(第六章)刻蚀

第六章刻蚀6.1引言刻蚀的概念:用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的工艺过程称为刻蚀。刻蚀示意图：PhotoresistmaskFilmtobeetched(a)Photoresist-patternedsubstrate(b)SubstrateafteretchPhotoresistmaskProtectedfilm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：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。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。大于3微米按被刻蚀的材料分：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀有图形刻蚀和无图形刻蚀6.1引言6.2刻蚀参数为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。刻蚀参数1.刻蚀速率2.刻蚀剖面3.刻蚀偏差4.选择比5.均匀性6.残留物7.聚合物8.等离子体诱导损伤9.颗粒沾污和缺陷1.刻蚀速率刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。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）TStartofetchEndofetcht=elapsedtimeduringetchT=changeinthickness光刻胶被刻蚀材料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湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面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–锥形干法刻蚀硅槽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－Wb(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)4.选择比选择比：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:意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而对其下层材料和光刻胶不刻蚀。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。ARDE效应-微负载效应：AspectRatioDependenceEtchingEmax：最大刻蚀速率Emin：最小刻蚀速率Eave：平均刻蚀速率微负载效应6.残留物刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。残留物的去除：湿法去胶时去除7.聚合物聚合物的形成有时是有意的，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。聚合物（Polymer）的形成聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳并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。聚合物的缺点：聚合物在刻蚀结束后难以去除；在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。8.等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤有两种情况：1）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。2）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。9.颗粒沾污颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常遇到的问题，应尽量减少。列举刻蚀的9个重要参数？思考：残留物和颗粒沾污的区别？6.3干法刻蚀干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比）1.刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制2.好的CD控制3.最小的光刻胶脱落或粘附问题4.好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性5.化学品使用费用低干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）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干法刻蚀过程1.刻蚀气体进入反应腔2.RF电场使反应气体分解电离3.高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体4.反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀）5.反应正离子吸附表面6.反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反应－各向同性刻蚀（化学刻蚀）7.副产物解吸附8.副产物去除干法刻蚀过程硅片的等离子体刻蚀过程图刻蚀作用等离子体的电势分布①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光放电的等离子体；②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为负的自偏置直流电压；③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；④等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频率和上下电极面积的比值。等离子体的电势分布等离子体的电位相对于接地电极来说是正的，等离子体区域中的电势在系统中最大刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图改变等离子体刻蚀参数的影响6.4干法刻蚀系统及其刻蚀机理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腔、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。干法等离子体反应器的类型：圆桶式等离子体反应器；顺流刻蚀系统(化学作用)离子铣(物理作用)平板反应器；三级平面反应器；反应离子刻蚀（RIE)；高密度等离子体刻蚀机(物理+化学作用)1.圆桶式等离子体刻蚀机圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用于氧等离子体的去胶工艺。典型圆桶式反应器结构圆桶式等离子体刻蚀机理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。等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。2.反应离子刻蚀（RIE）系统RIE（ReactiveIonEtch）物理刻蚀+化学刻蚀反应离子刻蚀（RIE）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。3.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。高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋加速振荡ECR系统、电感耦合等离子体（ICP）RIE系统、磁增强RIE系统等。3.高密度等离子体刻蚀ICP－RIE系统ICP－RIE系统具有结构简单成本低被广泛采用高密度等离子是指在相同的工作压力下，等离子体中反应基（自由基、反应原子或原子团）的密度比传统等离子中高。ICP－RIE设备生产厂家：美国TRION公司型号：MNL/DⅢICP－RIE设备ICP－RIE设备高密度等离子体刻蚀的特点：1.等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率2.系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获得高深宽比的槽；3.系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小对Si片表面的轰击损伤。4.终点检测终点检测的常用方法：光发射谱法光发射谱法终点检测机理在等离子体刻蚀中，反应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。在等离子刻蚀中被激发的基团的特征波长■等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比刻蚀参数物理刻蚀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6.5干法刻蚀的应用刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类ULSI对刻蚀的挑战1.大直径硅片（φ200mm以上）的刻蚀均匀性2.深亚微米关键尺寸、高深宽比（达到6：1）的成功刻蚀3.对下层材料的高选择比（50：1）ULSI对刻蚀的要求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.可接受产能的刻蚀速率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.宽的工艺窗口工艺优化设备参数:设备设计电源电源频率压力温度气流速率真空状况工艺菜单其它相关因素:净化间规范操作过程维护过程预防维护计划工艺参数:等离子体—表面相互作用:-表面材料-复合金属的不同层-表面温度-表面电荷-表面形貌化学和物理要求时间质量指标:刻蚀速率选择比均匀性特性曲线关键尺寸残留物Plasma-etchingawafer介质的干法刻蚀1.氧化硅的刻蚀工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔刻蚀工艺1）刻蚀气体：两种（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3＋Ar＋He）2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理溅射离子：Ar＋、CF3＋等，CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，加入H2后以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基（F原子）提高对下层Si的选择比，He为稀释剂改善刻蚀均匀性。刻蚀SiO2的反应式：在RF作用下工艺气体分解电离：CHF3＋Ar＋He＋3e→CF3+＋CF3＋HF＋F＋Ar+＋He+CF3活性基与SiO2发生化学反应：4CF3＋3SiO2→3SiF4↑＋2CO2↑＋2CO↑3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统，亚微米以下采用ICP－RIE系统4）工作压力：小于0.1Torr5）关键问题：注意刻蚀接触孔对下层Si、氮化硅、抗反射涂层的高选择比，刻蚀通孔对TiN、W、Al的高选择比2.氮化硅的刻蚀1）刻蚀气体：CF4＋O2＋N22）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，O2＋N2的作用是稀释F基的浓度降低对下层SiO2的刻蚀速率刻蚀Si3N4的反应式：在RF作用下工艺气体分解电离：CF4＋O2＋N2＋3e→CF3+＋CF3＋F＋O+＋N+F活性基与Si3N4发生化学反应：12F＋Si3N4→3SiF4↑＋2N2↑2.氮化硅的刻蚀3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统4）工作压力：小于0.1Torr5）刻蚀速率：120nm/min6）对SiO2的选择比：高达20：1硅的干法刻蚀1.多晶硅的刻蚀工艺目的：形成IC中的MOS栅电极，是关键尺寸的刻蚀刻蚀工艺：三个刻蚀步骤：预刻蚀：去除自然氧化层和氮氧化硅主刻蚀：刻至终点过刻蚀：去除刻蚀残留物和剩余多晶硅1）刻蚀气体：两种（Cl2＋Ar）或（HBr＋Ar）2）刻