逐层刻蚀工艺在半导体器件制造中的应用

张轶铭，刘利坚

(北京北方华创微电子装备有限公司，北京 100176)

1 等离子体刻蚀面临的挑战

等离子体刻蚀技术在集成电路、化合物半导体、MEMS（微机电系统）、先进封装、LED等领域应用广泛。然而，常规的等离子体刻蚀从时间维度看一般是连续刻蚀，面临着以下几个方面的挑战：一是深宽比相关效应（ARDE）会导致高深宽比结构的刻蚀速率要比低深宽比结构的刻蚀速率低（如图1a）；其二在于去除待刻蚀材料的同时，很难完好地保留下一层材料，存在一定的过刻蚀（如图1b）；其三是等离子体中的高能离子还会导致被刻蚀材料的表面粗糙或内部损伤，引起器件电学性能变差。

图1 常规等离子体刻蚀的挑战

2 基于循环方式的逐层刻蚀

基于循环方式的逐层刻蚀在原理上与常规的等离子体刻蚀有所不同，可以有效改善常规等离子体刻蚀的深宽比相关效应，提高刻蚀选择比，降低刻蚀粗糙度和损伤。

一种典型的逐层刻蚀方法如图2所示，首先将结合气体导入刻蚀腔，吸附于材料的表面，形成一个结合层。这一改性步骤具有自停止性，即表面一旦饱和，反应立即停止。接着，清除刻蚀腔中过量的结合气体，并引入刻蚀气体。刻蚀气体形成等离子体后，通过离子轰击材料表面，物理性去除之前产生的结合层，进而留下下层未经改性的表面。这种去除过程仍然是有自停止性的，因为一旦结合层被全部去除后，该过程也将终止，不会继续去除下面的材料。上述步骤完成后，表面的一层材料即可被精确地去除。不断循环重复上述过程，通过控制循环次数，可精确控制刻蚀深度、刻蚀速率等。

图2 基于循环方式的逐层刻蚀原理示意图

3 循环方式逐层刻蚀的进一步改善

效果更好的一种方式是将结合气体形成等离子体，通过隔离装置分离活性中性粒子与带电原子（如图3所示），采用活性吸附粒子化学吸附替代传统反应气体吸附，一方面可以显著提高刻蚀速率，缩短刻蚀周期时间，而且在化学吸附阶段能够大幅度节约刻蚀反应气体的使用量，降低了工艺成本。另一方面，采用等离子体离子解吸附替代离子束/中性粒子束解吸附，可以避免离子束/中性离子束产生装置所带来的复杂性，使得刻蚀设备结构简单可靠，有利于大规模生产应用。

图3 隔离装置示意图

4 结束语

本文在常规的等离子体刻蚀基础上，研究了一种基于循环方式的逐层刻蚀方法，可以有效解决常规等离子体刻蚀的深宽比相关效应，提高刻蚀选择比，降低刻蚀粗糙度和损伤。通过增加隔离装置，可以进一步改善循环式逐层刻蚀的工艺效率，降低工艺成本。