第7章 刻蚀工艺

第7章刻蚀制程7.1概述7.2湿法刻蚀7.3干法刻蚀7.4质量评价7.1概述广义而言，刻蚀技术包含了所有将材质表面均匀移除或是有选择性的部分去除的技术，可大体分为湿法刻蚀与干法刻蚀两种方式。本情景针对半导体制造工艺中所用的刻蚀技术做详细介绍，内容将包括湿法刻蚀和干法刻蚀技术的原理，以及Si、SiO2、Si3N4、多晶硅及金属等各种不同材料刻蚀方面的应用。将重点描述干法刻蚀技术，并将涵盖刻蚀反应器、终点探测以及等离子体导致损伤等的介绍。7.2湿法刻蚀工艺湿法刻蚀又称为湿化学刻蚀法，主要是借助刻蚀剂与待刻材料之间的化学反应将待刻膜层溶解达到刻蚀的目的。湿法刻蚀的反应产物必须是气体或可溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物的沉淀，影响刻蚀的正常进行。湿法刻蚀的进行，通常先利用氧化剂(如Si和Al刻蚀时的HNO3)将被刻蚀材料氧化成氧化物(例如SiO2、Al2O3)，再利用另一种溶剂(如Si刻蚀中的HF和A1刻蚀中的H3PO4)将形成的氧化层溶解并随溶液排出。如此便可达到刻蚀的效果。刻蚀分三步进行：①刻蚀剂扩散至待刻材料的表面；②刻蚀剂与待刻材料反应；③反应产物离开刻蚀表面扩散至溶液当中，随溶液排出。缺点：湿法刻蚀多是各向同性的，在将图形转移到硅片上时，刻蚀后会向横向发展，这会造成图形失真，不适合得到3µm以下的线宽。要控制湿法刻蚀的速率，通常可通过改变溶液浓度和反应温度等方法实现。溶液浓度增加会加快湿法刻蚀时反应物到达及离开被刻蚀薄膜表面的速率，反应温度可以控制化学反应速率的大小。选择一个湿法刻蚀的工艺，除了刻蚀溶液的选择外，也应注意掩膜是否适用。几种常见物质的湿法刻蚀介绍1、硅的湿法刻蚀单晶硅与多晶硅的刻蚀都是通过与硝酸和氢氟酸的混合溶剂反应来完成的。其过程是硝酸先将硅氧化成二氧化硅，再利用氢氟酸溶解掉产生的二氧化硅，反应如下：Si十4HNO3→Si02十2H20十4NO2Si02十6HF→H2SiF6十2H202、二氧化硅的湿法刻蚀通常采用氢氟酸溶液完成，由于刻蚀速率太高，工业难以控制。因此，在实际应用时需经过氟化铵的稀释。氟化铵可避免氟化物离子的消耗，以保持稳定的刻蚀速率。典型的二氧化硅刻蚀剂是氟化铵与氢氟酸以6:1的体积比混合，它对氧化层的刻蚀速率约为1000Å/min，其反应如下：SiO2十6HF→H2SiF6十2H2O3、氮化硅的湿法刻蚀Si3N4在半导体工艺中主要是作为场氧化层在进行氧化生长时的屏蔽膜及半导体器件完成主要制备流程后的保护层。可以使用加热180oC，85%的H3PO4溶液刻蚀Si3N4，其刻蚀速率与Si3N4的生长方式有关，例如：用PECVD方式比用高温LPCVD方法得到的Si3N4的刻蚀速率快很多。由于高温Si3N4会造成光刻胶的剥落。在进行有图形的Si3N4湿法刻蚀时，必须使用SiO2作掩膜。一般来说，Si3N4的湿法刻蚀大多应用于整面的剥除。对于有图形的Si3N4刻蚀，则应采用干法刻蚀的方式。4、金属铝的湿法刻蚀集成电路中，大多数电极引线都是由铝或铝合金形成的。铝刻蚀的方法很多，生产上常用的是经过加热的磷酸、硝酸、醋酸以及水的混合溶液，典型的比例是80:5:5:10。硝酸的作用主要是提高刻蚀速率，若太多会影响光刻胶的抗蚀能力；醋酸是用来提高刻蚀均匀性的。刻蚀温度一般介于35～45oC之间，刻蚀反应如下：2Al十6H3PO4→2Al(H2PO4)3十3H2刻蚀时会有氢气泡产生，这些气泡附着在铝的表面抑制铝刻蚀的进行，造成刻蚀的不均匀，醋酸就是用来降低界面张力避免这种问题发生的。综上所述，湿法刻蚀设备简单、工艺操作方便，一般的常规生产均能满足要求。但各向同性刻蚀性太强，容易出现横向钻蚀现象，如图7-1所示难以控制线宽，而且刻蚀剂大多为腐蚀性较强的试剂，安全性较差。所以，已逐渐被干法刻蚀代替。硅片SiO2薄膜氢腐酸等腐蚀液光刻胶（光致抗腐剂）横向钻蚀图7-1湿法刻蚀出现横向钻蚀现象7.3干法刻蚀工艺干法刻蚀物理性刻蚀化学性刻蚀反应离子刻蚀物理性刻蚀物理性刻蚀是利用辉光放电将气体(如Ar气)电离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被刻蚀物的表面而将被刻蚀物的原子击出，该过程完全是物理上的能量转移，故称为物理性刻蚀。优点：具有非常好的方向性．可获得接近垂直的刻蚀轮廓缺点：离子是全面均匀地溅射在芯片上，光刻胶和被刻蚀材料同时被刻蚀，造成刻蚀选择性偏低。同时，被击出的物质并非挥发性物质，这些物质容易二次沉积在被刻蚀薄膜的表面及侧壁。化学性刻蚀又称等离子体刻蚀，是利用等离子体将刻蚀气体电离并形成带电离子、分子及反应性很强的原子团，它们扩散到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。优点与缺点：具有较高的掩膜/底层的选择比及等向性解决方法：在刻蚀不需要图形转移的步骤(如光刻胶的去除)中应用纯化学刻蚀。反应离子刻蚀（RIE)方法：结合物理性的离子轰击与化学反应优点：兼具非等向性与高刻蚀选择比双重优点加入离子轰击的作用：①破坏被刻蚀材质表面的化学键以提高反应速率。②将二次沉积在被刻蚀薄膜表面的产物或聚合物打掉，以使被刻蚀表面能充分与刻蚀气体接触。3）选择比：被刻蚀材料的刻蚀速率与掩膜或底层的刻蚀速率的比值，选择比的控制通常与气体种类、比例、等离子体的偏压功率、反应温度等有关系。4）刻蚀轮廓：—般而言越接近90度越好，只有在少数特例中，如在接触孔或走线孔的制作中，为了使后续金属溅镀工艺能有较好的阶梯覆盖能力而故意使其刻蚀轮廓小于90度。通常，刻蚀轮廓可利用气体的种类、比例和偏压功率等方面的调节进行控制。一、干法刻蚀设备最常见的刻蚀设备是使用平行板电极的反应器。高密度等离子体刻蚀机具有高等离子体密度和低离子轰击损伤等优点，已成为设备开发研究的热点，典型的设备有电子回旋共振式等离子体刻蚀机、变压耦合式等离子体刻蚀机、感应耦合等离子体刻蚀机和螺旋波等离子体刻蚀机。等离子体刻蚀系统应包括下列几个基本部件：反应腔、射频电源、气体流量控制器、真空系统、电极等。在本作业中，将介绍现今较为常用的刻蚀设备。1.反应离子刻蚀机反应离子刻蚀机系统中包含了一个高真空的反应腔，腔内有两个呈平行板状的电极，一个电极与腔壁接地，另一个电极则接在射频产生器上，如图7-2(a)所示。这种刻蚀系统对离子有加速作用，使离子以一定的速度撞击待刻薄膜，因此刻蚀过程是物理与化学反应的共同进行。图7-2(a)RIE设备示意图图7-2(b)三极式RIE设备示意图图7-2(c)RIE原理图图7-3日本芝浦Mechatronics株式会社生产的适用于不同尺寸单晶硅圆片的反应离子刻蚀装置2．磁场强化活性离子刻蚀机如图7-4所示，磁场强化活性离子刻蚀系统(MERIE)是在传统的RIE中加上永久磁铁或线圈，产生与晶片平行的磁场，此磁场与电场垂直。电子在该磁场作用下将以螺旋方式运动，如此一来，可避免电子与腔壁发生碰撞，增加电子与分子碰撞的机会并产生较高密度的等离子体。然而，因为磁场的存在，将使离子与电子的偏转方向不同而分离，造成不均匀性及天线效应的产生，所以磁场常设计为旋转磁场。MERIE的操作压力与RIE相似，约在1～100Pa之间，所以也不适合用于0.5µm以下线宽的刻蚀。图7-4磁场强化活性离子刻蚀设备示意图3．电子回旋共振式等离子体刻蚀机电子回旋共振(ECR)系统利用微波以及外加磁场来产生光密度等离子体。当电子回旋率与外加微波频率相同时，外加电场与电子的移动将发生共振，产生高离子化的等离子体。电子回旋共振刻蚀系统如图7-5所示。该系统有等离子体产生腔和扩散腔两个腔。微波由波导管穿过石英窗进入等离子体产生腔，电子与微波共振产生高密度的等离子体，这些离子体在附加磁铁的作用下移动至晶片表面，反应刻蚀。图7-5电子回旋共振式等离子体刻蚀设备示意图4.感应耦合式等离子体刻蚀机与螺旋波等离子体刻蚀机感应耦合式等离子体刻蚀系统(ICP)的结构如图7-6所示，在反应器上方有一介电层窗，其上方有螺旋缠绕的线圈，通过此感应线圈在介电层窗下产生等离子体。等离子体产生的位置与晶片之间只有几个平均自由程的距离，故只有少量的等离子体密度损失，可获得高密度的等离子体。二、半导体工艺中常用材料的干法刻蚀1.二氧化硅的干法刻蚀①刻蚀原理。氧化物的等离子体刻蚀工艺大多采用含有氟碳化合物的气体进行刻蚀。使用的气体有CF4、C3F8、CHF3等，常用的是CF4和CHF3。CF4的刻蚀速率很高但对多晶硅的选择比不好，CHF3的聚合物生产速率较高。非等离子体状态下的氟碳化合物化学稳定性较高，且其化学键比SiF的化学键强，所以不会与硅或硅的氧化物反应。以CF4为例，整个刻蚀反应过程如下：CF4→2F+CF2SiO2+4F→SiF4+2OSi+4F→SiF4SiO2+2CF2→SiF4+2COSi+2CF2→SiF4+2C氟原子与硅的反应速率非常快，约为二氧化硅的10～1000倍，因此RIE反应系统中，CF4被电离为CF2，这样可得到较高的二氧化硅与硅的刻蚀选择比。通常，氟碳化合物气体中，碳原子占的比例越高，形成的聚合物越多，这样会得到高的刻蚀选择比但刻蚀速率也越低。所以，在有些刻蚀系统中，会通过增加硅源(四氟化硅)来增加氟原子以改变氟碳原子比。②选择比的改变。现今半导体工艺中，SiO2的干法刻蚀主要用于接触孔与金属间介电层连接洞的非等向性刻蚀方面。前者在SiO2下方的材料是Si，后者则是金属层，通常是TiN，因此SiO2的刻蚀中，SiO2与Si或TiN的刻蚀选择比是一个很重要的因素。在反应气体中加入氧后，氧会和氟碳化合物反应放出氟原子同时消耗掉一部分碳，改变了氟碳原子比。反应如下：CF4+O→COF2+2F氧气的加入可改变二氧化硅与硅的刻蚀速率比，当氧气浓度约为20%～40%时，二氧化硅的刻蚀速率明显高于硅的刻蚀速率，氧气浓度达到40%以后，二者的刻蚀速率又开始接近。也可通过加入氢气来降低硅的刻蚀速率，氢气的浓度约为40%时，硅的刻蚀速率几乎为0，而二氧化硅的刻蚀速率却基本不受影响。2.氮化硅的干法刻蚀Si3N4在半导体工艺中主要用在两个地方：①用作器件区的防止氧化保护层(厚约100nm)；②作为器件的钝化保护层。3.多晶硅的干法刻蚀在MOSFET器件的制备中，需要严格地控制栅极的宽度，因为它决定了MOSFET器件的沟道长度，进而与器件的特性息息相关。刻蚀多晶硅时，必须淮确地将掩膜上的尺寸转移到多晶硅上。除此之外，刻蚀后的轮廓也很重要，如多晶硅刻蚀后栅极侧壁有倾斜时，将会屏蔽后续工艺中源极和漏极的离子注入，造成杂质分布不均，沟道的长度会随栅极倾斜的程度而改变。改用Cl2等离子体对多晶硅进行刻蚀，Cl2与多晶硅的反应方程式如下所示：Cl2→2ClSi+2Cl→SiCl2SiCl2+2Cl→SiCl4SiCl2会形成一层聚合物保护膜，反应方程式如下：nSiCl2→n(SiCl2)此保护膜可保护多晶硅的侧壁，进而形成非等向性刻蚀。使用Cl2等离子体对多晶硅的刻蚀速率比使用F原子团慢很多，为兼顾刻蚀速率与选择比，有人使用SF6气体中添加SiCl4或CHCl3。SF6的比例越高，刻蚀速率越快；而SiCl4或CHCl3的比例越高，多晶硅/SiO2的刻蚀选择比越高，刻蚀越趋向非等向性刻蚀。除了Cl和F的气体外，溴化氢(HBr)也是一种常用的气体，因为在小于0.5µm的制程中，栅极氧化层的厚度将小于10nm，用HBr等离子体时多晶硅/SiO2的刻蚀选择比高于以Cl为主的等离子体。4.金属的干法刻蚀金属刻蚀主要是互连线及多层金属布线的刻蚀，金属刻蚀有以下几个要求：高刻蚀速率(大于1000nm/min)；高选择比，对掩蔽层大于4:1，对层间介质大于20:1；高的刻蚀均匀性；关键尺寸控制好；无等离子体损伤：残留污染物少；不会腐蚀金属。①铝的刻蚀。铝是半导体制备中最主要的导线材料，具有电阻低、易于淀积和刻蚀等优点。铝刻蚀通常采用加入卤化物的氯基气体，最常用的是BCl3。因为铝在常温下表面极易氧化生成氧化铝，氧化铝