第六章：刻蚀

第六章：刻蚀6.1引言刻蚀的概念：用化学或物理的方法，有选择地去除硅片表面层材料的过程称为刻蚀。刻蚀的工艺目的：把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制掩膜版图形的目的。刻蚀是在硅片上复制图形的最后图形转移工艺，是集成电路制造的重要工艺之一。刻蚀主要分三种：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀刻蚀示意图刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀湿法刻蚀把硅片放在化学腐蚀液里，有选择地去除表面层材料的过程。干法刻蚀把硅片放在气体等离子体中，有选择地去除表面层材料的过程。各向同性刻蚀：侧向与纵向腐蚀速度相同各向异性刻蚀：侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度，侧向几乎不被腐蚀。（a）各向同性刻蚀剖面（b）各向异性刻蚀剖面湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学方法，不能实现图形的精确转移，适用于特征尺寸≥3μｍ的情况干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学方法，能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比）1.刻蚀剖面各向异性，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、批间的刻蚀均匀性5.化学品使用费用低干法刻蚀的缺点（与湿法刻蚀比）1.对下层材料的刻蚀选择比较差2.等离子体诱导损伤3.设备昂贵6.2刻蚀参数及现象在刻蚀工艺中，刻蚀参数用来描述刻蚀效果的好坏，决定光刻胶图形向硅片转移的质量。这些刻蚀参数在工艺中非常重要。刻蚀参数1.刻蚀速率2.刻蚀偏差3.选择比4.均匀性5.刻蚀剖面刻蚀现象6.残留物7.聚合物8.等离子体诱导损伤9.颗粒沾污和缺陷1.刻蚀速率刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率＝△d/t△d-去掉薄层材料的厚度（单位:A/min或nm/min）t-刻蚀时间（单位:min）2.刻蚀偏差刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差＝Wa－Wb3.选择比选择比是指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一种材料的刻蚀速率之比。高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料，而对其下层材料和光刻胶不刻蚀。SiO2对光刻胶的选择比＝（△dsio2/t1）÷（△d胶/t1）＝△dsio2/△d胶（a）0时刻（b）t1时刻SiO2对下层Si的选择比SiO2对下层Si的选择比＝（△dsio2/t1）÷（△dsi/（t3－t2））（c）t2时刻（d）t3时刻4.均匀性刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。5.刻蚀剖面刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状6.残留物刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料，湿法去胶时能去除残留物。7.聚合物聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质组成的化合物。聚合物的优点：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜，阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀剖面。聚合物的缺点：在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。聚合物（Polymer）的形成8.等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤有两种情况：1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿。2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。9.颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常遇到的问题，应尽量减少。1.刻蚀过程1）刻蚀气体进入反应腔（以CF4为例）2）RF电场使反应气体分解电离，产生等离子体3）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等（CF4＋3e→CF3+＋CF2++＋CF3＋F）4）反应正离子轰击样品表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀）6.3干法刻蚀原理1.刻蚀过程5）反应正离子吸附表面6）反应元素（自由基和反应原子）和表面膜的表面反应－各向同性刻蚀（化学刻蚀）7）副产物解吸附8）副产物去除1.刻蚀过程干法刻蚀过程示意图刻蚀作用2.等离子体的电势分布①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光放电的等离子体；（射频电压：交流有效值几百伏、射频频率13.56MHz）②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为负的自偏置直流电压；2.等离子体的电势分布③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；④等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频率和上下电极面积的比值。改变等离子体刻蚀参数的影响3.反应离子刻蚀（ReactiveIonEtch，RIE）反应器平行板RIE反应器刻蚀机理反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀，主流技术①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。②反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较大的自偏置电场。③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与样片的化学反应。④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。4.高密度等离子体反应离子刻蚀传统的RIE系统不能满足小于0.25μm高深宽比图形的刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体RIE系统。高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡RIE系统、电感耦合等离子体RIE系统、磁增强RIE系统等。高密度等离子体的离化率达到10%而传统最大0.1%反应器第三个电极：ICP（InductivelyCoupledPlasma）电极优点：结构简单，成本低三极平行板RIE反应器ICP-RIE刻蚀机ICP部分传片腔高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：1）高刻蚀速率等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率2）高方向性系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获得高深宽比的槽；3）小轰击损伤系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小对Si片表面的轰击损伤。5.终点检测终点检测的常用方法：光发射谱法光发射谱法终点检测机理：在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。6.4干法刻蚀的应用刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类ULSI对刻蚀的挑战1.大直径硅片（φ200mm以上）的刻蚀均匀性2.深亚微米特征尺寸、高深宽比（达到6：1）的成功刻蚀3.对下层材料的高选择比（50：1）ULSI对刻蚀的要求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.可接受产能的刻蚀速率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.宽的工艺窗口介质的干法刻蚀1.氧化硅的刻蚀工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔工艺方法：刻蚀气体：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3＋Ar＋He）刻蚀系统：平行板式或桶式RIE系统，0.25微米以下采用ICP－RIE系统工作压力：≤0.1Torr，0.25微米以下≤10mTorr刻蚀机理：在RF作用下工艺气体分解电离：CHF3＋Ar＋He＋3e→CF3+＋CF3＋HF＋F＋Ar+＋He+CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，与SiO2发生化学反应：4CF3＋3SiO2→3SiF4↑＋2CO2↑＋2CO↑刻蚀机理（续）：物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：Ar＋、CF3＋，化学刻蚀：CF3H的作用：以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基（F原子）提高对下层Si的选择比He的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性2.氮化硅的刻蚀工艺目的:在CMOS工艺中，通常为了形成MOS器件的有源区和钝化窗口工艺方法：刻蚀气体：CF4＋O2＋N2刻蚀系统：同氧化硅的刻蚀工作压力：同氧化硅的刻蚀刻蚀机理：在RF作用下工艺气体分解电离：CF4＋O2＋N2＋3e→CF3+＋CF3＋F＋O+＋N+F是主要活性基与Si3N4发生化学反应：12F＋Si3N4→3SiF4↑＋2N2↑物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻蚀：FO2/N2的作用:稀释F基的浓度降低对下层SiO2的刻蚀速率硅的干法刻蚀1.多晶硅的刻蚀工艺目的：在CMOS工艺中，形成MOS栅电极，是特征尺寸刻蚀。工艺方法：刻蚀气体：Cl2＋Ar刻蚀系统：平行板式RIE或ICP-RIE系统工作压力：小于0.1Torr，0.25微米以下≤10mTorr刻蚀机理：气体分解电离：Cl2＋Ar＋2e→Cl+＋Cl＋Ar+Cl活性基与Si化学反应：4Cl＋Si→SiCl4↑物理和化学混合刻蚀为什么不用SF6等F基气体？Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较高的选择比刻蚀要求：在0.15微米技术中，刻蚀多晶硅对栅氧化硅的选择比大于150：1，以防止栅氧化层穿通。2.单晶硅的刻蚀工艺目的：主要形成IC的STI槽和垂直电容槽工艺方法：刻蚀气体：SF6＋Ar刻蚀系统：平行板式ICP－RIE系统工作压力：小于10mTorr刻蚀机理：物理和化学混合刻蚀SF6是刻蚀硅的主气体Ar产生物理刻蚀单晶硅刻蚀的SEM照片金属的干法刻蚀1.Al的刻蚀工艺目的：形成IC的金属互连工艺方法：刻蚀气体：Cl2＋BCl3＋CHF3刻蚀系统：同氧化硅的刻蚀工作压力：同氧化硅的刻蚀刻蚀机理：物理和化学混合刻蚀Cl2用于铝主刻蚀BCl3用于铝表面的Al2O3的刻蚀CHF3用于刻蚀铝上层的抗反射膜（TiN）和铝下层的Ti金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂6.5湿法刻蚀湿法去胶1.丙酮浸泡或超声浸泡2.H2SO4：H2O2＝1：1，120℃（用于硅片沉积金属前的去胶）3.发烟硝酸侵泡（用于刻蚀完金属铝的去胶）漂洗硅片HF：H2O＝50：1漂SiO2煮去LOCOS的Si3N4浓磷酸180℃本章作业1.什么是刻蚀？（即回答刻蚀的概念），刻蚀的工艺目的是什么？2.列举5个刻蚀参数3.描述反应离子刻蚀（即回答反应离子刻蚀机理）