半导体制造工艺_11刻蚀

半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理1两大关键问题：选择性方向性：各向同性/各向异性21rrS待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率vertlatrrA1横向刻蚀速率纵向刻蚀速率图形转移过程演示图形转移＝光刻＋刻蚀半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理2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项异性度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刻蚀的性能参数半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理3A＝00A1A=1Uniformity/non-uniformity均匀性/非均匀性lowhighlowhighRRRRURhigh:最大刻蚀速率Rlow:最小刻蚀速率方向性：过腐蚀（钻蚀）：假定S＝时dbA1半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理4刻蚀要求:1.得到想要的形状（斜面还是垂直图形）2.过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10％，以保证整片刻蚀完全）3.选择性好4.均匀性和重复性好5.表面损伤小6.清洁、经济、安全两类刻蚀方法：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），或二者兼而有之半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理5刻蚀过程包括三个步骤：–反应物质量输运（Masstransport）到要被刻蚀的表面–在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应–反应产物从表面向外扩散的过程半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理6湿法刻蚀反应产物必须溶于水或是气相半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理7BOE：bufferedoxideetching或BHF:bufferedHF加入NH4F缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀实际用各向同性例1：SiO2采用HF腐蚀例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理8例4：Si采用KOH腐蚀各向异性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半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理9原子密度：111110100腐蚀速度：R(100)100R(111)半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理10HNA各向同性腐蚀自终止半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理11利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）结构半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理12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，不经济半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理13干法刻蚀化学刻蚀（各项同性，选择性好）——等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀)物理刻蚀（各向异性，选择性差）——高能离子的轰击(溅射刻蚀)离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）——反应离子刻蚀半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理14化学刻蚀物理刻蚀半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理15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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/化学反应的进行半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理16典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理17等离子体等离子刻蚀基本原理等离子体（Plasma）的含义包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。液态固态气态等离子体半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理18刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制刻蚀机制刻蚀工艺包括5个步骤：1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；3、反应物被表面吸收；4、通过化学反应产生挥发性化合物；5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。基本刻蚀方式为：物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理19半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理20等离子体探测大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较，通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为：终点控制半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理21刻蚀时间（任意单位）反射系数（任意单位）硅化物多晶硅硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理22Sputteringmode：硅片置于右侧电极，该电极接地（反应腔体通常也接地，则增大该电极有效面积）；右侧暗区电压差小，通过离子轰击的物理刻蚀很弱RIEmode：硅片置于面积较小的左侧电极，右电极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的物理刻蚀很强半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理23SiCl4TiCl4反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含卤素的物质，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加气体如：O2，H2，Ar等。O2用于刻蚀光刻胶。反应产物必须是气相或者易挥发（volatile）半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理24刻蚀方程式等离子刻蚀基本原理为何处在等离子体环境下进行刻蚀在我们的工艺中，是用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：CF4=CFx*+(4-x)F*(x≤3)Si+4F*=SiF4↑SiO2+4F*=SiF4+O2↑反应的实质，打破C-F、Si-Si键，形成挥发性的Si-F硅卤化物。CΘF+SiΘSi=Si-F+17kcal/mol反应需要一个净正能量，CF4本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量的电子碰撞会使CF4分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成SiF是能量有利的。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理25氧气的作用等离子刻蚀基本原理在CF4进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀速率。人们认为氧气与碳原子反应生成CO2，这样从等离子体中去掉一些碳，从而增加F的浓度，这些成为富氟等离子体。往CF4等离子体中每增加12%的氧气，F浓度会增加一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理26CF4等离子体半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理27Si+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的腐蚀速率少量添加气体可增加选择性10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理28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的腐蚀速率比增大半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理29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半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理30刻蚀方向性的增加增加离子轰击（物理刻蚀分量）侧壁增加抑制物（inhibitor）DRIE半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理31本节课主要内容什么是图形转移技术？刻蚀的两个关键问题？21rrS选择性方向性vertlatrrA1光刻＋刻蚀干法刻蚀纯物理刻蚀纯化学刻蚀反应离子刻蚀RIE增加方向性、选择性的方法CF4/O2湿法腐蚀：Si——HNA各向同性——KOH各向异性SiO2——HFMEMS半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理32反应等离子体刻蚀技术与设备一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理3311010010001101001000低于高密度ECR，ICP低压整批RIE单片晶片RIE桶状等离子体刻机半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理34反应离子刻蚀（RIE）平行板系统RFRF半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理35电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀机大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理36其他高密度等离子体刻蚀机由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外，其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源（ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源（SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的等离子体密度）。然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理37等离子体RFRF介电板变压器耦合等离子体反应设备示意图半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理38集成等离子体工艺半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染，集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理39TiW刻蚀腔AlCu刻蚀腔钝化层剥蚀腔真空装载锁住腔卡式装/卸载腔多层金属互联（TiW/AlCu/TiW）半导体制造工艺基础第五章刻蚀原理40反应等离子体刻蚀的应用等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀快速发展到大的单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。被刻蚀材料刻蚀用的化学药品深Si沟槽HBr/NF3/O2/SF6浅Si沟槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2,HBr/O2,BCl3/Cl2,SF6AlBCl3/Cl2,SiCl4/Cl2,HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有SF6,NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3,CF4/