微电子材料与制程：第四章 刻蚀

1、2018年深圳大学材料学院本科生课程微电子材料与制程第四章 刻蚀24.1刻蚀工艺流程 用化学或物理的方法有选择地去除不需要的材料的工艺过程称为刻蚀。刻蚀就是将涂胶前所沉积的薄膜中没有被光刻胶覆盖和保护的那部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。刻蚀刻 蚀34.1 刻蚀概述44.1 刻蚀概述5在集成电路制造中，利用光刻胶图形作为保护膜，对选定区域进行刻蚀，或进行离子注入，形成器件和电路结构。4.1 刻蚀概述6湿法刻蚀：用液体化学剂（如酸，碱和溶剂等）以化学方式去除衬底表面的材料。湿法刻蚀一般只用于尺寸较大的情况下。干法刻蚀：把衬底表面曝露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻

2、胶中开出的窗口，于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。它是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。4.1 刻蚀概述7 在电子器件制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的。干法刻蚀湿法刻蚀 浸入式湿法刻蚀喷洒式湿法刻蚀等离子刻蚀溅射刻蚀离子铣反应离子刻蚀刻蚀工艺4.1 刻蚀概述84.1 刻蚀概述刻蚀参数相关刻蚀参数:刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择比均匀性聚合物等离子体诱导损伤94.1 刻蚀概述1. 刻蚀速率刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面不需要的材料的速度。刻蚀速率T/t（/min) 其中，T=去掉的材料厚度（或m

3、） t=刻蚀所用时间（min） Si 基板T光刻胶被刻蚀材料104.1 刻蚀概述2. 刻蚀剖面刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状。两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面Isotropic etch - etches in all directions at the same rateSubstrateFilmResistAnisotropic etch - etches in only one directionResistSubstrateFilm具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀湿法各向同性化学腐蚀114.1 刻蚀概述3. 刻蚀偏差刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化。 刻蚀偏差W

4、aWbBias：凹切量或侧蚀宽度UndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)124.1 刻蚀概述4. 选择比选择比是指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一种材料的刻蚀速率之比。高选择比则意味着只刻除想要除去的材料，而对其他部分不刻蚀。SiO2对光刻胶的选择比 (Tsio2/t1)/(T胶/t1) Tsio2/T胶 （a）0时刻 （b）t1时刻134.1 刻蚀概述5. 均匀性刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching 144.1 刻蚀概述6.

5、聚合物聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳与刻蚀气体和刻蚀生成物结合在一起而形成的；能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。聚合物的形成有时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，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。154.1 刻蚀概述7. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿。带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。164.2 湿法刻蚀 应用：通常用于大尺寸刻蚀（ 3m尺寸 ），一般用于整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等。湿法

6、刻蚀分 类浸入式湿法刻蚀喷洒式湿法刻蚀刻蚀方式将基片浸入刻蚀溶液向基片上喷洒刻蚀溶液主要参数刻蚀液浓度、时间、温度以及溶液的搅拌方式优 点刻蚀选择性好、设备简单、损伤少、产量（刻蚀速率）大缺 点易污染、各向异性差（特别是对金属和氧化物）。如果刻蚀速率和时间控制不精确，通常会有钻蚀（undercut）或侧蚀。174.2 湿法刻蚀材料刻蚀液刻蚀速率（nm/min）SiO2HFNH4F（BOE）100HFHNO3H2O（P刻蚀液）12Si3N4HFNH4F（BOE）0.5H3PO410AlH3PO4HNO310HAc H3PO4 H2O30AuKII21000MoH3PO4HNO3 HAc H2O5

7、00PtHNO3 HCl H2O50WKH2PO4K3Fe(CN)6 KOH160TIHF500NIFeCl3800CrCe(NH4)2(NO3)6300184.2 湿法刻蚀硅的湿法刻蚀 不同晶面的原子键密度不一样，导致刻蚀速率不一样。一些刻蚀剂对某一晶面的刻蚀速度比其它晶面快得多，这称为各向异性刻蚀。对于硅单晶，几乎所有的各向异性刻蚀液对常用晶面的刻蚀速率均为： R（100） R（110） R（111）。 (100)、(110)与(111)的腐蚀速率比为100：16：1。一些刻蚀剂，如联氨（H2N-NH2）、乙二胺-邻苯二酚 -水三元混合液（EPW，H2N(CH2)2NH2-C6H4(OH)

8、2-H2O）、氢氧化钾（KOH）和四甲基氢氧化铵水溶液（TMAH，(CH3)4NOH）等，可以对单晶硅进行各向异性刻蚀。这种湿法刻蚀方法在MEMS器件制备上应用较多。194.2 湿法刻蚀 利用二氧化硅当掩蔽层，对，晶向(oriented)的硅做各向异性腐蚀，会产生清晰的V型沟槽，沟槽的边缘为(111)晶面，且与(100)的表面有54.7o的夹角，如图(a)左边的图。如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的沟槽，如图(a)右边的图。 如果使用的是晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为(111)的晶面，如图(b)所示。我们可以用大的各向异性腐蚀速率来制作亚微

9、米线宽的器件结构。204.2 湿法刻蚀如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的沟槽，底部面积的宽度为：或214.2 湿法刻蚀如果使用的是 晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为(111)的晶面。224.2 干法刻蚀 干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比） 1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2.最小的光刻胶脱落或粘附问题 3. 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性4. 化学品使用费用低 干法刻蚀的缺点（与湿法刻蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵234.3 干法刻蚀 湿法刻蚀是各向同性腐蚀，不能实现图形的精确转

10、移，一般用于特征尺寸较大的情况（3） 。干法刻蚀有各向同性腐蚀，也有各向异性腐蚀。各向异性腐蚀能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。244.3 干法刻蚀干法刻蚀的机制物理刻蚀：利用离子碰撞被刻蚀表面的溅射效应而实现材料去除的过程。化学刻蚀：通过激活的刻蚀气体与被刻蚀材料的化学作用，产生挥发性化合物而实现刻蚀。254.3 干法刻蚀物理化学刻蚀：通过等离子体中的离子或活性基与被刻蚀材料间的相互作用实现刻蚀。干法刻蚀的机制264.3 干法刻蚀刻蚀参数物理刻蚀 RF场垂直片面化学刻蚀RF场平行片面物理和化学刻蚀RF场垂直片面刻蚀机理物理离子溅射活性元素化学反应离子溅射和活性元素化学反应侧

11、壁剖面各向异性各向同性各向异性选择比低/难提高（1：1）很高（500：1）高（5：1100：1）刻蚀速率高慢适中线宽控制好非常差很好等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比274.3 干法刻蚀 硅片的等离子体刻蚀过程图284.3 干法刻蚀干法刻蚀的终点检查终点检测的常用方法：光发射谱法机理：在等离子体刻蚀中，活性基团与被刻蚀材料反应的同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。294.3 干法刻蚀等离子体刻蚀 等离子体刻蚀机理 进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离子

12、、自由基、反应原子或原子团组成。 自由基和反应原子或原子团的化学性质非常活泼，它们构成了等离子体的反应元素，自由基、反应原子或原子团与被刻蚀的材料进行化学反应形成了等离子体刻蚀。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室、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。等离子体刻蚀又称为激发反应气体刻蚀，属于化学刻蚀，各向同性。304.3 干法刻蚀圆桶式等离子体刻蚀机刻蚀系统的射频电场平行于硅片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用（仅在激发原子或活性气氛中进行刻蚀）。314.3 干法刻蚀 RIE （Reactive Ion Etch）机理进入真空反

13、应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较大的自偏置电场。等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与样片的化学反应。由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。反应离子刻蚀324.3 干法刻蚀反应离子

14、刻蚀RIE: 物理刻蚀+化学刻蚀334.3 干法刻蚀高密度等离子体刻蚀在先进的集成电路制造技术中，传统的RIE系统不能满足0.25 微米以下尺寸高深宽比图形的刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体RIE系统。高密度等离子体用于干法刻蚀的特征：344.3 干法刻蚀普通RIE及高密度等RIE系统比较：反应离子刻蚀354.3 干法刻蚀反应离子束刻蚀定义：将离子以束状聚集以进行刻蚀加工的技术即为离子束刻蚀。离子由非活性气体产生，仅通过溅射进行物理刻蚀的方式为溅射离子束刻蚀。当被离子束照射的位置存在活性气体时，化学反应同时发生的方式为反应离子束刻蚀（RIBE-Reactive Ion Beam Etchin

15、g）。RIBE 的一个重要参数是离子束直径。目前，可聚焦到最细的离子束直径为0.04 m, 宽束离子束直径可达200 mm以上。364.3 干法刻蚀反应离子束刻蚀聚焦离子束(FIB)：经过透镜聚焦形成的、束径在0.1 m以下的极微细离子束。FIB的离子源主要有液态金属离子源(LMIS，常选用金属Ga)和电场电离型气体离子源(FI，常选用H2、He、Ne等)两大类。374.3 干法刻蚀反应离子束刻蚀大束径离子束刻蚀：束径1020 cm，效率高，质量均匀。常用大束径离子束设备有两种：Kaufman型：热阴极、磁控管阳极组合放电ECR型：冷阴极放电ECR离子源384.3 干法刻蚀气体离化团束加工技术

16、材料表面改性技术的发展要求轰击离子注入到靶材表面的深度在数纳米范围内，而低能离子束很难实现这一要求。气体离化团束 (GCIB) 中束团的动能由组成原子共享，平均每个原子的入射能量约在10 eV以下。因而，在碰撞过程中，团束原子的整体运动使得团束仅对靶材表面的前几个原子层产生轰击效应。30 kV的气体离化团束设备图394.3 干法刻蚀被刻蚀材料刻蚀用的化学药品深Si沟槽HBr/NF3/O2/SF6浅Si沟槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2, HBr/O2, BCl3/Cl2, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4/Cl2, HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有S

17、F6, NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3, CF4/Cl2, Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar, C2F6, C3F8/CO, C5F8,CH2F2Si3N4CHF3/O2, CH2F2, CH2CHF2404.3 干法刻蚀硅沟槽刻蚀 当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM存储单元的储存电容与电路器件间的区域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽深度通常超过5m，主要是用于形成储存电容。浅的沟槽其深度通常不会超过1m，一般用于器件间的隔离。 氯基或溴

18、基的化学剂对硅有高刻蚀速率，且对以二氧化硅为掩蔽层的硅刻蚀有高选择比。HBr+NF3+SF6+O2混合气体可用于形成深度约为7m的沟槽电容，此混合气体也用于浅沟槽的刻蚀。亚微米的深硅沟槽刻蚀时，常可观察到与高宽比有关的刻蚀(亦即刻蚀速率随高宽比改变)，这是因深窄沟槽中的离子与中性原子的输运会受到限制。414.3 干法刻蚀 多晶硅与多晶硅化物栅极刻蚀 多晶硅与多晶硅化物(即多晶硅上覆盖有低电阻金属硅化物，称为polycide)常用作MOS器件的栅极材料。 各向异性刻蚀及对栅极氧化层的高选择比是栅极刻蚀时最重要的需求，例如，对1G DRAM而言，其选择比需超过150(即多晶硅化物与栅氧化层的刻蚀速

19、率比为150：1)。 要同时得到高选择比与各向异性刻蚀，对大部分的离子增强刻蚀工艺是困难的，因此可使用多重步骤的工艺，其中各个不同的刻蚀步骤可分别针对各向异性和选择比来最佳化。 另一方面，为符合各向异性刻蚀与高选择比的要求，等离子体技术的趋势是利用一相对低的功率产生低压与高密度的等离子体。大多数氯基与溴基化合物可用于栅极刻蚀而得到所需要的各向异性与选择比。424.3 干法刻蚀 介质刻蚀 定义介电层(尤其是二氧化硅与氮化硅)的图案是先进半导体制造技术中的关键工艺。因为具有较高的键结合能量，介质的刻蚀必须利用氟基增强等离子体。 垂直的图案轮廓可通过侧壁钝化(sidewall passivation

20、)来实现，通常将含碳的氟化物加入等离子体中(如CF4、CHF3、C4F8)。 必须使用轰击能量较高的离子才能将此聚合物形成的钝化层从氧化层上去除，以及将反应物质与氧化物表面混合形成SiF的产物。434.3 干法刻蚀 金属导线刻蚀 IC制造中，金属层的刻蚀是一个相当重要的步骤。铝、铜与钨是金属导线常用的材料。这些材料通常需要各向异性刻蚀。 氟与铝反应产生非挥发性的AlF3，AlF3在240时，其蒸气压只有1Torr。氯基(如Cl2/BCl3的混合物)化学剂常用于铝的刻蚀。氯对铝有极高的化学刻蚀速率并且在刻蚀时会有横向钻蚀(undercut)现象。将含碳气体(如CHF3)或是氮气加入反应中，可在侧壁产生钝化层而得到各向异性刻蚀。 暴露于大气环境中是铝刻蚀的另一问题。Al侧壁上残留的氯与光刻胶容易与常压下的水气形成HCl，此HCl会腐蚀铝。在晶片暴露于大气环境之前，先临场(in-situ，或译同次)通入CF4等离子体，用F取代Cl；然后再通入氧等离子体来去除光刻胶；紧接着立刻将晶片浸