soc工艺课件 ch11刻蚀技术

P1微电子制造工艺概论第11章刻蚀技术P211.1概述11.2湿法刻蚀11.3干法刻蚀11.4刻蚀技术新进展本章主要内容P311.1概述刻蚀技术：就是把光刻胶上的图形转换到光刻胶下面的各层材料上去的工艺过程。ULSI对刻蚀技术的要求：图形转移的保真度：即各项异性程度；选择比：两种不同材料被腐蚀速度之比；均匀性：不同位置的腐蚀速率不同；刻蚀的清洁：刻蚀过程中引入沾污，影响图形的转移精度。理想的刻蚀工艺必须具有以下特点：各向异性刻蚀，即只有垂直刻蚀，没有横向钻蚀。良好的刻蚀选择性，即光刻胶和其下薄膜的刻蚀速率比被刻蚀薄膜的刻蚀速率小得多，保证刻蚀过程中抗蚀剂掩蔽的有效性；加工批量大，控制容易，成本低，对环境污染少，适用工业生产。P4刻蚀技术包含了所有将材质表面均匀移除或是有选择性地部分去除的技术，可分为湿法刻蚀（WetEtching）干法刻蚀（DryEtching）影响刻蚀工艺的因素：外部因素：包括设备硬件的配置以及环境的温度、湿度影响，对于操作人员来说，外部因素只能记录，很难改变，要做好的就是优化工艺参数，实现比较理想的实验结果。内部因素：在设备稳定的情况下对工艺结果起到决定性作用。11.1概述P511.1概述内部因素对于刻蚀速率、形貌等均起到重要作用。工作压力的选择；RF功率的选择；ICP功率；衬底温度和反应室温度；反应气体的选择和配比。另外，直流偏压的选择，控制反射功率，待刻蚀面积的大小、刻蚀材料的差异等等都会影响到刻蚀面的形貌、刻蚀速率，这些都是要考虑的重要因素。P611.2湿法刻蚀湿法刻蚀是利用特定溶液与薄膜间进行的化学反应来去除被刻蚀部分而达到刻蚀目的的技术。将晶片放在腐蚀液中，通过化学反应去除窗口薄膜，得到晶片表面的薄膜图形。湿法刻蚀大概可分为三个步骤：反应物质扩散到被刻蚀薄膜的表面。反应物与被刻蚀薄膜反应。反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中，并随溶液排出。在这三个步骤中，一般进行最慢的是反应物与被刻蚀薄膜反应的步骤，也就是说，该步骤的进行速率即是刻蚀速率。P7湿法刻蚀特点：湿法腐蚀工艺简单，无需复杂设备。保真度差，腐蚀为各向同性，图形分辨率低。选择比高，对器件不会带来等离子体的损伤；均匀性好；清洁性较差。通常先利用氧化剂（Si/Al用HNO3）将被刻蚀材料氧化成氧化物（SiO2和Al2O3），再利用另一种溶剂(如Si用HF酸和Al用H3PO4)将形成的氧化层溶解并随溶液排出。11.2湿法刻蚀P8参数说明控制难度湿法化学腐蚀参数浓度时间温度搅动批数溶液浓度硅片浸在腐蚀槽中的时间腐蚀槽的温度溶液槽的搅动为了减少颗粒并保持适当的溶液强度，一定批次后必须更换溶液最难控制相对容易控制相对容易控制可适当控制有一定难度相对容易控制11.2湿法刻蚀P911.2.1硅的湿法腐蚀各向同性腐蚀：采用强氧化剂对硅进行氧化然后利用HF与SiO2反应去掉硅，常用硝酸与氢氟酸和水(醋酸)的混合液。刻蚀速率取决于HF和HNO3浓度较低者。Si+HNO3+6HF→H2SiF6+HNO2+H2O+H2各向异性腐蚀：KOH溶液对硅进行腐蚀，对(100)面的刻蚀速率比(111)面快许多。Si+2KOH+H2O→K2SiO3+H2O抑制硝酸分解V(100):V(110):V(111)=100:16:1P1011.2.2二氧化硅的湿法腐蚀HF溶液室温下与SiO2反应而不会刻蚀Si或多晶硅，所以HF是刻蚀SiO2的最佳选择，反应式为:SiO2+6HF→SiF6+2H2O+H2HF酸不断消耗，反应速率随时间增加而降低，通常在腐蚀液中加入一定量的氟化氨，通过分解可产生HF，维持HF浓度，HF：NH4F：H2O=3mL：6g：10mL，反应为：NH4F→NH3+HF影响刻蚀质量的因素主要有：粘附性光刻胶与SiO2表面粘附良好，是保证刻蚀质量的重要条件；二氧化硅的性质：不同方法生长的SiO2具有不同特性（V淀积V湿氧V干氧）；二氧化硅中的杂质：高浓度的磷导致刻蚀速度迅速提升；刻蚀温度：温度越高，刻蚀速率越快；刻蚀时间：取决于刻蚀速率和氧化层厚度；P1111.2.3氮化硅的湿法腐蚀Si3N4在半导体工艺中主要是作为场氧化层（FieldOxide）在进行局部氧化生长时的屏蔽层及半导体器件完成主要制备流程后的保护层。可以使用加热180℃的H3PO4溶液刻蚀Si3N4，其刻蚀速率与Si3N4的生长方式有关，例如：用PECVD方式比用高温LPCVD方法得到的Si3N4的刻蚀速率快很多。高温的H3PO4会造成光刻胶的剥落，而H3PO4溶液腐蚀氧化硅相当慢，腐蚀氮化硅很快。在涂敷光刻胶之前氮化层上先沉积一层氧化层，然后把光刻胶上的图形转移到氧化层上，那么氧化层图形就成为下道腐蚀氮化物工序的掩膜。P1211.2.4铝的湿法腐蚀铝或铝合金的刻蚀溶液主要是加热的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液。加热温度是35~60ºC，温度越高，刻蚀速度越快。刻蚀反应是由硝酸和铝反应生成氧化铝，再由磷酸和水分解氧化铝，主要反应式为2Al+6HNO3→Al2O3+3H2O+6NO2Al2O3+2H3PO4→2AlPO4+3H2O通常，溶液的配比，温度的高低，以及是否搅拌，搅拌的速率等条件，均会影响铝或者铝合金的刻蚀速率，常见的刻蚀速率范围大约在100~300nm/min。一般对于绝缘膜或金属膜都采用这种方式来进行腐蚀，也就是大量溶解这些材料使之转化成可溶性盐或化合物。P1311.2.5铬的湿法腐蚀铬版复印中，铬的刻蚀一般采用酸性硫酸高铈刻蚀：硫酸高铈对光致抗蚀剂的穿透性能差，用来做铬的刻蚀液，可减少铬版上的针孔。2Cr+6Ce(SO4)2→3Ce(SO4)2+Cr2(SO4)2碱性高锰酸钾刻蚀：高锰酸钾作为氧化剂，在碱性介质氢氧化钾中能把铬氧化为可溶性的亚铬酸钠而使铬溶解。6KMnO4+2Cr+8NaOH→3K2MnO4+3Na2MnO4+2NaCrO2+4H2O酸性锌接触刻蚀：刻蚀前用锌块划破铬版表面，锌与稀硫酸产生活泼的氢原子，还原铬表面的氧化膜，接着活泼的铬与硫酸反应，铬层被迅速刻蚀掉。2Cr+3H2SO4→Cr2(SO4)3+3H2↑P1411.2湿法刻蚀P1511.2.6湿法刻蚀设备湿法刻蚀工艺的设备主要由刻蚀槽、水洗糟和干燥槽构成，其装置结构如图所示。P1611.3干法刻蚀技术湿法刻蚀选择性高，但各向同性的，无法满足ULSI工艺对加工精细线条的要求。干法刻蚀是利用辉光的方法产生带电离子以及具有高度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶片反应以将光刻图形转移到晶片上的技术。，是ULSI的标准腐蚀工艺。依据等离子放电条件、反应气体、系统的不同，有多种干法刻蚀方式。物理性刻蚀化学性刻蚀（等离子体刻蚀）物理化学性刻蚀（反应离子刻蚀RIE）P17物理性刻蚀：利用辉光放电气体电离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被刻蚀物的表面而将被刻蚀物的原子击出的过程。包括溅射刻蚀和离子束铣蚀。溅射刻蚀：利用等离子体中的离子或高能原子对衬底进行轰击，溅射出衬底原子，形成掩蔽膜图形。离子束铣蚀：利用高能离子束对衬底进行轰击，撞击出衬底原子，形成掩蔽膜图形。物理刻蚀的特点：各向异性刻蚀，可获得接近垂直的刻蚀轮廓。但刻蚀选择性低。轰击出的物质容易沉积在被刻蚀层表面。11.3干法刻蚀技术——物理刻蚀P1811.3干法刻蚀技术——化学刻蚀化学刻蚀：利用等离子体将刻蚀气体电离并形成带电离子、分子及反应活性很强的原子团，它们扩散到刻蚀薄膜表面后与刻蚀薄膜表面原子反应生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。化学刻蚀的特点：高刻蚀速率、高选择比、损伤小，但为各向同性刻蚀。P19反应离子刻蚀（ReactiveIonEtching，RIE）是等离子化学性刻蚀和溅射物理性刻蚀现象同时作用的刻蚀，实际是离子辅助刻蚀。设备特点是被刻蚀衬底放置在功率电极上。RIE是在IC中采用最多的刻蚀方法。RIE刻蚀特点：保真度优于化学性刻蚀，但不如物理性刻蚀。选择比优于物理性刻蚀，但不如化学性刻蚀RIE刻蚀后在衬底上留有残余损伤。11.3干法刻蚀技术——物理化学刻蚀P2011.3干法刻蚀技术P21干法刻蚀特点：与湿法腐蚀比较，优点：保真度好，图形分辨率高；湿法腐蚀难的薄膜如氮化硅等可以进行干法刻蚀。清洁性好，气态生成物被抽出；无湿法腐蚀的大量酸碱废液。缺点设备复杂；选择比不如湿法；11.3干法刻蚀技术——特点P2211.3.1刻蚀参数干法刻蚀的主要刻蚀参数有以下几个方面：刻蚀速率选择比均匀性侧壁聚合物P2311.3.1刻蚀参数——刻蚀速率刻蚀速率：刻蚀过程中，去除被刻蚀表面材料的速率，通常用Å/min表示。刻蚀速率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构配置、使用的刻蚀气体和工艺参数设置等。刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度，刻蚀面积越小，刻蚀速率越快（负载效应：被刻蚀材料裸露在等离子体中面积较大的区域时刻蚀速率比在面积较小的区域时慢，也就是出现局部刻蚀速率不均匀。）。影响刻蚀速率的主要因素：离子能量和入射角气体成分气体流速其它影响因素P24SR＝Ef/Er式中，Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率；Er=掩蔽层材料的刻蚀速率（如光刻胶）。选择比：同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少，定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速度之比。11.3.1刻蚀参数——选择比P25均匀性：一种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。均匀性与选择比有密切的关系，因为非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持均匀性是保证制造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保证均匀性。例如图形密的区域，大的图形间隔和高深宽比图形。均匀性的一些问题是因为刻蚀中速率和刻蚀剖面与图形尺寸和密度有关而产生的。具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。11.3.1刻蚀参数——均匀性P26刻蚀过程中在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀，这样做能形成高的各向异性图形，因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。这些聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳转化而来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气体类型。11.3.1刻蚀参数——侧壁聚合物P27多晶硅与多晶硅化物（即多晶硅上覆盖有低电阻金属硅化物）常用作MOS器件的栅极材料。各向异性刻蚀及对栅极氧化层的高选择比是栅极刻蚀时最重要的需求。栅极刻蚀的要求：对栅极氧化层的高选择比。各向异性刻蚀。例如，对1GDRAM而言，其选择比需超过150（即多晶硅化物与栅极氧化层的刻蚀速率比为150:1）。刻蚀多晶硅的三个主要步骤：a.预刻蚀。用于除去自然氧化层、硬的掩蔽层(SiON)和表面污染物来获得均匀的刻蚀。减少了刻蚀中掩蔽层污染物带来的缺陷。b.主刻蚀。刻至终点。去掉大部分的多晶硅膜，不损伤栅氧化层并可获得较理想的各向异性侧壁剖面。c.过刻蚀。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。此时要避免在多晶硅周围的氧化层形成微槽。11.3.2多晶硅的干法刻蚀P28Si对SiO2刻蚀选择比要求足够高：1）去除阶梯残留，必须有足够的过渡刻蚀才能避免多晶硅电极间短路的发生；2）多晶硅一般覆盖在很薄的栅极氧化层上，如果氧化层被完全刻蚀，则氧化层下的源极和漏极区域的Si将被快速刻蚀。选择比的要求：主刻蚀150:1，为了防止栅氧化层的穿通。过刻蚀250:1，防止多晶硅周围的栅氧化层形成微槽。11.3.2多晶硅的干法刻蚀P29刻蚀气体：传统上采用氟基气体，包括CF4,CF4/O2,SF6,C2F6/O2。缺点：氟原子在刻蚀中起主要作用，属各向同性刻蚀，且选择比较差，并存在一定的负载效应。负载效应:指当被刻材料裸露在等离子体中时，面积较大的刻蚀速率比面积较小的慢，造成局部