图2.8说明了在氧化层上刻出图形的过程。第一步在wafer上生长一薄层氧化物。接下来,滴光刻胶到旋转的wafer上。用烘焙炉去除溶液并使光刻胶变硬。光刻曝光后,用溶液洗掉曝光区域的光刻胶,露出氧化层。留下的光刻胶作为氧化层蚀刻时的mask物质。最后把光刻胶都洗去,留下刻好的氧化层。
图2.8 氧化生长和去除步骤
可以用两种方法来蚀刻。湿蚀刻用溶液洗去氧化物而不是光刻胶或底下的硅。干蚀刻用反应式等离子达到同样的效果。湿蚀刻很简单,但干蚀刻能更好的做到线宽控制。
大多数湿蚀刻用的溶液是氢氟酸(HF)。这是一种很容易溶解二氧化硅的强腐蚀性物质,但它不会影响硅或有机光刻胶。蚀刻过程包括把wafer浸入有氢氟酸溶液的塑料桶里一定的时间,然后把所有的酸都冲洗掉。湿蚀刻是等方性的,因为它垂直和横向的处理速度都是一样的。图2.9A说明了酸在工作时会在光刻胶的边缘下产生sloping sidewalls。由于为了保证要有足够的时间使得所有的开口的地方都完成,过蚀刻就不可避免了。只要wafer还浸在酸里,它就不断的腐蚀sidewall。不同的蚀刻条件,氧化层厚度和其他因素决定了有不同的sidewall腐蚀程度。由于这些不确定性,湿蚀刻不能满足现代半导体工艺的苛刻的线宽控制要求。
有几种不同的干蚀刻工艺。(5 反应式离子蚀刻是3种干蚀刻中的一种,其他两种是等离子蚀刻和化学蒸汽蚀刻。RIE是最有用的因为它能提供很好的各向异性的特性。参见Runyan, et al., pp.269-272.)一种称为反应式离子蚀刻(RIE),它用等离子轰击来腐蚀wafer表面。穿过低压混合气体的silent电泻放能产生高能分子,称为反应式离子。蚀刻设备把这些离子以高速向下注入wafer。因为这些离子以很陡峭的角度撞击wafer,蚀刻过程中垂直方向比横向的速度快的多。反应式离子蚀刻的各向异性使sidewall就像图2.9B一样垂直。图2.10是反应式离子蚀刻设备简图。
图2.9 各向同姓的湿蚀刻(A)和各向异性的干蚀刻(B)的比较。注意湿蚀刻引起的氧化物的凹槽。
RIE系统中的蚀刻气体用的是有机卤化物,比如trichloroethane,或者和惰性气体比如氩气混合。从这些混合物里得到的反应式离子会优先攻击二氧化硅而不是光刻胶或硅。已经开发出了不同的蚀刻气体混合物,他们能各向异性的蚀刻氮化硅或硅或其他物质。
图2.10 反应式离子蚀刻设备简图
现代工艺只能依靠干蚀刻来获得亚微米几何图形的精确控制。这些结构更高的封装密度和更好的性能补偿了干蚀刻的复杂性和高成本。