第7章刻蚀工艺.ppt

1、回顾,1、真空的分类？ 2、真空区域的划分？ 3、真空泵的分类？ 4、哪些工艺或器件需要真空？,真空度的单位,自然真空：宇宙空间所存在的真空； 人为真空：用真空泵抽调容器中的气体所获得的真空。,几种压强单位的换算关系,真空区域的划分,粗真空：1105 1102 Pa。 低真空： 1102 1101 Pa。 高真空： 1101 1106 Pa。 超高真空： 1106 Pa。,真空泵的分类,常用真空泵 的分类,气体传输泵,气体捕获泵,扩散泵,钛升华泵,溅射离子泵,低温冷凝泵,机械泵,分子泵,真空的获得,几种常用真空泵的工作压强范围,真空的测量,真空测量,绝对真空计,相对真空计,U型压力计,压缩式真

2、空计,放电真空计,热传导真空计,电离真空计,刻蚀工艺,刻蚀工艺, 概述 湿法刻蚀 干法刻蚀 小结,参考资料： 微电子制造科学原理与工程技术第11章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,就是通过物理和/或化学方法将下层材料中没有被上 层掩蔽膜材料掩蔽的部分去掉， 从而在下层材料上 获得与掩蔽膜图形完全对应的图形。,一、 概述,1、 刻蚀：,2、刻蚀工艺的分类,(1) 湿法刻蚀与干法刻蚀,(2) 各向同性刻蚀与各向异性刻蚀,a. 湿法刻蚀：采用液态化学试剂进行薄膜刻蚀 b. 干法刻蚀：采用气态的化学气体进行薄膜刻蚀,a. 各向同性刻蚀：薄膜在各个方向上都受到同样的刻蚀 b. 各向异性刻蚀：薄膜

3、在各个方向上所受刻蚀不等,实际刻蚀剖面,a. 横向刻蚀速度 RL b. 纵向刻蚀速度 RV,(2) 选择比：不同材料的刻蚀速率比.,(3) 钻刻：掩膜材料下的侧向刻蚀。,各向异性度：,A=0, 各向同性刻蚀 A=1, 理想的各向异性刻蚀 1A0 ，实际的各向异性刻蚀,3、刻蚀工艺的品质因数,(1) 刻蚀速率：单位时间刻蚀的厚度。,决定了刻蚀工艺的产率,决定了刻蚀后剖面形貌和“钻蚀”程度, 选择性和方向性通常是最为关心的问题。 化学过程；物理过程。,膜层厚度的不均匀+刻蚀速率的不均匀图形转移尺寸的不均匀,设：平均膜厚h，厚度变化因子， 0 1； 最厚处为h（1+），最薄处h（1-）； 平均刻蚀速

4、率v，速度变化因子， 0 1； 最大为v(1+)，最小为v(1-)； 刻蚀最厚处所需时间； tM=h(1+)/v(1-) 刻蚀最薄处所需时间； tm= h(1-)/v(1+),存在时间差：tM- tm = 2h(+)/v(1+),4、均匀性：,(1) 获得满意的剖面（倾斜或垂直） (2) 钻刻最小 (3) 选择比大 (4) 刻蚀均匀性好，重复性高 (5) 对表面和电路的损伤最小 (6) 清洁、经济、安全。,5、VLSI对图形转移的要求,二、湿法刻蚀,1）反应物扩散到被刻蚀的材料表面； 2）反应物与被刻蚀薄膜反应； 3）反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中， 并随溶液被排出。,1、湿法刻蚀:,利用

5、溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除 未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。,2、三个步骤：,a. 刻蚀溶液的种类 b. 溶液的浓度 c. 反应温度 d. 搅拌,3、Arrhenius方程：,(1) 刻蚀速率：,R = R0exp(-Ea/kT),其中R0是与刻蚀液浓度有关的常数；Ea是化学反应的 激活能，它与被刻蚀物种类、杂质含量有关。,(2) 速率控制方法：,各相同性的，钻蚀严重，对图形的控制性较差。 安全性、洁净性差。,说明,I. 刻蚀液的选用：选择比大。,II. 掩蔽膜的选用：,粘附性；稳定性；抗蚀性好；,III. 主要优点：,设备简单，成本底，产量高，并且具有很好的刻 蚀选择比，重

6、复性好。,IV. 主要缺点,(1) SiO2的刻蚀,a. 氢氟酸可以在室温下与SiO2快速的反应，而不会刻蚀硅：,配方为：HF:NH4F: H2O=3ml:6g:10ml,4、几种常见物质的刻蚀：,SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O,b. 掩蔽膜：光刻胶、氮化硅、多晶硅,c. 工艺上通常使用氢氟酸缓冲液以提高可控性,HF H+ + F-,I. 硝酸将表面的硅氧化成SiO2 ; II.氢氟酸将生成的SiO2除去,(2) 硅的刻蚀,a. 硝酸、氢氟酸与醋酸的混合液进行刻蚀：,Si + HNO3 + 6HF = H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O,b. 反应原理：,a

7、. 可采用SiO2作掩蔽膜, 在180磷酸溶液中进行刻蚀。,b. Si3N4, SiO2, Si在180磷酸中的刻蚀速率,(3) 氮化硅的刻蚀,(4) 铝的刻蚀,a. 刻蚀液：磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液。,b. 原理：,d. 温度：3560C,I. 由硝酸与铝反应生成氧化铝; II. 磷酸和水分解氧化铝。,c. 掩蔽膜：光刻胶,随着特征尺寸的下降，湿法工艺不能满足要求，寻求新的工艺-等离子体干法刻蚀，在1969引入半导体加工，在70年代开始广泛应用。,三、干法刻蚀,1、特点:,利用刻蚀气体辉光放电形成的等离子体进行刻蚀。,a. 优点:,各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性 好，细线

8、条操作安全，易实现自动化，无化学废液， 处理过程未引入污染，洁净度高。,b. 缺点：,成本高，设备复杂。,2、物理性刻蚀,(2) 设备：,a. 纯粹的机械过程，对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀。 b.选择比差； c.刻出物易再淀积； d.易对下面结构造成损伤； e. 单片刻蚀。,(1) 机理：,利用辉光放电将惰性气体解离成带正电的离子，再利 用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻 蚀物材料的原子击出。,离子铣（真空度10-310-5 Torr）,(3) 特点：,3、化学性刻蚀,(1) 机理：,a. 主要依靠化学反应进行刻蚀，选择性好； b. 离子的能量很小，各向异性差； c. 对基底

9、的损伤小； d. 刻蚀速度低。,(2) 设备：,高压等离子体刻蚀机（真空度10210-1 Torr）,(3) 特点：,以CF4为刻蚀气体刻蚀Si 为例,(4) 举例,4、物理化学性刻蚀,a. 选择比较高； b. 各向异性较好， c. 刻蚀速度较快,(1) 机理：,物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。,(2) 设备：,反应离子刻蚀机（RIE)（真空度10-110-2 Torr）,传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。通过适当选择 反应气体、气压、流量和射频功率，可以得到较快的刻 蚀速率和良好的各向异性。,(3) 特点：,a. 将被刻蚀材料表面的原子键破坏； b. 将再淀积于被刻蚀表面的产

10、物或聚合物打掉,使被刻蚀 表面能再与刻蚀气体接触；,(4) 离子轰击的作用：, RIE中的物理损 伤和杂质驱进。 在含碳的RIE刻 蚀后，顶部30埃 由于过量浓度的 Si-C键引起严重 损伤，损伤和H 的穿透可达300 埃深。 H的穿透可以降 低衬底掺杂的活 性。, 自偏压Vp是正值，以使电 子和离子流量相等。 对于高压等离子体刻蚀机 结构： 上下极板面积相等， 虽然仍有离子轰击极板，但 此时能量很小，化学反应和 各向同性刻蚀为主。,(5) 反应离子刻蚀机RIE,可达100 1000ev比 0 100,a. 在RIE设备中，使用非对称腔体。,b. 为了保持电流连续性，小电极处应有更高的电场 (

11、更高的RF电流密度）。,V1/V2 A2/A14,c.,d. 自由基反应各向同性， 高能离子轰击各向异性刻蚀。,(6) RIE的不足：,d. 工作气压较高，离子沾污较大。,a. 射频等离子体的离化率较低.,b. 刻蚀速度 等离子体密度， 但同时离子轰击的能量 ，轰击损伤;,c. 随着线条尺寸，刻蚀图形的深宽比,要求气压 离子的自由程确保刻蚀的垂直度， 但在此气压下，等离子体密度，刻蚀效率。,(7) 高密度低压等离子体(HDP)刻蚀机,真空度102104Torr,a. 包括电子回旋共振式ECR、感应耦合式ICP、螺旋波式HWP b. 共同特点： 利用交叉的电场和磁场电子在等离子体中的行程 电 子

12、和原子间碰撞 等离子体中自由基和离子的密度 。 使用额外的RF电源给硅片提供衬底偏压。,(8) HDP的优缺点,高的离子流量容易对浮空结构（尤其是MOS管中的栅） 充电，可能会在栅绝缘中导致过多的漏电。,a. 优点：,刻蚀速度高； 损伤小； 选择比好； 各向异性强；,b. 缺点：,(9) 刻蚀方法的比较,干法刻蚀的应用 一个成功的干法刻蚀要求： 1. 对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的高选择比； 2获得可接受的产能的刻蚀速率； 3好的侧壁剖面控制； 4好的片内均匀性； 5低的器件损伤； 6. 宽的工艺制造窗口。,1介质的干法刻蚀 氧化物 刻蚀氧化物通常是为了制作接触孔和通孔。氧化物

13、等离子体刻蚀工艺通常采用氟碳化合物化学气体。加入缓冲气体用于稀释刻蚀气体的浓度可以增加刻蚀的均匀性。,2氮化硅 在硅片制造过程中用到两种基本的氮化硅。一种是在700800下用LPCVD淀积的，另一种是在低于350下用PECVD淀积的。后一种氮化硅膜的刻蚀速率较快。刻蚀氮化硅常用的主要气体是CF4。,3多晶硅栅刻蚀 在MOS器件中，掺杂的LPCVD多晶硅是用作栅极的导电材料。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（见图12.17）。多晶硅栅的刻蚀工艺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重复性。同时也要求高度的各向异性，因为多晶硅栅在源/漏的注入过程中起阻挡层的作

14、用。倾斜的侧壁会引起多晶硅栅结构下面部分的掺杂,刻蚀多晶硅（或硅）通常是一个三步工艺过程： 1）预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层和表面污染物来获得均匀的刻蚀； 2）接下来是刻至终点的主刻蚀。这一步用来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壁剖面；,3）最后是过刻蚀，用于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。 多晶硅刻蚀气体传统上是氟基气体，在刻蚀硅的过程中氟原子起作用。采用氯或溴化学气体可以产生各向异性刻蚀和对氧化硅有好的选择比。,用Cl2等离子体对多晶硅进行刻蚀， Cl2与多晶硅的反应方程式如下所示： Cl2 2Cl Si+2Cl SiCl2

15、 SiCl2 +2Cl SiCl4 SiCl2会形成一层聚合物保护膜，反应方程式如下： n SiCl2 n(SiCl2),4单晶硅的刻蚀 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或垂直电容的制作。硅槽的刻蚀要求对每一个沟槽都进行精确的控制，要求有一致的光洁度、接近的垂直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角，因此需采用多步工艺，并对最后一步进行优化。浅槽的刻蚀气体多用氟气，深槽常使用氯基或溴基气体。,5金属的干法刻蚀 金属刻蚀的要求主要有以下几点： 1）高刻蚀速率（大于1000nm/min）； 2）对下面层的高选择比，对掩蔽层（大于4:1）和层间介质层（大于20:1）； 3）高的均匀性，且C

16、D控制很好，没有微负载效应；,4）没有等离子诱导充电带来的器件损伤； 5）残留物污染少； 6）快速去胶； 7）不会腐蚀金属。,铝的刻蚀。 铝是半导体制备中最主要的导线材料，具有电阻低、易于淀积和刻蚀等优点。铝刻蚀通常采用加入卤化物的氯基气体，最常用的是BCl3。因为铝在常温下表面极易氧化生成氧化铝，氧化铝阻碍了刻蚀的正常进行，而BCl3可将自然氧化层还原、保证刻蚀的进行，而且BCl3还容易与氧气和水反应，可吸收反应腔内的水汽和氧气，从而降低氧化铝的生成速率。,在互连线金属刻蚀中的一个难点是VLSI / ULSI技术中常用的多层金属复合膜的复杂性，在复合膜中常常有抗反射的TiN或其他材料层和下面

17、的粘附阻挡层，这些都增加了刻蚀工艺的复杂性。可以采用多步刻蚀工艺技术刻蚀这种金属复合膜结构。,钨 钨是在多层金属结构中常用的一种用于通孔填充的重要金属。可以用氟基或氯基气体来刻蚀钨。,接触金属刻蚀 在MOS器件制造中，接触金属的刻蚀是很关键的，因为尺寸的控制会影响到器件的沟道长度。接触金属等离子体刻蚀可以采用氟基或氯基气体。,5、影响干法刻蚀的因素,(1) 刻蚀气体的种类、流量及其配比 (2) 射频功率 (3) 温度 (4) 负载效应,6、干法刻蚀的终点检测技术, 光发射谱分析仪。 各种等离子体都发出某些特 定波长的光，通过分析它们 的强弱变化，来达到终点检 测的目的。, 光线强度与刻蚀速率成正比，刻蚀 小时则难以观测。 刻蚀面积小时，强度太低。,7、剥离技术, 主要用于难于刻蚀的材料。,8、去胶,(1) SiO2、氮化硅、多晶硅等衬底，可以用硫酸与 过氧化氢的3：1的混合液去胶。 (2) Al衬底用发烟硝酸去胶。 (3) 等离子体去胶。,本章小结,1、薄膜的刻蚀是现代IC制造的