逐層刻蝕工藝在半導體器件制造中的應用

張軼銘，劉利堅

(北京北方華創微電子裝備有限公司，北京 100176)

1 等離子體刻蝕面臨的挑戰

等離子體刻蝕技術在集成電路、化合物半導體、MEMS（微機電系統）、先進封裝、LED等領域應用廣泛。然而，常規的等離子體刻蝕從時間維度看一般是連續刻蝕，面臨著以下幾個方面的挑戰：一是深寬比相關效應（ARDE）會導致高深寬比結構的刻蝕速率要比低深寬比結構的刻蝕速率低（如圖1a）；其二在于去除待刻蝕材料的同時，很難完好地保留下一層材料，存在一定的過刻蝕（如圖1b）；其三是等離子體中的高能離子還會導致被刻蝕材料的表面粗糙或內部損傷，引起器件電學性能變差。

圖1 常規等離子體刻蝕的挑戰

2 基于循環方式的逐層刻蝕

基于循環方式的逐層刻蝕在原理上與常規的等離子體刻蝕有所不同，可以有效改善常規等離子體刻蝕的深寬比相關效應，提高刻蝕選擇比，降低刻蝕粗糙度和損傷。

一種典型的逐層刻蝕方法如圖2所示，首先將結合氣體導入刻蝕腔，吸附于材料的表面，形成一個結合層。這一改性步驟具有自停止性，即表面一旦飽和，反應立即停止。接著，清除刻蝕腔中過量的結合氣體，并引入刻蝕氣體。刻蝕氣體形成等離子體后，通過離子轟擊材料表面，物理性去除之前產生的結合層，進而留下下層未經改性的表面。這種去除過程仍然是有自停止性的，因為一旦結合層被全部去除后，該過程也將終止，不會繼續去除下面的材料。上述步驟完成后，表面的一層材料即可被精確地去除。不斷循環重復上述過程，通過控制循環次數，可精確控制刻蝕深度、刻蝕速率等。

圖2 基于循環方式的逐層刻蝕原理示意圖

3 循環方式逐層刻蝕的進一步改善

效果更好的一種方式是將結合氣體形成等離子體，通過隔離裝置分離活性中性粒子與帶電原子（如圖3所示），采用活性吸附粒子化學吸附替代傳統反應氣體吸附，一方面可以顯著提高刻蝕速率，縮短刻蝕周期時間，而且在化學吸附階段能夠大幅度節約刻蝕反應氣體的使用量，降低了工藝成本。另一方面，采用等離子體離子解吸附替代離子束/中性粒子束解吸附，可以避免離子束/中性離子束產生裝置所帶來的復雜性，使得刻蝕設備結構簡單可靠，有利于大規模生產應用。

圖3 隔離裝置示意圖

4 結束語

本文在常規的等離子體刻蝕基礎上，研究了一種基于循環方式的逐層刻蝕方法，可以有效解決常規等離子體刻蝕的深寬比相關效應，提高刻蝕選擇比，降低刻蝕粗糙度和損傷。通過增加隔離裝置，可以進一步改善循環式逐層刻蝕的工藝效率，降低工藝成本。