半導體制造工藝-11刻蝕

半導體制造工藝_11刻蝕第一頁，共47頁?？涛g速率R

(etchrate)單位時間刻蝕的薄膜厚度。對產率有較大影響刻蝕均勻性

(etchuniformity)一個硅片或多個硅片或多批硅片上刻蝕速率的變化選擇性S

(Selectivity)不同材料之間的刻蝕速率比各項異性度A

(Anisotropy)刻蝕的方向性

A=0,各項同性；A=1,各項異性掩膜層下刻蝕

(Undercut)橫向單邊的過腐蝕量 刻蝕的性能參數2第二頁，共47頁。A＝00<A<1A=1Uniformity/non-uniformity均勻性/非均勻性Rhigh:最大刻蝕速率Rlow:最小刻蝕速率方向性：過腐蝕（鉆蝕）：假定S＝時3第三頁，共47頁。刻蝕要求:1.得到想要的形狀（斜面還是垂直圖形）2.過腐蝕最?。ㄒ话阋筮^腐蝕10％，以保證整片刻蝕完全）3.選擇性好4.均勻性和重復性好5.表面損傷小6.清潔、經濟、安全兩類刻蝕方法：濕法刻蝕——化學溶液中進行反應腐蝕，選擇性好干法刻蝕——氣相化學腐蝕（選擇性好）或物理腐蝕（方向性好），或二者兼而有之4第四頁，共47頁?？涛g過程包括三個步驟：反應物質量輸運（Masstransport）到要被刻蝕的表面在反應物和要被刻蝕的膜表面之間的反應反應產物從表面向外擴散的過程5第五頁，共47頁。濕法刻蝕反應產物必須溶于水或是氣相6第六頁，共47頁。BOE：bufferedoxideetching或BHF:bufferedHF加入NH4F緩沖液：彌補F和降低對膠的刻蝕實際用各向同性例1：SiO2采用HF腐蝕例2：Si采用HNO3和HF腐蝕（HNA）例3：Si3N4采用熱磷酸腐蝕7第七頁，共47頁。例4：Si采用KOH腐蝕各向異性Si+2OH-+4H2OSi(OH)2+++2H2+4OH-硅濕法腐蝕由于晶向而產生的各向異性腐蝕8第八頁，共47頁。原子密度：<111>><110>><100>腐蝕速度：R(100)100R(111)9第九頁，共47頁。HNA各向同性腐蝕自終止10第十頁，共47頁。利用Si的各向異性濕法腐蝕制作的MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）結構11第十一頁，共47頁。濕法腐蝕的缺點在大規(guī)模集成電路制造中，濕法腐蝕正被干法刻蝕所替代：（1）濕法腐蝕是各向同性，干法可以是各向異性（2）干法腐蝕能達到高的分辨率，濕法腐蝕較差（3）濕法腐蝕需大量的腐蝕性化學試劑，對人體和環(huán)境有害（4）濕法腐蝕需大量的化學試劑去沖洗腐蝕劑剩余物，不經濟12第十二頁，共47頁。干法刻蝕化學刻蝕（各項同性，選擇性好）——等離子體激活的化學反應(等離子體刻蝕)物理刻蝕（各向異性，選擇性差）——高能離子的轟擊(濺射刻蝕)

離子增強刻蝕（各向異性，選擇性較好）——反應離子刻蝕13第十三頁，共47頁?；瘜W刻蝕物理刻蝕14第十四頁，共47頁。離子增強刻蝕-IonEnhancedetching等離子體刻蝕的化學和物理過程并不是兩個相互獨立的過程，而且相互有增強作用無離子，XeF2對Si不刻蝕純Ar離子，對Si不刻蝕Ar離子和XeF2相互作用，刻蝕速率很快物理過程（如離子轟擊造成的斷鍵/晶格損傷、輔助揮發(fā)性反應產物的生成、表面抑制物的去除等）將有助于表面化學過程/化學反應的進行15第十五頁，共47頁。典型的RF等離子刻蝕系統(tǒng)和PECVD或濺射系統(tǒng)類似16第十六頁，共47頁。等離子體等離子刻蝕基本原理等離子體（Plasma）的含義包含足夠多的正負電荷數目近于相等的帶電粒子的物質聚集狀態(tài)。

由于物質分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會使氣體分子產生電離，這樣物質就變成由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物(蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài))。我們把物質的這種存在狀態(tài)稱為物質的第四態(tài)，即等離子體(plasma)。因為電離過程中正離子和電子總是成對出現，所以等離子體中正離子和電子的總數大致相等，總體來看為準電中性。液態(tài)固態(tài)氣態(tài)等離子體17第十七頁，共47頁?？涛g機制、等離子體探測與終點的控制刻蝕機制刻蝕工藝包括5個步驟：1、刻蝕過程開始與等離子體刻蝕反應物的產生；2、反應物通過擴散的方式穿過滯留氣體層到達表面；3、反應物被表面吸收；4、通過化學反應產生揮發(fā)性化合物；5、化合物離開表面回到等離子體氣流中，接著被抽氣泵抽出。基本刻蝕方式為：物理方式：濺射刻蝕，正離子高速轟擊表面；化學方式：等離子體產生的中性反應物與物質表面相互作用產生揮發(fā)性產物。化學方式有高腐蝕速率、高的選擇比與低的離子轟擊導致的缺陷，但有各向同性的刻蝕輪廓。物理方式可以產生各向同性的輪廓，但伴隨低的選擇比與高的離子轟擊導致的缺陷。將二者結合，如反應離子刻蝕（RIE）。18第十八頁，共47頁。19第十九頁，共47頁。等離子體探測大多數的等離子體工藝中發(fā)出的射線范圍在紅外光到紫外光之間，一個簡單的縫隙方法是利用光學發(fā)射光譜儀（OES）來測量這些發(fā)射光譜的強度與波長的關系。利用觀測到的光譜波峰與已知的發(fā)射光譜比較，通過可以決定出中性或離子物質的存在。物質相對的密度，也可以通過觀察等離子體參數改變時光強度的改變而得到。這些由主要刻蝕劑或副產物所引起的發(fā)射信號在刻蝕終點開始上升或下降。干法刻蝕必須配備一個用來探測刻蝕工藝結束點的監(jiān)視器，即終點探測系統(tǒng)。激光干涉度量法用來持續(xù)控制晶片表面的刻蝕速率與終止點。在刻蝕過程中，從晶片表面反射的激光會來回振蕩，這個振蕩的發(fā)生是因為刻蝕層界面的上界面與下界面的反射光的相位干涉。因此這一層材料必須透光或半透光才能觀測到振蕩現象。振蕩周期與薄膜厚度的變化關系為：終點控制20第二十頁，共47頁。刻蝕時間（任意單位）反射系數（任意單位）硅化物多晶硅硅化物/多晶硅刻蝕實驗曲線21第二十一頁，共47頁。Sputteringmode：硅片置于右側電極，該電極接地（反應腔體通常也接地，則增大該電極有效面積）；右側暗區(qū)電壓差小，通過離子轟擊的物理刻蝕很弱RIEmode：硅片置于面積較小的左側電極，右電極仍接地；左側暗區(qū)電壓差大，通過離子轟擊的物理刻蝕很強22第二十二頁，共47頁。SiCl4TiCl4反應離子刻蝕（RIE）：常用刻蝕氣體為含鹵素的物質，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加氣體如：O2，H2，Ar等。O2用于刻蝕光刻膠。反應產物必須是氣相或者易揮發(fā)（volatile）23第二十三頁，共47頁?？涛g方程式等離子刻蝕基本原理為何處在等離子體環(huán)境下進行刻蝕在我們的工藝中，是用CF4和O2來刻蝕擴散后的硅片，其刻蝕原理如下：CF4=CFx*+(4-x)F*(x≤3)

Si+4F*=SiF4↑SiO2+4F*=SiF4+O2↑反應的實質，打破C-F、Si-Si鍵，形成揮發(fā)性的Si-F硅鹵化物。

CΘF+SiΘSi=Si-F+17kcal/mol反應需要一個凈正能量，CF4本身不會直接刻蝕硅。等離子體高能量的電子碰撞會使CF4分子分裂生產自由的氟原子和分子團，使得形成SiF是能量有利的。24第二十四頁，共47頁。氧氣的作用等離子刻蝕基本原理

在CF4進氣中加入少量氧氣會提高硅和二氧化硅的刻蝕速率。人們認為氧氣與碳原子反應生成CO2，這樣從等離子體中去掉一些碳，從而增加F的濃度，這些成為富氟等離子體。往CF4等離子體中每增加12%的氧氣，F濃度會增加一個數量級，對硅的刻蝕速率增加一個數量級。25第二十五頁，共47頁。CF4等離子體26第二十六頁，共47頁。Si+4F*SiF4SiO2+4F*SiF4+O2Si3N4+12F*3SiF4+2N2硅、Si3N4和SiO2刻蝕CF4中添加少量O2可增加對Si，SiO2和Si3N4的腐蝕速率少量添加氣體可增加選擇性10%O2可獲得最大的Si/SiO2刻蝕比27第二十七頁，共47頁。在CF4中加入少量H2，可使CFx：F*的濃度比增加。從而使SiO2:Si及Si3N4：Si的腐蝕速率比增大28第二十八頁，共47頁。增加F/C比（加氧氣），可以增加刻蝕速率減少F/C比（加氫氣），刻蝕過程傾向于形成高分子膜29第二十九頁，共47頁?？涛g方向性的增加增加離子轟擊（物理刻蝕分量）側壁增加抑制物（inhibitor）DRIE30第三十頁，共47頁。本節(jié)課主要內容什么是圖形轉移技術？刻蝕的兩個關鍵問題？選擇性方向性光刻＋刻蝕干法刻蝕純物理刻蝕純化學刻蝕反應離子刻蝕RIE增加方向性、選擇性的方法CF4/O2濕法腐蝕：Si——HNA各向同性——KOH各向異性SiO2——HFMEMS31第三十一頁，共47頁。反應等離子體刻蝕技術與設備一個反應等離子體刻蝕反應器包括一個真空腔、抽氣泵系統(tǒng)、電源供應產生器、壓力探測器、流量控制器與終點探測器等。32第三十二頁，共47頁。11010010001101001000低于高密度ECR，ICP低壓整批RIE單片晶片RIE桶狀等離子體刻機33第三十三頁，共47頁。反應離子刻蝕（RIE）平行板系統(tǒng)RFRF34第三十四頁，共47頁。電子回旋共振（ECR）等離子體刻蝕機大多數的等離子體抗蝕機，除了三極RIE外，都無法提供獨立控制等離子體參數的能力。導致轟擊損傷的嚴重問題。ECR結合微波電源與靜電場來驅使電子沿磁場線作一定角頻率的回旋。當此頻率等于外加微波頻率時，電子能量與外加磁場產生共振耦合，造成大量的分解與電離。35第三十五頁，共47頁。其他高密度等離子體刻蝕機由于ULSI的線寬持續(xù)縮小，逼近傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)極限，除了ECR系統(tǒng)外，其他形式的高密度等離子體源（HDP），如電感耦合等離子體源（ICP）、變壓器耦合等離子體源（TCP）、表面波耦合等離子體源（SWP）也已開始發(fā)展。這些設備擁有高等離子體密度與低工藝壓強。另外，HDP等離子體源對襯底的損傷較小（因為襯底有獨立的偏壓源與側電極電勢），并有高的的各向異性（因為在低壓下工作但有高活性的等離子體密度）。然而，由于其復雜且成本較高，這些系統(tǒng)可能不會使用于非關鍵性的工藝，如側壁間隔與平坦化工藝。36第三十六頁，共47頁。等離子體RFRF介電板變壓器耦合等離子體反應設備示意圖37第三十七頁，共47頁。集成等離子體工藝半導體晶片都是在潔凈室里加工制作，以減少大氣中的塵埃污染。當器件尺寸縮小，塵埃的污染成為一個嚴重的問題。為了減少塵粒的污染，集成等離子體設備利用晶片操作機將晶片置于高真空環(huán)境中從一個反應腔移到另一個反應腔。同時可以增加產率。38第三十八頁，共47頁。TiW刻蝕腔AlCu刻蝕腔鈍化層剝蝕腔真空裝載鎖住腔卡式裝/卸載腔多層金屬互聯（TiW/AlCu/TiW）39第三十九頁，共47頁。反應等離子體刻蝕的應用等離子體刻蝕系統(tǒng)已由應用于簡單、整批的抗蝕劑剝蝕快速發(fā)展到大的單片晶片加工。下表列舉了不同刻蝕工藝所用到的一些化學劑。被刻蝕材料刻蝕用的化學藥品深Si溝槽HBr/NF3/O2/SF6淺Si溝槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2,HBr/O2,BCl3/Cl2,SF6AlBCl3/Cl2,SiCl4/Cl2,HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有SF6,NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3,CF4/Cl2,Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar,C2F6,C3F8/CO,C5F8,CH2F2Si3N4CHF3/O2,CH2F2,CH2CHF240第四十頁，共47頁。硅溝槽刻蝕當器件尺寸縮小時，晶片表面用作隔離DRAM儲存單元的儲存電容與電路器件間的區(qū)域也會相對減少。這些表面隔離區(qū)域可以利用硅晶片的深溝槽刻蝕，再填入適當的介質或導體物質來減少其所占的面積。深溝槽深度通常超過5um，主要是用于形成存儲電容，淺的溝槽其深度通常不會超過1um，一般用于器件間的隔離。氯基或溴基的化學劑對硅有高刻蝕速率，且對以二氧化硅為掩蔽層的硅刻蝕有高選擇比。HBr+NF3+SF6+O2混合氣可用于形成深度約7um的溝槽電容，此氣體也用于淺溝槽的刻蝕。亞微米的深硅溝槽刻蝕時，?？捎^測到與高寬比有管的刻蝕，這是因深窄溝槽中的離子與中性原子的輸運會受到限制。41第四十一頁，共47頁。多晶硅與多晶硅化物柵極刻蝕多晶硅與多晶硅化物（即多晶硅上覆蓋有低電阻金屬硅化物）常用作MOS器件的柵極材料。各向異性刻蝕及對柵極氧化層的高選擇比是柵極刻蝕時最重要的需求。例如，對1GDRAM而言，其選擇比需超過150（即多晶硅化物與柵極氧化層的刻蝕速率比為150:1）。另外，為符合各向異性刻蝕與高選擇比的要求，等離子體技術的趨勢是利用一相對低的功率產生低壓與高密度的等離子體。大多數氯基與溴基化合物可用于柵極刻蝕而得到所需的各向異性與選擇比。42第四十二頁，共47頁。介質刻蝕定義介質層（尤其是二氧化硅與氮化硅）的圖案是先進半導體制造技術中的關鍵工藝。因為具有較高的鍵結合能量，介質的刻蝕必須利用氟基增強等離子體。垂直的圖案輪廓可通過側壁鈍化來實現，通常將含碳的氟化物加入等離子體中（CF4、CHF3、C4F8）。必須使用轟擊能量較高的離子才能將此聚合物形成的鈍化層從氧化層上去除，以及將反應物質與氧化物表面混合形成的SiFx的產物。低壓強操作與高等離子體密度有利于高寬比有關的刻蝕，然而HDP會產生高溫電子并接著產生高比例的分