子体中添加气体成份，影响等离子体内F/C原子比。

![[A=ET=干法刻蚀 image 4.png]]

如果F/C比较高(添加氧气)，其影响倾向于加快刻蚀。
如果F/C比较低(添加氢气)，刻蚀过程倾向于形成高分子聚合物薄膜。

目前集成电路的干法刻蚀工艺中，通常CHF3等离子体进行SiO2的刻蚀，加入少量氧来提高刻蚀速度。

Si3N4的干法刻蚀

在ULSI工艺中，Si3N4的用途主要有两种：

①在SiO2层上面，通过LPCVD淀积Si3N4，做为氧化或扩散的掩蔽层，不成为器件的组成部分。可以采用CF4等离子刻蚀。（这应该是AA那边的）

②通过PECVD淀积Si3N4做为器件保护层。这层Si3N4在经过光刻和干法刻蚀之后， Si3N4下面的金属化层露出来，形成器件的压焊点，然后进行测试和封装。可以采用CF4-O2等离子体进行刻蚀。（这应该是在H2 sinter之前的TF长的SiN）

实际上用于刻蚀SiO2的方法，都可以用来刻蚀Si3N4 。由于Si-N键的结合能介于Si-O键与Si-Si键之间，所以Si3N4的刻蚀速度在刻蚀SiO2和刻蚀Si之间。

因此，Si3N4/ SiO2 的刻蚀选择性比较差。

多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀

集成电路中一般采用polycide（多晶硅/难熔金属硅化物）多层栅结构，也称多晶硅化金属。

![[A=ET=干法刻蚀 image 5.png]]

在MOSFET中，栅极的尺寸控制是决定性能的关键，对刻蚀的各向异性和选择性的要求都很高。由于多晶硅的刻蚀速度比金属硅化物的刻蚀速度快得多，会造成金属硅化物下方的多晶硅被刻蚀，导致多晶硅化金属对SiO2的附着力下降。

对多晶硅化金属的各向异性刻蚀通常需要分两步进行：首先是对多晶硅上方的金属硅化物进行刻蚀。

当上层的金属硅化物完成刻蚀之后，开始刻蚀多晶硅。

刻蚀金属硅化物

目前广泛应用的金属硅化物是WSi2和TiSi2。

对于刻蚀WSi2和TiSi2的情况，氟原子及氯原子都可以与两者反应形成挥发性的化合物(如WF4和WCl4)。

CF4，SF6，Cl2及HCl都可以做为刻蚀金属硅化物的反应气体。

刻蚀多晶硅

采用氟化物等离子体刻蚀多晶硅为各向同性刻蚀，因此，使用氯化物的等离子体对多晶硅进行各向异性的刻蚀，主要的反应气体有Cl2，HCl以及SiCl4。

使用Cl2和Cl2-Ar等离子体反应离子刻蚀未掺杂的多晶硅，刻蚀的各向异性度A值约为1，而反应离子刻蚀重掺杂的n型多晶硅时，出现了横向刻蚀现象。

使用氯化物的等离子体对多晶硅进行刻蚀，刻蚀对多晶硅/SiO2具有很好的选择性。这样就可以通过过刻来彻底除去多晶硅，不会对下方的二氧化硅造成太大的伤害。

铝及铝合金的干法刻蚀

纯铝的刻蚀比铝合金容易。在刻蚀之前，必须用溅射或化学还原法除去自然氧化层(约30Å) 。新鲜Al可自发地与Cl或Cl2反应，形成准挥发性的AlCl3。

由于硅可用含氯等离子体刻蚀，Al-Si合金也可在含氯气体中刻蚀，形成挥发性的氯化物。

对Al-Cu合金的刻蚀，由于铜不容易形成挥发性卤化物，故刻蚀之后，有含铜的残余物留在硅片上。用高能离子轰击可以去除这类物质，或者用湿法化学处理清除。

刻蚀选择性：

金属铝或者合金对SiO2的刻蚀选择性很好，但是由于氯也能刻蚀硅和多晶硅，故铝对硅和多晶硅的刻蚀选择性较差。

干法刻蚀铝所遇到的另一个问题是刻蚀之后的侵蚀现象。

空气中的湿气和含氯的残存物反应，形成HCl，使铝层受到腐蚀。

因此在刻蚀之后，在碳氟化合物中将残留氯化物转变为无反应的氟化物。

其他材料的干法刻蚀

钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)和钛(Ti)这些金属能形成挥发性氟化物，故可以在含氟的刻蚀剂中进行刻蚀。对SiO2有较高的选择性，但对Si不能进行选择刻蚀。

可在含氯气体中刻蚀包括Cr、Au和Pt等金属。

Au和Pt常用溅射法刻蚀。

Cr(铬)和V(钒)能形成挥发性很强的氯氧化合物，因此，这两种金属可在氧气及含氯的混合气体中刻蚀。

刻蚀速率强烈地依赖于金属膜的淀积条件和淀积方法。

集成电路工艺制造

A=ET=干法刻蚀