第六章半导体器件工艺学之刻蚀.ppt

1、第六章刻蚀,6-1刻蚀的概念 6-2刻蚀工艺 6-3材料刻蚀,6-1刻蚀的概念,一、基本概念 刻蚀：去除材料 用化学的或物理的或化学物理结合的方式 有选择的去除（光刻胶开出的窗口） 整体剥离或反刻 被刻蚀的材料：介质 硅 金属 光刻胶,刻蚀工艺： 湿法刻蚀：大尺寸（ 3m尺寸 ） 整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等 干法刻蚀：形成亚微米尺寸 目前用来形成图形主要方法,二、刻蚀参数,刻蚀速率 刻蚀剖面 刻蚀偏差 选择比 均匀性,1.刻蚀速率,刻蚀速率：去除材料的速度 单位：A/min 公式：T/t,2.刻蚀剖面,刻蚀剖面：刻蚀后图形的侧壁形状 各向同性 各向异性 各向异性对制作亚微米器件很关键

2、高的各向异性，可以形成8889垂直度的侧壁,各向异性 各向同性,3.刻蚀偏差,刻蚀后线宽或关键尺寸间距的变化 通常是由横向钻蚀引起。,4.选择比,选择比：两种材料刻蚀速率的比 公式：S=Er/Ef 高选择比意味着只刻除想要刻去得那层材料。 高选择比对于确保关键尺寸和剖面控制是必需的，要制造的关键尺寸越小，选择比要求越高,5.均匀性,衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数 保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键 难点在于在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保持均匀性,（微负载效应）深宽比相关刻蚀：具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比低深宽比硅槽的刻蚀速率慢 对于高深宽比的图形窗口

3、，化学刻蚀剂难以进入，反应生成物难以出来,刻蚀均匀性的检测,6-2刻蚀工艺,一、湿法刻蚀 液体化学试剂（酸、碱和溶剂等）以化学方式去除硅片表面材料 反应产物必须是易挥发性的或可溶于刻蚀剂的物质，否则会成为沉淀，影响刻蚀的进行,特点： 各向同性 难以精确控制线宽和获得精细图形 安全性 光刻胶脱落 难控制参数 化学试剂处理 高选择性 无离子体损伤 设备简单 方式：浸泡 喷射 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,二、干法刻蚀,利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达

4、到刻蚀的目的 特点：横向钻蚀小，无化学废液，分辨率高，细线条，操作安全，简便；处理过程未引入污染；易于实现自动化，表面损伤小。 缺点:成本高,设备复杂。,刻蚀方式： 等离子刻蚀： 利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差 溅射与离子束铣蚀： 通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差 反应离子刻蚀(RIE)： 通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。,化学和物理干法刻蚀机

5、理,干法刻蚀设备,化学 桶式 下游式 物理 离子束刻蚀 物理和化学 反应离子刻蚀 高密度等离子刻蚀,圆桶式刻蚀系统,化学各向同性刻蚀 高选择比 等离子诱导损伤小 用于硅片表面去胶，氧是去胶的主要刻蚀剂,下游式刻蚀系统,化学各向同性刻蚀 用于去胶或去除非关键层 下游刻蚀的目的是减少或消除等离子体带来的损伤而使硅片曝露在等离子体中的时间最少,离子束刻蚀系统,具有强方向性等离子体的一种物理刻蚀机理 小尺寸各向异性 低选择比 低产能 通常用于金，铂和铜等难刻蚀的材料,反应离子刻蚀系统,采用化学反应和物理离子轰击去除硅片表面材料的技术 具有较好的各向异性侧壁图形 通常用于单晶硅槽的刻蚀,高密度等离子体刻

6、蚀系统,先进的IC技术中刻蚀关键层最主要的刻蚀方法是采用单片处理的高密度等离子体刻蚀技术 高密度等离子体刻蚀可以在高深宽比图形中获得各向异性刻蚀,标准等离子体刻蚀，对于0.25m以下尺寸，刻蚀基难以进入高深宽比图形，刻蚀生成物难以从高深宽比图形出来。 解决：低压，以增加气体分子和离子的平均自由程。但同时由于压力减少而减少了离子密度，从而降低了刻蚀速率，所以采用高密度等离子体技术，以产生足够的离子，从而获得可接受的刻蚀速率 传统等离子体，离化度是在0.01%0.1%。而高密度等离子体能产生较大的刻蚀基分解，获得高达10%的离化率,磁增强反应离子刻蚀系统,电子回旋共振刻蚀系统,感应耦合式等离子体刻

7、蚀系统,终点检测,干法刻蚀对下层材料没有好的选择比，需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减少对下层材料的过度刻蚀 终点检测系统测量一些不同的参数，如刻蚀速率的变化，产物的类型等,6-3材料刻蚀,材料刻蚀有：金属刻蚀，介质刻蚀和硅刻蚀 介质刻蚀： （如SiO2）接触孔和通孔制作需要刻蚀介质 硅刻蚀： 如：刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容 金属刻蚀： 如：金属层上去除铝合金，制作互连线 光刻胶剥离,一、介质刻蚀,对于200mm以上的硅片，铜互连采用双层大马士革技术，层间介质的沟槽刻蚀和低K介质刻蚀是技术难题 介质刻蚀通常是制作接触孔和通孔，要求刻蚀出高深宽比的窗口 氧化物的刻蚀困难之一在于难以获得对

8、下层材料（通常是硅、氮化硅或一层抗反射涂层）的高选择比 为了防止形成倾斜的侧墙，获得高的氧化硅/光刻胶的选择比很重要,二、硅的刻蚀,主要是制作MOS栅结构的多晶硅栅和制作器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽 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可重复性，同时要求高度的各向异性 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或DRAM中高密度的垂直电容的制作。在高密度IC中要求数百万个沟槽具有一致的光洁度，接近的垂直侧壁，正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角,多晶硅栅,在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽,单晶硅槽,三、金属刻蚀,高刻蚀速率（大于1000nm/min） 对下层的高选择比，对掩膜层（4：1）和层间介质（20：1） 高的均匀性，CD控制很好，没有微负载效应 没有等离子体诱导充电带来的器件损伤 残留物污染少 不会腐蚀金属,铝和金属复合层刻蚀,钨的刻蚀,四、去胶,湿法去除： 剥离光刻胶是湿法去除光刻胶的一种基本方法 由于化学药品所需的管理和处理，使用湿法去除不合算 通常干法刻蚀前，光刻胶表面都经过加固处理