半导体制造工艺-11刻蚀

半导体制造工艺_11刻蚀第一页，共47页。刻蚀速率R

(etchrate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响刻蚀均匀性

(etchuniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化选择性S

(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比各项异性度A

(Anisotropy)刻蚀的方向性

A=0,各项同性；A=1,各项异性掩膜层下刻蚀

(Undercut)横向单边的过腐蚀量 刻蚀的性能参数2第二页，共47页。A＝00<A<1A=1Uniformity/non-uniformity均匀性/非均匀性Rhigh:最大刻蚀速率Rlow:最小刻蚀速率方向性：过腐蚀（钻蚀）：假定S＝时3第三页，共47页。刻蚀要求:1.得到想要的形状（斜面还是垂直图形）2.过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10％，以保证整片刻蚀完全）3.选择性好4.均匀性和重复性好5.表面损伤小6.清洁、经济、安全两类刻蚀方法：湿法刻蚀——化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好干法刻蚀——气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之4第四页，共47页。刻蚀过程包括三个步骤：反应物质量输运（Masstransport）到要被刻蚀的表面在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应反应产物从表面向外扩散的过程5第五页，共47页。湿法刻蚀反应产物必须溶于水或是气相6第六页，共47页。BOE：bufferedoxideetching或BHF:bufferedHF加入NH4F缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀实际用各向同性例1：SiO2采用HF腐蚀例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀7第七页，共47页。例4：Si采用KOH腐蚀各向异性Si+2OH-+4H2OSi(OH)2+++2H2+4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀8第八页，共47页。原子密度：<111>><110>><100>腐蚀速度：R(100)100R(111)9第九页，共47页。HNA各向同性腐蚀自终止10第十页，共47页。利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）结构11第十一页，共47页。湿法腐蚀的缺点在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害（4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济12第十二页，共47页。干法刻蚀化学刻蚀（各项同性，选择性好）——等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀)物理刻蚀（各向异性，选择性差）——高能离子的轰击(溅射刻蚀)

离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）——反应离子刻蚀13第十三页，共47页。化学刻蚀物理刻蚀14第十四页，共47页。离子增强刻蚀-IonEnhancedetching等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程，而且相互有增强作用无离子，XeF2对Si不刻蚀纯Ar离子，对Si不刻蚀Ar离子和XeF2相互作用，刻蚀速率很快物理过程（如离子轰击造成的断键/晶格损伤、辅助挥发性反应产物的生成、表面抑制物的去除等）将有助于表面化学过程/化学反应的进行15第十五页，共47页。典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似16第十六页，共47页。等离子体等离子刻蚀基本原理等离子体（Plasma）的含义包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。

由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。液态固态气态等离子体17第十七页，共47页。刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制刻蚀机制刻蚀工艺包括5个步骤：1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；3、反应物被表面吸收；4、通过化学反应产生挥发性化合物；5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。基本刻蚀方式为：物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。18第十八页，共47页。19第十九页，共47页。等离子体探测大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较，通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为：终点控制20第二十页，共47页。刻蚀时间（任意单位）反射系数（任意单位）硅化物多晶硅硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线21第二十一页，共47页。Sputteringmode：硅片置于右侧电极，该电极接地（反应腔体通常也接地，则增大该电极有效面积）；右侧暗区电压差小，通过离子轰击的物理刻蚀很弱RIEmode：硅片置于面积较小的左侧电极，右电极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的物理刻蚀很强22第二十二页，共47页。SiCl4TiCl4反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含卤素的物质，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加气体如：O2，H2，Ar等。O2用于刻蚀光刻胶。反应产物必须是气相或者易挥发（volatile）23第二十三页，共47页。刻蚀方程式等离子刻蚀基本原理为何处在等离子体环境下进行刻蚀在我们的工艺中，是用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：CF4=CFx*+(4-x)F*(x≤3)

Si+4F*=SiF4↑SiO2+4F*=SiF4+O2↑反应的实质，打破C-F、Si-Si键，形成挥发性的Si-F硅卤化物。

CΘF+SiΘSi=Si-F+17kcal/mol反应需要一个净正能量，CF4本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量的电子碰撞会使CF4分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成SiF是能量有利的。24第二十四页，共47页。氧气的作用等离子刻蚀基本原理

在CF4进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀速率。人们认为氧气与碳原子反应生成CO2，这样从等离子体中去掉一些碳，从而增加F的浓度，这些成为富氟等离子体。往CF4等离子体中每增加12%的氧气，F浓度会增加一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。25第二十五页，共47页。CF4等离子体26第二十六页，共47页。Si+4F*SiF4SiO2+4F*SiF4+O2Si3N4+12F*3SiF4+2N2硅、Si3N4和SiO2刻蚀CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2和Si3N4的腐蚀速率少量添加气体可增加选择性10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比27第二十七页，共47页。在CF4中加入少量H2，可使CFx：F*的浓度比增加。从而使SiO2:Si及Si3N4：Si的腐蚀速率比增大28第二十八页，共47页。增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜29第二十九页，共47页。刻蚀方向性的增加增加离子轰击（物理刻蚀分量）侧壁增加抑制物（inhibitor）DRIE30第三十页，共47页。本节课主要内容什么是图形转移技术？刻蚀的两个关键问题？选择性方向性光刻＋刻蚀干法刻蚀纯物理刻蚀纯化学刻蚀反应离子刻蚀RIE增加方向性、选择性的方法CF4/O2湿法腐蚀：Si——HNA各向同性——KOH各向异性SiO2——HFMEMS31第三十一页，共47页。反应等离子体刻蚀技术与设备一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。32第三十二页，共47页。11010010001101001000低于高密度ECR，ICP低压整批RIE单片晶片RIE桶状等离子体刻机33第三十三页，共47页。反应离子刻蚀（RIE）平行板系统RFRF34第三十四页，共47页。电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀机大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。35第三十五页，共47页。其他高密度等离子体刻蚀机由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外，其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源（ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源（SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的等离子体密度）。然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。36第三十六页，共47页。等离子体RFRF介电板变压器耦合等离子体反应设备示意图37第三十七页，共47页。集成等离子体工艺半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染，集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。38第三十八页，共47页。TiW刻蚀腔AlCu刻蚀腔钝化层剥蚀腔真空装载锁住腔卡式装/卸载腔多层金属互联（TiW/AlCu/TiW）39第三十九页，共47页。反应等离子体刻蚀的应用等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀快速发展到大的单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。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SF6,NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3,CF4/Cl2,Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar,C2F6,C3F8/CO,C5F8,CH2F2Si3N4CHF3/O2,CH2F2,CH2CHF240第四十页，共47页。硅沟槽刻蚀当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM储存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5um，主要是用于形成存储电容，浅的沟槽其深度通常不会超过1um，一般用于器件间的隔离。氯基或溴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混合气可用于形成深度约7um的沟槽电容，此气体也用于浅沟槽的刻蚀。亚微米的深硅沟槽刻蚀时，常可观测到与高宽比有管的刻蚀，这是因深窄沟槽中的离子与中性原子的输运会受到限制。41第四十一页，共47页。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）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1GDRAM而言，其选择比需超过150（即多晶硅化物与栅极氧化层的刻蚀速率比为150:1）。另外，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的各向异性与选择比。42第四十二页，共47页。介质刻蚀定义介质层（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来实现，通常将含碳的氟化物加入等离子体中（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的SiFx的产物。低压强操作与高等离子体密度有利于高宽比有关的刻蚀，然而HDP会产生高温电子并接着产生高比例的分