第10章-干法刻蚀

第十章干法刻蚀1刻蚀的概念: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。由于硅可以作为几乎所有集成电路和半导体器件的基板材料，所以本章主要讨论在硅基板表面的刻蚀过程。刻蚀示意图：刻蚀概述23刻蚀概述刻蚀的工艺目的:把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后主要图形转移工艺。刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀干法刻蚀：通过气体放电，使刻蚀气体分解、电离，由产生的活性基及离子对基板进行刻蚀的工艺过程；刻蚀精度：亚微米。湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除表面层材料的工艺过程；刻蚀精度：大于3微米。4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51.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＝ΔT/t（Å/min)其中，ΔT=去掉的材料厚度（Å或μm）t=刻蚀所用时间（min）Si基板T光刻胶被刻蚀材料刻蚀参数6刻蚀参数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Isotropicetch-etchesinalldirectionsatthesamerateSubstrateFilmResistAnisotropicetch-etchesinonlyonedirectionResistSubstrateFilm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7刻蚀参数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＝Wa－WbBias：凹切量或侧蚀宽度(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)8刻蚀参数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＝(ΔTsio2/t1)/(ΔT胶/t1)＝ΔTsio2/ΔT胶（a）0时刻（b）t1时刻9刻蚀参数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：AspectRatioDependenceEtching10刻蚀参数6.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。11刻蚀参数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。12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13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移，一般用于特征尺寸较大的情况（≥3μｍ）。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。刻蚀类型侧壁剖面示意图湿法腐蚀各向同性干法刻蚀各向同性(与设备和参数有关)各向异性(与设备和参数有关)各向异性–锥形硅槽14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。15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16干法刻蚀的机制刻蚀参数物理刻蚀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（5：1～100：1）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17干法刻蚀的过程硅片的等离子体刻蚀过程图18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。19等离子体刻蚀等离子体刻蚀机理①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、自由基、反应原子或原子团组成。②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。20•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）。等离子体刻蚀21反应离子刻蚀RIE（ReactiveIonEtch）机理①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、自由基、反应原子或原子团组成。②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。③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。④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。22反应离子刻蚀•RIE:物理刻蚀+化学刻蚀23反应离子刻蚀•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：24普通RIE及高密度等RIE系统比较：反应离子刻蚀25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-ReactiveIonBeamEtching）。•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200mm以上。26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。27反应离子束刻蚀•大束径离子束刻蚀：束径10~20cm，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28气体离化团束加工技术•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10eV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。30kV的气体离化团束设备图29气体离化团束加工技术•GCIB的优点：浅层注入，损伤小；高产额溅射（比单原子离子高出100倍以上）；侧向溅射，利于表面平坦化；表面清洁效率高。30微机械加工31干法刻蚀用离子源的开发干法刻蚀用离子源的要求：32干法刻蚀设备实例ICP高密度等离子刻蚀膜系统-中科院上海微系统所33习题•试比较干法刻蚀和湿法刻蚀的优缺点•比较物理干法刻蚀和化学干法刻蚀的机制