第06章-刻蚀分析

半导体制造技术第6章刻蚀第一章引言第二章晶体生长第三章工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章硅的氧化第五章光刻第六章刻蚀第七章扩散第八章离子注入第九章薄膜淀积第十章工艺集成第十一章集成电路制造通常的CMOS工艺流程注入扩散测试/拣选刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜硅片制造(前端)UsedwithpermissionfromAdvancedMicroDevices刻蚀的应用光刻胶被刻蚀材料(a)有光刻胶图形衬底(b)刻蚀后的衬底光刻胶被保护层本章主要内容1.刻蚀的性能参数2.两种刻蚀方法：湿法腐蚀、干法刻蚀刻蚀速率R(etchrate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响刻蚀均匀性(etchuniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比各向异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性A=0,各项同性；A=1,各项异性掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量（钻蚀）刻蚀的性能参数刻蚀速率RT刻蚀开始刻蚀结束t=刻蚀时间T=刻蚀掉的厚度刻蚀均匀性在每片上测5至9个点处的刻蚀速率，然后计算每片的刻蚀均匀性并比较片与片之间的均匀性在一批中随机抽取3至5片%100xlowhighlowhighRRRR刻蚀速率均匀性Rhigh:最大刻蚀速率Rlow:最小刻蚀速率两大关键问题：选择性和方向性21RRS待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率vlRRA1横向刻蚀速率纵向刻蚀速率各向异性度A选择性S：A＝00A1A=1各向同性化学腐蚀各向同性刻蚀是在各方向上以同样的速率进行刻蚀衬底膜胶具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀胶衬底膜湿法腐蚀和干法刻蚀的剖面刻蚀中的钻蚀和过刻蚀钻蚀衬底光刻胶膜过刻蚀两种刻蚀方法湿法刻蚀：化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好干法刻蚀：气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之加入NH4F缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀1、SiO2采用HF腐蚀2、Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）3、Si3N4采用热磷酸腐蚀二氧化硅、硅、氮化硅的各向异性腐蚀实际使用：缓冲液BHF25°C在BHF溶液中近似的氧化硅腐蚀速率25C在BHF溶液中近似的氧化硅腐蚀速率氧化硅类型密度(g/cm3)腐蚀速率(nm/s)干氧氧化生长2.24–2.271湿法氧化生长2.18–2.211.5CVD淀积2.001.5–5溅射2.0010–204、Si采用KOH腐蚀Si+2OH-+4H2OSi(OH)2+++2H2+4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀价键密度：111110100腐蚀速度：R(100)100R(111)利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）结构湿法腐蚀的缺点在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害（4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济湿法各向同性化学腐蚀各向同性刻蚀是在各方向上以同样的速率进行刻蚀衬底膜胶干法刻蚀•干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点•刻蚀反应干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点1.刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制.2.好的CD控制.3.最小的光刻胶脱落或粘附问题.4.好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性.5.较低的化学制品使用和处理费用.化学和物理的干法刻蚀机理反应正离子轰击表面原子团与表面膜的表面反应副产物的解吸附各向异性刻蚀各向同性刻蚀溅射的表面材料化学刻蚀物理刻蚀硅片的等离子体刻蚀过程8)副产物去除1)刻蚀气体进入反应腔衬底刻蚀反应腔2)电场使反应物分解5)反应离子吸附在表面4)反应正离子轰击表面6)原子团和表面膜的表面反应排气气体传送RF发生器副产物3)电子和原子结合产生等离子体7)副产物解吸附阴极阳极电场ll各向异性刻蚀各向同性刻蚀化学干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀*Usedprimarilyforstrippingandetchbackoperations.刻蚀参数物理刻蚀（RF电场垂直于硅片表面）化学刻蚀（RF电场平行于硅片表面）化学刻蚀物理和化学刻蚀刻蚀机理物理离子溅射等离子体中的活性基与硅片表面反应*液体中的活性基与硅片表面反应在干法刻蚀中，刻蚀包括离子溅射和活性元素与硅片表面的反应侧壁剖面各向异性各向同性各向同性各向同性到各向异性选择比差/难以提高(1:1)一般/好(5:1至100:1)高/很高(高于500:1)一般/高(5:1至100:1)刻蚀速率快适中慢适中线宽控制一般/好差非常差好/非常好离子增强刻蚀-IonEnhancedetching等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程，而且相互有增强作用。物理过程（如离子轰击造成的断键/晶格损伤、辅助挥发性反应产物的生成、表面抑制物的去除等）将有助于表面化学过程/化学反应的进行。无离子，XeF2对Si不刻蚀纯Ar离子，对Si不刻蚀Ar离子和XeF2相互作用，刻蚀速率很快干法刻蚀的应用•介质的干法刻蚀–氧化物–氮化硅•硅的干法刻蚀–多晶硅栅刻蚀–单晶硅的刻蚀•金属的干法刻蚀–铝和金属复合层–钨的反刻–接触金属刻蚀•去胶一个成功的干法刻蚀要求1.对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的高选择比.2.获得可接受的产能的刻蚀速率.3.好的侧壁剖面控制.4.好的片内均匀性.5.低的器件损伤.6.宽的工艺制造窗口.氧化物刻蚀反应器CF4C3F8C4F8CHF3NF3SiF4Ar硅片静电吸盘等离子体碳氟化合物和碳氢化物的选择HFCF2FCHFCH4多晶硅导体长度多晶硅栅栅氧化硅栅长确定沟道长度并定义源漏电极的边界漏源栅刻蚀多晶硅步骤1.第一步是预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层（如SiON）和表面污染物来获得均匀的刻蚀（这减少了刻蚀中作为微掩蔽层的污染物带来的表面缺陷。2.接下来的是刻至终点的主刻蚀。这一步用来刻蚀掉大部分的多晶硅膜，并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的侧壁剖面。3.最后一步是过刻蚀，用于去除刻蚀残留物和剩余多晶硅，并保证对栅氧化层的高选择比。这一步应避免在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽（小槽形成）。在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽衬底多晶光刻胶栅氧化层离子栅氧化硅中的沟槽硅槽的刻蚀Si+4F*SiF4SiO2+4F*SiF4+O2Si3N4+12F*3SiF4+2N2硅、Si3N4和SiO2刻蚀CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2和Si3N4的腐蚀速率10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比在CF4中加入少量H2，可使CFx：F*的浓度比增加。从而使SiO2:Si及Si3N4：Si的腐蚀速率比增大增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜金属刻蚀的主要要求1.高刻蚀速率(大于1000nm/min).2.对下面层的高选择比，对掩蔽层(大于4:1),和层间介质层(大于20:1).3.高的均匀性，且CD控制很好.4.没有等离子体诱导充电带来的器件损伤.5.残留物污染少(如铜硅残留物、显影液侵蚀和表面缺陷).6.快速去胶，通常是在一个专用的去胶腔体中进行，不会带来残留物污染.7.不会腐蚀金属.VLSI/ULSI技术中的复合金属层钨的反刻金属2复合层(d)金属2淀积钨塞(a)通孔刻穿ILD-2(SiO2)层金属1复合层ILD-2ILD-1通孔SiO2(c)钨反刻SiO2钨塞(b)钨CVD通孔填充钨去胶机中氧原子与光刻胶的反应衬底光刻胶去胶反应腔2)O2分解成原子氧3)等离子体能量将氧变成正离子4)中性O和O+与光刻胶中的C和H反应中性氧原子团5)副产物解吸附6)副产物去除Exhaust气体输入顺流等离子体1)O2分子进入反应腔+++++++ll+等离子刻蚀终点检测终点检测正常刻蚀在刻蚀速率探测发生变化的地方.终点信号停止刻蚀.时间刻蚀参数在等离子体刻蚀中被激发的基团的特征波长材料刻蚀气体的发射基团反应产物波长(纳米)硅CF4/O2Cl2SiFSiCl440;777287SiO2CHF3CO484铝Cl2BCl3AlAlCl391;394;396261光刻胶O2COOHH484309656氮气N2（用于刻蚀前后的净化气体）N2NO337248思考题1、刻蚀工艺有哪两种类型？各自的优缺点是什么？2、什么是刻蚀中的等离子体诱导损伤？以及这些损伤会带来什么问题？