蚀刻分为湿法蚀刻和干法蚀刻。湿法蚀刻（Wet Etching）：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行蚀刻的方法。干法蚀刻（Dry Etching）：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到蚀刻的目的。

1.湿法蚀刻

湿法蚀刻是传统的蚀刻方法。把硅片浸泡在一定的化学试剂或试剂溶液中，使没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜表面与试剂发生化学反应而被除去。例如，用一种含有氢氟酸的溶液蚀刻二氧化硅薄膜，用磷酸蚀刻铝薄膜等。这种在液态环境中进行蚀刻的工艺称为“湿法”工艺，其优点是操作简便、对设备要求低、易于实现大批量生产，并且蚀刻的选择性也好。但是，化学反应的各向异性较差，横向蚀刻使所得的蚀刻剖面呈圆弧形。这不仅使图形剖面发生变化，而且当稍有过蚀刻时容易产生不良缺陷，这使精确控制图形变得困难。湿法蚀刻的另一问题，是抗蚀剂在溶液中，特别在较高温度的溶液中易受破坏而使掩蔽失效，因而对于那些只能在这种条件下蚀刻的薄膜必须采用更为复杂的掩蔽方案。对于采用微米级和亚微米量级线宽的超大规模集成电路，蚀刻方法必须具有较高的各向异性特性，才能保证图形的精度，但湿法蚀刻不能满足这一要求。湿法蚀刻在半导体工艺中被广泛采用。它特别适用全面性的蚀刻。湿法化学蚀刻被用于图案的转移，然而，掩蔽层下的横向蚀刻现象将导致腐蚀图形的分辨率损失。

2.干法蚀刻

20世纪70年代末研究出一系列所谓干法蚀刻工艺。干法蚀刻有离子铣蚀刻、等离子蚀刻和反应离子蚀刻三种主要方法。

（1）离子铣蚀刻：低气压下惰性气体辉光放电所产生的离子加速后入射到薄膜表面，裸露的薄膜被溅射而除去。由于蚀刻是纯物理作用，各向异性程度很高，可以得到分辨率优于1 μm的线条。这种方法已在磁泡存储器、表面波器件和集成光学器件等制造中得到应用。但是，这种方法的蚀刻选择性极差，须采用专门的蚀刻终点监测技术，而且蚀刻速率也较低。

（2）等离子蚀刻：利用气压为10～1 000 Pa的特定气体（或混合气体）的辉光放电，产生能与薄膜发生离子化学反应的分子或分子基团，生成的反应产物是挥发性的。它在低气压的真空室中被抽走，从而实现蚀刻。通过选择和控制放电气体的成分，可以得到较好的蚀刻选择性和较高的蚀刻速率，但蚀刻精度不高，一般仅用于大于4～5 μm线条的工艺中。

（3）反应离子蚀刻：这种蚀刻过程同时兼有物理和化学两种作用。辉光放电在零点几到几十帕的低真空下进行。硅片处于阴极电位，放电时的电位大部分降落在阴极附近。大量带电粒子受垂直于硅片表面的电场加速，垂直入射到硅片表面上，以较大的动量进行物理蚀刻，同时它们还与薄膜表面发生强烈的化学反应，产生化学蚀刻作用。选择合适的气体组分，不仅可以获得理想的蚀刻选择性和速度，还可以使活性基团的寿命短，这就有效地抑制了因这些基团在薄膜表面附近的扩散所能造成的侧向反应，大大提高了蚀刻的各向异性特性。反应离子蚀刻是超大规模集成电路工艺中很有发展前景的一种蚀刻方法。

3.蚀刻参数

蚀刻参数有：蚀刻速率、蚀刻偏差、选择比、均匀性、蚀刻剖面。

1）蚀刻速率

蚀刻速率是指蚀刻过程中去除表面层材料的速度：

其中，ΔT为去掉薄层材料的厚度，单位为埃/分（Å/min），或纳米/分（nm/min）；t为蚀刻时间，单位为分。

蚀刻厚度如图6.12所示。

图6.12　蚀刻厚度ΔT

2）蚀刻偏差

蚀刻偏差是指蚀刻以后线宽或关键尺寸的变化：

蚀刻偏差如图6.13所示。

图6.13　PR蚀刻偏差

3）选择比(www.daowen.com)

选择比指在同一蚀刻条件下，蚀刻一种材料对另一种材料的蚀刻速率之比。

高选择比意味着只去除想要蚀刻掉的膜层材料，而对其下层材料和光刻胶不蚀刻。

图6.14　蚀刻速率比较（a、b、c、d）

4）均匀性

蚀刻均匀性是指蚀刻速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性蚀刻会产生额外的过蚀刻。

5）蚀刻剖面

蚀刻剖面是指被蚀刻图形的侧壁形状。

图6.15　蚀刻的侧壁形状

现代化的干法蚀刻设备包括复杂的机械、电气和真空装置，同时配有自动化的蚀刻终点检测和控制装置。因此这种工艺的设备投资是昂贵的。干法蚀刻也可以根据被蚀刻的材料类型来分类。按材料来分，蚀刻主要分成三种：金属蚀刻、介质蚀刻和硅蚀刻。介质蚀刻是用于介质材料的蚀刻，如二氧化硅。接触孔和通孔结构的制作需要蚀刻介质，从而在ILD中蚀刻出窗口，而具有高深宽比（窗口的深与宽的比值）的窗口蚀刻具有一定的挑战性。硅蚀刻（包括多晶硅）应用于需要去除硅的场合，如蚀刻多晶硅晶体管栅和硅槽电容。金属蚀刻主要是在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。

蚀刻也可以分成有图形蚀刻和无图形蚀刻。有图形蚀刻采用掩蔽层（有图形的光刻胶）来定义要蚀刻掉的表面材料区域，只有硅片上被选择的这一部分在蚀刻过程中刻掉。有图形蚀刻可用来在硅片上制作多种不同的特征图形，包括栅、金属互连线、通孔、接触孔和沟槽。无图形蚀刻、反刻或剥离是在整个硅片没有掩模的情况下进行的，这种蚀刻工艺用于剥离掩模层（如STI氮化硅剥离和用于制备晶体管注入侧墙的硅化物工艺后钛的剥离）。反刻是在想要把某一层膜的总的厚度减小时采用的（如当平坦化硅片表面时需要减小形貌特征）。光刻胶是另一个剥离的例子。总的来说，有图形蚀刻和无图形蚀刻工艺条件能够采用干法蚀刻或湿法蚀刻技术来实现。

为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，蚀刻必须满足一些特殊的要求。包括几方面蚀刻参数：蚀刻速率、蚀刻剖面、蚀刻偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损伤、颗粒沾污和缺陷等。蚀刻是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。蚀刻的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。有图形的光刻胶层在蚀刻中不受腐蚀源显著地侵蚀。这层掩蔽膜用来在蚀刻中保护硅片上特殊区域而选择性地蚀刻掉未被光刻胶保护的区域，如图6.16所示。在通常的CMOS工艺流程中蚀刻都是在光刻工艺之后进行的。从这一点来说，蚀刻可以看成在硅片上复制所想要的图形的最后主要图形转移工艺步骤 。

图6.16　单晶硅蚀刻的SEM照片

电子束图形曝光是掩膜版制作和用于探索新器件的纳米工艺的最佳选择，其他图形曝光工艺技术为EUV、X射线图形曝光与离子束图形曝光，虽然这些技术都具有100 nm或更高的分辨率，但每一个工艺都有其限制：电子束图形曝光的邻近效应；EUV图形曝光的掩膜版空片制作困难；X射线图形曝光的掩膜版制作复杂；离子束图形曝光的随机空间电荷等。

目前仍无法明确指出，谁才是光学图形曝光的明显继承者。然而，一个混合搭配的方式，可以将每一种图形曝光工艺的特殊优点融合来改善分辨率和提高产率。干法蚀刻是为了得到较高精确度的图案转移。干法蚀刻和等离子体辅助蚀刻是相同的。

未来蚀刻技术的挑战是：高的蚀刻选择比、更好地临界尺寸控制、低的高宽比相关性与低等离子体导致的损伤。低压、高密度等离子体反应器能满足这些要求。当工艺由200 mm发展到300 mm，甚至更大的晶片时，晶片上的蚀刻均匀度更需要不断地改进，而更进一步地进行集成化设计，必须发展更新的气体化学以提供更好的选择比。

任务二　学习成果评价

以团队小组为单位完成任务，以学生个人为单位实行考核。