从掩模图形到材料结构
半导体刻蚀处理的对象不只包括硅等半导体,也包括集成电路中的绝缘膜和导电膜。其共同任务是让指定区域的材料被移除,而其他区域尽量保留。常见流程先形成带开口的掩模,再使开口下的材料接触刻蚀介质;刻蚀深度和横向推进共同决定最后的结构。
曝光是以光改变光刻胶性质,配合显影形成图形;刻蚀则进一步改变下方材料。沉积增加材料,清洗主要去除污染或残留。几种工序可能使用相似的化学反应,但它们的目标、控制终点和在制程中的位置不同,不能仅凭是否接触化学品来划分。
湿法、干法与方向性
湿法刻蚀通过液体与材料反应,使产物进入溶液。许多湿法反应会向各方向推进,形成掩模下方的侧向侵蚀;但湿法不必然是各向同性的。例如,晶体硅不同晶面的反应速率可以显著不同,从而形成由晶向决定的侧壁。
干法主要在气体或粒子环境中移除材料。化学途径让反应物与表面结合,生成可被排出的挥发性产物;物理途径则以粒子轰击把原子打离表面。前者有利于利用材料反应性的差别,后者可获得方向性,却也可能造成再沉积和损伤。
反应离子刻蚀利用等离子体产生反应性粒子,并让带电离子在电场作用下主要朝表面运动。离子轰击与化学反应协同,使底部与侧壁受到的作用不同,有助于形成较陡直的图形。它不是所有干法刻蚀的同义词,也不意味着侧向反应完全消失。
选择比、掩模和侧壁
选择比通常表示同一条件下目标材料与另一种材料的刻蚀速率之比。若目标薄膜刻得快而掩模刻得慢,就有利于保留保护层;若目标层与下方停止层之间选择比高,则较容易在清除目标层时限制下层损失。选择比必须说明比较对象,不能仅用一个数值代表工艺优劣。
方向性回答材料主要向哪里移除,选择比回答不同材料移除得相差多少,两者是不同指标。掩模会在刻蚀中消耗,厚度不足会使保护失效;侧壁形貌、开口尺寸以及晶圆各处的均匀性,也决定图形能否忠实转移。为清除较慢区域而增加刻蚀时间,还可能扩大其他区域的损失。
微细结构中的约束
深而窄的结构中,反应物进入底部、产物离开底部更困难,刻蚀速率可能随深宽比改变。增强粒子轰击未必是无代价的补救,因为高能离子可能带来表面粗糙化或近表面损伤。加工条件因此需要在形貌、选择比、速度与材料完整性之间权衡。
原子层刻蚀把表面改性和移除分成周期步骤,尝试限制每次反应的材料量,体现了另一种控制思路。但是否适用仍取决于材料组合和反应机制。某一设备、气体配方或厂商示例的条件,不能直接当作全部半导体刻蚀的普遍要求。