半导体器件工艺学之刻蚀

§1刻蚀的概念§2刻蚀工艺§3刻蚀新技术（一）基本概念刻蚀：用化学的或物理的或化学物理结合的方式有选择的去除材料去胶后刻蚀后光刻后刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择比均匀性刻蚀速率：去除材料的速度单位：A/min公式：△T/t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各向同性各向异性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。选择比：两种材料刻蚀速率的比公式：S=Ef/Er高选择比意味着只刻除想要刻去得那层材料。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，化学刻蚀剂难以进入，反应生成物难以出来§2刻蚀工艺分类按照材料金属刻蚀介质刻蚀硅刻蚀按照刻蚀工艺湿法刻蚀干法刻蚀材料刻蚀有：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电介质刻蚀一般用含碳氟的气体，如CF4,CHF3,CH2F2,C4F8,C3F6等，然后再加上适当的Ar,O2,N2等气体硅刻蚀：如：刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容刻蚀硅/多晶硅一般用Cl2,HBr,O2等气体金属刻蚀：如：金属层上去除铝合金，制作互连线刻蚀Al金属一般用Cl2,BCl3,CHF3,N2等气体一、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（＞3μm尺寸），一般用于整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等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。等离子刻蚀桶式下游式溅射与离子束铣蚀离子束刻蚀反应离子刻蚀(RIE)高密度等离子刻蚀反应离子刻蚀刻蚀方式下游式刻蚀系统等离子体刻蚀的基本原理腐蚀气体分子在高频电场作用下发生电离形成等离子体,其电离反应式一般可写为式中A2表示电离气体,A+为正离子,e为电子,A为化学性质很活泼的自由基,自由基和被刻蚀材料之间的化学反应对材料产生腐蚀作用,反应生成挥发性极强的气体被抽走。离子束铣(IonMilling)是近年来发展较快的一种离子剥离技术。该技术主要利用携带能量的离子轰击靶材料所产生的物理溅射刻蚀效应离子刻蚀速率表示如下:dh(H)/dt=R(H)/cos(H)=R(H)[1+tan2(H)]1/2当离子束入射的角度较大时,材料表面反射的离子束也增多。因此,随着角度H的增大,越来越少的离子渗入到材料的有效表面。为保证离子的有效渗入,定义临界角Hc。离子束的溅射场与靶材料的原子数Z有关,材料的原子数Z越高,刻蚀速率越高;反之则越低。反应离子刻蚀(RIE)反应离子刻蚀(RIE)是一种物理和化学共同作用的刻蚀工艺,利用高频电场下气体辉光放电产生的离子轰击的物理效应和活性粒子的化学效应相结合来实现加工目的的一种技术。一般来说,它具有较高的刻蚀速率,良好的方向性的选择性,能刻蚀精细结构的图形。（磁增强反应离子刻蚀系统，电子回旋共振刻蚀系统）本产品通过物理与化学相结合的方法，对很细的线条（亚微米以下）进行刻蚀以形成精细的图形。主要用于微电子、光电子、通讯、微机械、新材料、能源等领域的器件研发和制造。深层反应离子刻蚀(DRIE)系统己经足以刻蚀深宽比超过50的深槽硅结构，对于光阻的刻蚀选择比己超过100:1，刻蚀深度均匀度也可以控制在±3%以内。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0.25μm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ICP刻蚀的基本机理ICP刻蚀过程主要包括两部分1：刻蚀气体通过电感耦合的方式辉光放电,产生活性游离基、亚稳态粒子、原子等以及它们之间的化学相互作用;2：这些活性粒子与基片固体表面的相互作用。ICP刻蚀参数对刻蚀结果的影响电学参数,包括电源、频率、电子偏压环境参数包括压力、温度、气体选用与分配、气体流量、磁场强度;.设备参数,包括电极面积/形状、反应腔几何形状、反应腔材料、反应腔体积、电极材料、气体配比设计中微发布PrimoD-RIE刻蚀设备，面向22纳米及以下工艺中微半导体设备(上海)有限公司(以下简称“中微”)日前发布面向22纳米及以下芯片生产的第二代300毫米甚高频去耦合反应离子刻蚀设备--PrimoAD-RIE。2011年7月PrimoAD-RIE在促进中微第一代刻蚀设备技术创新的同时，又大大扩大了其自身的加工领域。该设备的主要部分是一组创新的少量反应台反应器的簇架构，可以灵活地装置多达三个双反应台反应器，以达到最佳芯片加工输出量。每个反应器都可以实现单芯片或双芯片加工。独特的反应器腔体设计融合了中微专有的等离子体聚焦和喷淋头技术，确保了芯片加工的质量。PrimoAD-RIE的一些基本特征使其更具备28纳米以下关键刻蚀加工的能力未来发展方向在集成电路生产中,减少人为污染和工艺过程中引进的尘埃,一直是改进工艺和设备设计的一个重要目标。工艺过程和机器操作中采用机器人或机械手的传输方式已非常普遍。为了更好地实现无污染的高效率生产,近年来出现了各种形式的多工艺真空联机系统,并着重考虑了无尘、无人化和人工智能。