半导体蚀刻技术.doc

简介在集成电路制造过程中，常需要在晶圆上定义出极细微尺寸的图案(Pattern)，这些图案主要的形成方式，乃是藉由蚀刻(Etching)技术，将微影(Micro-lithography)后所产生的光阻图案忠实地转印至光阻下的材质上，以形成集成电路的复杂架构。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(Wet Etching)与干式蚀刻(Dry Etching)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(Etching Rate)，以及待蚀刻材料与光阻及下层材质良好的蚀刻选择比(Selectivity)。然而，随着集成电路中的组件尺寸越做越小，由于化学反应没有方向性，因而湿式蚀刻是等向性(Isotropic)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(Undercut)现象，导致图案线宽失真。因此湿式蚀刻在次微米组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(Glow Discharge)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等离子体来进行图案转印(Pattern Transfer)的蚀刻技术。在本章节中，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。涵盖的内容包括等离子体产生的原理、等离子体蚀刻中基本的物理与化学现象、等离子体蚀刻的机制、等离子体蚀刻制程参数、等离子体蚀刻设备与型态、终点侦测、各种物质(导体、半导体、绝缘体)蚀刻的介绍、微负载效应及等离子体导致损坏等。 5-1-1蚀刻技术中的术语5-1-1a等向性与非等向性蚀刻( Isotropic and Anisotropic Etching)不同的蚀刻机制将对于蚀刻后的轮廓(Profile)产生直接的影响。纯粹的化学蚀刻通常没有方向选择性，蚀刻后将形成圆弧的轮廓，并在屏蔽(Mask)下形成底切(Undercut)，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藉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。5-1-1b选择比(性)( Selectivity )选择比即为不同物质间蚀刻速率的差异值。其中又可分为对屏蔽物质的选择比及对待蚀刻物质下层物质的选择比。5-1-1c负载效应( Loading Effect )负载效应就是当被蚀刻材质裸露在反应气体等离子体或溶液时，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，一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，如此反复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，选择适用的屏蔽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屏蔽材料，且由于其图案转印步骤简单，因此常被使用。但使用光阻作为屏蔽材料时也会发生边缘剥离或龟裂的情形。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Hexamethyl-disilazane (HMDS)。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屏蔽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、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：Si + HNO3 + 6HF H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O 上述的反应中可添加醋酸作为缓冲剂(Buffer Agent)，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组件的制作上。 5-2-2二氧化硅的湿式蚀刻 在微电子组件制作应用中，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：SiO2 + 6HF H2 + SiF6 + 2H2O 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(BOE : Buffer Oxide Etcher)(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，以等离子体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Si3N4) 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屏蔽。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。而一般加热的温度约在35C-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 /min，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，如此反复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接口张力以避免这种问题发生。 干式蚀刻技术(等离子体蚀刻技术)5-3-1等离子体蚀刻简介 自1970年代以来组件制造首先开始采用等离子体蚀刻技术，对于等离子体化学新的了解与认知也就蕴育而生。在现今的集成电路制造过程中，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，而由于等离子体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，因此等离子体蚀刻便成为集成电路制造过程中的主要技术之一。 等离子体蚀刻主要应用于集成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(Nitride)蚀刻：应用于定义主动区；2) 复晶硅化物/复晶硅(Polycide/Poly)蚀刻：应用于定义闸极宽度/长度；3) 复晶硅(Poly)蚀刻：应用于定义复晶硅电容及负载用之复晶硅；4) 间隙壁(Spacer)蚀刻：应用于定义LDD宽度；5) 接触窗(Contact)及引洞(Via)蚀刻：应用于定义接触窗及引洞之尺寸大小；6) 钨回蚀刻(Etch Back)：应用于钨栓塞(W-Plug)之形成；7) 涂布玻璃(SOG)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(Bonding Pad) 蚀刻等。 影响等离子体蚀刻特性好坏的因素包括了：1) 等离子体蚀刻系统的型态；2) 等离子体蚀刻的参数；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何谓等离子体? 基本上等离子体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(Glow Discharge)现象。 蚀刻用的等离子体中，气体的解离程度很低，通常在10-5-10-1之间，在一般的等离子体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则属于高密度等离子体。 5-3-3等离子体形成之原理 等离子体的产生可藉由直流(DC)偏压或交流射频(RF)偏压下的电场形成，如图5-3所示，而在等离子体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(Secondary Electron)，在直流(DC)电场下产生的等离子体其电子源主要以二次电子为主，而交流射频(RF)电场下产生的等离子体其电子源则以分子或原子解离后所产生的电子为主。 在等离子体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；3) 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 Discharge)状况下，由于高频操作，使得大部份的电子在半个周期内没有足够的时间移动至正电极，因此这些电子将会在电极间作振荡，并与气体分子产生碰撞。而射频放电所需的振荡频率下限将视电极间的间距、压力、射频电场振幅的大小及气体分子的解离位能等因素而定，而通常振荡频率下限为50kHz。一般的射频系统所采用的操作频率大都为13.56MHz。 相较于直流放电，射频放电具有下列优点：1) 放电的情况可一直持续下去而无需二次电子的发射，当晶圆本身即为电极的一部份时，这点对半导体材料制程就显得十分重要了；2) 由于电子来回的振荡，因此离子化的机率大为提升，蚀刻速率可因而提升；3) 可在较低的电极电压下操作，以减低等离子体对组件所导致之损坏；4) 对于介电质材料同样可以运作。 现今所有的等离子体系统皆为射频系统。另外值得一提的是在射频系统中一个重要的参数是供给动力的电极面积与接地电极面积之比。 5-3-4等效电子及离子温度 存在于等离子体中的电场分别施力于带正电荷之离子与代负电荷之电子，F=E*q ，而加速度a=F/M，由于离子质量远大于电子，因此电子所获得的加速度与速度将远大于离子，以致电子的动能远大于离子，电子与离子间处于一非平衡状态。从气体动力论中，得知Ekinetic = (3/2) kT，由此可知，等效电子温度远大于等效离子温度，如此可视为 “热” 电子处于 “冷” 等离子体之中。因此电子能够在低温的状态下提供一般在高温下才能使分子解离所需要的能量。在一般蚀刻用的等离子体中，等效的电子温度约为10000 - 100000K。 5-3-5等离子体蚀刻中的基本物理及化学现象 在干式蚀刻中，随着制程参数及等离子体状态的改变，可以区分为两种极端的性质的蚀刻方式，即纯物理性蚀刻与纯化学反应性蚀刻。纯物理性蚀刻可视为一种物理溅镀(Sputter)方式，它是利用辉光放电，将气体如Ar，解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被蚀刻物的表面，而将被蚀刻物质原子击出。此过程乃完全利用物理上能量的转移，故谓之物理性蚀刻。其特色为离子撞击拥有很好的方向性，可获得接近垂直的蚀刻轮廓。但缺点是由于离子是以撞击的方式达到蚀刻的目的，因此光阻与待蚀刻材料两者将同时遭受蚀刻，造成对屏蔽物质的蚀刻选择比变差，同时蚀刻终点必须精确掌控，因为以离子撞击方式蚀刻对于底层物质的选择比很低。且被击出的物质往往非挥发性物质，而这些物质容易再度沉积至被蚀刻物薄膜的表面或侧壁。加上蚀刻效率偏低，因此，以纯物理性蚀刻方式在集成电路制造过程中很少被用到。 纯化学反应性蚀刻，则是利用等离子体产生化学活性极强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待蚀刻物质的表面，并与待蚀刻物质反应产生挥发性之反应生成物，并被真空设备抽离反应腔。因此种反应完全利用化学反应来达成，故谓之化学反应性蚀刻。此种蚀刻方式相近于湿式蚀刻，只是反应物及产物的状态由液态改变为气态，并利用等离子体来促进蚀刻的速率。因此纯化学反应性蚀刻拥有类似于湿式蚀刻的优点及缺点，即高选择比及等向性蚀刻。在半导体制程中纯化学反应性蚀刻应用的情况通常为不需做图形转换的步骤，如光阻的去除等。 一个仅基于化学反应机制的理想干蚀刻过程可分为以下几个步骤：1) 反应气体进入腔体；2) 产生等离子体形态之蚀刻物种，如离子及自由基(Radicals)；3) 蚀刻物种藉由扩散、碰撞或场力移至待蚀刻物表面并吸附于表面；4) 蚀刻物种停滞在待蚀刻物表面一段时间；5) 进行化学反应并产生挥发性之生成物；6) 生成物脱离表面；7) 脱离表面之生成物扩散至气体中并排出(1)。 上述步骤中若其中一个停止发生，则整个反应将不再进行。而其中生成物脱离表面的过程最为重要，大部份的反应物种皆能与待蚀刻物表面产生快速的反应，但除非生成物有合理的蒸气压以致让其脱离表面，否则反应将不会发生。 综观而论，纯物理性蚀刻，如离子束蚀刻(Ion Beam Etch)有两大缺点：一为低选择比，一为低蚀刻效率。而纯化学反应蚀刻也有两个缺点：一为等向性蚀刻，另一为无法应用至次微米的组件制程上，包含了线宽控制与均匀性等问题。 最具广泛使用的方法便是结合物理性蚀刻与化学反应性蚀刻，即所谓的活性离子蚀刻(RIE, Reactive Ion Etch)，此种蚀刻方式兼具非等向性及高选择比等双重优点，蚀刻的进行主要靠化学反应来达成，以获得高选择比。加入离子撞击的作用有二：一是将待蚀刻物质表面的原子键结破坏，以加速蚀刻速率；二是将再沉积于待蚀刻物质表面的产物或聚合物(Polymer)打掉，以便待蚀刻物质表面能再与反应蚀刻气体接触。非等向性蚀刻的达成，则是靠再沉积的产物或聚合物，沉积于待蚀刻图形上，在表面的沉积物可被离子打掉，蚀刻可继续进行，而在侧壁上的沉积物，因未受离子的撞击而保留下来，阻隔了表面与反应蚀刻气体的接触，使得侧壁不受侵蚀，而获得非等向性蚀刻。 综合以上所言，等离子体(干式)蚀刻的完成包含了以下几种过程：1) 化学反应，属等向性；2) 离子辅助蚀刻，具方向性；3) 保护层的形成，可避免侧壁遭受蚀刻；4) 生成物残留的排除。 垂直的蚀刻轮廓(非等向性蚀刻)主要源自于两大原因：一为垂直方向的离子撞击，加速垂直方向的蚀刻；一为侧壁保护层的形成。而侧壁保护层的形成种类有下列几种方式：1) 非挥发性的副产物，例如：SiBr4, SiO2, BrxOy；2) 光阻蚀刻时所产生之聚合物；3) 聚合物气体，例如：CFx, CClx, x0.5mm2)；2) 雷射必须对准该蚀刻区，将增加设备及晶圆设计上的困扰；3) 被雷射照射到的区域温度会升高，因而影响蚀刻速率，造成侦测出的蚀刻速率与其它位置不同；4) 如果被蚀刻区的表面不平，则侦测出的信号会很弱。5-3-11b光学放射频谱分析(Optical Emission Spectroscopy) 光学放射频谱分析是利用侦测等离子体中某种光线强度的变化来达到终点侦测的目的。此种光线的激发，乃由于等离子体中的原子或分子被电子激发到某个激发态，在返回到另一个状态的同时，所伴随发出的光线。不同的原子或分子所激发出的光线波长不同，光线强度的变化则反应了等离子体中相对应的原子或分子浓度的变化。侦测蚀刻终点时，波长的选择有两种方式，一是反应物在蚀刻终点时光线强度将增加，二为产物在蚀刻终点时光线强度会减少。 光学放射频谱分析是最常用的终点侦测方式，因为它可以很容易地架设在蚀刻设备上，且不影响蚀刻的进行。它对于反应的些微变化也可以灵敏的侦测，可提供有关蚀刻反应过程中许多有用的信息。 但是光学放射频谱分析也有一些缺点及限制：一为光线强度正比于蚀刻速率，所以对于蚀刻速率很慢的蚀刻，信号将变得难以侦测；另一则是当待蚀刻的面积很小时，信号强度将不足，而使终点侦测失败。5-3-11c质谱分析(Mass Spectroscopy) 质谱分析是另一种终点侦测的方法，此外，它还可以提供蚀刻前后，反应腔内成份的相关信息。此方法为利用蚀刻腔壁的孔洞对等离子体中的成份进行取样。取得的中性分子被灯丝产生的电子束解离为离子，离子经由电磁场的偏折，而不同质量的离子偏折程度不同，因此可将不同的离子分辨出。不同的离子可藉由电磁场的改变而收集。当应用于终点侦测时，则将电磁场固定在观测分析时所需之大小，观察收集信息的变化情形即可得知蚀刻终点。 虽然质谱分析能够提供许多有用的信息，但仍有一些限制存在：1) 部分化合物的质/荷比相同，如N2, CO, Si，使得侦测同时拥有这些成份的蚀刻无法判断蚀刻是否完成；2) 取样的结果将左右蚀刻终点的侦测；3) 设备不易安装于各种蚀刻机台。金属蚀刻(Metal Etch)5-4-1铝及铝合金的蚀刻： 铝是半导体制程中最主要的导线材料。它具有低电阻、易于沉积及蚀刻等优点而广为大家所采用。在先进集成电路中，由于组件的密度受限于导线所占据之面积，加上金属层的非等向性蚀刻可使得金属导线间的间距缩小，藉以增加导线之接线能力，因此铝及铝合金的干蚀刻在集成电路制程中是一个非常重要的步骤。 氟化物气体所产生的等离子体并不适用于铝的蚀刻，此乃因为反应产物AlF3的蒸气压很低不易挥发，很难脱离被蚀刻物表面而被真空设备所抽离。相反的，铝的氯化物(如AlCl3)则具有足够高的蒸气压，因此能够容易地脱离被蚀刻物表面而被真空设备所抽离，所以氯化物气体所产生的等离子体常被利用作为铝合金的干蚀刻源。一般铝的蚀刻温度较室温稍高，如此AlCl3的挥发性更佳，可减少残留物的发生。 铝的蚀刻机制如下图所示： 在铝的蚀刻中，化学反应主导着蚀刻的进行，增加氯化物的含量则蚀刻速率可增加，但蚀刻速率却与离子轰击程度无关，如下图5-18(2)。而铝的蚀刻属放热反应，对于残留物及保持光阻的完整性而言，表面温度的控制就显得很重要了。 由于铝在常温下表面极易氧化成氧化铝(Al2O3)，而氧化铝氯分子或原子发生反应，因此在铝的蚀刻制程中常会添加BCl3等气体来去除这层寄生氧化层。再者BCl3极易与水气及氧气反应，故可吸收腔体内的水气及氧气，以减低氧化铝的再形成(12)。 由于水气及氧气严重影响铝的蚀刻速率，因此降低腔体内水气及氧气的含量便显得十分重要。由于反应产物AlCl3吸水性极强，因此必须避免 AlCl3沉积于腔体表面上，一般做法为提高蚀刻温度，使得AlCl3的挥发性更佳，让其更容易藉由真空设备抽出腔体之外。避免水气的侵入另一作法为真空隔绝室(Load Lock Chamber)的设计。 在铝的干式蚀刻中，增进非等向性蚀刻的方法为添加某些气体，如SiCl4, CCl4, CHF3, CHCl3等。这些气体的氯或氟原子与光阻中的的碳或硅原子反应形成聚合物，沉积于金属侧壁上，以避免遭受离子的轰击。因此在铝的干式蚀刻中，光阻的存在是不可或缺的。图5-19说明了铝蚀刻时，使用光阻或二氧化硅作为屏蔽产生之不同结果。另外，为了增强光阻的抗蚀性，制程中也会加入些使光阻强化的步骤。 加入少量的硅、铜于铝中，为半导体制程中常见的铝合金材料，因此硅、铜的去除也成为铝蚀刻时所须考虑的因素。如果两者未能去除，所遗留下来的硅或铜颗粒将会阻碍下方铝材料蚀刻的进行，而形成一柱状的残留物，即所谓微屏蔽现象(Micromasking)。对于硅的蚀刻，可直接于氯化物气体等离子体中完成，而SiCl4的挥发性很好，因此铝合金中硅的去除应没有什么问题。然而铜的去除就比较困难了，因为CuCl2的蒸气压很低挥发性不佳(13)，所以铜的去除无法以化学反应方式达成，必须以高能量的离子撞击来将铜原子去除；另外，提高温度亦可以帮助CuCl2挥发。 在蚀刻铝及铝合金时所遭遇到的另一问题为蚀刻后铝的腐蚀，原因为铝合金在氯气等离子体蚀刻后，含氯的残留物仍遗留在合金表面、侧壁及光阻上。一旦晶圆离开真空腔体后，这些成份将会和空气中的水气反应形成氯化氢(HCl)，进一步侵蚀铝合金并产生AlCl3，若提供的水气足够，反应将持续进行，铝合金将不断地被腐蚀，如下面反应式中所示。在含铜的铝合金中，这种现象将更为严重(14)。 AlCl3 (By product) left on metal side-wallAlCl3 + H2O (moisture) Al2O3 + HClHCl + Al AlCl3 + H2(g) 反应如右图所示 若要减低蚀刻后铝合金的腐蚀，则可采用下列几种方法：1) 在芯片从腔体中取出后，施以大量的去离子水(Deionized Water)冲洗；2) 在蚀刻后，芯片尚在真空状态下时，以氧气等离子体将光阻去除，并在铝合金表面形成氧化铝来保护铝合金；3) 在芯片移出腔体之前，以氟化物(如CF4, CHF3)等离子体作表面处理(15)，将残留的氯置换为氟，形成AlF3，在铝合金表面形成一层聚合物，以隔离铝合金与氯的接触。 图5-20为一常见的金属层结构: 顶部的TiN是用来作为反反射层(Anti-Reflection Layer)，因为铝的反射率太高，易造成曝光的不正确；或是用来抑制突起(Hillocks)。Al-Si-Cu合金中，Si的作用为避免接面尖峰(Junction Spiking)的发生，而Cu则是用来抑制电子迁移(Electronmigration)现象。底层的TiN则是为避免铝的尖峰(spiking)现象及增进阶梯覆盖(Step Coverage)。而最底层的Ti则可减低与源、汲极的接触电阻(Contact Resistance)或是增进阶梯覆盖。 用来蚀刻铝的的氯气等离子体与Ti反应产生TiCl4，其挥发性并不高，所以蚀刻速率并不快，以TiN为例，其蚀刻速率约为铝的1/3-1/4。覆盖在铝合金上的TiN，通常使用与铝相同的蚀刻参数即可。至于当蚀刻铝合金下之TiN, Ti乃至于TiSi2时，因蚀刻时间较长，容易造成铝合金的侧向蚀刻。解决的方法为在蚀刻此阶段时，改变蚀刻条件，如增加离子撞击能量，以加速TiN, Ti的蚀刻速率，或是降低氯的含量，以降低对铝的蚀刻速率。 5-4-2耐火金属及其硅化物的蚀刻： 在集成电路中，耐火金属常应用于金属间连结洞插栓(Intermetal-via-hole Plug, 如W)及扩散防止层(Diffusion Barrier, 如TiN, TiW)中，而其硅化物则广为应用于复晶硅闸极上方之区域连接线。因此其相关蚀刻机制亦有需要在此探讨。 要了解耐火金属及其硅化物的干蚀刻机制，首先必须了解其卤化物的挥发性。钨(W)及钼(Mo)可形成和硅一样的高挥发性卤化物，因此它们的蚀刻机制也与硅类似。在CF4-O2的系统中，WF6的挥发速率快于W与F之反应速率，所以W与F之反应速率主宰了蚀刻速率，故W的蚀刻速率随氟原子的增加而变快。而钨硅化物(WSi2)的蚀刻速率则介于钨和硅之间。TiF4的挥发性不佳，因此挥发速率主导着蚀刻速率，故适当提高温度则有助于蚀刻速率的提高。 耐火金属的硅化物大多可用以氟为主的等离子体气体蚀刻，但对复晶硅金属硅化物(Polycide)而言并不合适。因为采用高浓度的氟原子作蚀刻时，氟原子亦会对下层之复晶硅进行侧向蚀刻，造成底切(Undercut)的现象。若改采低浓度的氟原子作蚀刻时，虽可形成非等向性蚀刻，但此时复晶硅化物对氧化层的选择比将小于1。 使用氯气为主的等离子体来蚀刻金属硅化物不但对氧化层有很好的选择比，而且可以很容易的达成非等向性蚀刻。但一般而言，这些金属的氯化物挥发性都较差，因此蚀刻速率也较差。改善的方法可采用含氟与氯的混合气体，如SF6 + Cl2(16)。 5-4-3复晶硅蚀刻(Poly Etch) 在金氧半(MOS)组件的应用中，闸极线宽必须严格的控制，因为它代表着MOS组件信道的长度，而与组件特性有很大的关系。因此当复晶硅作为闸极材料时，复晶硅的蚀刻必须要能够忠实地将光罩上的尺寸转移到复晶硅上。因此，在复晶硅的蚀刻中必须具备高度的线宽控制及均匀性。再者，高度的非等向性蚀刻亦是十分重要的，假如因为闸极复晶硅蚀刻后，侧壁有所倾斜，此时闸极之厚度将不足以抵挡源、汲极的离子布植，将造成杂质浓度分布不均，通道长度将随倾斜程度而改变。 另外，复晶硅对二氧化硅的蚀刻选择比也要很高。其原因有二：其一为在非等向性蚀刻中，会形成所谓的阶梯残留(Stringer)，如图5-21所示。为了去除阶梯残留，必须作过蚀刻(Overetch)的动作，以避免线路发生短路。其二是因为复晶硅覆盖在很薄的闸极氧化层上，如果闸极氧化层被吃穿，则氧化层下的源、汲极硅将会被快速的蚀刻掉。 由于采用CF4, SF6等氟原子为主的等离子体气