第九章-基本光刻工艺流程-显影到最终检验

第九章 基本光刻工艺流程-曝光到最终检验概述 在本章，将解释从光刻胶的显影到最终检验所使用的基本方法。本章末尾将涉及膜版工艺的使用和定位错误的讨论。目的完成本章后您将能够：1. 划出晶圆在显影之前及之后的剖面图。2. 列出显影的方法。3. 解释硬烘焙的方法和作用。4. 列出晶圆在显影检验时被拒绝的至少五个原因。5. 划出显影-检验-重做工作过程的示意图。6. 解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点。7. 列出从氧化膜和金属膜上去除光刻胶的机器8. 解释最终检验的方法和作用。显影晶圆完成定位和曝光后，器件或电路的图案被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上（图9.1）。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影。显影技术被设计成使之把完全一样的膜版上图案复制到光刻胶上。不良的显影工艺造成的问题是不完全显影，它会导致开孔的不正确尺寸，或使开孔的侧面内凹。在某些情况下， 显影不够深而在开孔内留下一层光刻胶。第三个问题是过显影它会过多地从图形边缘或表面上去除光刻胶。 要在保证开孔的直径一致和由于清洗深孔时液体不易进入而造成的清洗困难的情况下保持具有良好形状的开孔是一个特殊的挑战。 负和正的光刻胶有不同的显影性质并要求不同的化学品和工艺。负光刻胶显影在光刻胶上成功地使图案显影要依靠光刻胶的曝光机理。负光刻胶暴露在光时会有一个聚合的过程它会导致光刻胶聚合在显影液中分解。在两个区域间有足够高的分解率以使聚合的区域只失去很小部分光刻胶。 对于大多数的负光刻胶显影二甲苯是受欢迎的化学品。它也在作负光刻胶中作溶液使用。显影完成前还要进行冲洗。 对于负光刻胶，通常使用n-丁基醋酸盐作为冲洗化学品，因为它既不会使光刻胶膨胀也不会使之收缩，从而不会导致图案尺寸的改变。用光刻机刻图案的晶圆， 可能使用一种性质较温和的STODDART 溶剂。俯视表层 光刻胶曝光后 显影后正确曝光 曝光不足不完全曝光 严重过曝光 （a） （b）图9.1 光刻胶显影 （a）过程 （b）问题 正光刻胶 负光刻胶 显影剂 NaOH Xylene TMAH Stoddard溶剂 冲洗 水 n-醋酸丁酯图 9.2 光刻胶显影剂和冲洗用化学品 冲洗的作用是双重的。第一，它快速地稀释显影液。虽然聚合的光刻胶不会被显影液分解，但在曝光的边缘总会有一个过度区其中包含部分聚合的分子。如果显影液留在表面上便会溶解这部分区域而改变图案尺寸。第二，冲洗可去除在开孔区少量部分聚合的光刻胶。 开发全部为水成分的负光刻胶显影系统一直是半导体工业的一个目标。从工厂中消除有机溶剂减少安全系统和减少处理或排放化学品的费用。到目前，只取得了很小的可接受的成功。正光刻胶显影正光刻胶有不同的显影条件。两个区域，聚合的和未聚合的区域，有不同的溶解率约1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过度的显影液或显影时间过长可以导致光刻胶太薄而不能使用。结果有可能导致在刻蚀中翘起或断裂。 有两种类型的化学显影液用于正光刻胶，碱-水溶液和非离子溶液。碱-水溶液可以是氢氧化钠或氢氧化钾。 因为这两种溶液都含有离子污染物， 所以在制造敏感的电路时不被使用。 大多数用正光刻胶的制造厂使用叠氮化四甲基铵氢氧化物的溶液（TMAH）。有时要添加表面活性剂来去除表面张力使溶液更易亲合晶圆表面。正光刻胶水的性质使它们在环保上比有机溶液的负光刻胶更具吸引力。掩膜版反光刻胶层晶圆聚合的光刻胶部分聚合的光刻胶未聚合的光刻胶图9.3 在光刻胶图案边缘的过度区 正光刻胶的显影工艺比负光刻胶更为敏感。1影响结果的因素是软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度、及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试决定。图9.4显示了对于一个特定的工艺参数对线宽的影响。湿法显影有几个方法用于光刻胶显影（图9.5）。方法的选择依据光刻胶极性、特征图形尺寸、缺陷密度的考虑、要刻蚀层的厚度及产能。20-S 曝光16-S曝光12-S曝光8-S 曝光光刻胶厚度持续曝光时间:50S（基于68华氏度的8秒曝光）显影剂浓度:50% 曝光后烘焙：无线宽变化显影剂温度（华氏）图 9.4显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较*沉浸*喷射*PUDDLE图9.5 显影方法沉浸。 沉浸是最古老的显影方法。在耐化学腐蚀的传输器中的晶圆被放进盛有显影液的池中呆上一定的时间然后再被放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗（图9.6）。 这种方法的问题如下：1. 液体的表面张力阻止了化学液体进入微小开孔区。2. 部分溶解的光刻胶块儿会粘在晶圆表面。3. 很多晶圆处理过后化学液池会被污染4. 当晶圆被提出化学液面时会被污染5. 显影液（特别是正显影液）随着使用会被稀释6. 为了消除1，2，3的问题需要经常更换化学液从而增加了成本。7. 室温的拨动改变溶液的显影率8. 晶圆必须迅速地送到下一步进行干燥这就增加了一个工艺步骤。经常在化学液池上增加附属方法来提高显影工艺。用通过使用机械搅动的办法来辅助增加均匀性和对微小开孔区的渗透。一种流行的系统是使用置于池内的TEFLON密封的磁体与池外可产生旋转磁场的装置构成。显影剂 冲洗 烘干图9.6 沉浸显影步骤 搅动也可用向液体施加超声波或磁声波的方法实现。超声波可产生气穴现象。 波中的能量使液体分离成微小的空洞随即空洞会破裂。成千上万个微小空洞的快速产生和破裂会产生均匀显影并有助于液体渗透进微小的开孔区。在磁声波范围的声波能量会减小粘在晶圆表面的STAGNENT界线层。2另外也通过对液体池进行加热和温度控制来增强显影率。喷射显影。 受欢迎的化学显影方法是用喷射。事实上，通常有很多原因使喷射工艺对于任何湿法工艺（清洁、显影、刻蚀）来讲比沉浸工艺更受欢迎。例如，用喷射系统可很大地降低化学品的使用。工艺的提高包括由于因喷射压力的机械动作而限定光刻胶边缘和去除部分光刻胶块儿而带来较好的图案清晰度。因为每个晶圆都是用新的化学显影液所以喷射系统总是较沉浸系统清洁。 喷射工艺可在单一或批量系统完成。在单一晶圆配置中（图9.7），晶圆被真空吸在吸盘上并旋转同时显影液和冲洗液依次地喷射到晶圆表面。冲洗之后晶圆吸盘高速旋转使晶圆被甩干。在外观和设计上，单晶圆喷射系统和点胶机一样只是通入不同的化学品。单晶圆喷射系统具有可集成显影和硬烘焙工艺而实现自动化的优点。这个工艺的一个主要优点是均匀性的提高。冲洗显影剂 真空图9.7喷射显影和冲洗 许多年来喷射显影一直是对负光刻胶的一个标准工艺因为负光刻胶对显影液的温度不算敏感。对于温度敏感的正光刻胶来说，喷射系统不是很有效。问题在于液体在压力下从喷嘴喷出后便很快冷却。称为隔热冷却（adiabatic cooling），用于正光刻胶的喷射显影系统通常由加热的晶圆吸盘或加热的喷嘴来控制温度。用于正光刻胶的喷射显影所遇到的其它问题是当使用碱显影液和水基的显影液喷出时产生的泡沫而造成机器的老化。 批量显影系统有两种形式，单批和多批。这些机器是甩-冲洗-干燥这在第7章有所描述。显影系统要求额外的管道来供应显影化学品。多批显影系统一般上较直喷射，单晶圆系统的均匀性低因为它不是喷射到晶圆表面上并且在正光刻胶的工艺上温度控制更复杂。混凝显影。 喷射显影因其均匀性和产能而非常有吸引力。混凝显影是用以获得正光刻胶喷射显影工艺优点的一种工艺的变化。该系统使用一个标准的单晶圆喷射装置。正常的喷射显影和混凝显影的区别是用于晶圆的显影化学品的不同。工艺开始时在静止的晶圆表面上覆盖一层显影液。（图9.8）。表面张力使显影液在晶圆表面上不会流散到晶圆外。显影液会在晶圆表面上停留一定的时间，通常是在以吸盘加热的晶圆上，这时绝大部分的显影会发生。混凝显影是单晶圆只有晶圆表面沉浸的工艺。要求的时间过后，更多的显影液被喷到晶圆表面上并冲洗，干燥，然后送去下一个工序。等离子体去除浮渣。不完全显影造成的一个特殊的困难是叫做浮渣（scumming）的情形。浮渣可以是留在晶圆表面上的未溶解的光刻胶块儿或是干燥后的显影液3。 膜很薄并很难直观检验。为解决这问题，在微米和微米以下的ULSI生产线中， 在化学显影后用氧等离子体来去除（descum）这种薄膜。干法（或等离子）显影液体工艺的消除一直是一个长期目标。它们难于集成到自动生产线并且化学品的采购、储存、控制和处理费用高。取代液体化学显影液的途径是使用等离子体刻蚀工艺。干法等离子体刻蚀对于刻蚀晶圆表面层已经是完善的工艺。（参见 “干法刻蚀”）。在离子体刻蚀中，离子，由离子体场而得到能量，以化学形式分解暴露的晶圆表面层。 干法光刻胶显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的部分二者之一易于被氧等离子体去除。换句话说，图案的部分从晶圆表面上氧化掉。一种干法显影叫做DESIRE的工艺将在第10章中描述，它使用甲基硅烷和氧等离子体。硬烘焙硬烘焙是在掩膜工艺中的第二个热处理操作。它的作用是实质上和软烘焙是一样的：通过溶液的蒸发来固化光刻胶。而硬烘焙的目的是使光刻胶和晶圆表面有良好的粘贴。这个步骤有时称为刻蚀前烘焙。硬烘焙的方法硬烘焙在设备和方法上与软烘焙相似。对流炉、在线及手动热盘，红外线隧道炉，移动带传导炉，真空炉都用于硬烘焙中。对于自动生产线，轨道系统受到青睐。参见第8章软烘焙一段。硬烘焙工艺硬烘焙的时间和温度的决定与在软烘焙工艺是一样的。起始点是由光刻胶制造商推荐的工艺。之后，工艺在被精确调整来达到粘贴和尺寸控制的要求。一般使用对流炉的硬烘焙的温度是从130到200度进行30分钟。 对于用其它的方法时间和温度都有所不同。设定最低温度使光刻胶图案边缘和晶圆表面达到良好粘贴。热烘焙增强粘贴的机理是脱水和聚合。加热使水份脱离光刻胶，同时使之进一步聚合，从而增强了其耐刻蚀性。 硬烘焙温度的上限以光刻胶流动点而定。光刻胶有象塑料的性质当加热时会变软并可流动（图9.9）。当光刻胶流动时，图案尺寸便会改变。当在显微镜下观察光刻胶流动是明显的增厚的光刻胶边缘。极度的流动会在沿图案边缘处显示出边缘线。边缘线是自光刻胶流动后在光刻胶中留下的斜坡来的光学影响。 正常温度 高温图9.9光刻胶在高温下流动硬烘焙工艺流程显影显影/烘焙显影/烘焙检验 检验 检验硬烘焙 刻蚀 重新烘焙刻蚀 刻蚀图 9.10硬烘焙工艺流程的几个选择 硬烘焙是立即在显影后或是马上在开始刻蚀前来进行的，如图9.10所示。在大多数生产情况中，硬烘焙是由和显影机并排在一起的隧道炉来完成的。当使用此种操作规程时，把晶圆存放在氮气中或是立即完成检验步骤以防止水份重新被吸收到光刻胶中，这一点非常重要。显影检验在显影和烘焙之后就是要完成光刻掩膜工艺的第一个质检。适当地来说应叫显影检验（develop inspect）或DI。检验的目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆；提供工艺性能和工艺控制数据；及分拣出需要重做的晶圆。 这时的检验良品率，也就是通过这第一个质检的晶圆数量，不会计入最终良品率的计算。但是有两个主要原因使之成为很受关注的良品率。光刻掩膜工艺对于电路性能的的关键性会在本文点强调。在显影检验工艺，工程师有第一个判断工艺的性能机会。显影检验步骤的第二个重要性与在检验时作的拒收有关。首先，一部分晶圆会从上一步留下来问题而要停止工艺处理。这些晶圆在显影检验时会被拒绝接受并进行处理。其它在光刻胶上有光刻图案问题的晶圆可被通过去掉光刻胶的办法而进行重新工艺处理。几乎没有工厂不发生这种一般性的重新工艺处理。 晶圆被返回掩膜工艺称为重新工艺处理（rework或redo）。工艺工程师的目标是保持尽可能低的重新工艺处理率，应小于10%而5%是一个受欢迎的水平。一个原因是去过重新工艺处理的晶圆在最终工艺完成时有较低的分选良品率。重新工艺处理会造成粘贴问题并且再次的传输操作会导致晶圆污染和损坏。如果太多的晶圆进行重新工艺处理则整个分选良品率会受到严重的影响。保持低重新工艺处理率的第二个原因与在进行重新工艺处理晶圆时要求另外的计算和区分有关。去水合物 点胶烘焙 光刻胶去除定位和曝光显影检验 拒收的晶圆合格晶圆图9.11 重做过程 显影检验良品率和重新工艺处理率随掩膜水平而变。总体上，在掩膜次序中的第一级有较宽的特征图形尺寸、较平的表面和较低的密度，所有这些会使掩膜良品率更高。在晶圆到了关键的接触和连线步骤时，重新工艺处理率会有上升趋势。显影检验的方法在这一段将解释检验方法，工艺流程和检验的参数。检验设备的描述会将在第14章进行。总体上有四类晶圆上的问题适用于显影检验和最终检验。在图案尺寸 （关键尺寸测量）上会有偏差。有定位不准的图案，有表面问题如光刻胶的污染、空洞或划伤及污点和其它的表面不规则。人工检验图9.12的流程图显示了一个典型的人工显影检验次序。第一步是用眼睛直观检验晶圆表面。由于没有使用放大镜，所以这种检验有时又叫做1倍检验（1倍放大等于眼的视觉水平）。检验可在正常的室内光线下进行， 但是更多时候晶圆要在直射的白光或高密度紫外线下进行。检验时晶圆与光线成一定的角度。用这种方法可以非常有效地检查出膜厚的不规则，粗显影问题、划伤及污染，特别是污点。 通过1倍检验的晶圆将在显微镜下检查。大多数工业上的作法是用基于概率原理的随机取样（random sampling）的方法。这个原理决定必须要精确探测出缺陷水平的区域大小。这样的检验系统是基于操作员随机选取检查区域的。 步骤检查内容方法1污点/大的污染裸眼/UV光2污点/大的污染图案不规则性定位不准100-400倍显微镜SEM/AFM/自动检验设备3微观尺寸显微镜/SEM/AFM图9.12 显影检验次序 人工检验中不采用随机取样。随着缺陷密度的下降并对于VLSI集成电路如果要得到满意的缺陷采样检查的区域就需要扩大。然而，随着芯片密度的增大每个芯片上的器件也在减小这就倍数更大的显微镜来检查。放大倍数的增加会使视景减小，这又会造成操作员用更多的时间来检查晶圆。统计地去采样一个大直径低缺陷的晶圆的方法因其所要求的时间长而被禁止。 通常的规程是选择一些具体的区域来检查。假设被选定的芯片在地理上代表晶圆表面。这个方法也假设一般的问题会出现在表面上。这个方法对于一般晶圆上的问题是适当的并提醒工艺工程师在掩膜工艺中的问题。通常显微镜会装有可驱动的/编程的平台以自动进行对晶圆表面的区域检查。 除了芯片采样的问题，还有晶圆采样的问题。晶圆检查的数量随着具体掩膜级别的难度与敏感性变化。越敏感和有难度的光刻胶层，可能越要检查更多的晶圆。 每批晶圆中要检查的数量可从几个到全部。在每个掩膜级别，有一些尺寸对于整个电路是非常关键的一个区域或一组图案。对每个级别有一个代表性的图案被选出来作为关键尺寸（Critical Demension，CD）。在显影检验过程中，要使用人工或自动显微镜的方法来测量这些图案的尺寸。自动检验。随着芯片尺寸增大和元件尺寸的减小，工艺变得更加繁多并精细，人工检验的效力也到了极限。可探测表面和图案失真的自动检验系统成为了在线和非在线检验的选择。这些系统将在第14章中描述。自动检验系统提供了更多数据， 这又令工艺工程师能够特性化和控制工艺。它们的一致性好，而人会在能力上发生变化并因做重复性的工作而产生疲劳。显影检验拒收的原因有很多原因可使晶圆在显影检验时被拒收。一般地，要找的仅是那些在光刻掩膜步骤中增加的缺陷。每一片晶圆都会带有一些缺陷和问题并且晶圆到达当前步骤时有可接受的质量，在这一原理下，从上一步留下的缺陷一般地被忽略掉。如果一片晶圆有严重的问题而在上一步未被发现它就会被从批料中拿掉。 这种检验一般是一个“首先-不足原理（firstfail basis）” 就是说操作员或机器检验晶圆直到达到一个拒收的水平。“首先-不足”系统节省时间但不会给工艺工程师一个晶圆图案质量的估计。每片晶圆的信息被记录在清单上以做累计和分析用。自动和半自动光学检验仪有电子记忆用来累积和收集拒收数据。在一些先进的生产线上把检验单编程到PC中，这会提高检验步骤和数据分析的速度。 大多数拒收的原因已讨论过。但还有一个涉及的问题是搭桥（图9。14）。 它是指两个图案被一曾薄光刻胶相联的情况。搭桥是因曝光过度、光刻掩膜版清晰度不良、或光刻胶层太厚造成的。搭桥是一个特殊的棘手问题。批号碎晶圆划伤污染小孔MIA搭桥光刻胶翘起曝光不足无光刻胶光刻胶流动不正确掩膜版C。D拒收图9.13典型的显影检验单刻蚀在完成显影检验步骤后，掩膜版的图案就被固定在光刻胶膜上并可准备刻蚀。在刻蚀后图案就会被永久地转移到晶圆的表层。刻蚀就是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆的最表层的工艺。刻蚀工艺主要有两大类：湿法和干法刻蚀（图9.21）。两种方法的主要目标是将光刻掩膜版上的图案精确地转移到晶圆的表面。其它刻蚀工艺的目标包括一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度和所有权成本最低化。湿法刻蚀历史上的刻蚀方法一直是使用液体刻蚀剂沉浸的技术。规程类似于氧化前清洁-冲洗-干燥工艺（第7章）和沉浸影。晶圆沉浸于装有刻蚀剂的槽中过一定的时间， 传送到冲洗设备中去除残余的酸，再送到最终冲洗和甩干。湿法刻蚀用于特征图形尺寸大于3微米的产品。低于此水平时，由于控制和精度的需要就得使用干法刻蚀。刻蚀一致性和工艺控制由附加的加热器和搅动设备来提高，例如，搅拌器或带有超声波和磁声波的槽。长槽湿法刻蚀被与第7章所描述的喷射系统相似。对于刻蚀，化学成分和计时非常关键。 对于晶圆被刻蚀剂污染的担忧由增加出口过滤器（point-of-use filter）来解决。这些特殊的过滤器安装在自动化学分配系统的最终出口处以使在化学液体进入槽前被过滤干净。这种方式可阻挡住从化学品、泵和管道系统来的微粒。 光刻胶图案搭桥短路图9.14搭桥的连线 被选择的刻蚀液要有可均匀地去掉晶圆表层而又不伤及下一层的材料（良好的选择性）的能力。 刻蚀时间的变化性是一个工艺参数，它受料盒和晶圆在槽中到达温度平衡的过程中温度变化的影响，和在晶圆被送入冲洗槽过程中持续刻蚀的影响。一般地， 工艺被设置在最短时间并保持与均匀刻蚀和高生产力。最大时间受限于光刻胶在晶圆表面的粘贴时间。 图案复制的精度依靠几个工艺参数。它们包括：过刻蚀、内切、选择性和侧边的各向异性/各向同性刻蚀。不完全刻蚀不完全刻蚀是指表面层还留在图案孔中或表面上的情况（图9.15）。不完全刻蚀的原因是太短的刻蚀时间，出现可减慢刻蚀时间的表面层，或是一个薄厚不均匀的表层也可导致在厚的部分产生不完全刻蚀。光刻胶层晶圆图9.15不完全刻蚀如果使用化学湿法刻蚀，过低的温度或弱的刻蚀液会导致不完全刻蚀。如果是干法刻蚀，不正确的混合气体或不当的系统运行可导致相同的影响。 过刻蚀和底切与不完全刻蚀相反的是过刻蚀（overetch）。在任何的刻蚀工艺中，总会有一定程度的有计划的过刻蚀以便允许表层厚度的变化。有计划的过刻蚀还可用以来突破最外表层的缓慢刻蚀层。 理想的刻蚀应在表层中形成垂直的侧边（图9.16）。产生这种理想结果的刻蚀技术叫做各向异性刻蚀（anisotropic）。然而，刻蚀剂会从各个方向去掉材料，这种现象叫做各向同性（isotropic）。在从最外表面刻蚀到表层底部的过程中刻蚀也会在最外表面进行。结果会在侧边形成一个斜面。这种作用因在光刻胶边缘下被底切所以称为底切（undercutting）（图9.17）。一个持续的刻蚀目标是把底切水平控制在一个可接受的范围内。电路布置的设计者在计划电路时会把底切考虑在内。相邻的图案必须要分开一定的距离以防止短路。在图案设计的时候必须要计算底切量。各向异性刻蚀可用等离子体刻蚀的方法可以得到，它用于刻蚀高级的电路时受到青睐。底切的减少可允许制作更密的电路。 各向异性刻蚀各向同性刻蚀图9.16各向异性刻蚀和各向同性刻蚀正常过刻蚀过刻蚀和光刻胶翘起图9.17 底切的程度 当刻蚀时间过长，刻蚀温度太高，或是刻蚀剂混合物太强便会发生严重的底切（或过刻蚀）。当光刻胶和晶圆表面粘接力较弱也会发生底切。这是一个持续令人担心的问题。干燥脱水、PRIME、软烘焙和硬烘焙的目的就是来防止这种问题。在刻蚀开孔的边缘光刻胶粘接力的失效会导致严重的底切。如果粘接力非常弱，光刻胶会翘起而导致极为严重的底切。选择性在刻蚀工序的另一个目标是保护被刻蚀层下的表面。如果晶圆的下层表面被部分刻蚀掉，则器件的物理尺寸和电性能会发生改变。和保护表面相关的刻蚀工艺的性质是选择性（selectivity）。它由被刻蚀层的刻蚀速率与被刻蚀层下面表层的刻蚀速率的比来表示。以不同的刻蚀方法氧化硅/硅的选择性从20到40。4高选择性意味着下表层很少或没有被刻蚀。在刻蚀形状比大于3:15的小接触孔时良好的选择性也会成为一个问题。选择性还适用于光刻胶去除。这在干法刻蚀中考虑较多。在表层被刻蚀去的同时一些光刻胶也会同时被去除。选择性必须要足够高来保证光刻胶不会在被刻蚀层之前被去除掉。硅湿法刻蚀典型的硅刻蚀是用硝酸与氢氟酸的混合水溶液。这一配比规则在控制刻蚀中成为一个重要的因素。在一些比率上，刻蚀硅会有放热反应。放热反应所产生的热可加速刻蚀反应，接下来又产生更多的热，这样进行下去而导致工艺无法控制。有时醋酸和其它成分被混合进去来控制放热反应。一些器件要求在晶圆上刻蚀出槽或沟。 刻蚀规则要进行调整以使刻蚀速率依靠晶圆的取向。 取向的晶圆以45度角刻蚀，而取向的晶圆以“平”底刻蚀。6其它取向的晶圆可得到不同形状的沟槽。多晶硅刻蚀也用基本相同的规则。 二氧化硅湿法刻蚀最共同的刻蚀层是热氧化形成的二氧化硅。基本的刻蚀剂是氢氟酸（HF），它有刻蚀二氧化硅而不伤及硅的优点。然而，饱和浓度的氢氟酸在室温下的刻蚀速率约为300纳米/秒。7这个速率对于一个要求控制的工艺来说太快了。（3000纳米厚的膜仅要10秒）。 在实际中，氢氟酸（49%）与水或氟化胺与水混合。以氟化胺（NH（INF/4F）来缓冲会加速刻蚀速率的氢离子的产生。这种刻蚀溶液称为缓冲氧化物刻蚀（buffered oxide etches）或BOEs。它们以不同的浓度混合来达到合理的刻蚀时间（图9.18）。一些BOE公式包括一个湿化代理物（表面活化剂如TRITONX-100或等同物）用以减小刻蚀表面的张力，以使其均匀地进入小开孔区。铝膜湿法刻蚀有选择的铝和铝合金刻蚀溶液基于磷酸。不幸的是铝与磷酸反应的副产物是微小的氢气泡，象图9.19那样。结果既可产生导致相邻引线短路的铝桥接又可在表面形成不希望的称为雪球（snow ball）的铝点儿。铝刻蚀溶液的使用缓和了这个问题它含有磷酸、硝酸、醋酸、水、和湿化代理物。典型的溶液成分（湿化代理物较少）是16:1:1:2。BOE （快）BOE （Int II）BOE （Int I）BOE（慢）刻蚀率温度（摄氏）图9.18刻蚀率和温度对BOEs的关系搭桥雪球氢气泡图9.19氢气泡阻挡刻蚀剂 除了特殊公式外，典型的刻蚀工艺还会包含以搅拌或上下移动晶圆料盒的搅动。有时超声波或磁声波也用来去除汽泡。淀积氧化物湿法刻蚀在晶圆上的最终膜层之一的是一层在铝膜上的二氧化硅钝化膜。这些膜是蒸汽氧化或硅氧化膜。在膜的化学成分是硅氧化物（与热生长二氧化硅相同）时，要求不同的刻蚀方案刻蚀溶液。不同之处是所要求的刻蚀剂的选择性不同。 通常刻蚀二氧化硅的刻蚀剂是BOE溶液。但是BOE会腐蚀下层的铝引脚，导致在封装工艺中产生压焊问题。这种情况称为BROWN，或沾污的焊点（stains）。受青睐的刻蚀剂是氟化胺和醋酸1:2的混合水溶液。氮化硅刻蚀对于钝化层，另外一种受青睐的化合物是氮化硅。可以用液体化学的方法来刻蚀， 但是不象其它层那样容易。使用的化学品是热磷酸（180摄氏度）。因酸液在此温度下会迅速蒸发，所以刻蚀要在一个安有冷却盖的密封回流容器中进行。主要问题是光刻胶经不起刻蚀剂的温度和高刻蚀速率。因此，需要一层二氧化硅或其它材料来阻挡刻蚀剂。这两个因素已导致对于氮化硅使用干法刻蚀技术。湿法喷射刻蚀湿法喷射刻蚀相对沉浸刻蚀有几个优点。主要的是喷射的机械压力而增加的精确度。8湿法喷射刻蚀最低程度地减小了从刻蚀剂来的污染。从工艺控制的观点来看，喷射刻蚀因刻蚀剂可被水冲洗及时地从表面去掉而更加可控。单晶圆旋转喷射系统有相当多的工艺一致性的优点。蒸汽刻蚀一种正在出现的技术是把晶圆暴露于刻蚀剂蒸汽中。HF是最常用到的。优点是会有持续新鲜的刻蚀剂补充到晶圆表面并且可及时停止刻蚀。出于安全考虑，有毒蒸汽需要密封保持在系统中。 通用刻蚀剂 刻蚀温度 速率（埃/分钟） 方法二氧化硅 HF&NH4F 室温 700 浸泡和湿化剂预浸泡 （1:8）二氧化硅 HF&NH4F 室温 700 浸泡和湿化剂预浸泡 （1:8）二氧化硅 乙酸& NH4F 室温 1000 浸泡 （2:1）铝 H3PO4 :16 40-50C 2000 a） 浸泡和搅动 HNO3 : 1 b） 喷射 乙酸 : 1 水 ：2 湿化剂氮化硅 H3PO4 150-180C 80 浸泡多晶硅 HNO3 ：50 室温 1000 浸泡 水 ：20 HF ：3图9.20 湿法刻蚀工艺总结干法刻蚀对于小尺寸湿法刻蚀的局限在前面已经提到。它们包括：1. 湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸。2. 湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡。3. 湿法刻蚀工艺要求冲洗和干燥步骤。4. 液体化学品有毒害。5. 湿法工艺有潜在的污染。6. 光刻胶粘结力的失效导致底切。基于这些方面的考虑，干法刻蚀被用于先进电路的小尺寸精细刻蚀中。图9.21是干法刻蚀技术的概略。 干法刻蚀（dry etching）是一个通称术语，是指以气体为主要媒体的刻蚀技术晶圆不需要液体化学品或冲洗。晶圆在干燥的状态进出系统。有三种干法刻蚀技术：等离子体、离子束碾磨（刻蚀）和反应离子刻蚀（RIE）。等离子体刻蚀等离子体刻蚀，象湿法刻蚀一样是使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺。二氧化硅刻蚀在两个系统中的比较说明了区别所在。在湿法刻蚀二氧化硅中，氟在刻蚀剂中是溶解二氧化硅的成分，并转化为可用水冲洗的成分。形成反应的能量来自BOE溶液的内部或外部加热器。 刻蚀 湿法 干法 沉浸 喷射 等离子体 离子打击报复 反应离子刻蚀（R。I。E） 桶形 平面9.21 刻蚀方法等离子体刻蚀机要求相同的元素：化学剂和能量源。物理上，等离子体刻蚀机由一个反应室、真空系统、气体供应和电源供应组成（图9.22）。晶圆被送入反应室并且由真空系统把内部压力降低。在真空建立起来后，将反应室内充入反应气体。 对于二氧化硅刻蚀，气体一般使用CF4和氧的混合。电源能量供应通过在反应室中的电极创造了一个高频电场。能量场将混合气体激发成为等离子体状态。在激发状态，氟刻蚀二氧化硅并将其转化为挥发性成分由真空系统排出。 早期的离子体系统被设计成圆形的并叫做桶形刻蚀机（barrel etchers）。在这种设计中，离子由等离子体以一个无方向的图案形式激发。刻蚀离子从各个方向刻蚀（各向同性刻蚀）表层，形成一个斜坡形的侧边。但均匀性是个问题，因为无方向的刻蚀离子和晶圆的紧密安放，使得持续地向系统内所有的晶圆供应定量的刻蚀剂变得困难。 对于桶形等离子体刻蚀的另一个考虑是高能量等离子体场的辐射损害。高能量导致电荷在晶圆表面的积累会危及电路的电子功能。用带孔的金属圆桶把晶圆与离子体隔离开以保护晶圆免于辐射（图9.23）。平面等离子体刻蚀。对于更精确的刻蚀，有极性的等离子体系统受到青睐。这种系统有桶形系统的基本构成，但是晶圆被放置在一个接地的在RF电极下的盘上（图9.24）。刻蚀实际上发生在等离子体中。刻蚀离子比在桶形系统中的有方向性，导致更加各向异性刻蚀。用等离子体刻蚀可得到几乎垂直的侧边。在系统中，旋转晶圆盘可增加刻蚀均匀性。 平面等离子体系统被设计成批量和单个晶圆反应室设置。单个晶圆系统因其可对刻蚀参数紧密地控制以得到均匀刻蚀而受到欢迎。此外，带有加载室的单个晶圆系统可保持产量高并可与在线自动化配合。反应气体 真空产生RF的线圈图9.22桶形等离子体刻蚀离子体保护罩等离子体刻蚀反应室图9.23 桶形带有保护罩的等离子体去胶机反应气体等离子体场晶圆RF电极接地图9.24平面等离子体刻蚀 产生RF的平行板等离子体源在0.35微米工艺中正在被新形式等离子体源取代。9在考虑中的高密度、低密度的等离子体源是电子回旋加速器共振（ECR），高密度反射电子，HELICON波，感应耦合等离子体（ICP）和变压器耦合等离子体（TCR）。 干法刻蚀的优点在于如下各方面：刻蚀率、辐射损害、选择性、微粒的产生、刻蚀后腐蚀和所有权成本。刻蚀率等离子体系统的刻蚀率由一系列因素决定。系统设计和化学品其中两个。其它是离子浓度和系统压力。离子浓度（#离子/立方厘米）是供给电极的电能的一个函数（电能供应设置在第12章中描述）。增加电能会增加更多离子从而又会提高刻蚀率。离子密度与增加化学刻蚀液体的浓度相似。离子密度在3X1010-3x1012的范围内。10系统压力通过叫做平均自由路径的现象来影响刻蚀率和一致性。这是一个气体原子或分子在碰撞到另一个微粒前经过的平均距离。在压力较高时，会发生很多碰撞这使微粒以各种方向运动，因而导致边缘轮廓失去控制。低压较为理想但是要权衡在下面解释到的等离子体损伤。典型的系统压力在0.4到50毫托。11刻蚀率从600到2000纳米/分钟。12被刻蚀材料传统化学品新型化学品优点多晶硅无碳污染增加了对二氧化硅和光刻胶的选择性更高的刻蚀率铝较好的轮廓控制无碳污染硅-铝（1%）-铜（8。5%）N2加速铜的刻蚀率铝-铜（2%）铝的加入有助于铜的刻蚀钨无碳污染刻蚀在TiW和TiN上停止TiW可控的刻蚀轮廓无碳污染更高的选择性单晶硅CFC的另一选择二氧化硅CFC的另一选择氮化硅氟提供在ALGAASD的刻蚀停止InP干净刻蚀比CH4/H2更高的刻蚀率图9.25 等离子体刻蚀气体表辐射损伤较高密度和低压力好象是受欢迎的系统设计。然而，消极的一面是对晶圆的辐射（radiation）或等离子体（plasma）损伤。在等离子体中有受激发的原子，中性粒子，离子，电子，和光子。13根据这些粒子的浓度与能量级别不同而导致对半导体的各种损伤。损害包括表面泄漏，电参数的变化，膜的退化（特别是氧化层），和对硅的损害。有两种损伤机理。一个是简单的过度地暴露于高浓度的等离子体离子中。另一个是由于在刻蚀循环中电流流过非导体而导致的非导体损耗（dieletric wearout）。14更高密度的等离子体源也对光刻胶的去除带来一个问题。能量与低压力的结合使光刻胶趋于变硬到用传统的工艺难以去除的程度。（参见光刻胶的去除）。系统设计人员正在研究具有高密度，低能量离子和低压力的等离子体。 除了平衡离子密度/压力参数外，下游等离子体（downstream plasma）源工艺是一个减少等离子体损伤的选择。可造成损伤的粒子来源于等离子体源产生的高能作用于气体。下游等离子体源系统在一个反应室产生等离子体而后将其传输到下游的晶圆。晶圆与可造成损伤的等离子体被分隔开来。为了将损害减小到最低，系统必须可区分等离子体放电，离子的重新结合以及电子密度的减小。15下游等离子体源系统被发展成为在光刻胶去除时可使等离子体损害减小到最低。虽然它使刻蚀系统变得更为复杂，但它在刻蚀中的应用正受到关注。选择性选择性是等离子体刻蚀工艺的一个主要的考虑事项，特别是当需要进行平衡过刻蚀时。理想地，刻蚀时间可以通过要预计去除的膜厚度加上一点儿以确保安全的过刻蚀时间来计算。不幸的是，累计厚度和在高密度器件中多层膜组成物的变化提出了刻蚀一致性问题。另外对于高密度器件，一个叫做微加载的现象会引入刻蚀率的变化。 微加载是相对于被刻蚀材料区域的本区域刻蚀率的变化。一个大的区域会以去掉的材料加载于刻蚀过程，会减缓刻蚀速度而小区域则会以较快的刻蚀率进行。 地形问题也会要求对过刻蚀的考虑。典型的情况是在器件/电路中薄区域与厚区域上的接触孔开口（图10.13）。这些因素对于金属刻蚀会导致50%到80%的过刻蚀，16对于氧化物和多晶硅刻蚀会高达成200%。17 过刻蚀使得选择性的问题变得非常关键。有两个要考虑的因素：光刻胶和其下层膜（通常是硅或氮化硅）。干法刻蚀较湿法刻蚀工艺对光刻胶有更高的去除率。 用于界定小图形的给定更薄膜和正在增加的多层膜叠加的使用，光刻胶的选择性变得十分关键。混合选择性问题是高形状比的图案。高级的器件有高至4:1的形状比。孔与其高度相比非常窄刻蚀在接近孔的底部会减慢或停止。18 用于控制选择性的四种方法是刻蚀气体配比的选择；刻蚀率；接近工艺结束时的气体稀释来减缓对下层的刻蚀；在系统中使用结束点探测器。结束点探测器检测被刻蚀层材料在生成物气流的存在，并在探测不到材料时自动发出信号来结束刻蚀。污染， 残余物， 腐蚀，及所有权成本。其它的要关注的工艺问题，特别是在小于微米的范围，是微粒的产生、残余物、刻蚀后腐蚀，和所有权成本因素。一个减少微粒的尝试是以静电晶圆固定器取代机械式固定器。机械式固定器产生微粒并可导致晶圆碎裂，并且夹爪会遮挡住部分晶圆的表面。静电固定器以晶圆与固定器间的直流电势来固定晶圆。19 等离子体刻蚀环境中有许多的剧烈化学反应，光刻胶中的氢氧基团与卤化物气体发生反应形成稳定的金属卤化物（如AlF3， WF5， WF6）和氧化物例如TiO3， TiO，和/或WO2。20这些残余物产生污染问题并影响有选择性的钨沉积。21 刻蚀后腐蚀是由一些刻蚀后留在金属图案上的残余物引起的。铝中铜增加物和钛/钨金属化的使用增加了刻蚀后因残留氯化物而引起的腐蚀问题。将这些问题减小到最小包括以氯刻蚀物替代基于氟的刻蚀物，钝化侧边和刻蚀后工艺如去除残留氯化物或使用氧化来钝化表面。22其它的解决方案包括氧气等离子体处理，发烟硝酸和湿法光刻胶去除工艺步骤。24所有权成本因素在第15章中有详细描述。对于刻蚀机，一个主要的COO参数是刻蚀率。 图9.25列出了用于不同材料的一般的刻蚀气体。硅和二氧化硅工艺常用基于氟的刻蚀剂如CF4。铝刻蚀一般使用基于氯的气体，如BCl3。离子束刻蚀第二种类型的干法刻蚀系统是离子束刻蚀系统（图9.26）。与化学等离子体刻蚀系统不同，离子束刻蚀是一个物理工艺。晶圆在真空反应室内被置于固定器上并且向反应室导入氩气流。当进入反应室，氩气便受到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响。电子将氩原子离子化成为带正电荷的高能状态。由于晶圆位于接负极的固定器上从而氩离子便被吸引向固定器。当氩原子向晶圆固定器移动时，它们会加速，提高能量。在晶圆表面，它们轰击进入暴露的晶圆层并从晶圆表面炸掉一小部分。科学家称这种物理工艺为动力传输（momentum transfer）。 在氩原子与晶圆材料间不发生化学反应。