第7章刻蚀工艺

第7章刻蚀工艺7.2湿法刻蚀7.3干法刻蚀本章内容7.1刻蚀工艺简介7.4真空系统e光刻工艺后，在硅片上形成了光刻胶的图形，下一步工序通常是进行离子注入或刻蚀。刻蚀就是利用光刻胶或其它材料作掩蔽层，对没有保护的区域进行腐蚀，昀终实现掩膜版图形变成硅片上图形的图形转移。7.1刻蚀工艺简介干法刻蚀湿法刻蚀IC制造工艺中的刻蚀方法化学方法物理方法化学与物理结合的方法化学方法化学方法等离子体腐蚀PE:PlasmaEtching物理方法物理方法离子腐蚀IE:IonEtching干法刻蚀物理与化学相结合的方法物理与化学相结合的方法反应离子腐蚀RIE:ReactiveIonEtching不管采用哪种刻蚀方式，刻蚀工艺的昀终要求：刻蚀工艺的要求■刻蚀后硅片表面清洁，没有玷污。■图形完整，整个硅片内刻蚀均匀；■剖面形状达到预计的效果；■线条尺寸（宽度、深度）的高保真度；7.2湿法刻蚀湿法刻蚀是一个纯粹的化学反应。它的优点是有很高的选择比，通常不产生衬底损伤，缺点是工艺控制差、产生颗粒玷污和缺乏各向异性。湿法刻蚀有三个步骤组成：刻蚀剂移动到硅片表面；刻蚀剂同表面的膜发生化学反应生成可溶解的副产物；从硅片表面移去反应生成物。为了高的、均匀的、受控良好的刻蚀速率，一般采用捣动、喷淋等方式。腐蚀液的配方、温度等因素严重影响刻蚀速率。一般特征尺寸小于2μm的IC制造工艺中已很少使用蚀法刻蚀，但粗线条的IC、分立器件和MEMS制造工艺中广泛使用蚀法刻蚀。常常采用超声。H3PO4∶H2O∶HNO3∶CH3COOH=16∶2∶1∶1Al由于光刻胶不耐高温，所以一般采用SiO2作为掩蔽膜。H3PO4∶H2O(130℃～150℃)Si3N4由于HF对SiO2腐蚀太快，一般使用NH4F作为缓冲液SiO2＋6HF=H2SiF6＋2H2OHF∶NH4F∶H2O=3ml∶6g∶10mlSiO2腐蚀速率取决于腐蚀液的配比，单晶硅常用KOH。Si＋HNO3＋6HF=H2SiF6＋HNO2＋H2O＋H2Si说明腐蚀剂成分被腐蚀材料几种常用材料的湿法腐蚀其它材料的湿法腐蚀FeCl3或CuCl2溶液Cu硅片上不能有金属H2SO4＋H2O2(125℃)光刻胶KI(17.5g)＋I2(35g)＋H2O(140ml)王水（硝酸∶盐酸=3∶1）AuNH4OH∶H2O2∶H2O=1∶1∶5Ti和TiN说明腐蚀剂成分被腐蚀材料湿法腐蚀中，由于100晶向硅的腐蚀速率比111晶向的硅快100倍，所以常用KOH腐蚀液定向腐蚀硅。7.3干法刻蚀早期IC制造工艺中使用的是湿法刻蚀，虽然它有很高的选择比和不产生衬底损伤等优点，但是它的缺点也是明显的：工艺控制差、缺乏各向异性。因此不适用于制作特征尺寸小于2μm以下的器件。于是在20世纪70年代初，使用等离子体刻蚀PECVD法生长的Si3N4钝化层，因为湿法刻蚀Si3N4比较困难。干法刻蚀的昀大优点就是各向异性。VLRRA−=1（7-1）式中：RL、RV分别代表横向和纵向刻蚀率。如果A=0，说明横向与纵向刻蚀速率相同，完全各向同性；如果A=1，将是昀理想的各向异性。RLRV掩蔽膜待刻蚀材料不同刻蚀方式的形状（1）各向同性完全各向异性不完全各向异性掩蔽膜待刻蚀材料衬底衬底湿法刻蚀衬底各向异性干法刻蚀被刻蚀薄膜光刻胶不同刻蚀方式的形状（2）物理方法干法刻蚀的原理物理方法干法刻蚀是利用辉光放电将惰性气体例如氩气（Ar），解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材料的原子击出。整个过程完全是物理上的能量转移，所以称为物理性刻蚀。物理方法刻蚀的方向性非常好，可以得到接近垂直的刻蚀轮廓。但是由于离子是全面均匀的轰击在硅片上，刻蚀的选择比偏低。而且被击出的物质并非挥发性物质，容易再度淀积在被刻蚀薄膜的表面和侧壁。所以，这种完全物理方式的干法刻蚀在VLSI工艺中较少使用。阴极阳极(外罩)RF溅射气体入口（Ar）抽真空地硅片物理方法干法刻蚀系统氩等离子体等离子刻蚀机化学方法干法刻蚀的原理化学方法干法刻蚀是依靠低压刻蚀气体在电场加速作用下辉光放电而生成带电离子、分子、电子以及化学活性很强的原子团，这些原子团扩散到被刻蚀材料表面，与被刻蚀材料表面原子发生化学反应，形成挥发性的反应产物并随气流被真空泵抽走，从而实现刻蚀。这种刻蚀方法与湿法刻蚀类似，其特点是选择性强，但各向异性较差，一般用于去除光刻胶和要求不高的刻蚀，不能用于刻细线条。物理与化学相结合的干法刻蚀物理与化学相结合的干法刻蚀结合了物理性的离子轰击和化学反应，具有各向异性和高刻蚀选择比的双重优点，是目前超大规模集成电路工艺中广泛使用的刻蚀方法，如：反应离子刻蚀RIE:ReactiveIonEtching物理与化学相结合的刻蚀主要依靠化学反应，以获得高选择比。加入离子轰击的作用有两个：一是将被刻蚀材料表面的原子键破坏，加速反应速率；二是将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉，使被刻蚀表面能再与刻蚀气体接触。但是在侧壁上的淀积物因未受离子轰击而保留下来，阻挡了刻蚀表面与反应气体的接触，使得侧壁不受刻蚀，从而获得各向异性刻蚀。气体入口（Ar、CF4、O2）气体出口（泵）RFgenerator加热板电极电极Ar等离子体硅片MatchingnetworkRF电源的等离子体刻蚀系统Tegal公司刻蚀机AM公司的8310刻蚀机A-360刻蚀机●导入腔体的气体由等离子体分离成可化学反应的元素，主要是中性的自由原子团，以CF4为例：e－＋CF4→CF3＋F＋e－●这些元素必须扩散并吸附在硅片表面并在硅片表面上四处扩散；●同硅片表面的膜发生反应，比如刻硅的话：4F＋Si→SiF4●反应的生成物必须解吸，离开硅片表面；●生成物由抽气泵排走。物理与化学相结合刻蚀的步骤等离子体刻蚀中化学腐蚀的过程e－+→maskfilm自由原子团的产生吸附在表面反应生成物++++++等离子体刻蚀中刻蚀剂种类中性类刻蚀剂（如：自由原子团）的入射角范围很宽，离子类刻蚀剂的入射角窄而垂直。中性类刻蚀剂离子类刻蚀剂中性类刻蚀剂离子类刻蚀剂中性类刻蚀剂离子类刻蚀剂++++++离子增强刻蚀通过离子轰击增强了化学刻蚀反应。通过离子轰击去掉阻蚀剂，使化学刻蚀得以进行。两种刻蚀都是各向异性阻蚀剂阻蚀剂淀积对刻蚀形貌的影响（1）很少或无阻蚀剂淀积（例如：CF4＋O2）有阻蚀剂淀积（例如：CF4＋H2或CHF3＋O2）过量阻蚀剂淀积（例如：CHF3）掩蔽膜待刻材料阻蚀剂对刻蚀形貌的影响（2）阻蚀剂淀积比刻蚀速率快阻蚀剂淀积比刻蚀速率快阻蚀剂淀积比刻蚀速率慢阻蚀剂淀积比刻蚀速率慢阻蚀剂淀积阻蚀剂刻蚀阻蚀剂淀积阻蚀剂阻蚀剂淀积比刻蚀速率快阻蚀剂淀积比刻蚀速率快阻蚀剂淀积比刻蚀速率慢阻蚀剂淀积比刻蚀速率慢刻蚀昀后的形貌……通过调节刻蚀工艺的条件，进行硅的深孔垂直刻蚀。高密度等离子体刻蚀（HDP）在溅射工艺中，采用高密度等离子体提高溅射速率。在刻蚀系统中，利用高密度等离子体进行刻蚀。两者在结构上的区别是前者使用同一个电源来产生高密度等离子体（HDP：High-DensityPlasma），后者是在硅片上外加一个电源来控制硅片上的离子轰击。普通RIE系统中，为了获取更好的各向异性刻蚀，需要降低反应室内的气压，这会导致参与电离或转化为自由基的气体原子数目减少，使等离子体密度降低，从而降低刻蚀速率。为了提高刻蚀速率，就只能提高离子的能量，但这就会增加对硅片的损伤。HDP系统可以有效地解决上述问题，在不提高离子能量和在较低的气压下产生高密度的等离子体，从而得到高刻蚀速率、高的刻蚀均匀性和选择性、小的辐射损伤。电子回旋共振（ECR：ElectronCyclotronResonance）和感应耦合式等离子体（ICP：InductivelyCoupledPlasma）是昀常用的HDP。RF气体入口抽真空感应耦合式等离子体刻蚀（ICP）感应源绝缘层由于ICP的设备比ECR简单，所以在高密度等离子体刻蚀中大都采用ICP。由于ICP的设备比ECR简单，所以在高密度等离子体刻蚀中大都采用ICP。ICPICP利用ICP深硅刻蚀HDP刻蚀系统与标准的RIE的昀大差别是HDP刻蚀可以使用比较低的气体压力（1～10mTorr）就可以达到RIE一样的等离子体密度和刻蚀速率。低气压意味着在等离子体里的气相碰撞比较少，所以更能直接地刻蚀。在标准的RIE中，通过增加功率来提高等离子体密度，从而提高刻蚀速率。带来的缺点是离子的能量升高，对硅片的损伤增加。也可以提高气体压力来提高等离子体密度而保持较低的离子能量，但是在等离子体里的气体碰撞增加，刻蚀将更加各向同性。在HDP系统中，较低气压、较低离子能量的情况下保持高的刻蚀速率，离子轰击对硅片的损伤少，刻蚀容易各向异性。通常，低能量比高能量有较好的刻蚀选择性。刻蚀工艺的关键衬底被刻材料掩模●熟悉三种材料在同一条件下的刻蚀速率。●根据被刻材料的厚度和刻蚀比，选择合适的掩模材料的厚度。●根据刻蚀要求选择合适的刻蚀方式。●掌握好具体的刻蚀工艺条件。衬底被刻材料掩模IC制造中常用薄膜的等离子刻蚀气体(1)各向异性好，同SiO2选择性好。HBr，Cl2，Cl2/HBr/O2各向同性，同SiO2选择性好。CF4/O2各向异性好，同SiO2选择性差。CF4/H2，CHF3各向同性，同SiO2选择性差。SF6，CF4多晶硅单晶硅说明刻蚀气体被刻材料IC制造中常用薄膜的等离子刻蚀气体(2)各向异性好，同Si3N4选择性好。CHF3/C4F8/CO各向异性好，同Si选择性好。CH4/H2，CHH3/O2，C2F6，C4F8接近各向同性，通过提高离子能量和降低压力可以改善各向异性，同Si选择性差。SF6，NF3，CF4/O2，CF4SiO2说明刻蚀气体被刻材料各向异性好，同SiO2和Si的选择性都好。CHF3/O2，CH2F2各向异性好，同SiO2选择性差，同Si选择性好。CF4/H2各向同性，同SiO2选择性好，同Si选择性差。CF4/O2Si3N4说明刻蚀气体被刻材料IC制造中常用薄膜的等离子刻蚀气体(3)IC制造中常用薄膜的等离子刻蚀气体(4)同其它的薄膜都有很好的选择性。O2光刻胶Cl2，Cl2/CHCl3，CF4Ti，TiNCl2/CHCl3，Cl2/N2接近各向同性。Cl2Al说明刻蚀气体被刻材料氢在（CF4＋H2）中的百分比01020304050020406080100120刻蚀速率（nm/min）光刻胶SiO2多晶硅压力=25mTorr流量=40sccm多晶硅、SiO2和光刻胶的刻蚀速率7.4真空系统什么是真空？把大气的压力定为一个大气压，则：对于给定的空间内，低于一个大气压的气体状态就是真空。描述真空的程度可以用单位体积内的气体分子数来表示，也可以用气体分子之间两次碰撞的平均距离即平均自由程表示，但是通常用“压强”来表示。在集成电路制造工艺中，绝大多数工艺设备和很多仪器都需要在真空条件下工作和使用。质谱仪外延匀胶离子注入等离子刻蚀LPCVD电子显微镜溅射电子束制版电子束蒸发真空镊子工艺设备分析仪器辅助装置光刻机显影1个标准大气压（atm）=760毫米汞柱1毫米汞柱（mmHg）=1乇（Torr）在国际单位中，压强的单位为：牛顿/米2（N/m2），即：帕（Pa）。1Pa=7.5×10-3Torr1Torr=133.3Pa压力的单位换算10510210-110-510-12（帕）真空的划分极高真空超高真空高真空中真空低真空IC制造工艺中的真空使用范围中真空：溅射、等离子刻蚀、LPCVD等高真空：离子注入、电子显微镜、质谱仪、电子束制版等超高真空：分子束外延等低真空：设备上的吸片装置、真空镊子等常用真空泵及使用范围旋片真空泵——中、低真空油扩散泵——高真空涡轮分子泵——高真空冷凝泵——高真空离子泵——超高真空旋片真空泵进气口排气口泵体转子旋片弹簧油扩散泵外形内部结构油扩散泵原理泵体①内的扩散泵油⑥被加热器④加热后，油蒸汽经导流管②进入伞形喷嘴③，蒸汽经过喷嘴将压力转化为动能，形成高速的蒸汽射流向下喷射，蒸汽在泵体外壳⑤上被冷却成液体后沿泵壁