半导体制造工艺刻蚀课件.ppt

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1、1,两大关键问题：选择性方向性：各向同性/各向异性,待刻材料的刻蚀速率,掩膜或下层材料的刻蚀速率,横向刻蚀速率,纵向刻蚀速率,图形转移光刻刻蚀,2,刻蚀的性能参数,3,A0 0A1 A=1,方向性：,4,刻蚀要求:1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形）2. 过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10，以保证整片刻蚀完全）3. 选择性好4. 均匀性和重复性好5. 表面损伤小6. 清洁、经济、安全,两类刻蚀方法：湿法刻蚀化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好干法刻蚀气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之,5,刻蚀过程包括三个步骤：反应物质量输运（Mass transport）到要被刻蚀的表

2、面在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应反应产物从表面向外扩散的过程,6,湿法刻蚀,反应产物必须溶于水或是气相,7,各向同性,8,例4：Si采用KOH腐蚀,Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-,硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀,9,原子密度： 腐蚀速度：R(100) 100 R(111),10,HNA各向同性腐蚀,自终止,11,12,湿法腐蚀的缺点,在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害（4）湿法

3、腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济,13,干法刻蚀,化学刻蚀（各项同性，选择性好）等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀)物理刻蚀（各向异性，选择性差）高能离子的轰击 (溅射刻蚀) 离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）反应离子刻蚀,14,化学刻蚀 物理刻蚀,15,离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching,等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程，而且相互有增强作用,无离子，XeF2对Si不刻蚀纯Ar离子，对Si不刻蚀Ar离子和XeF2相互作用，刻蚀速率很快,物理过程（如离子轰击造成的断键/晶格损伤、辅助挥发性反应产物的生成、表面抑制物的去除等）将有助于表面化

4、学过程/化学反应的进行,16,典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似,17,等离子体,等离子刻蚀基本原理,等离子体（Plasma）的含义包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。,液态,固态,气态,等离子体,18,刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制

5、,刻蚀机制,刻蚀工艺包括5个步骤：1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；3、反应物被表面吸收；4、通过化学反应产生挥发性化合物；5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。基本刻蚀方式为：物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。,19,20,等离子体探测,大多数的等离子体

6、工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较，通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。,干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或

7、半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为：,终点控制,21,22,Sputtering mode：硅片置于右侧电极，该电极接地（反应腔体通常也接地，则增大该电极有效面积）；右侧暗区电压差小，通过离子轰击的物理刻蚀很弱,RIE mode：硅片置于面积较小的左侧电极，右电极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的物理刻蚀很强,23,反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含卤素的物质，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加气体如：O2，H2，Ar等。O2 用于刻蚀光刻胶。,反应产物必须是气相或者易挥发（volatile）,24,刻蚀方程式,等离子刻蚀基本原理,为何处在等离子体

8、环境下进行刻蚀在我们的工艺中，是用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下： CF4 = CFx* + (4-x) F* (x3) Si + 4 F* = SiF4 SiO2 + 4 F* = SiF4 + O2反应的实质，打破C-F、Si-Si键，形成挥发性的Si-F硅卤化物。 CF +Si Si = Si-F + 17kcal/mol反应需要一个净正能量，CF4本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量的电子碰撞会使CF4分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成SiF是能量有利的。,25,氧气的作用,等离子刻蚀基本原理,在CF4进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀速率。人们认为氧气与

9、碳原子反应生成CO2，这样从等离子体中去掉一些碳，从而增加F的浓度，这些成为富氟等离子体。往CF4等离子体中每增加12%的氧气，F浓度会增加一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。,26,CF4等离子体,27,Si+4F*SiF4 SiO2+4F*SiF4 +O2 Si3N4+12F*3SiF4 +2N2,硅、Si3N4和SiO2刻蚀,CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2和Si3N4的腐蚀速率,少量添加气体可增加选择性,10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比,28,在CF4中加入少量H2，可使CFx：F*的浓度比增加。 从而使SiO2:Si及Si3N4：Si的腐蚀速率比增大,29,

10、增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜,30,刻蚀方向性的增加,增加离子轰击（物理刻蚀分量）侧壁增加抑制物（inhibitor）,DRIE,31,本节课主要内容,干法刻蚀,纯物理刻蚀,纯化学刻蚀,反应离子刻蚀RIE增加方向性、选择性的方法CF4/O2,湿法腐蚀：SiHNA各向同性 KOH各向异性SiO2HF,MEMS,32,反应等离子体刻蚀技术与设备,一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。,33,34,反应离子刻蚀（RIE）,平行板系统,35,电子回旋共振（ECR）等离子体

11、刻蚀机,大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。,36,其他高密度等离子体刻蚀机,由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外，其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源（ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源（SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有

12、独立的偏压源与侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的等离子体密度）。然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。,37,变压器耦合等离子体反应设备示意图,38,集成等离子体工艺,半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染，集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。,39,多层金属互联（TiW/AlCu/TiW）,40,反应等离子体刻蚀的应用,等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀

13、快速发展到大的单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。,41,硅沟槽刻蚀,当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM储存单元的储存电容与电路器件间的区域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽深度通常超过5um，主要是用于形成存储电容，浅的沟槽其深度通常不会超过1um，一般用于器件间的隔离。氯基或溴基的化学剂对硅有高刻蚀速率，且对以二氧化硅为掩蔽层的硅刻蚀有高选择比。HBr+NF3+SF6+O2混合气可用于形成深度约7um的沟槽电容，此气体也用于浅沟槽的刻蚀。亚微米的深硅沟槽刻蚀时，常可观测到与高宽比有管的刻

14、蚀，这是因深窄沟槽中的离子与中性原子的输运会受到限制。,42,多晶硅与多晶硅化物栅极刻蚀,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。例如，对1G DRAM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）。另外，为符合各向异性刻蚀与高选择比的要求，等离子体技术的趋势是利用一相对低的功率产生低压与高密度的等离子体。大多数氯基与溴基化合物可用于栅极刻蚀而得到所需的各向异性与选择比。,43,介质刻蚀,定义介质层（尤其是二氧化硅与氮化硅）的图案是先进半导体制造技术中的关键工

15、艺。因为具有较高的键结合能量，介质的刻蚀必须利用氟基增强等离子体。垂直的图案轮廓可通过侧壁钝化来实现，通常将含碳的氟化物加入等离子体中（CF4、CHF3、C4F8）。必须使用轰击能量较高的离子才能将此聚合物形成的钝化层从氧化层上去除，以及将反应物质与氧化物表面混合形成的SiFx的产物。低压强操作与高等离子体密度有利于高宽比有关的刻蚀，然而HDP会产生高温电子并接着产生高比例的分解离子与自由基，它比RIE或是磁性增强RIE产生更多的活性自由基与离子。,44,金属导线刻蚀Al,IC制作中，金属层的刻蚀是一个相当重要的步骤。铝、铜与钨是金属导线常用的材料，它们通常需要各向异性刻蚀。氟与铝反应产生非挥

16、发性的AlF3，在1240时，其蒸汽压只有1Torr。氯基化学剂常用于铝的刻蚀。氯对铝有极高的化学刻蚀速率并且在刻蚀时会有横向钻蚀现象。将含碳气体或是氮气加入反应中，可在侧壁产生钝化层而得到各向异性刻蚀。暴露于大气环境中是铝刻蚀的另一个问题。Al侧壁上残留的氯与抗蚀剂容易与常压下的水气形成HCl腐蚀铝。在晶片暴露与大气前，先临场通入CF4等离子体，用F取代Cl；然后再通入氧等离子体去除抗蚀剂；紧接着立刻将晶片浸入去离子水中，如此可避免Al的腐蚀。,45,Cu,Cu是Al的后起之秀，低的电阻率与高的抗电迁移性能。然而，铜的卤化物挥发性较低，室温下的等离子体刻蚀并不容易。刻蚀铜膜的温度需高于200

17、。因此，铜的金属导线制作使用“嵌入式”工艺而不用刻蚀。嵌入式工艺包括：1、平坦的介电层上刻蚀出沟槽或渠道；2、金属填入沟槽中来作为连线导线；3、化学机械抛光。在两层嵌入式工艺中，牵涉了一系列的洞（接触孔或通孔）的刻蚀出来并以金属填入，然后CMP。嵌入式工艺的优点是免掉了金属刻蚀的步骤，而铜刻蚀正是IC工业从铝改成铜导线时最担心的问题。,46,两层嵌入式工艺中不同的工艺步骤,抗蚀剂,刻蚀停止层,抗蚀剂,连线,通孔,47,LPCVD(低压化学汽相沉积) W已广泛用于接触孔填塞与第一层金属层，这是因为钨有完美的淀积均匀覆盖性。氟基与氯基化合物均可以刻蚀钨，且生成挥发性产物。利用钨全面回蚀得到钨插栓是钨刻蚀的一项重要应用。,SiO2,TiN阻挡层,W,AlCu,W,SiO2,AlCu,