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第十二章刻蚀刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确的复制掩膜图形。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀。这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶保护的区域（见图12.1）。在通常的CMOS工艺流程中刻蚀都是在光刻工艺之后进行的。从这一点来说，刻蚀可以看成在硅片上复制所想要的图形的最后主要图形转移工艺步骤。12.1刻蚀工艺12.1.1刻蚀工艺在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。在湿法腐蚀中，液体化学试剂（如酸、碱和溶剂等）以化学方式去除硅片表面的材料。干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应（或这两种反应），从而去掉曝露的表面材料。干法刻蚀根据被刻蚀的材料类型来分类。按材料来分，刻蚀主要分成三种：金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。1.介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅。2.硅刻蚀（包括多晶硅）应用于需要去除硅的场合，如刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容。3.金属刻蚀主要是在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。刻蚀可以分成有图形刻蚀和无图形刻蚀。有图形的刻蚀采用掩蔽层（有图形的光刻胶）来定义要刻蚀掉的表面材料区域，只有硅片上被选择的这一部分在刻蚀过程中刻掉。12.1.2刻蚀参数为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满足一些特殊的要求。一．刻蚀速率刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度（见图12.2），通常用Å/min表示。刻蚀速率用下式来计算：刻蚀速率=ΔT/t（Å/min）其中，ΔT=去掉的材料厚度（Å或μm），t=刻蚀所用的时间（分）。二．刻蚀剖面刻蚀剖面指的是刻蚀图形的侧壁形状。有两种基本的刻蚀剖面：各向同性和各向异性刻蚀剖面。各向同性的刻蚀剖面是在所有方向上（横向和垂直方向）以相同的刻蚀速率进行刻蚀，导致被刻蚀材料在掩膜下面产生钻蚀（见图12.3）而形成的，这带来不希望的线宽损失。湿法化学腐蚀本质上是各向同性的，因而湿法腐蚀不用于亚微米器件中的选择性图形刻蚀。一些干法等离子体系统也能进行各向同性刻蚀对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻蚀剖面是各向异性的，即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行（见图12.4），只有很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在芯片上可制作高密度的刻蚀图形。各向异性刻蚀对于小线宽图形亚微米器件的制作来说非常关键。先进集成电路应用上通常需要88到89º垂直度的侧壁。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的。三．刻蚀偏差刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化（见图12.5）。它通常是由于横向钻蚀引起的（见图12.6），但也能由刻蚀剖面引起。当刻蚀中要去除掩膜下过量的材料时，会引起被刻蚀材料的上表面向光刻胶边缘凹进去，这样就会产生横向钻蚀。计算刻蚀偏差的公式如下：刻蚀偏差=Wb―Wa其中，Wb=刻蚀前光刻胶的线宽，Wa=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽。四．选择比选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少。它定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比（见图12.7）。高选择比意味着只刻除想要刻去的那一层材料。对于被刻蚀材料和掩蔽层材料的选择比SR可以通过下式计算：SR=Ef/Er其中，Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率，Er=掩蔽层材料的刻蚀速率。五．均匀性刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。均匀性与选择比有密切的关系，因为非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键。具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。这一现象被称为深宽比相关刻蚀（ARDE），也被称为微负载效应。为了提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应减至最小。六．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。它常常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。它的产生有多种原因，例如被刻蚀膜层中的污染物、选择了不合适的化学刻蚀剂（如刻蚀太快）、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂质分布。刻蚀残留物是IC制造过程中的硅片污染源，为了去除刻蚀残留物，有时在刻蚀完成后会进行过刻蚀。刻蚀残留物可以在去除光刻胶的过程中或用湿法化学腐蚀去掉。七．聚合物聚合物的形成有时是有意的，是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀（见图12.8），这样做能形成高的各向异性图形，因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。八．等离子体诱导损伤包含带能离子、电子和激发分子的等离子体可引起对硅片上的敏感器件引起等离子体诱导损伤。一种主要的损伤是非均匀等离子体在晶体管栅电极产生陷阱电荷，引起薄栅氧化硅的击穿。差的设备或在优化的工艺窗口之外进行刻蚀工艺会使等离子体变得不均匀。另一种器件损伤是能量离子对曝露的栅氧化层的轰击。等离子体损伤有时可以通过退火或湿法化学腐蚀消除。九．颗粒沾污等离子体带来的硅片损伤有时也由硅片表面附近的等离子体产生的颗粒沾污而引起。研究表明，由于电势的差异，颗粒产生在等离子体和壳层的界面处。当没有了等离子体时，这些颗粒就会掉到硅片表面。颗粒沾污的控制可通过优化刻蚀设备，合适的操作和关机，对被刻蚀的膜层选用合适的化学气体来达到。12.2干法刻蚀在半导体生产中，干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。干法刻蚀的主要目的是完整的把掩膜图形复制到硅片表面上。硅片的等离子体刻蚀过程见图12.9。干法刻蚀相比与湿法腐蚀的优点是：1.刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制；2.好的特征尺寸（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使用干法刻蚀也有一些缺点。主要的缺点是对下层材料的差的刻蚀选择比、等离子体带来的器件损伤和昂贵的设备。12.2.1刻蚀作用干法刻蚀系统中，刻蚀作用是通过化学作用或物理作用，或者是化学和物理的共同作用来实现的。在纯化学机理中，等离子体产生的反应元素与硅片表面的物质发生反应.为了获得物理机理的刻蚀，等离子体产生的带能离子（轰击的正离子）在强电场下朝硅片表面加速，这些离子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料。这种机械刻蚀的好处在于它很强的刻蚀方向性，从而可以获得高的各向异性刻蚀剖面，以达到好的线宽控制目的。这种溅射刻蚀速率高，然而选择比差。另一个问题是被溅射作用去除的元素是非挥发性的，可能会重新淀积到硅片表面，带来颗粒和化学污染。还有一种是物理和化学混合作用机理，其中离子轰击改善化学刻蚀作用。刻蚀剖面可以通过调节等离子体条件和气体组分从各向同性向各向异性改变。这种物理和化学混合作用机理刻蚀能获得好的线宽控制并有不错的选择比，因而在大多数干法刻蚀工艺中被采用。表12.2总结了化学作用、物理作用和化学/物理结合作用刻蚀中的不同刻蚀参数。12.2.2等离子体刻蚀反应器一个等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：发生刻蚀反应的反应腔、一个产生等离子体的射频电源、气体流量控制系统、去除刻蚀生成物和气体的真空系统。刻蚀系统包括传感器、气体流量控制单元和终点触发探测器。在干法等离子体刻蚀中不同的控制参数有：真空度、气体混合组份、气流流速、温度、射频功率和硅片相对于等离子体的位置。这些不同的参数之间的互作用是干法刻蚀工艺控制器的功能。干法等离子体反应器有下面不同的类型：一．圆筒式等离子体刻式机(图12.10）化学刻蚀，各向同性。二．平板（平面）反应器(图12.11)物理和化学刻蚀，各向异性和各向同性。三．顺流刻式系统(图12.12)化学刻蚀，各向同性。四．三极平面反应器(图12.13）物理刻蚀，各向异性。五．离子铣(图12.14)物理和化学刻蚀，各向异性。六．反应离子刻蚀(图12.15)物理刻蚀，各向异性。七．高密度等离子体刻蚀机物理刻蚀，各向异性。高密度等离子体刻蚀机中等离子体通常处于磁场中。在等离子体刻蚀中采用磁场的理由是：1）产生的等离子体能更有效地获得进入高深宽比窗口的高方向性低能离子以及较少的硅片损伤；2）等离子体密度较大，有更多的反应基和带电粒子以增大刻蚀速率；3）能减小硅片上的直流偏置电压，从而可减少粒子轰击（或损伤）。目前有以下几种高密度等离子体技术：■电子回旋加速振荡（ECR）■电感耦合等离子体（ICP）■双等离子体源（DPS）■磁增强反应离子刻蚀（MERIE）12.2.3终点检测干法刻蚀不同于湿法腐蚀之处在于它对下面的材料没有好的选择比。基于此原因，需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减小对下面材料的过渡刻蚀。终点检测系统测量一些不同的参数，如刻蚀速率的变化、在刻蚀中被去除的腐蚀产物的类型或在气体放电中活性反应剂的变化（见图12.16）。用于终点检测的一种方法是光发射谱。这一测量方法集成在刻蚀腔体中以便进行实时监测12.2.4干法刻蚀的应用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。一．介质的干法刻蚀1．氧化物刻蚀氧化物通常是为了制作接触孔和通孔。氧化物等离子体刻蚀工艺通常采用氟碳化合物化学气体。加入缓冲气体用于稀释刻蚀气体的浓度可以增加刻蚀的均匀性。2．氮化硅在硅片制造过程中用到两种基本的氮化硅。一种是在700~800℃下用LPCVD淀积的，另一种是在低于350℃下用PECVD淀积的。后一种氮化硅膜的刻蚀速率较快。刻蚀氮化硅常用的主要气体是CF4。二．硅的干法刻蚀1．多晶硅栅刻蚀在MOS器件中，掺杂的LPCVD多晶硅是用作栅极的导电材料。掺杂多晶硅线宽决定了有源器件的栅长，并会影响晶体管的性能（见图12.17）。多晶硅栅的刻蚀工艺必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和重复性。同时也要求高度的各向异性，因为多晶硅栅在源/漏的注入过程中起阻挡层的作用。倾斜的侧壁会引起多晶硅栅结构下面部分的掺杂刻蚀多晶硅（或硅）通常是一个三步工艺过程：1）预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层和表面污染物来获得均匀的刻蚀；2）接下来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。多晶硅刻蚀气体传统上是氟基气体，在刻蚀硅的过程中氟原子起作用。采用氯或溴化学气体可以产生各向异性刻蚀和对氧化硅有好的选择比。2．单晶硅的刻蚀单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或垂直电容的制作。硅槽的刻蚀要求对每一个沟槽都进行精确的控制，要求有一致的光洁度、接近的垂直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角，因此需采用多步工艺，并对最后一步进行优化。浅槽的刻蚀气体多用氟气，深槽常使用氯基或溴基气体。三．金属的干法刻蚀金属刻蚀的要求主要有以下几点：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，没有微负载效应；4）没有等离子诱导充电带来的器件损伤；5）残留物污染少；6）快速去胶；7）不会腐蚀金属。1．铝和金属复合层通常用氯基气体来刻蚀铝。纯氯刻蚀铝是各向同性的。为了获得各向异性的刻蚀工艺，必须在刻蚀气体中加入聚合物来对侧壁进行钝化。在互连线金属刻蚀中的一个难点是VLSI/ULSI技术中常用的多层金属复合膜的复杂性，在复合膜中常常有抗反射的TiN或其他材料层和下面的粘附阻挡层，这些都增加了刻蚀工艺的复杂性。可以采用多步刻蚀工艺技术刻蚀这种金属复合膜结构。2．钨钨是在多层金属结构中常用的一种用于通孔填充的重要金属。可以用氟基或氯基气体来刻蚀钨。3．接触金属刻蚀在MOS器件制造中，接触金属的刻蚀是很关键的，因为尺寸的控制会影响到器件的沟道长度。接触金属等离子体刻蚀可以采用氟基或氯基气体。四.去除光刻胶刻