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1、微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术第第第第 16 16 章章章章 刻刻刻刻 蚀蚀蚀蚀 概概 述述 刻蚀是将硅片表面上淀积的各种绝缘介质、金属薄膜等按照掩膜版的图形结构选择性的去除，以便形成各种各样的器件结构和电路的互连。刻蚀工艺是在显影检查完后进行，一旦膜层材料被刻蚀去除，在刻蚀过程中所造成的缺陷将无法弥补而使整个硅片报废。刻蚀的要求取决于要制作的图形类型。如金属层、多晶硅栅、隔离槽、通孔等。因为结构的不同，所以具有大量不同刻蚀参数的材料。特征尺寸的缩小使刻蚀工艺对尺寸的控制要求更加严格，也更加难以检测。学学 习习 目目 标标1.了解9个主要的刻蚀参数；2.描述干法刻蚀的
2、优点及基本原理；3.列举一个介质、硅、金属干法刻蚀的实际4.例子；4.熟悉湿法刻蚀及其应用；5.了解刻蚀检查以及相关的重要的质量测量6.方法。刻蚀原理刻蚀原理 刻蚀是利用化化学学或或者者物物理理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。因此，刻蚀过程中光刻胶层起着有效保护下面的膜层不受浸蚀的作用。图16.1是常规COMS栅刻蚀工艺示意图。光刻胶被刻蚀材料(a)有光刻胶图形的衬底(b)刻蚀后的衬底光刻胶被保护层Figure 16.1 刻蚀工艺刻蚀工艺刻蚀工艺的类型湿法刻蚀干法刻蚀需要刻蚀的三种主要材料硅介质金属有图形的刻蚀和无图形的刻蚀 刻蚀
3、参数刻蚀参数 为了将掩膜图形复制到硅片表面的材料上，刻蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下刻蚀参数。刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择比均匀性残留物聚合物等离子体诱导损伤颗粒沾污和缺陷 刻蚀速率刻蚀速率 刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除薄膜表面材料的速度（见图16.3），通常用/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、使用的刻蚀气体和工艺参数等。刻蚀速率可用下式来计算。刻蚀速率=T/t(/min)其中，T=去掉的材料厚度（）t=刻蚀所用的时间（min）刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度，也与被刻蚀的图形的几何形状有关。刻蚀的面积越大刻蚀速率就越慢，因为刻蚀所需要的刻蚀剂气体就
4、越多，这被称为负载效应。T刻蚀开始刻蚀结束t=刻蚀时间T=刻蚀掉的厚度Figure 16.3 刻蚀速率 刻蚀剖面刻蚀剖面 刻蚀剖面指的是被刻蚀图形的恻壁形状。有两种基本的刻蚀剖面，分别为各各向向同同性性的刻蚀剖面和各向异性各向异性刻蚀剖面。各向同性刻蚀剖面是指在所有方向以相同的刻蚀速率进行的刻蚀（见图1.4）。湿法化学腐蚀就是各向同性刻蚀，因而不能用于亚微米器件制造中的选择性图形刻蚀。各向同性刻蚀是在各个方向上同样的速率进行刻蚀SubstrateFilmResistFigure 16.4 湿法各向同性刻蚀 对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻蚀剖面是各向异性的，即刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行（
5、见图16.5），只有很少的横向刻蚀。各向异性刻蚀对于亚微米器件的制作来说非常关键。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现的。各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀ResistSubstrateFilmFigure 16.5 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀Table 16.1 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面 刻蚀偏差刻蚀偏差 刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽几何尺寸的变化（见图16.6）。它通常是由于横向钻蚀引起的（见图16.7），但也会由刻蚀剖面引起。当刻蚀中去除掩膜层下过量的材料时，会引起被刻蚀材料的上表面向光刻胶边缘凹进去，这就是横向钻蚀。计算刻蚀偏差的公式如下：刻蚀偏差=WbWa 其中，Wb=刻蚀
6、前光刻胶的线宽 Wa=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽(b)偏差SubstrateResistFilm(a)偏差ResistFilmFilmSubstrateWbWaFigure 16.6 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面钻蚀SubstrateResistFilm过刻Figure 16.7 刻蚀中的横向钻蚀和倾斜 刻蚀选择性刻蚀选择性 选择比是指在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料刻蚀速率的比值（见图16.8）。高选择比意味着只刻蚀想要刻蚀的材料，而对其它材料的刻蚀微乎其微。对被刻蚀材料和掩膜材料的选择比SR可以通过下式计算：SR=Ef/Er Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率 Er=掩膜材料的刻蚀速率高的选
7、择比可以是100:1S=EfErEf氮化硅OxideErFigure 16.8 刻蚀均匀性刻蚀均匀性 刻蚀均匀性是衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或者整个一批或批与批之间刻蚀能力之间的参数。均匀性与选择比有密切关系，因为非均匀刻蚀会产生额外的过刻蚀。保持刻蚀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。刻蚀的不均匀，是因为刻蚀速率与刻蚀剖面、图形尺寸和宽度有关。因为刻蚀速率在刻蚀小窗口图形时较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上刻蚀居然停止。这一现象被称为深宽比相关刻蚀（ARDE），也被称为微负载效应。为了提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应降到最
8、小。在每片上测 5 to 9 个点处的刻蚀速率，然后计算每片的刻蚀均匀性并比较片与片之间的均匀性在一批中随机抽取 3 to 5 片Figure 16.9 刻蚀均匀性检测方法 残残留留物物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面的刻蚀副产物。通常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。产生的原因有：被刻蚀的材料、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂质分布等。刻蚀残留物是芯片制造过程中的硅片污染源，并能在去除光刻胶过程中带来一些问题。为了去除刻蚀残留物，可以在刻蚀完成后进行微量的过刻蚀，也可以在去除光刻胶的过程中进行清除。聚聚合合物物 为了获得良好的异性刻蚀，防止横向刻蚀，在刻蚀过程中可以有意在恻壁上形成一层聚合
9、物（见图16.10），增强刻蚀的方向性，实现对图形关键尺寸的良好控制。恻壁聚合物可以通过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。等离子体离子ResistOxide生成的聚合物SiliconFigure 16.10 聚合物恻壁钝化来提高各向异性 干法刻蚀干法刻蚀 在先进的半导体生产中，干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。主要目的是完整地把掩膜图形复制到硅片表面上，与湿法刻蚀相比其优点列于下表中。Table 16.2 8)副产物 去除 1)刻蚀气体 进入反应室Substrate刻蚀反应腔 2)电场是反 应物分解 5)反应离子 吸附在表面 4)反应正离子
10、轰击表面 6)原子团和表面 膜的表面反应排气气体传送RF 发生器副产物 3)电子和原子分离 产生等离子体 7)副产物 解吸附CathodeAnode电场ll各向异性刻蚀各向同性刻蚀Figure 16.11 硅片的等离子体刻蚀过程刻蚀机理刻蚀机理 干法刻蚀系统中，刻蚀是通过化学或物理作用或者是两个的共同作用来实现的（见图16.12）。在纯化学机理中，等离子体产生的反应元素(自由基和反应原子）与硅片表面的物质发生反应，为了获得高的选择比，进入反应腔的气体都要经过慎重的选择。等等离离子子体体化化学学刻刻蚀蚀是是各各向向同同性性的的，因而线宽控制较差。物理刻蚀的机理是利用等离子体产生的高能离子在强电场
11、作用下向硅片表面加速，这些加速的离子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的表面材料。具有很强的刻蚀方向性，从而可以获得高的各向异性刻蚀剖面。刻蚀速率高，选择比差。反应正离子轰击表面原子团与表面膜 的表面反应副产物的 解吸附各向异性刻蚀各向同性刻蚀溅射的表面材料 化学刻蚀 物理刻蚀Figure 16.12 化学和物理的干法刻蚀机理化学干法等离子体刻蚀与化学干法等离子体刻蚀与物理干法等离子体刻蚀的比较物理干法等离子体刻蚀的比较Table 16.3 改变等离子体刻蚀参数的影响改变等离子体刻蚀参数的影响Table 16.4 等离子体刻蚀反应器等离子体刻蚀反应器 干法等离子体反应器有下面不同的类型：园桶式等离子
12、体反应器平板（平面）反应器顺流刻蚀系统三级平面反应器离子铣反应离子刻蚀高密度等离子体刻蚀机 干法刻蚀机比较干法刻蚀机比较Table 16.5 终点检测终点检测 干法刻蚀不同于湿法刻蚀之处在于它对下面的材料没有好的选择比。基于这种原因，刻蚀过程中必须有在线检测装置用于精确控制刻蚀过程，以减小对下面材料的过渡刻蚀或刻蚀不足。终点检测系统通过测量一些不同的参数（刻蚀速率的变化、刻蚀中被去除的刻蚀产物的类型、气体放电中活性反应剂的变化等）来控制刻蚀停止与否（见图16.24）。用于终点检测的一种方法是光发射谱。在气体辉光放电中被激发的原子或分子所发出的光可用光发射谱来分析，通过光的强度与相关元素的相对浓
13、度有关而鉴别出该元素。达到鉴别被刻蚀的材料。对应于特定材料的波长的光见表16.6。终点检测正常刻蚀在刻蚀速率探测发生变化的地方终点信号停止刻蚀时间刻蚀参数Figure 16.24 等离子刻蚀终点检测 表16.6 等离子体刻蚀中被激发的基团的特征波长干法刻蚀的应用干法刻蚀的应用介质的干法刻蚀介质的干法刻蚀氧化物氮化硅硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀多晶硅栅刻蚀单晶硅的刻蚀金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀铝和金属复合层钨的反刻接触金属刻蚀 干法刻蚀的要求干法刻蚀的要求1.高的选择比2.高的刻蚀速率3.好的恻壁剖面控制4.好的片内均匀性5.低的器件损伤6.宽的工艺容限。设备参数:设备设计电源电源频率应力温度气流
14、速率真空状况工艺菜单其它相关因素:净化间规范操作过程维护过程预防维护计划工艺参数:等离子体表面相互作用-表面材料-复合金属的不同层-表面温度-表面电荷-表面形貌化学和物理要求时间质量指标:刻蚀速率选择性均匀性特性曲线关键尺寸残留物Plasma-etchinga waferFigure 16.25 干法刻蚀中的关键参数介质的干法刻蚀介质的干法刻蚀 氧氧化化物物 氧化物的刻蚀通常是为了制作接触孔和通孔，要求能够刻蚀出具有高深宽比的窗口，同时具有高的选择比。氧化物等离子刻蚀工艺通常采用氟碳化合物化学气体。它是氟化的碳氢化合物（有一个或几个氢原子被氟原子代替）。氟碳化合物气体在它们的非等离子体状态下是
15、化学稳定的，并且由于它们之间的化学键比SiF强，因而不会与硅和硅的氧化物发生反应。许多化学气体都含有氟，如CF4、C3F8、CHF3、C4F8等。常用的气体是CF4，在射频功率的作用下：CF4 CF*3、CF*2、CF*、F*其中带“*”表示活性基，是具有很强化学反应活性的物质。反应携带气体通常是Ar和He。氩气具有用于物理刻蚀的相对大的质量，而氦气则用于稀释刻蚀气体的浓度,从而增强刻蚀的均匀性。CF4气体在射频功率作用下产生的CF*3 能腐蚀硅的化合物，而不腐蚀硅。在CF4中加入乙烯或者氢，可减少等离子体中的F*的含量，而增加CF*3的含量，达到腐蚀硅片表面的SiO2和Si3N4的目的。另外
16、采用含碳原子数较多的氟里昂气体（C3F3）也能增加等离子体中硅化物的腐蚀剂的比例。另外，在化学气体中还可以通过加入氧气来控制氧化物和硅之间的选择比。少量的氧气能改善氧化物刻蚀和硅刻蚀的速率，达到增加选择比的目的，减少对下层硅的腐蚀。CF4C3F8C4F8CHF3NF3SiF4ArWafer静电吸盘Plasma碳氟化物和碳氢化物的选择HFCF2FCHFCH4Figure 16.26 氧化物刻蚀反应器 例子：氮化硅在LI氧化硅刻蚀过程中被作为刻蚀阻挡层 注释：图中数字表示5个操作步骤的顺序Figure 16.27 刻蚀阻挡硬掩膜层 硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀 硅的等离子体干法刻蚀是硅片制造中的一项关
17、键工艺技术，刻蚀的硅层是MOS栅结构的多晶硅栅和STI及DRAM电容结构中的单晶硅槽。多晶硅等离子体刻蚀用的化学气体通常是氯气、溴气或者氯气/溴气。氯气能产生各向异性的硅恻壁剖面并对氧化硅具有好的选择比。用溴基气体对氧化硅/氮化硅的选择比可大于100。另一种刻蚀气体是氯气和溴气的混合气体，如HBr和Cl2加O2。加O2是为了提高刻蚀速率和对氧化硅的选择比。用氯气和氟气刻蚀时产生的聚合物淀积在恻壁上还可以控制恻壁形状。多晶硅栅栅氧化硅栅长确定沟道长度并定义源漏电极的边界DrainSourceGateFigure 16.29 多晶硅导体长度 多晶硅栅的刻蚀工艺步骤多晶硅栅的刻蚀工艺步骤 刻蚀多晶硅
18、通常是一个三步工艺过程，以便在不同的刻蚀步骤中对各向异性刻蚀和选择比进行优化。这三个步骤是：1.1.预预 刻刻 蚀蚀：用 于 去 除 自 然 氧 化 层、硬 的 掩 蔽 层 和 表 面污染物来获得均匀的刻蚀2.2.主主 刻刻 蚀蚀：这 一 步 用 来 刻 蚀 掉 大 部 分 的 多 晶 硅 膜，并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的恻壁剖面。3.3.过过 刻刻 蚀蚀：用 于 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。这一步应避免在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽（见图16.30）SubstratePolyResist栅氧化层离子氧化硅中的微槽Figure 16
19、.30 多晶硅栅刻蚀过程中不期望的微槽 表16.9 多晶硅刻蚀技术的发展硅槽的刻蚀硅槽的刻蚀 随着IC集成度的增加，为了减少电容所占芯片面积的，沟槽(电容)结构随之大幅度增加，其数量多达数百万个。而对沟槽的制作要求是一致的光洁度、接近的垂直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角及底角。因此沟槽的刻蚀难度是可想而知的。沟槽的刻蚀需要类似多晶硅刻蚀的多步工艺，通过在气体中加入碳来对侧壁进行钝化，调整工艺参数(温度)进行对侧壁钝化的控制，温度增加钝化减少，横向刻蚀增加。对硅槽通常采用等离子体干法刻蚀，浅槽使用高刻蚀速度和高选择比的氟气，而对深槽则使用氯基或溴基气体。Figure 16.31硅槽的刻蚀 金属
20、的干法刻蚀金属的干法刻蚀 金属刻蚀主要是作为金属互联线的铝合金刻蚀、硅化物刻蚀、阻挡层金属和接触金属的刻蚀。金属铜不用干法刻蚀，金属刻蚀的要求主要有：1.高刻蚀速率(1000 nm/min)。2.高选择比，对掩蔽层(4:1)和层间介质层(20:1)3.高的均匀性，好的CD控制，没有微负载效应(在硅4.片上的任何位置8%)。4.没有等离子体诱导充电带来的器件损伤。5.低的残留物污染6.快速去胶7.不会腐蚀金属.Figure 16.32 VLSI/ULSI 技术中的复合金属层 刻蚀金属复合膜的典型步骤刻蚀金属复合膜的典型步骤 在金属刻蚀中常遇到的难点是多层金属复合膜的复杂性（见图16.32），复合
21、膜中有抗反射的TiN或其它材料层(ARC)和下面的阻挡层（Ti），从而增加了刻蚀工艺的复杂性。通常采用多步刻蚀工艺技术。典型步骤如下：1.去除自然氧化物的预刻蚀2.刻蚀ARC(可能与上一步结合起来)3.铝层的主刻蚀4.去除残留物的过刻蚀，它可能是主刻蚀的延续5.阻挡层的刻蚀6.残留物的选择性去除7.去除光刻胶。金属2复合层(d)金属2淀积钨塞(a)通孔刻穿 ILD-2(SiO2)金属1复合层ILD-2ILD-1ViaSiO2(c)钨反刻SiO2钨塞(b)钨 CVD 通孔填充钨Figure 16.33 钨反刻 湿法刻蚀湿法刻蚀 在先进的半导体制造业中，虽然湿法刻蚀已大部分被干法刻蚀所取代，但它在
22、漂去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形腐蚀应用方面仍然有着重要的作用。与干法刻蚀相比，湿法刻蚀的好处在于对下层材料具有高的选择比，对器件也不会带来等离子体损伤，并且设备简单。湿法刻蚀的关键是控制刻蚀参数(见表16.7)，而且对所有的湿法刻蚀都适用。湿法刻蚀通常是把硅片放置在一个合适的容器中进行浸泡，或者用喷射的方法进行。浸泡方式简单，刻蚀速率相对较慢。而喷射方式不仅需要少量的化学试剂，而且刻蚀速率相对湿法刻蚀快。表16.7 湿法刻蚀的参数氧化硅的湿法刻蚀氧化硅的湿法刻蚀 腐蚀氧化硅最简单方法是用氢氟酸（HF）湿法腐蚀。为了更好地控制腐蚀质量，通常在氢氟酸中加入少量的氟化铵，加入氟化铵后
23、的腐蚀液称为缓冲氧化硅腐蚀液（BOE）或缓冲氢氟酸（BHF）。当氧化硅置入BOE中，各个方向的腐蚀速率是相同的，因此存在掩膜层材料下的横向腐蚀（或横向钻蚀），从而限制了可能获得的线条密度和间距。氧化硅的腐蚀速率与氧化硅的生长方式有关。不同生长方式下的氧化硅腐蚀速率见表16.8。表16.8 25BHF溶液中近似的氧化硅腐蚀速率光刻胶的去除光刻胶的去除 光刻胶用来作为从光刻掩膜版到硅片表面的图形转移媒介以及刻蚀区域的阻挡（保护）层，在刻蚀结束后就不再有用。因此必须完全去除。光刻胶的去除可以用湿法剥离工艺，也可以用等离子体干法刻蚀工艺。去除光刻胶的难点是光刻胶都被设计、处理成能很好粘附于硅片表面的。
24、另一个难点是为了获得较高的产能需要有高的去胶速率。但是速率越高就会留下更多的光刻胶残留物反而是效率降低。等离子体去胶的工作气体主要是氧气（O2），通过氧原子与光刻胶在等离子体环境中发生的反应来去除光刻胶的。为了获得好的去胶效果，工作气中也常常加入碳(N2)或氢(H2)来提高去胶性能并加强对残留聚合物的去除。因为光刻胶的基本成分是碳氢聚合物，当氧原子与光刻胶反应就会生成挥发性的一氧化碳、二氧化碳和水等主要生成物。这些生成物被真空系统抽走。去胶工艺中值得关注的一个问题是由于离子轰击和硅片充电所带来的对硅片表面器件的等离子体损伤。为此可以采用顺流去胶机去胶，顺流去胶机设计成把硅片放置在远离带来损伤的
25、等离子体的地方，只允许化学反应基到达硅片表面，从而避免了硅片表面的离子轰击。如果利用微波频率来产生等离子体。就更能减少离子的诱导损伤。SubstrateResist去胶反应腔2)O2 分解成氧原子3)等离子体能量将氧变成正离子4)中性O 和 O+与光刻胶中的 C和 H 反应中性氧原子团5)副产物解吸附6)副产物去除Exhaust气体输入顺流等离子体1)O2 分子进入反应腔+ll+Figure 16.34 去胶机中氧原子与光刻胶的反应 残留物去除残留物去除 随着图形尺寸的减小，小的图形结构就容易在刻蚀、去胶工艺结束后存在一定的残留物，包括恻壁聚合物和通孔覆盖物（见图16.35）。这些残留物包含有
26、等离子体刻蚀和去胶的副产物（氧化硅、硅、铝、钛等）。如果去胶温度较高，这将使残留物变硬而难于去除。如果去除不彻底，这些残留物就是增加硅片表面缺陷的颗粒和污染物源。通常是在去胶的工作气体中用化学气体代替氧气，如NO或N2O。同时还可以加入CF4或NF3更有效的去除残留物。通孔覆盖物聚合物残留Figure 16.35 过刻蚀通孔覆盖物 小小 结结 刻蚀是采用物理或化学方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料(介质、硅、金属)。干法刻蚀采用等离子体，而湿法刻蚀是采用液态化学试剂。描述刻蚀的参数有9个，分别是：刻蚀速率、刻蚀剖面、刻蚀偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损伤、颗粒污染。等离子体刻蚀相对湿法刻蚀的优点是：好的恻壁剖面控制、好的CD控制、最小的光刻胶脱落、好的均匀性、较低的化学制品使用。氧化物刻蚀需要对下层材料有高的选择比。硅的刻蚀包括多晶硅栅和单晶硅沟槽刻蚀，金属的刻蚀是作为金属互联线的铝合金刻蚀、硅化物刻蚀、阻挡层金属和接触金属的刻蚀