08工艺-刻蚀课件

集成电路工艺之刻蚀硅片工艺流程MaterialsDesignMasksIC

FabTestPackagingFinal

TestThermalProcessesPhoto-lithographyEtchPR

stripImplantMetallizationCMPDielectricdepositionWafers刻蚀1、基本介绍2、湿法刻蚀3、干法刻蚀4、刻蚀工艺刻蚀的定义基于光刻技术的腐蚀：刻蚀湿法称腐蚀？干法称刻蚀？将光刻胶上的IC设计图形转移到硅片表面腐蚀未被光刻胶覆盖的硅片表面，实现最终的图形转移化学的，物理的或者两者的结合栅极光刻对准P-WellUSGSTI光刻胶多晶硅栅极光刻掩膜栅极光刻曝光Gate

MaskP-WellUSGSTIPhotoresistPolysilicon显影/后烘/检验P-WellUSGSTIPRPolysilicon多晶硅刻蚀（1）P-WellUSGSTIPolysiliconPR多晶硅刻蚀（2）STIGate

OxidePolysiliconPRUSGP-Well去除光刻胶P-WellUSGSTIGate

OxidePolysiliconP-WellUSGSTIn+n+Source/Drain离子注入GateOxideDopantIons,As+

Polysilicon快速热退火P-WellUSGSTIGate

OxidePolysilicon

GateSource/Drainn+n+刻蚀术语Etch

rate

刻蚀速率Selectivity选择比Etch

uniformity均匀性Etch

profile侧墙轮廓Wet

etch湿法刻蚀Dry

etch干法刻蚀Endpoint

终点检测刻蚀速率刻蚀速率是指单位时间内硅片表面被刻蚀的材料去除量0 1Δd

=

d

-

d

(Å)是材料膜厚度的变化，

t

刻蚀时间(分)EtchRate

=Δdt(Å/min)d1d0Δd刻蚀前刻蚀后刻蚀速率刻蚀后膜厚的变化刻蚀速率 =刻蚀时间PE-TEOS

PSG

膜,在

22

°C

6:1

BOE

中湿刻1分钟,刻蚀前,

d

=

1.7

m,

刻蚀后,

d

=

1.1

mER

=17000-11000-----------------1= 6000

Å/min均匀性刻蚀的均匀性是衡量刻蚀工艺

在硅片内和硅片间的可重复性刻蚀本身的均匀性和材料膜厚的均匀性特征尺寸的负载效应（loading

effect)通常用标准偏差来定义不同的定义给出不同的结果非均匀性标准偏差Nx

x1

x2

x3

xN(

x1

x

)

(

x

x

)

(

x

x

)

(

x

x

)2 2 2 22 3 NN

测量N

点测量到的最大刻蚀速率Emax=EminEave=

测量到的最小刻蚀速率=

刻蚀速率平均值非均匀性表达式刻蚀的非均匀性（NU）可由下面的公式计算(称为Max-Minuniformity,

适用于超净厂房的作业)NU(%)=(Emax-Emin)/

2EaveS

=E1E2选择比

Selectivity选择比是不同的材料的刻蚀速率的比值在有图形的刻蚀中是非常重要的对下层材质和光刻胶的选择性E1E2PRBPSGPoly-SiSiPRBPSGPoly-SiSiGate

SiO2BPSG

对

Poly-Si的选择比:选择比SelectivitySelectivity =Etchrate

2对于PE-TEOS

PSG

膜刻蚀速率是

6000Å/min,对于硅的刻蚀速率是30

Å/min,

PSG

对

siliconSelectivity

=6000-----------------30= 200:

1刻蚀Etchrate

11、基本介绍2、湿法刻蚀3、干法刻蚀4、刻蚀工艺湿法刻蚀化学溶液溶解硅片表面的材质刻蚀后产品是气体，液体或是可溶解在刻蚀溶液中的材质。三个基本步骤：腐蚀，清洗，干燥。蚀刻剂浸泡去离子水清洗旋转甩干湿法刻蚀－2纯化学性工艺，各向同性的侧壁形貌，高选择比在特征尺寸大于3微米时曾被广泛应用于IC制造业。目前已被干法（等离子）刻蚀取代。仍被应用在先进的IC厂硅片的清洗无图形的薄膜去除，如氮化硅和钛的去除。测试硅片的薄膜去除和清洗。应用于

CVD膜质量的控制

(缓冲氧化层刻蚀剂或BOE)二氧化硅的湿法刻蚀氢氟酸溶液

(HF)，极高的选择比。通常用缓冲剂或去离子水稀释减少刻蚀速率SiO2+6HF

H2SiF6+

2H2O广泛的应用于CVD长膜质量控制BOE:

Buffered

oxide

etch缓冲氧化层腐蚀液4NHF(6Vol40%):HF(1Vol

49wt%)BSG

>

CVDSiO2

>

热SiO2

>

PSG？硅或多晶硅的湿法刻蚀硅刻蚀通常使用混合的硝酸(HNO3)

和氢氟酸(HF)。HNO

氧化硅的同时，氢氟酸移去氧化硅。3去离子水或乙酸可作为稀释剂，降低刻蚀速率。Si+2HNO3+6HF

H2SiF6+2HNO2+

2H2O腐蚀速度强烈依赖掺杂浓度以及腐蚀液配比氮化硅的湿法刻蚀•

热(150to200°C)磷酸H3PO4溶液。对硅、二氧化硅有高选择比。应用于

LOCOS

和STI氮化硅去除。Si3N4+4H3PO4

Si3(PO4)4+

4NH3铝的湿法刻蚀•

80%

磷酸,5%

乙酸,5%

硝酸,

和

10%水加热溶液(42

to

45

C)硝酸使铝氧化，

同时磷酸移除被氧化的铝。.乙酸减低硝酸的氧化速度。钛的湿法刻蚀1:1

双氧水(H2O2)

和硫酸(H2SO4)

混合溶液。H2O2将钛氧化成TiO2H2SO4

和TiO2

反应同时移除它H2O2将硅和硅化物氧化

成SiO2H2SO4

不和SiO2反应自对准钛硅化物的形成Polysilicon

gateGate

oxiden-n+n-n+TiPolysilicon

gateGate

oxiden-n-n+n+TiSi2TiSi2TiGate

oxiden-n-n+n+TiSi2钛淀积硅化物退火湿法去除钛化学溶液的危险性HF

、H3PO3、HNO3侵蚀、氧化、特殊的危害HF

：即使接触也不会感觉到损伤骨头，中和钙剧烈疼痛不要心存侥幸.

视IC工厂中所有未知的溶液为HF.湿法刻蚀的优缺点高选择比。相对便宜的设备。批处理，高产出。各向同性的形貌不能形成3微米以下的图形化学剂用量大化学剂的危害性刻蚀1、基本介绍2、湿法刻蚀3、干法刻蚀4、刻蚀工艺干法刻蚀主要为等离子体刻蚀等离子体中含有高活性自由基和离子自由基具有强烈的氧化性离子具有一定的动能仅利用活性自由基的纯化学刻蚀：PE同时化学和物理反应：RIE目前大部分图形刻蚀都采用RIE干湿法刻蚀的比较Wet

EtchDry

EtchEtch

BiasUnacceptablefor<

3

mMinimumEtch

ProfileIsotropicAnisotropictoisotropic,

controllableEtch

rateHighAcceptable,

controllableSelectivityHighAcceptable,controllableEquipment

costLowHighThroughputHigh

(batch)Acceptable,

controllableChemical

usageHighLow干法刻蚀的三种方式化学(PE，利用活性自由基)物理(IBE，利用赋能离子)化学＋物理(RIE，同时利用活性自由基和离子)化学方式纯化学反应反应产物是气体高选择比各向同性的形貌例如:干法去胶LOCOS

和STI

的氮化硅去除物理方式物理反应：从表面移走材料惰性离子如Ar+轰击表面进行溅射等离子体工艺各向异性形貌低选择比例如:–

氩溅射刻蚀物理/化学混合方式（反应离子刻蚀

(RIE)

）结合物理和化学的刻蚀等离子体：离子轰击加上自由基反应名字的误导,

应该称为离子辅助刻蚀

(IAE)高速可控的刻蚀速率各向异性可控的形貌好的可控的选择比在8英寸厂所有的图形刻蚀都使用RIE工艺。三种干法刻蚀方式的比较Chemical

EtchRIEPhysical

EtchExamplesPR

stripPlasmapatterned

etchesArgon

sputteringEtch

rateHighto

lowHigh,

controllableLowSelectivityVery

goodReasonable,

controllableVery

poorEtch

profileIsotropicAnisotropic,

controllableAnisotropicEndpointBytimeor

visualOpticalBy

time010203040506070TimeSilicon

Etch

Rate

(Å/min)XeF2OnlyXeF2+

ArAr+ +OnlyPE RIE IBE三种干法刻蚀速度比较侧墙形貌控制通过应用离子轰击可得到可控的各向异性形貌。各向异性产生机理：损伤机理保护机理损伤机理强烈的离子轰击破坏化学键。暴露在表面的原子更易和自由基反应。离子轰击是垂直方向的。各向异性刻蚀—垂直方向的刻蚀速率远大于水平方向。损伤机理图示IonsEtch

ByproductEtched

Atomor

moleculeEtchant

freeradicalBrokenbondsExposedatomPRPR保护机理溅出光刻胶和/或化学反应生成副产品。副产品物质淀积在表面。离子轰击是垂直方向的。底部淀积不会发生。刻蚀主要是垂直方向的。侧壁淀积保护侧壁。Ions保护机理图示SidewalldepositionPRKnockedaway

bottomdepositionEtch

ByproductEtched

Atomor

moleculeEtchant

freeradicalPR刻蚀的机理和应用纯化学ReactiveIonEtch

(RIE)Pure

PhysicalEtchBlocking

mechanismDamaging

mechanismNoionbombardmentLightion

bombardmentHeavyion

bombardmentOnlyionbombardmentPR

stripSinglecrystalsilicon

etchTi

stripPolysilicon

etchOxide

etchSputtering

etchNitride

stripMetal

etchNitride

etch等离子刻蚀腔批处理系统单片处理系统高密度等离子系统–ICP–ECR–Helicon批处理PE系统高产出较老的系统较小的硅片直径,

<150

mm

或

6inch顺流和桶式刻蚀系统–两者都是纯化学刻蚀没有离子轰击顺流(down-stream)等离子(PE)刻蚀系统ProcessgasesPlasmaMicrowaveor

RFRemote

PlasmaChamberFree

RadicalsEtch

ChamberWafersByproductstoVacuum

Pump桶式PE刻蚀系统RFRFRFRFEtchGasInPlasmaEtchTunnelWaferTo

Pump批处理RIE系统Chamber

LidWafersPlasmaToVacuum

Pump

单片RIE系统图示Process

gasesPlasmaProcess

chamberBy-productstothe

pumpChuckRF

PowerHeliumForbackside

coolingMagnet

coilsWafer刻蚀腔的气压要求超深亚微米后，要求低气压系统。低压下：自由基更长的平均自由程，较少的碰撞高离子能量,

低离子散射和更好的各向异性形貌。有助于去除刻蚀副产物。刻蚀腔通常都希望在低压状态下运行。但低压下，难以离化！磁场增强离化低压下长的平均自由程,

离化碰撞

率低在磁场中,

电子被迫旋转电子必须运行更长的距离碰撞的几率增加在低压下增加了等离子体的密度高密度等离子

(HDP)源刻蚀工艺要求低压力在长的平均自由程中电子很容易因为碰撞电极或腔壁而丢失，较难产生等离子体平行板系统或电容耦合系统不能产生高密度的等离子体在低压下生成高密度的等离子体需要新的系统：感应耦合等离子体

(ICP)电子回旋加速谐振

(ECR)ICP

腔图示腔上部:

陶瓷或石英源

RF

产生等离子体并且控制离子密度射频偏压控制离子轰击能量离子能量和密度独立受控Process

gasesPlasmaByproductstothe

pumpE-ChuckBias

RFHeliumbackside

coolingRF

coils

Source

RFProcesschamberWafer感应耦合

RF

power变化的磁场产生电场电子在一定的方向上被加速可在低压下得到高密度的等离子体磁场

中,电子回旋频率Ωe

(MHz)=2.80B(Gauss)如果入射微波频率等于

Ωe

ΩMW

= e产生谐振，电子从微波得到能量电子能被加速到高能量用以离子碰撞在低压下生成高密度等离子体Helium

Bias

RFMagneticfield

lineECR腔图示MicrowaveMagneticCoilsECRPlasmaWaferE-chuck刻蚀1、基本介绍2、湿法刻蚀3、干法刻蚀4、刻蚀工艺等离子刻蚀工艺介质刻蚀硅（单、多晶）刻蚀金属刻蚀介质刻蚀特点：主要利用损伤机理，物理反应比化学反应多。较高的RF

power

，较低的压力。氧化物刻蚀掺杂或没掺杂的硅酸盐玻璃接触孔

(PSG

or

BPSG)过孔

(USG,

FSG

or

low-k

介质)氮化物刻蚀LOCOS(LPCVD

SiN)压焊点

(PECVD

SiN)F+Si4N3

SiF4↑

+N2介质刻蚀－2强氧化剂：氟自由基氟炭化合物（CF4

,

C3F8

,C4F8

,CHF3)通常被用来做为氟源NF3

、SF6、

也被应用于氟源。通常掺入O2或H2、N2等提高选择比化学反应方程式：CF4+

e

→

CF3

+

F

(自由基）+

eF+SiO2

SiF4↑

+O2F/C

比率F/C

Ratio1 2 3 40-100-200刻蚀与聚合F/C

>

3,

刻蚀占主导F/C

<

2,

聚合占主导聚合物屏蔽了进一步的刻蚀C2F4 C2F6 CF4EtchingPolymerizationBias

(Volts)聚合反应的应用氧化物刻蚀时,

生成物氧会与C反应释放更多的F刻蚀硅或金属硅化物时，没有氧生成，F被消耗，F/C

比率下降至低于

2

时聚合物的淀积开始高BPSG-to-TiSi2

选择比隔离侧墙（spacer）刻蚀RIE

无掩模回刻SiO2或SiN等介质–

可以和介质

CVD

设备同时在线使用Gate

Oxiden-

LDDn-

LDDSidewallSpacerSidewallSpacerPolysilicon

GateCVDO3-TEOS

USGGate

Oxiden-

LDDn-

LDDPolysilicon

GateO3-TEOS

USG

回刻Gate

Oxiden-

LDDn-

LDDSidewallSpacerSidewallSpacerPolysilicon

Gate接触孔刻蚀连接器件和金属线的孔（下页）掺杂的硅酸盐玻璃,

PSG或

BPSGCF4

作为主要的刻蚀剂CHF3

提高对硅和金属硅化物的选择比可掺入

O2

or

H2要求对硅和金属硅化物有高选择比P-WaferN-WellP-WellP-EpiBPSGn+n+p+p+STIUSGWAl-Cu

AlloyCMOS

截面图Contact

EtchTitanium/Titanium

Nitride TiNARC Titanium接触孔刻蚀的难点接触孔深度差别很大，近一倍差别。要求高的(B)PSG对

金属硅化物选择比STIPhotoresistTiSi2BPSGn+Δtt酒杯状接触孔OxidePhotoresistMetalWetetchDry

etch通孔刻蚀上下层金属互连的通孔，（见下页）开通孔，即刻蚀USG

or

FSG要求对金属有高的选择比。可用CO

来控制

F/C

比率避免金属的溅射双大马士革刻蚀CMOS

截面图P-WaferN-WellP-WellP-EpiBPSGn+n+p+p+STIUSGWVia

EtchMetal

2 Al-Cu

AlloyIMD1 USGM1 Al-Cu

Alloy硅（单、多晶）刻蚀特点：主要利用保护机理，化学反应比物理反应起更大作用。较低的

RF

power

。活性剂：Cl系和Br系，F系对其它材料选择比低。单晶硅刻蚀主要应用：浅槽隔离

(STI)－链接生成深槽电容

－链接采用硬掩膜（氮化硅/氧化硅）,因为光刻胶可能引起衬底玷污溴化物（HBr）

是主要的刻蚀剂单晶硅刻蚀的化学反应plasmaHBr

Br+Si

H+

BrSiBr4↑少量的

O2

保护侧壁少量的

NF3

预防硅玷污刻蚀过程时间控制多晶硅刻蚀主要应用于：栅电极，最重要的一步刻蚀,

最小CD多晶硅局部互连DRAM电容电极要求对氧化硅有高选择比Cl2

是主要的刻蚀剂Cl

+

Si

→SiCl4↑HBr

保护侧壁,

保护机理在过刻蚀一步中加入O2

提高对氧化硅的选择比.P-WaferSTI USGP-Well N-WellP-EpiPolysilicon

gateP-WaferN-WellP-WellP-EpiSTIUSGHighpoly-to-oxideselectivityis

requiredPolysiliconPhotoresistSingleCrystalSilicon

SubstrateSingleCrystalSilicon

SubstratePhotoresistCl SiCl4Polysilicon多晶硅栅刻蚀STI－CMOSGate

OxideCl多晶硅栅刻蚀－2p+N-wellSiO

2PRGateoxidePoly-Si

onsidewallPoly-Si

onsidewallPolyLOCOS－CMOS多晶硅栅刻蚀过程Ar+

轰击工艺步骤:预刻蚀–

去除天然氧化层,主刻蚀高的多晶刻蚀速度,

Cl

和Br化学反应O波长终点检测过刻蚀–

减少POWER,

加入氧提高选择比金属刻蚀特点：与硅刻蚀类似，主要利用保护机理，化学反应比物理反应起更大作用。目的：形成金属布线和互连金属种类：Al（Cu、Si合金），W，Ti和TiN，金属硅化物等。金属刻蚀－2活性剂：Cl2+

BCl3（

N2

，O2）BCl3,

N2

用于侧壁保护O2

提高对二氧化硅的选择比主要难点:

刻蚀形貌控制和残留需要用物理或者化学的方法去除Al中的Cu（Cu减少电迁移、小丘等）在硅片暴露于大气之前要去除光刻胶（HCl产生腐蚀Al）金属刻蚀化学反应Cl2

＋

e

Cl+

Cl＋eCl+

Al

AlCl3Cl+

TiN

TiCl4+

NCl+

Ti

TiCl4Cl+

W

WCl3光刻胶的干法去除远等离子源，纯等离子体刻蚀–

没有离子轰击，仅自由基高压力,

微波等离子体为减少金属被侵蚀去除光刻胶中所含的氯非常重要。和刻蚀使用同一腔或系统光刻胶的干法去除－2O2,H2O

chemistryplasmaH2O

2H

+

O

O2

O+

OH+

Cl

HClO+PR

H2O+CO+CO2

+光刻胶的干法去除－3H2O,

O2PlasmaMicrowaveH2O,CO2,

HCl…Tothe

pumpRemoteplasma

chamberOH

OO

H

O

H

OProcess

chamberWafer

withphotoresistHeated

plate终点检测每个原子有自已的光波不同的介质刻蚀时等离子体发出不同颜色的光光传感器可用来检测这一变化并指出等离子刻蚀工艺的终点刻蚀终点波长FilmEtchantWavelength

(Å)EmitterAlCl2,

BCl32614AlCl3962AlPoly

SiCl22882Si6156OSi3N4CF4/O23370N23862CN7037F6740NSiO2CF4and

CHF37037F4835CO6156OPSG,

BPSGCF4and

CHF3