（微电子学与固体电子学专业论文）微米工艺实现纳米级cmos器件方法及技术研究.pdf

摘要 摘要 体硅c m o s 技术始终是硅微电子技术的主流，随着c m o s 技术进入深亚微米乃 至纳米时代，如何利用微米工艺实现纳米器件，成为s i i 艺技术的研究熟点。本文 从以下四方面对此进行了研究。 在c m o s 常用薄膜材料的生长刻蚀方面，研究了s i 0 2 ，s i 3 n 4 ，s i o n ，p o l y o s i ， 舢等的刻蚀技术，并重点研究了常用材料干法刻蚀和湿法刻蚀的工艺条件；在微 米工艺实现纳米级c m o s 器件的结构设计方面，深入研究了利用侧墙结构制备超 细栅线条、r t a 固相扩散形成s d e 等关键工艺，创新地提出了微米工艺下纳米栅 电极的引出方法，并对其作了详细论述；在工艺设计方面，基于标准c m o s 工艺， 给出了微米工艺实现纳米级c m o s 器件的具体工艺步骤和工艺条件，给出了相应 的工艺参数和版图设计；。在实验方面，基于中国电子科技集团公司第2 4 所的2 l x r n c m o s 工艺，进行了微米工艺实现纳米c m o s 器件的工艺实验，利用侧墙图形转 移技术制备了超细栅线条，对实验结果进行了分析。 关键词：微米工艺纳米c m o s 器件侧墙图形转移刻蚀超浅结 a b s t r a c t l i i a bs t r a c t b u l ks i l i c o nc m o st e c h n o l o g yh a s a l w a y s b e e nt h em a i n s t r e a ms i l i c o n m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y w j t l lt h ec m o s t e c h n o l o g yi n t ot h ed e e ps u b m i c r o na n d e v e n n a n o - e r a , h o wt om a k eu s eo fm i c r o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v en a n o s c a l ec m o s d e v i c e s ，h a sb e c o m eah o ts p o t i ns it e c h n o l o g yr e s e a r c h i ti ss t u d i e di nt h i sp a p e rf r o m t h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s o nt h ef a c e to fe t c h i n ga n dg r o w t ho ft h i nf i l mm a t e r i a l s ，w h i c ha r ec o m m o n l y u s e di nc m o s ，e t c h i n gt e c h n o l o g i e so fs i 0 2 ，s i 3 n 4 ，s i o n ，p o l y s i ，a ia r er e s e a r c h e d , d r ye t c h i n ga n dw e te t c h i n gp r o c e s sc o n d i t i o n so fm a t e r i a l sc o m m o n l yu s e da l et h e f o c u so fs t u d y a sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no fn a n o s c a l ec m o sd e v i c e sr e a l i z a t i o nw i t hm i c r o n t e c h n o l o g y ，t h ek e yp r o c e s s ，s u c ha sp r e p a r a t i o no fu l t r a f i n eg r i dl i n e su s i n gs i d e w a l l s t r u c t u r ea n df o r m a t i o no fs d eb yr t as o l i d - p h a s ed i f f u s i o na lei n d e p t hs t u d y , a n i n n o v a t i v ee x t r a c t i o nm e t h o d o fn a n og a t ei nm i c r ot e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r da n d d i s c u s s e di nd e t a i l i nt h ep r o c e s sd e s i g n ，o nt h eb a s i so fs t a n d a r dc m o s p r o c e s s ，t h es p e c i f i cp r o c e s s s t e p sa n dp r o c e s sc o n d i t i o n s a leg i v e nt oa c h i e v en a n o s c a l ed e v i c e sb ym i c r o t e c h n o l o g y , t h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dl a y o u td e s i g na r ea l s og i v e n i nt h er e s p e c to fe x p e r i m e n t ，b a s e do nt h e2 1 m ac m o s p r o c e s so fn o 2 4r e s e a r c h i n s t i t u t eo fc e t c ，p r o c e s se x p e r i m e n to fn a n o s c a l ec m o sd e v i c e sr e a l i z a t i o nw i t h m i c r o nt e c h n o l o g yi sc a r r i e do u t , u l t r a f i n eg r i dl i n e si sp r e p a r e du s i n gs p a c e rp a t t e r n i n g t e c h n o l o g y , a n dt h e nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa lea n a l y z e d k e y w o r d ：m i c r ot e c h n o l o g y n a n o s c a l ec m o sd e v i c eu l t r a s h a l l o wj u n c t i o n as p a c e rp a t t e r n i n gt e c h n o l o g y e t c h i n g 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：埘日期三! 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：兰型叁 别币鹕：戴j 丝 日期兰1 2 ：三：! 日期鲨j ：生墨 第一章绪论 第一章绪论 本章首先概述了微米工艺实现纳米级c m o s 器件的研究背景和重要意叉：其 次详细阐述了微米工艺实现纳米级c m o s 器件的国内外发展状况，分析了其中存 在的问题和有待研究的内容；最后给出了论文的内容结构和文章特色 1 1 研究背景及重要意义 集成电路的发展始终是朝着提高速度和提高集成度这两个重要的方向发展， 集成度的提高使电子系统的成本降低、性能改善、可靠性提高，成为集成电路飞 速发展的动力源泉。m o s f e t 器件尺寸的不断缩小是集成电路得以按指数发展的 关键因素，一方面m o s f e t 的器件性能随尺寸的缩小而提高，另一方面器件尺寸 的缩小可使集成度以平方率增加。因此通常采用m o s f e t 的特征尺寸来描述集成 电路技术的发展水平。1 9 6 5 年i m e l 公司的创始人之一的g o r d o nem o o r e 预言每隔三 年集成电路的集成度增加4 倍特征尺寸缩小2 倍i ”。之后虽然有人多次预测这种发 展趋势将减缓，但是微电子产业3 0 多年来发展的状况证实了m o o r e 的预言。目前， 无论是工业生产还是实验室研究，m o s 等比例缩小都已经发展到很高的程度，其 趋势如图11 。在工业界，9 0 m t t 术已经应用于大规模生产，4 5 n m 技术己试生产， 3 2 r i m 技术正在开发中。而在实验室里，棚长为5 m 的平面体硅m o s 器件已经被成 功制各】。m 0 s f e t 的发展已经进入纳米时代。 “。| 0 6 鼍忽 “b n o 二嘧_ ：! o 图11m 0 s 器件等比例缩小趋势 纳米尺寸的m o s f e t 对目前的微米工艺提出了很多挑战“。因为要使c m o s i c 能继续遵循摩尔定律，必须通过不断缩小尺寸增加单个芯片上的功能。而且为保 证电路性能的改善，器件的纵向尺寸也要和横向尺寸一起按比例缩小必须开发 新的工艺技术来制备高集成度t b , e , 片，包括光嘉4 技术、氧化扩散工艺和高k 栅介 质制各工艺等。图12 总结了目自对于纳米c m o s 器件所遇到的一些问题的解决 微米：l 。艺实现纳级c m o s 器件方；圭皿技术研究 方法 l m m m h t l ，j i 】 i h $ 目i m 镕：；一 ；o2 m 1 e #i m # 自 4 ，- 自* “。u m 1 ic 1 ) 目h l ! ! ：竺兰苎竺：l 、 - _ n 岫1 r ：1 阵1 圈1 2 对于纳米c m o s 器件所遇到的一些问题的解决方法 在国外，o2 5 p r n 、0 1 8 9 r n 、0 1 5 p r o 、0 1 3 i u n ，9 0 n m ，甚至4 5 r i m 工艺早已开 始进入大生产的条件。相应的u l s i 已逐渐发展为s o c ( s y s t e r no nc h i p ) ，而且据 预测，到2 0 1 4 年特征尺寸将达到2 8 r t m 。目前小尺寸乃至亚1 0 0 n m 器件的结构、 制备、模型和模拟是半导体行业的研究热点，包括：器件模型、模拟和仿真软件： 新型器件结构；高k 栅介质材料和新型栅结构；超深亚微米光寡0 技术：低k 介质 和c u 互连以及集成技术等。 然而国内大部分公司和军方的工艺生产线一般大于l l a m ，所以在纳米器件的 研究和生产方面远远落后于国外，很多研究只能基于实验室水平。并且由于某些 技术导致设各结构复杂而且价格昂贵。我们知道，作为一项生产技术，决定其应 用的因素包括成本、技术性能和时间。一项被生产采用的技术应该是适时的、适 用的、低成本的技术、这其中成本一直是一个决定性的因素。因此，探索并开 发简单而廉价的新型纳米器件加工技术是一件非常有意义的研究工作，特别是在 我们还不具备这些先进的工艺技术的时候。 利用微米工艺实现纳米c m o s 器件在当下是非常具有现实意义的。因为它不 需要更换设备、不需要复杂的工艺步骤，在国内纳米生产工艺条件还不够成熟的 情况下，利用大尺寸制作小尺寸，可以不增加生产成本，克服一些光刻技术难以 解决的具体问题，实现微米工艺下的纳米级器件。 司j 豢一 一 竺 争一 两匿 第一章绪论 1 2 国内外发展现状 早在上世纪八十年代，国外就已经开始了基于微米工艺的纳米c m o s 器件的 研究，并且取得了一定的进展。1 9 8 8 年，据文献【5 】报道，将传统的g 一线( x = 4 3 6 n m ) 光刻与光刻胶的灰化工艺结合制作出了有效沟道长度为o 1 5 9 m 的n m o s ；1 9 9 5 年，利用光刻胶灰化技术及固相扩散法制作出了栅长4 0 r i m 性能良好的 n m o s f e t 6 】；1 9 9 8 年，w a k a b a y a s h i 等人通过电子束和k r f 点波束的混合搭配光 刻交叠区，实现栅极光刻，形成2 4 r i m 细栅极和7 0 r i m 栅长的c m o s 器件【7 】。c h o i 等人于2 0 0 0 年实现了宽约6 5 r i m 的多晶硅线条1 8 1 ，这是迄今为止人们实现的最细 的多晶硅线条，同时采用电子束减薄光刻胶和h a l o 晕环离子注入，制作出了4 5 r i m 栅长的c m o s 器件；而最小栅长的晶体管( 1 0 r i m ) 是由d o y l e 等人在2 0 0 2 年实 现的【9 1 。 在国内，清华大学微电子所于1 9 9 8 年利用光刻胶灰化技术制备出了宽度小于 0 2 5 p a n 的深亚微米线刹1 0 】；2 0 0 3 年，中国科学院微电子中心研制出4 2 n m 栅长的 c m o s 器件【l l 】；2 0 0 4 年，北京大学微电子学研究所实现了栅长约为8 4 6 n m 的c m o s 器件和电科1 2 】。相比之下，在微米工艺实现纳米级c m o s 器件的领域，国内所做 的研究工作同国外还是存在一定差距的。而且，在这些研究中，还存在着很多问 题。 一、光刻胶灰化技术简单而廉价，但是在实验中发现，在光刻胶长时间的灰 化过程中，光刻胶线条宽度的均匀性和可控性很难得到保证；侧墙图形转移技术 对材料的刻蚀比要求较高，要找到合适的材料作为侧墙结构。 二、形成p m o s 浅结的要求比形成n m o s 的苛刻，对n m o s ，可以通过r t a 固相扩散法获得浅结，但对p m o s 这个工艺并不适用，所以要同时形成c m o s 的 源漏超浅结，一般会采用低能离子注入后快速热处理( r t p ) 形成p n 结，但是存 在杂质激活率低，增强扩散明显以及严重的隧道注入等问题，形成的结深也很难 控制，会影响器件的性能。 三、在工艺过程中阱浓度的差异会使器件的阈值电压相当不对称。若p 阱浓 度偏低( s f + 0 2 d 2 + c f , _ s i f 4 + 2 c 0 把d 2 加入c ： c f , + 0 叶c o f + 2 f 把只加入c e ： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第二章c m o s 器件中的薄膜材料 2 2 2 物理刻蚀 h + f 啼h f( 2 1 5 ) 物理刻蚀是利用粒子加速装置将惰性气体粒子其快速撞击到刻蚀对象上，利 用粒子本身携带强大能量使刻蚀对象分子化学键断裂，从而达到刻蚀的目的f 1 8 】。 不过现在的刻蚀都不会单独利用物理刻蚀的，它一定要结合化学刻蚀才能达到理 想的刻蚀。图2 3 就是一个物理刻蚀的模型，利用氢气来实现物理刻蚀，当前的首 选气体就是氢气，因为它的分子量居中，分子太重不利于离子加速，对机台要求 太高，分子量太轻，动量太小不利于撞击刻蚀对象分子，使其化学键断裂，因此 氢气成为首选气体。图中利用氢气分子对s i 0 2 分子的撞击，使其分子键断裂，形 成一个个独立的分子，再利用化学刻蚀进行进一步的反应【1 9 】。 e n e r g e t i ci o n ( - 3a r4 - s i 0 2 由一熬 2 2 3 化学物理刻蚀 图2 3 物理刻蚀 化学物理刻蚀是前面所叙述过的两种刻蚀方法的综合体，它利用了化学刻蚀 的优良的选择比及各向异性刻蚀的特点，同时又利用了物理刻蚀的各向同性的优 点，如图2 4 所示，先将时和c f 4 通入反应腔体，将其解离成等离子体，利用时 的撞击表面的分子，使其分子键断裂，独立成一个个的分子，然后在利用等离子 体中的活性粒子与s i 0 2 反应，至此刻蚀完成【1 8 】。 s i f 4 ( g ) 4 - c oo r c n ( g ) + a r 图2 4 化学物理刻蚀 因此，对于不同的刻蚀要求只有充分利用三种刻蚀原理将配以合适的比例，才 ， s协怕咖跏僦 删o ， 护e +a 微米工艺实现纳米级c m o s 器件方法及技术研究 可以达到理想的刻蚀。如图25 所示。每一种刻蚀都有它的局限性，需要克服其局 限性，充分利用它们的优点才可以m 1 ，尤其到了o1 8 m 以下的工艺制程，对于三 种刻蚀的结台利用要求更高，往往是差之毫厘，失之千里。 袭21 千法刻蚀和湿法腐蚀的比较 刻蚀方式物理刻蚀化学刻蚀物理和化学刻蚀 活性元素和硅片表面 包括粒子器射和活性 刻蚀机理 物理离子溅射 反应 元素和硅片表面反应 侧壁断面各向异性各向同性备向同性到吾向异性 选择比很低几乎是1 ：1高，可以选到1 0 0 ：l 较高( 5 ：1 1 0 ：1 ) 刻蚀速率很快 慢适中 线宽控制很好很差很好 2 24 等离子刻蚀原理 图2 5 三种刻蚀原理的关系 刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀工艺中，硅片浸没于一种化学 溶剂中，该溶剂与暴露的膜反应，形成可溶解的副产品【l9 】；而干法工艺则不同， 它是利用离子轰击和离子反应的方法来进行亥4 蚀的口“，干法刻蚀中又以等离子刻 蚀为主。在真空条件下电子或光子点燃气体混合物产生离子、中于及其他基本粒 子，这些粒子的混合体我们称之为等离子体i 。等离子刻蚀正是利用等离子去撞 击需要刻蚀的成分，等离子体和刻蚀对象产生物理或化学反应，从而完成刻蚀过 程。与湿法刻蚀相比等离子刻蚀有几点明显的优点等离子可以容易地开始与 结束，而且等离子对硅片上温度的微小变化不是那么敏感这使得等离子刻蚀更 容易重复，同时等离子刻蚀因为有较高的各向异性，对于小的特征尺寸显得特别 第二章c m o s 器件中的薄膜材料 重要。相比液体溶剂，等离子环境有少得多的颗粒，并产生少得多的化学废液1 2 2 i 。 随着对高选择比的各向异性刻蚀的强烈需要，反应离子刻蚀( r i e ) 能得到了飞跃性 的发展，最早引入i c 制造的等离子设备是仔2 0 世纪7 0 年代早期。它利用高压低功 率等离子体，等离子粒子的平均自由程远小于腔体尺寸。这种工艺的等离子体用 来开始或结束化学反应或刻蚀，通过从惰性物中产生反应的粒子。离子的能量非 常地低，刻蚀工艺主要依靠等离子体的化学作用【2 3 】。 2 3 常用材料的刻蚀工艺技术 2 3 1s i 0 2 的刻蚀 2 3 1 1 湿法刻蚀二氧化硅 氧化硅腐蚀是湿法刻蚀中应用最多的工艺，这种工艺都是基于h f 和s i 0 2 的反 应。虽然对于化学反应方程式的写法都一样，但制备氧化硅工艺上的差别造成了 i - i f 对不同种类氧化硅的不同的腐蚀速率。表2 2 以室温下1 i - i f 的腐蚀速率作比较， 可以看到各种代表性氧化膜的刻蚀速率： 表2 2 室温下i h f 对不同膜的腐蚀速率 可见，对于不同的积淀方法，获得的氧化硅的结构、密度、所含杂质以及掺 杂分布都大不相同，可以应用于不同的场合。 对于s i 0 2 在h f 中的腐蚀机理已经有了很多的研究成果。总的来说，氧化硅腐 蚀的化学反应机理也可以按照湿法腐蚀的通则总结为以下三点：( 1 ) 药液中的活性 元素被吸收到表面；( 2 ) 发生化学反应；( 3 ) 溶解反应生成物。 总的来说，氧化硅会溶解在k i i o 或者碳酸盐类当中，因为它们能够产生在水 中可溶的硅酸盐。但是碱性溶液在微电子器件的工艺中，由于这种溶液对硅的腐 蚀十分快所以不能被使用。而在另一方面，也就是酸溶液里，由于f 具有很强的负 电性能够产生足够的能量将坚固的s i o 键打破，因此只有h f 才能够溶解氧化硅。 1 4微米工艺实现纳米级c m o s 器件方法及技术研究 当i - i f 分子和氧化硅反应时候，其被吸附到晶格内s i o 键这边的远多于吸附到氧化 硅以o h 基集团为终端的表面。溶解氧化硅的总括的化学反应是： q + 6 h f 一2 h + + 呱2 + 2 日2 d ( 2 1 6 ) 当t - i f 稀释到水里的时候会发生一系列的电离分解，能够产生氢离子一，氟离 子，一和其他一些氢氟酸的物质如胛2 一和( 胛) ：等，离子的分解可以看作是下面的 四个步骤： h f h + + f 一( 2 1 7 ) 炉：墨 亿hf 【】 一1一一 月f + f 一铮h f 2 一 ( 2 - 1 9 ) 黑肄：如 。2 f - 船2 一 电 “7 其中的平衡常数k 1 、k 2 ，依赖于心的摩尔浓度。在修正了离子强度的条件下 可以到k 1 1 3 x 1 0 一，k 2 = 1 0 4 。但是只有在摩尔浓度大于l m o l 的情况下这些数值是 可以被认为合适的。 由于单纯的i - i f 在刻蚀中由于反应物质的不断消耗，浓度会持续下降从而使腐 蚀速率也逐渐下降。所以通过加入一定量的氟化氨作为缓冲溶液，通过分解反应 来维持i - i f 的浓度。 其中n h 3 是气体。通过缓冲溶液的缓冲过程也在帮助腐蚀药液控制p h 值，以 减少对光刻胶带来的损伤。b h f 对氧化硅的反应如下： n h 。f _ n h 4 + + f 一 ( 2 2 1 ) 更加详细的话，应该分为两个步骤： d 2 + 3 厶呸一+ 日+ 专s 玎乏2 一+ 2 皿o ( 2 - 2 2 ) n h 4 + + 观2 一( n h 4 ) 2 s i f 6 ( 2 - 2 3 ) 为了知道腐蚀过程的动力学描述，这需要深入了解在心中每种物质对刻蚀的 贡献，可想而知要十分准确地描述整个腐蚀过程是非常困难的。即使人们已经对 相当大的浓度范围内的i - i f 和b i - i f 作了许多的实验，但是准确的反应动力学原理还 是没有得到。因此有许多假设的模型假设各种物质的作用以理解反应机理，或者 是计算和温度、浓度相关的腐蚀速率。b l u m b e r g 提 的一种模型【1 5 1 中认为，腐蚀 速率j r e a c t ( m o l e ( c m 2 s ) ) 和h f 浓度有如下的函数关系： 第二章c m o s 器件中的薄膜材料 r e a c t = r o ( ) “ ( 2 - 2 4 ) 其中n 和瓦都可以通过实验得到。而在k i k u y a m a 等人的研究中，对给定摩尔浓度 的b h f 溶液计算了其中i - i f ，h f 2 。和f 的浓度，测量了相关的p h 值，并且发现对于 氧化硅的腐蚀，氟离子的作用并不明显，主导反应的是h f 。还有不少尝试想通过 一种模式以覆盖全部反应物质( 包括心和h f 2 ) 的化学动力学机理以及各自在其中 的贡献。 2 3 1 2 干法刻蚀二氧化硅 氧化膜的刻蚀速度与压力，电势，气体成分以及薄膜性质有关。例如，热氧 化生成的s i 0 2 膜刻蚀速度比c v d 生长的s i 0 2 膜慢，另外刻蚀速度与s i 0 2 层中的 杂质含量有关。 在二氧化硅的干法刻蚀中，刻蚀参数选择比的优化不仅需要考虑二氧化硅对 衬底材料的选择比，还应该考虑二氧化硅对掩蔽膜光阻的选择咄1 3 】。 ( 1 ) 二氧化硅对多晶硅的选择比。二氧化硅对多晶硅的选择比与各因素的关系 如图2 6 所示，可知各种因素对选择比的影响大小为c f 4 c h f 3 压力 r f 。c f 4 提 供很高浓度的活性基r ，对s i 的刻蚀速率很高，使得选择比降低；而提供的活性 基主要为c h f 2 ，c f 3 。刻蚀s i 0 2 ，难以刻蚀s i 。压力和r f 对选择比的影响为它们 对离子、活性基团的能量密度分布引起的，影响较小。可见要提高s i 0 2 p o l y 的选 择比，应主要考虑气体的合适配比。 图2 6 二氧化硅对多晶硅选择比与四种因素关系的直观分析图 ( 2 ) 二氧化硅对掩蔽膜光阻的选择比。二氧化硅对掩蔽膜光阻的选择比与各因 素的关系如图2 7 所示。可知二氧化硅对掩蔽膜光阻的选择比( s 2 ) 所受影响和二 氧化硅对多晶硅的选择比( s 1 ) 所受影响有一定的相似性，影响大小为：c f 4 c i - i f 3 压力 r f 。 1 6微米工艺实现纳米级c m o s 器件方法及技术研究 研究表明：o r f 功率为影响刻蚀速率的主要因素；压力为影响均匀性的主 要因素；通过调节气体流量的比率改善选择比，选择比主要由气体流量决定。 所以气体的配比也是最主要的考虑因素。 氧化物的各向同性刻蚀比较困难，但是足够高的自由基尝试能够导致客观的 各向同性刻蚀速度。任何含氟气体都可以用于氧化物的刻蚀。二氧化硅可以利用 气相的i - i f 来腐蚀，在腐蚀亚微米的图案方面深具潜力，因为工艺容易控制。 q + 6 h f 专h 2 s i f 6 + 2 日2 d ( 2 2 5 ) 卜_ 一压力 l - - r f l - 一c h f 3 丁 j 卜卜c f 4 r 一 l 一一 一 i 舢艟柚i地c l盘口 d l砣 水平 图2 7 二氧化硅对光祖选择比与四种因素关系的直观分析图 在硅和二氧化硅的刻蚀中，为了得到较快的刻蚀速率，通常用s f 6 为刻蚀气体， 但是，根据不同的工艺需要，可以选择不同气体混合来刻蚀。如在单晶硅深刻蚀中， 通常选择s f 6 作为刻蚀气体，c 4 f 8 为钝化气体，可以得到高的深宽比。如果要刻蚀 s i 0 2 ，经常选择c i - - i f 3 、s f 6 、0 2 混合气体作为刻蚀气体，用c h f 3 为刻蚀气体，加 入适量的s f 6 有利于提高s i 0 2 的刻蚀速率。 2 3 2s i 3 n 4 的刻蚀 2 3 2 1 湿法刻蚀氮化硅 对氮化硅的腐蚀中有两类通常的做法，使用磷酸h 3 p 0 4 或者氟酸。见表2 3 所列。 表2 3 氮化硅腐蚀剂成分及其腐蚀速率 材料腐蚀剂成分 腐蚀速率( a m i n ) 缓冲i - i f 溶液 5 s i 3 n 4 h 3 p 0 4 1 0 0 在室温下氮化硅在h f 溶液中的腐蚀速率很慢。一般在常温下1 5 ：1 的b h f 对热 ” 佗 ” 佃 9 e 7 6 2s 第二章c m o s 器件中的薄膜材料 氧化层的腐蚀速率大概是2 0 0 a m i n ，而此时对氮化硅的腐蚀速率只有不到 1 0 k m i n 。这个速率是不实用的，其反应方程式是： 甄4 + 1 8 h f = 也s i f 6 + 2 ( u 丑r 4 ) 2 s i f 6 ( 2 2 6 ) 一般常用的工艺是使用1 4 0 2 0 0 的热磷酸来刻蚀，由于热磷酸对氮化硅和 氮氧化硅具有良好的均匀性和较高的选择比，以至到7 9 0 n r n 的最先进制程也是采 用热磷酸来可是氮化硅和氮氧化硅。常用的热磷酸刻蚀液是由8 5 浓磷酸和1 5 的 去离子水配合而成，并使温度保持在1 6 0 的情况下进行刻蚀。此时的腐蚀速率为 5 5 - - 6 0 a m i n ，而且此时对暴露的氧化硅具有所希望的高选择比( 可以达虱j 0 0 ：l ，甚 至更高) 。但是由于在实际工艺申，由于在氮化硅刻蚀前一些处理工艺高温的影响， 氮化硅表层被氧化形成一层氮氧化物，必须通过一道h f 时间处理，否则这层氮氧 化物可能会成为掩蔽层，阻止磷酸对氮化硅的刻蚀，造成腐蚀的不均匀。 在对p e c v d 所制备氮化硅的湿法腐蚀研究中发现，在磷酸中含氢较少的氮化 硅更加不容易被腐蚀，而且随着成膜压力的上升，腐蚀速率也呈现线性上升的趋 势。但是在b o e 中压力和速率却不成线性关系，而且当反应气体流量达到一定比 例时，腐蚀速率达到峰值。可见，由于在p e c v d 氮化硅中由于存在h ，导致其腐 蚀表现和完全的s i 3 n 4 大不相同。 2 3 。2 1 湿法刻蚀氮化硅 f 原子在3 0 - - 1 0 0 温度范围内以s i 3 n 4 ：s i 1 ：8 的选择比各向同性地刻蚀s i 3 n 4 。 s i 3 n 4 在u l s i 制造中有两个特性。其一是通常用低压c v d ( l p c 、) 在7 0 0 - - , 8 0 0 i 淀积，形成一个复合的s i 3 n 4 膜。第二是通过等离子增强c v d 技术在小于等于3 5 0 时淀积，等离子淀积的n 是象s i - n h 一样的聚合材料。虽然这两种n 都在c f 4 0 2 等 离子体中被刻蚀，但等离子淀积的膜比l p c v d 淀积的膜刻蚀速度快。 在大多数的应用中，氮化硅膜的侧面尺寸的设计比较不精细( 如在氮化膜的 钝化层上开的孔，或薄氮化膜的图形) 。对于氮化膜的图形并不需要高的各向异性。 在l o c o s 应用中，要求对s i 0 2 有较高的选择比，使得在氮化膜约2 5 0 a 下的氧化层 不被刻蚀。否则，将使s i 0 2 下的s i 暴露在等离子体中，如前所述将比氮化膜刻蚀速 度快约8 倍来刻蚀s i 。c f 4 各向同性刻蚀s i 3 n 4 和s i 0 2 的别论是2 3 ，但更好的选择比 可以在用n f 3 等离子体刻蚀中得到。 s i 3 n 4 的键能和负电性介于s i 与s i 0 2 之间，故s i 3 n 4 不能同时实现既对s i 又对s i 0 2 的选择性刻蚀。对s i 选择性刻蚀s i 3 n 4 。可用典型的s i 0 2 刻蚀工艺( 女o c f d n 9 ，对 s i 0 2 选择性刻蚀s i 3 n 4 ，可用类似刻蚀s i 的等离子体刻蚀( 如c f d 0 2 ) 。 18微米工艺实现纳米级c m o s 器件方法及技术研究 2 3 3s i o n 的刻蚀 2 3 3 】湿法刻蚀氮氧化硅 在m i a l a y o ，d c r i d a 的工作中使用干法对氮氧化硅进行了刻蚀的实验。得到 了一些刻蚀工艺参数对刻蚀速率的函数如图2 7 ，其中含氮0 和5 5 的就是分别对 应了氧化硅和氮化硅。可以发现各种参数的变化对刻蚀速率韵影响各不相同，但 是都基本符合干法刻蚀的基本规律。在刻蚀速率和刻蚀时间的函数关系中，速率 随时间延长而下降是由于在工艺处理中产生的p o l y m e r 阻挡了刻蚀。 图2 。8 表示了干法工艺参数对速率的影响，从左到右依次为：压力，c i - i f 3 流量， 等离子功率 至 董 吾 呈 善 2 3 3 2 湿法刻蚀氮氧化硅 c h f i - 哪伽抽wi 鹳c m ) e - 嘶蛔日1 钿憾m 帆 图2 8 干法工艺参数对速率的影响 在湿法工艺中最常用的腐蚀药液是f h 或者b e o 。虽然这种工艺稳定，成本低 廉，在对s i 0 2 腐蚀的应用中得到了很大的成功。但对于其他种类的膜都难以达到较 高的选择比，不能避免对其他膜的腐蚀，所以在有图形的层上很难应用。在一些 工作中人们中使用了1 ：1 0 的d h f ，可以轻松地达到对s i o n 每分钟2 0 0 0 0 h 的速率， 但它对热氧的选择比不会超过3 。 第二章c m o s 器件中的薄膜材料 更多实际应用是采用t h 3 p 0 4 来腐蚀s i o n 。在p e c v d 匍 备s i o n 中，我们很容 易联想到，s i o n 和s i 3 n 4 是十分相似的( 尤其是含n 量高的时候) 。在有些专利中， 可以达n 3 0 以上的选择比，这是非常高的。其中对s i o n 的腐蚀速率为5 9 3 a m i n ， 而氧化膜的速率只有1 6 2 a r a i n 。h 3 p 0 4 的工艺温度一般是1 4 5 1 7 0 左右。氮氧化 硅湿法刻蚀流程如图2 9 所示。 热磷酸刻蚀之后的芯片一般采用热去离子水清洗。当芯片从1 6 0 的磷酸槽进 去水槽时，芯片表面残余磷酸的黏度急剧增加，并且形成一层带有磷酸和副产物 的薄层紧贴于芯片表面，如果不将这层残余物质清洗干净，将严重影响芯片的后 续制程，造成芯片成品率的损失和可靠性问题，所以热磷酸后清洗比其他酸液( 如 s c 2 ，s p m ，h f 等容易去处的试剂) 的后清洗更为关键，也更具有挑战性。 稀氢氟酸槽熟磷酸槽热水槽s c i 槽干燥槽 2 3 用于去1 6 0 用于6 0 7 0 用 3 0 - - 4 0 用 用于干 除表面氧化 刻蚀氮氧化 于清洗磷酸 - 于去除表面 燥硅片 物硅 残余颗粒 2 3 4 多晶硅的刻蚀 2 3 4 1 湿法刻蚀多晶硅 图2 , 9 氮氧化硅湿法刻蚀流程 单晶硅和多晶硅都可以在硝酸和h i ：的混合物中进行湿法刻蚀。反应先是h n 0 3 在硅上形成一层二氧化硅，然后h f 把这一层二氧化硅去掉。总的反应是： s i + h n 0 3 + 6 h f h 2 一s i f , + h n 0 2 + 马0 ( 2 - 2 7 ) 可以用水来稀释刻蚀剂，但最好用醋酸来稀释，因为它对于心0 3 的离解较少，这 样就产生更高浓度的未离解的基团。可以改变混合物的组分来得到不同的刻蚀速 率。在i - i f 浓度高、h n 0 3 浓度低时，刻蚀速率i 妇h n 0 3 的浓度来控制，因为在这样 的混合物中h f 过量，这样在反应中产生的二氧化硅就都被h f 去除了。另一方面， 当脏浓度低而h n 0 3 浓度高时，刻蚀速率被h f 去除二氧化硅的能力所限制。在这 样的刻蚀剂中刻蚀是各向同性的，它们经常被用作是抛光试剂。 在有些应用中，比较有用的是：沿着某些硅表面刻的速率比其它地方要快。 这样就可以用来显著地减缓刻蚀的速率、或刻蚀特殊的图形或结构。在金刚石的 晶格中我们观察至l j ( 1 1 1 ) 平面密度比( 1 0 0 ) 平面大，这样n ( 1 1 1 ) 面就比刻( 1 0 0 ) 面要 慢。表现出这种方向依赖性的刻蚀剂其刻蚀物包括k o h 和异丙基酒精的混合物 ( 例：2 3 4 w t 的k o h ，1 3 3 w t 的异丙基酒精，6 3 w t 的水) 。这种刻蚀剂在( 1 0 0 ) 2 0微米工艺实现纳米级c m o s 器件方法及技术研究 面方向的刻蚀速率比( 11 1 ) 面方向要快1 0 0 倍。如果0 0 0 ) 面上的硅被二氧化硅覆盖且 刻出图形，这种有方向性的刻蚀剂会产生精确的v 形槽，槽的边缘是( 1 1 1 ) 面，与( 1 0 0 ) 面的夹角为5 4 7 。如果用01 0 ) 面的话，将得到垂直的槽，槽壁是( 1 11 ) 面。 2 3 4 2 于法刻蚀多晶硅 在m o s 应用中，掺杂的l p c v d 多晶硅是用来做栅极的导电材料。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。栅宽度控制菲常严格，器 件的沟道宽度控制到很小的精度。所以，当用多晶硅作栅级材料时，最重要的是 刻蚀的条宽要与关刻板上的尺寸严格一致( 在5 之内) 。多晶硅的刻蚀工艺必 须有良好的线宽控制，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 和可重复性。同时也要求高度的各向异性，因为多晶硅栅在源漏注入过程中起阻 挡层的作用。当进行源漏注入时，多晶硅本身也要被离子注入。如果刻蚀工艺在 多晶硅侧壁上产生倾角，栅机就没有足够的厚度来保护衬底免受注入。这将使沟 道宽度与栅侧壁的倾角有关。如果倾角不能购精确控制，将产生控制问题。 各向异性的程度，也由其它因素支配，包括移走非衍生图形的陡峭的台阶之 间的底通道的过刻蚀程度，其中各向异性刻蚀主要要注意的是过刻蚀来移走通道， 其次是产生的图形很难被其后的薄膜所覆盖。也就是，得到所需的侧壁角度的能 力。 最后，多晶硅通常是淀积在薄s i 0 2 上( 如栅氧化层2 2 0 3 0 0 a ) 。所以刻蚀工艺 一定要对s i o z 有高的选择比，因为一旦氧化层被刻蚀掉了，在s i 衬底上的浅的源漏 结将很快被刻蚀掉。有时，在多晶硅与衬底之间有联线埋层，要求相对多晶硅有 的高选择比。 我们知道f 类等离子体气体可以刻蚀硅，f 原子各向同性刻蚀硅，所以控n f 类 气体来各向异性刻蚀s i ，如用c f 4 或s f 6 是十分困难的。而且这样的工艺还会带来许 多效应，也是在刻蚀工艺中不需要的效应。一些其它方法也被用来研究克服这些 限制。首先，氯等离子体被发现能非常各向异性地刻蚀多晶硅，而且对s i 0 2 有很高 的选择比，但它比含氟气体刻蚀s i 速度慢，所以含有氯和氟的刻蚀气体被用来刻蚀 多晶硅。例如，用s f 6 和c 1 2 的工艺。底层刻蚀被控制在小于0 3 9 i n ，而在层上面的 多晶硅有较好的刻蚀速度及好的选择比，通过在s f 6 等离子体中加入少量的氯。其 中氯与掩膜层材料也发生反应，在被刻蚀的多晶硅的侧壁上形成一个薄的聚合层， 来保护侧壁只受到轻微刻蚀。提出的其它刻蚀多晶硅的方法需要所有所需的刻蚀 参数，包括多步刻蚀工艺。 刻蚀多晶硅的步骤：( 1 ) 预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层( 如s i o n ) 和表面污染物来获得均匀的刻蚀( 这减少了刻蚀中作为微掩蔽层的污染物带来的 第二鸯c m o s 器件中的薄膜材料 2 1 表面缺陷) ；( 2 ) 主刻蚀，刻蚀掉大部分的多晶硅膜，并不损伤栅氧化层和获得理 想的各向异性的侧蚀剖面；( 3 ) 过刻蚀，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。这步应避免在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽( 小槽 形成) 。 为防止栅氧化层穿通，要求p o l y s i s i 0 2 选择比 1 5 0 ：1 ：为去除刻蚀残留物和 剩余多晶硅，要求p o l y s i s i 0 2 选择比 2 5 0 ：1 。 2 3 5a 1 的刻蚀 2 3 5 1 湿法刻蚀铝 湿法刻蚀铝和铝合金薄膜总的来说是在加热的( 3 0 8 0 c ) 磷酸、硝酸、醋酸、 和水的混合液中进行刻蚀的【1 3 j 。典型的溶液配比为7 3 磷酸、4 硝酸、3 5 醋酸 和1 9 5 的去离子水。刻蚀速率依赖于包括刻蚀剂组分、温度、光刻胶类型、刻蚀 过程中水的搅拌和铝薄膜中的杂质或合金等几个因素。铝的腐蚀剂成分及其腐蚀 速率见表2 4 所列。 表2 4 铝的腐蚀剂成分及其腐蚀速率 材料腐蚀剂成分 腐蚀速率( a m i n ) l m l h n 0 3 4 m lc h c o o h a 13 5 0 4 m lh a p 0 4 l m l h 2 0 湿法刻蚀铝的化学机制如下：用硝酸形成氧化铝，再用磷酸和水去除氧化铝。 转变成舢2 0 3 是和溶解过程同时发生的。 在湿法刻蚀铝中的一个难题是h 2 气泡的问题。这些气泡会牢固地附着在硅片 表面，并阻止在气泡附着位置的刻蚀。在刻蚀中进行机械搅拌，减小界面张力， 可以用来使这一问题减到最小。周期性地把硅片从溶液中拿出也可以使气泡破裂。 h 2 气泡的形成和其它的问题( 例：显影过的金属的局部沾污，局部氧化、以及 在某个位置上刻蚀的延迟) 延迟了刻蚀开始的时间或延长了在硅片的所有部位进行 完全地开始的时间。这样，一旦给定了对于一定图形的刻蚀时间，通常还要加 1 0 0 o , - - 1 5 的过刻蚀时间以保证完全的刻蚀。 2 3 5 2 铝与铝合金干法刻蚀 在制造集成电路中，对铝及铝合金膜的刻蚀非常重要。器件的密度，在现代 的i c 电路中主要由互连线的面积决定。各向异性刻蚀金属可允许使用更小的金属 2 2微米工艺实现纳米级c m o s 器件方法及技术研究 条宽( 条宽是线宽与线间距的尺寸总和) ，这增加了互连能力。而灿湿法刻蚀工艺 的各项同性性质导致其在v l s i 中的不广泛应用，而需要有方向性的干法刻蚀工艺 含f 气体被用来刻蚀s i 和s i 0 2 ，但并不适用于刻蚀越，因为刻蚀产生物a 1 f 3 的 气象压力很低。其它卤化物有足够高的气象压力，允许等离子体刻蚀灿，所以， 含c l 气体被用在干法刻蚀灿工艺中。含氟气体，如b c l 3 ，c 1 2 ，s i c h 被用来刻蚀铝。 如将没有氧化铝( a 1 2 0 3 ) 覆盖的舢表面暴露，它将与c 1 或c 1 2 反应生成a 1 c 1 3 , 即使 是在没有等离子体时。但如果a l 被一层薄的砧2 0 3 覆盖，( 如约3 0 a 的自然氧化层) ， 它将不会与c l 或c 1 2 反应。那么，对于a l 膜的刻蚀就分为两步工艺，包括移走自然 氧化层和刻蚀灿膜。 成功地移走自然氧化膜是影响铝刻蚀工艺的最重要的步骤之一。b c l 3 在许多 工艺中被指定用作移走自然氧化层的基气体，b c l 3 比c c h 更容易得到氧和水汽。自 然氧化被移走后，对灿的刻蚀在一定速度下进行，产生一定的图形。这受使用气 体所影响。在气体中含有高浓度的c 1 2 的工艺可以进行各向同性刻蚀，c c h ，c h c l 3 和其它氯化碳气体被加入g u c l 2 等离子体中来减小钴蚀。如果用s i 0 2 来作为筒的掩 膜层，在气体中含高浓度