湿法和干法刻蚀图形化的刻蚀过程讨论

刻蚀工艺简介

刻蚀是移除晶圆表面材料，达到IC设计要求的一种工艺过程。刻蚀有两种:一种为图形 化刻蚀，这种刻蚀能将指定区域的材料去除，如将光刻胶或光刻版上的图形转移到衬底薄膜 上;另一种是整面全区刻蚀，即去除整个表面薄膜达到所需的工艺要求。本章将讨论这两种刻 蚀技术，并强调图形化的刻蚀过程。

下图显示了一个MOSFET栅图形化刻蚀的工艺流程。 首先是如下图（a）所示的光刻工艺，即将栅光刻版上的图形显示到晶圆表面多晶硅薄膜的光 刻胶上;然后利用刻蚀工艺将图形转移到光刻胶下面的多晶硅上，如下图（b）所示;最后利用 湿法、干法或两种技术的结合将光刻胶去除以完成栅的图形化，如下图（c）所示。

光刻技术和湿法刻蚀在印刷工业已经使用，也可用做印刷电路板。半导体产业在20世纪 50年代开始釆用这两种技术制作晶体管和集成电路。通过光刻工艺将光刻版的图形转移到晶 圆表面的光刻胶上后，再经过刻蚀或离子注入透过光刻胶上的图形就可将器件或电路转移到 晶圆上。下图显示了 IC制造中的图形化刻蚀工艺。

20世纪80年代前主要使用湿法刻蚀，利用化学溶液将未被光刻胶覆盖的材料溶解达到移转图形的目的。80年代之后，当最小图形尺寸缩小到3um以下时，湿法刻蚀就逐渐被干法（等离子体刻蚀）取代。这是由于湿法刻蚀为等向性刻蚀轮廓，会造成光刻胶的底切效应及关键尺寸（CD）损失（见下图）。

先进半导体制造中，几乎所有的图形化刻蚀都利用等离子体刻蚀技术，然而薄膜剥除和薄膜质量控制仍使用湿法刻蚀。下图所示为CMOS IC芯片的铝金属化工艺，说明了一些刻蚀工艺的位置。

IC芯片工艺过程包含许多刻蚀过程，如图形化和整面全区刻蚀;单晶硅刻蚀用于形成浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation, STI)；多晶硅刻蚀用于界定栅和局部连线。氧化物刻蚀界定接触窗和金属层间接触窗孔;金属刻蚀形成金属连线。同时也有整面全区刻蚀，氧化层CMP停止在氮化硅层后的氮化硅剥除工艺(没有显示在下图工艺中)；电介质的非等向性回刻蚀形成侧壁空间层;钛金属硅化合物形成合金之后的钛剥除(没有包括在下图中)。

下图显示了一种先进CMOS IC的截面图，其中包括选择性外延源/漏极、高k最后栅和 金属栅(HKMG)、铜/低k互连。先进CMOS IC需要等离子体刻蚀单晶硅形成STI,湿法刻蚀单 晶硅形成选择性外延源/漏极。干法刻蚀被用于形成多晶硅虚栅，湿法刻蚀被用于去除多晶硅 虚栅为HKMG提供空间。使用铜/低k连线的先进CMOS IC用的是电介质沟槽刻蚀工艺，而 不是金属刻蚀工艺。

本章包含刻蚀的基础原理:湿法和干法刻蚀、化学刻蚀、物理刻蚀和反应式离子刻蚀及硅、多晶硅、电介质和金属刻蚀工艺。最后讨论刻蚀工艺的发展趋势。

审核编辑：刘清