蝕刻製程

在電漿的環境中，含有大量的活性自由基(reactive radical，為中性的原子或是分子物) 及帶電荷離子，可以和被蝕刻物進行化學腐蝕反應，而正離子在蝕刻物表面產生垂直撞 擊的效果，可以加速蝕刻物垂直方向蝕刻率，而達到特定方向蝕刻的結果，業界目前現 多採用乾式及電漿式蝕刻製程。

電漿蝕刻係應用於關鍵的電路定義步驟(Critical circuit-defining step)，且為半導體業 中最常被使用到的製程，在開始蝕刻之前必須先經過微影製程，晶圓的表面上將被塗佈

一層的光阻並曝光以定義出電路的圖樣，蝕刻的製程步驟將只會移除光阻圖樣所指定移 除的區域。

電漿蝕刻係利用電場與反應性氣體，例如氟(F)或是氯(Cl)化合物氣體在反應腔體 (Chamber)中，將反應氣體的分子解離成對薄膜材質具有反應性的離子，然後藉著離子與 暴露在晶圓表面上的薄膜材質產生化學反應與離子轟擊，把暴露在電漿下的薄膜，反應 成揮發性的生成物，而後被真空系統抽離，以達到快速的圖案轉移，再將光阻圖樣所指 定的區域材料移除，它的優點是能夠快速且能形成幾近完美的垂直輪廓。

蝕刻製程的主要指標是蝕刻速率(Etching Rate, ER)，其單位為每單位時間的蝕刻深 度，蝕刻速率由圖2-6中反應最慢的步驟而決定。通常一個製造環境最好能有較高的蝕刻 速率，然而若蝕刻速率太高，可能會使製程變得難以控制。一般希望的蝕刻速率為每分 鐘數百至數千埃(Å)。蝕刻的速率越快，表示單位時間內的產能越大，對蝕刻時間的控制 也就相對的敏感，在較小的蝕刻時間差異便能產生較大的蝕刻深度差異，即製程較不易 控制；次要的指標則有選擇比與均勻性(Uniformity)，選擇比為不同的材料之蝕刻速率的 比，也就是說，蝕刻製程對被蝕刻薄膜及其他材質，如光阻和底材的蝕刻速率的蝕刻率 比值。選擇比越高，表示蝕刻大都在被蝕刻材質上進行，例如光阻相對於欲蝕刻之薄膜 層的蝕刻速率。若我們說一特殊製程對於多晶矽及氧化層的選擇比為20:1，即意味著多 晶矽的蝕刻速率較氧化層20倍。普遍來說，濕式蝕刻的選擇比較乾式蝕刻的選擇比為大，

換句話說，使用乾式蝕刻法進行薄膜蝕刻時，雖然可以獲得相當準確的圖案轉移，但是 卻必須犧牲部分蝕刻的選擇比能力。均勻性的計算是根據蝕刻速率的百分比變化，常會 引用一整片晶片之間(Within Wafer)甚至是晶片與晶片之間(Wafer to Wafer, Within Lot)的 資料，蝕刻的均勻性越高，則代表晶片品質的控制越完善晶片的良率也就越好。

圖2-6 乾式蝕刻示意圖

電漿蝕刻製程的進行，必須包含下述六項步驟，如圖2-6所示。首先，供應至反應室 中的氣體必須被電漿破壞成化學上的活性物種，這些物種必須擴散至晶片的表面並被吸 附。一旦這些物種存在於晶片的表面上，則可能會在晶片表面上移動(表面擴散)直到與 暴露出來的薄膜起反應。反應後的產物必須要解除吸附並從晶片表面擴散離開，在以氣 體流運離蝕刻反應室，蝕刻速率則由這些步驟最慢的一個來決定。

圖2-7 等向性蝕刻與非等向性蝕刻

乾式蝕刻的最主要優點就是可以進行非等向性蝕刻，等向性蝕刻與非等向性蝕刻如 圖2-7所示。因此乾蝕刻的設計與操作的首要，便擺在如何使得乾蝕刻在垂直(Vertical)方 向上的蝕刻速率大於水平方向上的蝕刻速率，以便使薄膜經蝕刻之後所轉移的圖案與光 罩上的原圖案相同，並減低底切(Undercut)現象發生的可能性。不過，因為乾蝕刻的非等

向性主要是利用粒子轟擊的物理現象來進行的，這種粒子轟擊的現象，不但可以在被蝕 刻的薄膜上進行，也可以在光阻上發生。也就是說，粒子將是同時對晶片上的光阻及裸 露出的薄膜執行蝕刻的，所以其選擇比將會較濕式蝕刻還來的差。

2.3.1. 深溝多晶遮罩開口蝕刻製程機台介紹

本論文之深溝多晶開口蝕刻製程機台係使用美商應用材料(Applied Materials)所生產 的Centura DPS II 之乾式電漿(Plasma)蝕刻機台，如圖2-8所示

圖2-8 乾式蝕刻機台 AMAT Centura DPS II 機台圖

圖2-9 深溝(Deep Trench)電容結構圖

Centura DPS II機台目前係業界較為廣泛使用於的機型，本製程當中係以Centura DPS II機台用來移除多晶矽(Poly silicon)材質，作為底層BSG(硼矽玻璃Boron Silicon Glass)的 遮罩層(Hard Mask)，以利後續的製程能夠蝕刻出深達6~8µm的深溝(Deep Trench)如圖2-9 所示。

2.3.2. 深溝多晶遮罩開口之蝕刻製程

圖2-10 深溝多晶遮罩開口蝕刻

深溝多晶遮罩開口之蝕刻製程主要是將深溝微影製程在光阻上所完成的圖樣，轉移 到光阻下方的抗反射塗佈層與下方的Un-doped Poly薄膜，作圖案轉移的動作，使光阻所 定義的圖案轉移到Un-Doped Poly薄膜上(如圖2-10所示)。

圖2-11 深溝氧化層遮罩開口蝕刻

此一遮罩開口之蝕刻製程，稱之DTPHMO製程，在這個製程步驟上，深溝微影製程 所定義出來的關鍵尺寸與深溝多晶遮罩開口製程所定義出來的關鍵尺寸，需要被限制在 一定的製程規格之內，而其主要的功能便是使得Un-Doped Poly薄膜成為後續蝕刻製程的 遮罩，如圖2-11所示。

圖2-12 深溝蝕刻製程最終結構

此遮罩與光阻曝光顯影之後的圖案相同，並將在後續的製程遭到移除，如圖2-12所 示。

在製程的掌握上，需要了解蝕刻製程需要控制的相關參數，諸如製程的壓力、溫度、

氣體流量、功率等，並要以蝕刻前薄膜的厚度減去蝕刻後的殘膜厚度再除以蝕刻時所花 費的時間而計算出蝕刻時的蝕刻速率，或是以蝕刻之後的溝槽深度除以蝕刻時所花費的 時間而計算出蝕刻時的蝕刻率，藉以調整蝕刻製程的相關製程參數，而量測蝕刻製程的 最終的規格參數有：CD(又可區分為長徑Length與短徑Width)、蝕刻深度(Depth)等，而影 響蝕刻製程的最終結果則會受前製程，也就是微影製程孔徑(CD Length與CD Width)的大 小以及蝕刻製程諸多製程參數(蝕刻時間、壓力、氣體流量、RF power…)的影響。