半导体-第十二讲-刻蚀

刻蚀1.引言2.刻蚀参数及现象3.干法刻蚀4.湿法刻蚀5.总结1.引言1.1刻蚀的概念刻蚀：它是半导体制造工艺，微电子IC制造工艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的步骤。是与光刻相联系的图形化（pattern）处理的一种主要工艺。所谓刻蚀，实际上狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。随着微制造工艺的发展；广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。1.2刻蚀工艺的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。1.3刻蚀示意图1.4刻蚀的分类干法刻蚀：把硅片放在气体等离子体中，有选择地去除表面层材料的过程。湿法刻蚀：把硅片放在化学腐蚀液里，有选择地去除表面层材料的过程。湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学方法，不能实现图形的精确转移，适用于特征尺寸≥3μｍ的情况干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学方法，能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。各向同性刻蚀：侧向与纵向腐蚀速度相同各向异性刻蚀：侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度，侧向几乎不被腐蚀。（a）各向同性刻蚀剖面（b）各向异性刻蚀剖面2.刻蚀参数及现象在刻蚀工艺中，刻蚀参数用来描述刻蚀效果的好坏，决定光刻胶图形向硅片转移的质量。这些刻蚀参数在工艺中非常重要。刻蚀参数刻蚀速率刻蚀偏差选择比均匀性刻蚀剖面刻蚀现象残留物聚合物等离子体诱导损伤颗粒沾污和缺陷2.1刻蚀速率刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率＝△T/t其中△T为去掉薄层材料的厚度（单位：埃/分、或nm/min）、t为刻蚀时间（单位：分）2.2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－Wb2.3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。高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料，而对其下层材料和光刻胶不刻蚀。SiO2对光刻胶的选择比＝（△Tsio2/t1）÷（△T胶/t1）＝△Tsio2/△T胶（a）0时刻（b）t1时刻SiO2对下层Si的选择比SiO2对下层Si的选择比＝（△Tsio2/t1）÷（△Tsi/（t3－t2））（c）t2时刻（d）t3时刻2.4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。2.5刻蚀剖面刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状2.6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，湿法去胶时能去除残留物。2.7聚合物聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质组成的化合物。聚合物的优点：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜，阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀剖面。聚合物的缺点：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。聚合物（Polymer）的形成2.8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。2.9颗粒沾污和缺陷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。3.干法刻蚀1.刻蚀过程1）刻蚀气体进入反应腔（以CF4为例）2）RF电场使反应气体分解电离，产生等离子体3）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等4）反应正离子轰击样品表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀）3.1干法刻蚀原理5）反应正离子吸附表面6）反应元素（自由基和反应原子）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示意图2.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一个等幅的正电势电位。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。3.反应离子刻蚀（ReactiveIonEtch，RIE）反应器平行板RIE反应器刻蚀机理反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀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。4.高密度等离子体反应离子刻蚀传统的RIE系统不能满足小于0.25μm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振荡RIE系统、电感耦合等离子体RIE系统、磁增强RIE系统等。高密度等离子体的离化率达到10%而传统最大0.1%反应器第三个电极：ICP（InductivelyCoupledPlasma）电极优点：结构简单，成本低三极平行板RIE反应器ICP-RIE刻蚀机ICP部分传片腔高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：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。5.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。3.2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.深亚微米特征尺寸、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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工艺方法：刻蚀气体：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3＋Ar＋He）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统，亚0.25微米以下采用ICP－RIE系统工作压力：≤0.1Torr，亚0.25微米≤10mTorr刻蚀机理：在RF作用下工艺气体分解电离：CHF3＋Ar＋He＋3e→CF3+＋CF3＋HF＋F＋Ar+＋He+CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，与SiO2发生化学反应：4CF3＋3SiO2→3SiF4↑＋2CO2↑＋2CO↑物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：Ar＋、CF3＋，化学刻蚀：CF3H的作用：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的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性2.氮化硅的刻蚀工艺目的:在CMOS工艺中，通常为了形成MOS器件的有源区和钝化窗口工艺方法：刻蚀气体：CF4＋O2＋N2刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统，亚0.25微米以下采用ICP－RIE系统工作压力：≤0.1Torr，亚0.25微米≤10mTorr刻蚀机理：在RF作用下工艺气体分解电离：CF4＋O2＋N2＋3e→CF3+＋CF3＋F＋O+＋N+F是主要活性基与Si3N4发生化学反应：12F＋Si3N4→3SiF4↑＋2N2↑物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻蚀：FO2/N2的作用:稀释F基的浓度降低对下层SiO2的刻蚀速率硅的干法刻蚀1.多晶硅的刻蚀工艺目的：在CMOS工艺中，形成MOS栅电极，是特征尺寸刻蚀。工艺方法：刻蚀气体：Cl2＋Ar刻蚀系统：平行板式RIE或ICP-RIE系统工作压力：小于0.1Torr，亚0.25微米≤10mTorr刻蚀机理：气体分解电离：Cl2＋Ar＋2e→Cl+＋Cl＋Ar+Cl活性基与Si化学反应：4Cl＋Si→SiCl4↑物理和化学混合刻蚀不用SF6等F基气体是因为Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较高的选择比刻蚀要求：对0.15微米技术IC的栅氧化硅的选择比大于150：1，以防止栅氧化层穿通。2.单晶硅的刻蚀工艺目的：主要形成IC的STI槽和垂直电容槽工艺方法：刻蚀气体：SF6＋Ar刻蚀系统：平行板式ICP－RIE系统工作压力：小于10mTorr刻蚀机理：物理和化学混合刻蚀SF6是刻蚀硅的主气体Ar产生物理刻蚀单晶硅刻蚀的SEM照片金属的干法刻蚀1.Al的刻蚀工艺目的：形成IC的金属互连工艺方法：刻蚀气体：Cl2＋BCl3＋CHF3刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统，亚0.25微米以下采用ICP－RIE系统工作压力：≤0.1Torr，亚0.25微米≤10mTorr刻蚀机理：物理和化学混合刻蚀Cl2用于铝主刻蚀BCl3用于铝表面的Al2O3的刻蚀CHF3用于刻蚀铝上层的抗反射膜（TiN）和铝下层的Ti金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂4.湿法刻蚀4.1湿法刻蚀的原理湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术这是各向同性的刻蚀方法，利用化学反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料湿法刻蚀，又称湿化学腐蚀法。半导体制造业一开始，湿法腐蚀就与硅片制造联系在一起。现在湿法腐蚀大部分被干法刻蚀代替，但在漂去氧化硅、除去残留物、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀应用方面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与Ⅲ－Ⅴ族化合物等作整片的腐蚀。4.2常用材料的湿法刻蚀1.二氧化硅湿法刻蚀采用氢氟酸溶液加以进行。因为二氧化硅可与室温的氢氟酸溶液进行反应，但却不会蚀刻硅基材及多晶硅。反应式如下：SiO2+6HF＝H2[SiF6]+2H2O由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制程上很难控制，因此在实际应用上都是使用稀释后的氢氟酸溶液，或是添加氟化铵（NH4F）作为缓冲剂的混合液，来进行二氧化硅的蚀刻。影响二氧化硅腐蚀速率的因素1.温度一定，SiO2的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比及二氧化硅的掺杂浓度（二氧化硅除了纯二氧化硅外，尚有含有杂质的二氧化硅如BPSG等）掺磷浓度越高，腐蚀速率越快；掺硼浓度越高，腐蚀速率越慢2.温度越高，腐蚀速率越快3.搅拌可以加速腐蚀速率4.高温热成长的氧化层较以化学气相沉积方式的氧化层刻蚀速率慢，因其组成结构较为致密。2.铝刻蚀1、铝或铝合金的湿式蚀刻主要是利用加热的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液加以进行2、典型的比例为80%的磷酸、5%的硝酸（提高腐蚀速率，但是不能太多，否则影响光刻胶的抗蚀能力）、5%的醋酸（提高腐蚀的均匀性）及10%的水。加热的温度约在35°C-45°C左右3、温度越高蚀刻速率越快，一般而言蚀刻速率约为1000-3000Å/min，而溶液的组成比例、不同的温度及蚀刻过程中搅拌与否都会影响到蚀刻的速率。4、在刻蚀AL的过程中有氢气泡产生，这些气泡会附着在铝的表面而局部的抑制刻蚀的进行，造成刻蚀不均匀。可以通过搅拌和添加催化剂来降低界面张力以避免这种问题的发生。常见湿法刻蚀技术腐蚀液被腐蚀物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01AlNH4(40%):HF(40%)=7:1SiO2,PSGH3PO4(85%)Si3N4HF(4