半导体蚀刻技术

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1、半导体蚀刻技术简介在积体电路制造过程中，常需要在晶圆上定义出极细微尺寸的图案（图案），这些图 案主要的形成方式，乃是藉由蚀刻（蚀刻）技术，将微影（微光刻）后所产生的光阻图案 忠实地转印至光阻下的材质上，以形成积体电路的复杂架构。因此蚀刻技术在半导体制造 过程中占有极重要的地位。广义而言，所谓的蚀刻技术，包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部份去除的技 术。而其中大略可分为湿式蚀刻（湿蚀刻）与干式蚀刻（干式蚀刻）两种技术。 早期半 导体制程中所采用的蚀刻方式为湿式蚀刻，即利用特定的化学溶液将待蚀刻薄膜未被光阻 覆盖的部分分解，并转成可溶于此溶液的化合物后加以排除，而达到蚀刻的目的。湿式蚀 刻的进

2、行主要是藉由溶液与待蚀刻材质间的化学反应，因此可藉由调配与选取适当的化学 溶液，得到所需的蚀刻速率（蚀刻率），以及待蚀刻材料与光阻及下层材质良好的蚀刻选 择比（选择性）。然而，随着积体电路中的元件尺寸越做越小，由于化学反应没有方向性，因而湿式蚀 刻是等向性（各向同性）的，此时，当蚀刻溶液做纵向蚀刻时，侧向的蚀刻将同时发生， 进而造成底切（咬边）现象，导致图案线宽失真。因此湿式蚀刻在次微米元件的制程中已 被干式蚀刻所取代。干式蚀刻通常指利用辉光放电（辉光放电）方式，产生包含离子，电子等带电粒子及 具有高度化学活性的中性原子与分子及自由基的电浆来进行图案转印（模式传输）的蚀刻 技术。 在本章节中，

3、将针对半导体制程中所采用的蚀刻技术加以说明，其中内容包括了 湿式蚀刻与干式蚀刻的原理，以及其在各种材质上的应用。但基于干式蚀刻在半导体制程 中与日俱增的重要地位，因此本章节将以干式蚀刻作为描述的重点。涵盖的内容包括电浆 产生的原理，电浆蚀刻中基本的物理与化学现象，电浆蚀刻的机制，电浆蚀刻制程参数， 电浆蚀刻设备与型态，终点侦测，各种物质（导体，半导体，绝缘体）蚀刻的介绍，微负 载效应及电浆导致损坏等。5-1-1蚀刻技术中的术语5 - 1 - 1A型等向性与非等向性蚀刻（各向同性和各向异性蚀刻）不同的蚀刻机制将对于蚀刻后的轮廓（资料）产生直接的影响。纯粹的化学蚀刻通常 没有方向选择性，蚀刻后将形

4、成圆弧的轮廓，并在遮罩（面膜）下形成底切（咬边），如 图5-1所示，此谓之等向性蚀刻。等向性蚀刻通常对下层物质具有很好的选择比，但线宽 定义不易控制。而非等向性蚀刻则是借助具有方向性离子撞击，造成特定方向的蚀刻，而 蚀刻后形成垂直的轮廓，如图5-1所示。采用非等向性蚀刻，可定义较细微的线宽。 5 -1 - IB的选择比（性）（选择性）选择比即为不同物质间蚀刻速率的差异值。其中又可分为对遮罩物质的选择比及对待 蚀刻物质下层物质的选择比。5 - 1 - 1C的负载效应（负载效应）负载效应就是当被蚀刻材质裸露在反应气体电浆或溶液时，面积较大者蚀刻速率较面 积较小者为慢的情形。此乃由于反应物质在面积较

5、大的区域中被消耗掉的程度较为严重， 导致反应物质浓度变低，而蚀刻速率却又与反应物质浓度成正比关系，大部份的等向性蚀 刻都有这种现象。湿式蚀刻技术最早的蚀刻技术是利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜未被光阻覆 盖的部分，而达到蚀刻的目的，这种蚀刻方式也就是所谓的湿式蚀刻。因为湿式蚀刻是利 用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿式蚀刻过程为等向性般而言此方式不足以定义3微米以下的线宽，但对于3微米以上的线宽定义湿式蚀刻 仍然为一可选择采用的技术。湿式蚀刻之所以在微电子制作过程中被广泛的采用乃由于其具有低成本，高可靠性， 高产能及优越的蚀刻选择比等优点。但相对于干式

6、蚀刻，除了无法定义较细的线宽外，湿 式蚀刻仍有以下的缺点：1）需花费较高成本的反应溶液及去离子水，2）化学药品处理时 人员所遭遇的安全问题，3）光阻附着性问题; 4）气泡形成及化学蚀刻液无法完全与晶圆 表面接触所造成的不完全及不均匀的蚀刻; 5）废气及潜在的爆炸性。湿式蚀刻过程可分为三个步骤：1）化学蚀刻液扩散至待蚀刻材料之表面，2）蚀刻液 与待蚀刻材料发生化学反应，3）反应后之产物从蚀刻材料之表面扩散至溶液中，并随溶 液排出（3）。三个步骤中进行最慢者为速率控制步骤，也就是说该步骤的反应速率即为 整个反应之速率。大部份的蚀刻过程包含了一个或多个化学反应步骤，各种形态的反应都有可能发生， 但常

7、遇到的反应是将待蚀刻层表面先予以氧化，再将此氧化层溶解，并随溶液排出，如此 反覆进行以达到蚀刻的效果。如蚀刻硅，铝时即是利用此种化学反应方式。湿式蚀刻的速率通常可藉由改变溶液浓度及温度予以控制。溶液浓度可改变反应物质 到达及离开待蚀刻物表面的速率，一般而言，当溶液浓度增加时，蚀刻速率将会提高。而 提高溶液温度可加速化学反应速率，进而加速蚀刻速率。除了溶液的选用外，选择适用的遮罩物质亦是十分重要的，它必须与待蚀刻材料表面 有很好的附着性，并能承受蚀刻溶液的侵蚀且稳定而不变质。而光阻通常是一个很好的遮 罩材料，且由于其图案转印步骤简单，因此常被使用。但使用光阻作为遮罩材料时也会发 生边缘剥离或龟裂

8、的情形。边缘剥离乃由于蚀刻溶液的侵蚀，造成光阻与基材间的黏着性 变差所致。解决的方法则可使用黏着促进剂来增加光阻与基材间的黏着性，如六甲基-二 硅氮烷（HMDS的）。龟裂则是因为光阻与基材间的应力差异太大，减缓龟裂的方法可利用 较具弹性的遮罩材质来吸收两者间的应力差。蚀刻化学反应过程中所产生的气泡常会造成蚀刻的不均匀性，气泡留滞于基材上阻止 了蚀刻溶液与待蚀刻物表面的接触，将使得蚀刻速率变慢或停滞，直到气泡离开基材表面。 因此在这种情况下会在溶液中加入一些催化剂增进蚀刻溶液与待蚀刻物表面的接触，并在 蚀刻过程中予于搅动以加速气泡的脱离。以下将介绍半导体制程中常见几种物质的湿式蚀刻：硅，二氧化硅

9、，氮化硅及铝。5-2-1硅的湿式蚀刻在半导体制程中，单晶硅与复晶硅的蚀刻通常利用硝酸与氢氟酸的混合液来进行。此 反应是利用硝酸将硅表面氧化成二氧化硅，再利用氢氟酸将形成的二氧化硅溶解去除，反 应式如下：泗+硝酸+ 6HF a H2SiF6 + + H2 +的水亚硝酸上述的反应中可添加醋酸作为缓冲剂（缓冲剂），以抑制硝酸的解离。而蚀刻速率的 调整可藉由改变硝酸与氢氟酸的比例，并配合醋酸添加与水的稀释加以控制。在某些应用中，常利用蚀刻溶液对于不同硅晶面的不同蚀刻速率加以进行（4）。例 如使用氢氧化钾与异丙醇的混合溶液进行硅的蚀刻。这种溶液对硅的（100）面的蚀刻速 率远较（111）面快了许多，因此

10、在（100）平面方向的晶圆上，蚀刻后的轮廓将形成V型 的沟渠，如图5-2所示。而此种蚀刻方式常见于微机械元件的制作上。5-2-2二氧化硅的湿式蚀刻在微电子元件制作应用中，二氧化硅的湿式蚀刻通常采用氢氟酸溶液加以进行（ 5）。而二氧化硅可与室温的氢氟酸溶液进行反应，但却不会蚀刻硅基材及复晶硅反应式如 下。： 二氧化硅+ 6HF a + 2H20 的 H2 +的 SiF6由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制程上很难控制，因此在实际应用上都 是使用稀释后的氢氟酸溶液，或是添加氟化铵作为缓冲剂的混合液，来进行二氧化硅的蚀 刻。氟化铵的加入可避免氟化物离子的消耗，以保持稳定的蚀刻速率。而无添加缓冲

11、剂氢 氟酸蚀刻溶液常造成光阻的剥离。典型的缓冲氧化硅蚀刻液（教委：缓冲区氧化物刻蚀机）（体积比6:1之氟化铵（40）与氢氟酸（49）对于高温成长氧化层的蚀刻速率约为 1000?/min。 在半导体制程中，二氧化硅的形成方式可分为热氧化及化学气相 沉积等方式，而所采用的二氧化硅除了纯二氧化硅外，尚有含有杂质的二氧化硅如BPSG 等然而。由于这些以不同方式成长或不同成份的二氧化硅，其组成或是结构并不完全相同 因此氢氟酸溶液对于这些二氧化硅的蚀刻速率也会不同。但一般而言，高温热成长的氧化 层较以化学气相沉积方式之氧化层蚀刻速率为慢，因其组成结构较为致密。 5-2-3氮化 硅的湿式蚀刻氮化硅可利用加热

12、至180C的磷酸溶液（85% ）来进行蚀刻（5）。其蚀刻速率与氮化 硅的成长方式有关，以电浆辅助化学气相沉积方式形成之氮化硅，由于组成结构（SixNyHz相较于氮化硅）较以高温低压化学气相沉积方式形成之氮化硅为松散，因此蚀 刻速率较快许多。但在高温热磷酸溶液中光阻易剥落，因此在作氮化硅图案蚀刻时，通常利用二氧化硅 作为遮罩。一般来说，氮化硅的湿式蚀刻大多应用于整面氮化硅的剥除。对于有图案的氮 化硅蚀刻，最好还是采用干式蚀刻为宜。5-2-4铝的湿式蚀刻铝或铝合金的湿式蚀刻主要是利用加热的磷酸，硝酸，醋酸及水的混合溶液加以进行 （1）。典型的比例为80%的磷酸，5%的硝酸，5%的醋酸及10%的水。

13、而一般加热的温 度约在35C至45C左右，温度越高蚀刻速率越快，一般而言蚀刻速率约为1000-3000 ? / 分钟，而溶液的组成比例，不同的温度及蚀刻过程中搅拌与否都会影响到蚀刻的速率。 蚀刻反应的机制是藉由硝酸将铝氧化成为氧化铝，接着再利用磷酸将氧化铝予以溶解去除 如此反覆进行以达蚀刻的效果。在湿式蚀刻铝的同时会有氢气泡的产生，这些气泡会附着在铝的表面，而局部地抑制 蚀刻的进行，造成蚀刻的不均匀性，可在蚀刻过程中予于搅动或添加催化剂降低介面张力 以避免这种问题发生。干式蚀刻技术（电浆蚀刻技术） 5-3-1电浆蚀刻简介自1970年代以来元件制造首先开始采用电浆蚀刻技术，对于电浆化学新的了解与

14、认 知也就蕴育而生。在现今的积体电路制造过程中，必须精确的控制各种材料尺寸至次微米 大小且具有极高的再制性，而由于电浆蚀刻是现今技术中唯一能极有效率地将此工作在高 良率下完成，因此电浆蚀刻便成为积体电路制造过程中的主要技术之一。电浆蚀刻主要应用于积体电路制程中线路图案的定义，通常需搭配光阻的使用及微影 技术，其中包括了1）氮化硅（氮化物）蚀刻：应用于定义主动区，2）复晶硅化物/复晶 硅（多晶硅化物/聚）蚀刻：应用于定义闸极宽度/长度; 3）复晶硅（聚）蚀刻：应用于 定义复晶硅电容及负载用之复晶硅4）间隙壁（间隔）蚀亥0：应用于定义LDD的宽度；5） 接触窗（联系）及引洞（VIA）的蚀刻：应用于

15、定义接触窗及引洞之尺寸大小；6）钨回蚀 刻（蚀刻）：应用于钨栓塞（W型插入）之形成；7）涂布玻璃（特别一次过拨款）回蚀刻: 应用于平坦化制程，8）金属蚀刻：应用于定义金属线宽及线长，9）接脚（邦定垫）蚀刻 等。影响电浆蚀刻特性好坏的因素包括了：1）电浆蚀刻系统的型态，2）电浆蚀刻的参数；3）前制程相关参数，如光阻，待蚀刻薄膜之沉积参数条件，待蚀刻薄膜下层薄膜的型态 及表面的平整度等。5-3-2何谓电浆？基本上电浆是由部份解离的气体及等量的带正，负电荷粒子所组成，其中所含的气体 具高度的活性，它是利用外加电场的驱动而形成，并且会产生辉光放电（辉光放电）现象。 蚀刻用的电浆中，气体的解离程度很低，

16、通常在10-5-10-1之间，在一般的电浆或活性离 子反应器中气体的解离程度约为10-5-10-4 ，若解离程度到达10-3-10-1则属于高密度电 浆。5-3-3电浆形成之原理电浆的产生可藉由直流（DC）的偏压或交流射频（RF）的偏压下的电场形成，如图5- 3所示，而在电浆中的电子来源通常有二：一为分子或原子解离后所产生的电子，另一则 为离子撞击电极所产生的二次电子（二次电子），在直流（DC）的电场下产生的电浆其电 子源主要以二次电子为主，而交流射频（RF）的电场下产生的电浆其电子源则以分子或原 子解离后所产生的电子为主。在电浆蚀刻中以直流方式产生辉光放电的缺点包含了：1）需要较高的功率消耗，也 就是说产生的离子密度低； 2）须要以离子撞击电极以产生二次电子，如此将会造成电极 材料的损耗。三）所需之电极材料必须为导体如此一来将不适用于晶圆制程中。在射频放电（RF放电）状况下，由于高频操作