干法刻蚀机的发展-----------纳米集成电路制造工艺 张汝京等 编著

如图8.2所示，过去35年干法刻蚀机发展的历史是以开发反应器结构和增强各种物理化学参数的控制功能为标志的。在等离子刻蚀工艺中，第一次提出平行板反应离子刻蚀（RIE）概念是1974年，而电感耦合等离子（ICP）概念的引入就要晚得多（1991～1995年）。在过去的15年中，电容耦合等离子（CCP/RIE）反应器和高密度等离子（HDP）反应器是 IC制造业的支柱。所有这些发展的趋势都遵循着器件尺寸持续缩小的制造需求。

在特征尺寸从 5μm急剧地缩小至45nm 的过程中，需要使用更低气压的各向异性等离子刻蚀，以确保更小尺寸图形转移的精确度。因此，干法刻蚀机从早期的圆筒形/平行板型（各向同性/高气压）转变为20世纪90年代早期的 RIE/CCP 和 HDP。另外，当晶圆尺寸以4in 逐渐地增加到12in 时，也就提出了在整个晶圆上控制等离子均匀性的挑战。而且节约成本的指标之———产能，强烈地需要更高的刻蚀速率，这就高度依赖于产生高密度等离子。一些高密度等离子源，如电感等离子和顶部耦合等离子，正是在这些需求下产生并应用到IC制造业中的。在最新型反应器发展中，主要的努力包括利用可调圈数/间隙、多区静电卡盘、额外功率频率和腔壁条件控制等。所有这些都是用来改进非对称的刻蚀性能，或者是密集/稀疏图形刻蚀差异。

从20世纪70年代初至今的典型刻蚀机示意图列于图8.3。圆筒形反应器是用于替换湿法刻蚀的第一种干法刻蚀机，它在去除正性光刻胶方面效率极高。早期的圆筒形刻蚀机是电感耦合的，后来换成了电容耦合以满足高的压力（0.5~1Torr）要求，这样可以达到高的刻蚀速率。然而，由于高能离子在圆筒形反应器中的无序碰撞，使得它的刻蚀更偏向于各向同性。

平行板型的刻蚀机可以是顶部或者是底部电容耦合的，顶部功率反应器称作平行板，它可以导致刻蚀具有方向性，但还不是完全意义上的各向异性刻蚀。这类反应器也经历过从批量刻蚀（德州仪器，1972年）到单片刻蚀（Tegal公司，1979年）的发展过程。底部功率反应器被定义为反应离子刻蚀中晶圆与RF功率相连接，而不是接地电位的平行板。从统计上讲，电子撞击晶圆表面的次数要多于正离子。由于其具有很高的反应特性，电子更易于被晶圆表面吸收。与此同时，失去电子的等离子形成了总体上的正电荷，这就加速了离子向晶圆方向的运动，导致各向异性刻蚀的趋势。但是，高能离子的轰击可能会引起器件损伤。

ME（磁增强）-RIE 利用外加磁场限制等离子。在这种反应器中，等离子由RF电场激发出来，外加的磁场使其密度加大，磁场的方向与电场方向垂直。外加磁场的目的是为了实现更高的电离率，来增强 RIE。

在CCP反应器中，RF功率通过 RF电场直接传给等离子。而在ICP反应器中，RF功率是通过RF磁场将功率传递给等离子。这个 RF磁场导致了一个电离的电场，电感耦合在等离子产生方面效率更高，因为它不用把能量花费在通过施加到晶圆表面的高压来加速离子。在TCP 刻蚀机中，离子的密度与离子能量已经分离开，可以分别控制。一个感应源被用来产生等离子和控制等离子密度，同时，用电容偏置晶圆来调控离子的能量。这类设备是由 Lam research公司1992年第一个实现商业化的。