(第六章)刻蚀解读课件

第六章第六章 刻蚀刻蚀第六章 刻蚀16.1 引引 言言n n刻蚀的概念刻蚀的概念刻蚀的概念刻蚀的概念:用用化学或物理化学或物理的方法的方法有选择地去除有选择地去除硅片表面层材料的硅片表面层材料的工艺过程称为刻蚀。工艺过程称为刻蚀。n n刻蚀示意图：刻蚀示意图：刻蚀示意图：刻蚀示意图：Photoresist maskFilm to be etched(a)Photoresist-patterned substrate(b)Substrate after etchPhotoresist maskProtected film6.1 引 言刻蚀的概念:Photoresist Film2n n刻蚀的工艺目的刻蚀的工艺目的刻蚀的工艺目的刻蚀的工艺目的:把光刻胶图形把光刻胶图形精确地转移精确地转移到硅片上，最后达到到硅片上，最后达到复制复制掩膜版图形掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后的目的。它是在硅片上复制图形的最后主要图形转移工艺。主要图形转移工艺。n n刻蚀工艺分类：刻蚀工艺分类：刻蚀工艺分类：刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀干法刻蚀和湿法刻蚀n n干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀：把要刻蚀的硅片放：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等在具有反应气体的等离子体真空腔中离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。去除表面层材料的工艺过程。亚微亚微米米n n湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里在化学腐蚀液里去除去除表面层材料的工艺过程。表面层材料的工艺过程。大于大于3 3微米微米n n按被刻蚀的材料分按被刻蚀的材料分按被刻蚀的材料分按被刻蚀的材料分：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀n n有图形刻蚀和无图形刻蚀有图形刻蚀和无图形刻蚀有图形刻蚀和无图形刻蚀有图形刻蚀和无图形刻蚀6.1 引引 言言刻蚀的工艺目的:6.1 引 言36.2 刻蚀参数刻蚀参数n n为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。n n 刻蚀参数刻蚀参数刻蚀参数刻蚀参数 1.1.刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率 2.2.刻蚀剖面刻蚀剖面刻蚀剖面刻蚀剖面 3.3.刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差 4.4.选择比选择比选择比选择比 5.5.均匀性均匀性均匀性均匀性 6.6.残留物残留物残留物残留物 7.7.聚合物聚合物聚合物聚合物 8.8.等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤 9.9.颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷6.2 刻蚀参数为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须41.1.刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。刻蚀速率刻蚀速率T/t T/t（/min)/min)其中，其中，TT=去掉的材料厚度（去掉的材料厚度（或或或或 m m）t=t=刻蚀所用时间（刻蚀所用时间（minmin）TStart of etchEnd of etcht=elapsed time during etchT=change in thickness光刻胶光刻胶光刻胶光刻胶被刻蚀材料被刻蚀材料被刻蚀材料被刻蚀材料1.刻蚀速率TStart of etchEnd of e52.2.刻蚀剖面刻蚀剖面刻蚀剖面刻蚀剖面n n刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状n n两种基本的刻蚀剖面两种基本的刻蚀剖面:各向同性各向同性和和各向异性各向异性刻蚀剖面刻蚀剖面Isotropic etch-etches in all Isotropic etch-etches in all directions at the same ratedirections at the same rateSubstrateFilmResistAnisotropic etch-etches Anisotropic etch-etches in only one directionin only one directionResistSubstrateFilm具有垂直刻蚀剖面的具有垂直刻蚀剖面的具有垂直刻蚀剖面的具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀湿法各向同性化学腐蚀湿法各向同性化学腐蚀湿法各向同性化学腐蚀湿法各向同性化学腐蚀2.刻蚀剖面Isotropic etch-etches6湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面n n 湿法刻蚀是各向同性腐蚀，湿法刻蚀是各向同性腐蚀，不能实现图形的精确转移，不能实现图形的精确转移，一般用于特征尺寸较大的一般用于特征尺寸较大的情况（情况（33）。n n 干法刻蚀有干法刻蚀有各向同性腐蚀各向同性腐蚀，也，也有有各向异性腐蚀各向异性腐蚀。各向异性腐。各向异性腐蚀能实现图形的精确转移，是蚀能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。集成电路刻蚀工艺的主流技术。湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面 湿法刻蚀是各向同性腐蚀，不能实73.3.刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差n n刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差WaWaWbWb(a)BiasResistFilmFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)3.刻蚀偏差(a)BiasResistFilmSubstr84.4.选择比选择比选择比选择比n n选择比选择比选择比选择比：指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另 一种材料的刻蚀速率之比。一种材料的刻蚀速率之比。n n高选择比高选择比高选择比高选择比:意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而 对其下层材料和光刻胶不刻蚀。对其下层材料和光刻胶不刻蚀。n nSiOSiO2 2对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比（TsioTsio2 2/t1/t1）/（T T胶胶胶胶/t1/t1）TsioTsio2 2/T T胶胶胶胶 （a）0时刻 （b）t1时刻4.选择比 （a）0时刻 9(第六章)刻蚀解读课件105.5.均匀性均匀性均匀性均匀性 刻蚀均匀性刻蚀均匀性刻蚀均匀性刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。ARDE ARDE效应效应-微负载效应：微负载效应：Aspect Ratio Dependence Aspect Ratio Dependence Etching Etching Emax：最大刻蚀速率Emin：最小刻蚀速率Eave：平均刻蚀速率微负载效应微负载效应5.均匀性Emax：最大刻蚀速率Emin：最小刻蚀速率Ea116.6.残留物残留物残留物残留物 刻蚀残留物刻蚀残留物刻蚀残留物刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。残留物的去除残留物的去除残留物的去除残留物的去除：湿法去胶时去除：湿法去胶时去除7.7.聚合物聚合物聚合物聚合物 聚合物的形成有时是有意的，是为了在刻蚀图形的聚合物的形成有时是有意的，是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀，这样能形侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向性，从而实成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。现对图形关键尺寸的良好控制。6.残留物12聚合物（聚合物（聚合物（聚合物（PolymerPolymer）的形成）的形成）的形成）的形成聚合物（Polymer）的形成13聚合物是在刻蚀过程中由聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳光刻胶中的碳并与并与刻蚀刻蚀气体气体和和刻蚀生成物刻蚀生成物结合在一起而形成的；能否形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刻蚀气体类型。成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。聚合物的缺点聚合物的缺点聚合物的缺点聚合物的缺点：聚合物在刻蚀结束后难以去除；：聚合物在刻蚀结束后难以去除；在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。蚀速率，增加反应室的清洗工作。聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳并与刻蚀气体和刻蚀生成物结148.8.等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：等离子体诱导损伤有两种情况：1 1）等离子体在等离子体在MOSMOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿。起薄栅氧化硅的击穿。2 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。9.9.颗粒沾污颗粒沾污颗粒沾污颗粒沾污 颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常 遇到的问题，应尽量减少。遇到的问题，应尽量减少。8.等离子体诱导损伤15列举刻蚀的9个重要参数？思考：残留物和颗粒沾污的区别？列举刻蚀的9个重要参数？166.3 干法刻蚀干法刻蚀n n 干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比）干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比）1.1.刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2.2.好的好的CDCD控制控制 3.3.最小的光刻胶脱落或粘附问题最小的光刻胶脱落或粘附问题 4.4.好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 5.5.化学品使用费用低化学品使用费用低6.3 干法刻蚀 干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比）17n n 干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）1.1.对下层材料的刻蚀选择比较差对下层材料的刻蚀选择比较差 2.2.等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤 3.3.设备昂贵设备昂贵 干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）18n n 干法刻蚀过程干法刻蚀过程 1.1.刻蚀气体进入反应腔刻蚀气体进入反应腔 2.RF 2.RF电场使反应气体分解电离电场使反应气体分解电离 3.3.高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4.4.反应正离子轰击表面反应正离子轰击表面各向异性刻蚀（物理刻蚀）各向异性刻蚀（物理刻蚀）5.5.反应正离子吸附表面反应正离子吸附表面 6.6.反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反应应各向同性刻蚀（化学刻蚀）各向同性刻蚀（化学刻蚀）7.7.副产物解吸附副产物解吸附 8.8.副产物去除副产物去除 干法刻蚀过程19n n干法刻蚀过程干法刻蚀过程干法刻蚀过程干法刻蚀过程 硅片的等离子体刻蚀过程图干法刻蚀过程 硅片的等离子体刻蚀过程图20n n刻蚀作用刻蚀作用刻蚀作用刻蚀作用刻蚀作用21n n等离子体的电势分布等离子体的电势分布等离子体的电势分布等离子体的电势分布当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光放电的等离子体；成辉光放电的等离子体；在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生离开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为负的自偏置直流电压；一个相对地为负的自偏置直流电压；达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于电极自偏置电压的大小取决于RFRF电压的幅度、频率电压的幅度、频率和上下电极面积的比值。和上下电极面积的比值。等离子体的电势分布22n n等离子体的电势分布等离子体的电势分布等离子体的电势分布等离子体的电势分布等离子体的电位相对于接地电极来说是正的，等离子体区域中的电势在系统中最大刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图等离子体的电势分布等离子体的电位相对于接地电极来说是正的，等23n n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改变等离子体刻蚀参数的影响246.4 干法刻蚀系统及其刻蚀机理干法刻蚀系统及其刻蚀机理n n等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：发生刻蚀等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：发生刻蚀反应的反应的反应腔反应腔反应腔反应腔、一个产生等离子体的、一个产生等离子体的射频电源射频电源射频电源射频电源、气气气气体流量控制系统体流量控制系统体流量控制系统体流量控制系统、去除刻蚀生成物和气体的、去除刻蚀生成物和气体的真空系真空系真空系真空系统统统统。n n干法等离子体反应器的类型：干法等离子体反应器的类型：圆桶式等离子体反应器；顺流刻蚀系统圆桶式等离子体反应器；顺流刻蚀系统(化学作用化学作用)离子铣离子铣 (物理作用物理作用)平板反应器；三级平面反应器；反应离子刻蚀平板反应器；三级平面反应器；反应离子刻蚀（RIE)RIE)；高密度等离子体刻蚀机；高密度等离子体刻蚀机(物理物理+化学作用化学作用)6.4 干法刻蚀系统及其刻蚀机理等离子体干法刻蚀系统的基本25n n1.1.圆桶式等离子体刻蚀机圆桶式等离子体刻蚀机圆桶式等离子体刻蚀机圆桶式等离子体刻蚀机 圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用于氧等离子体的去胶工艺。于氧等离子体的去胶工艺。典型圆桶式反应器结构1.圆桶式等离子体刻蚀机典型圆桶式反应器结构26n n圆桶式等离子体刻蚀机理圆桶式等离子体刻蚀机理圆桶式等离子体刻蚀机理圆桶式等离子体刻蚀机理进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。正离子、自由基、反应原子或原子团组成。自由基和反应原子或原子团的化学性质非常活泼，自由基和反应原子或原子团的化学性质非常活泼，它们构成了等离子体的反应元素，自由基、反应原它们构成了等离子体的反应元素，自由基、反应原子或原子团与被刻蚀的材料进行化学反应形成了等子或原子团与被刻蚀的材料进行化学反应形成了等离子体刻蚀。离子体刻蚀。n n等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。圆桶式等离子体刻蚀机理27n n2.2.反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIERIE）系统）系统）系统）系统 RIERIE（R Reactive eactive I Ion on E Etchtch）物理刻蚀物理刻蚀物理刻蚀物理刻蚀+化学刻蚀化学刻蚀化学刻蚀化学刻蚀2.反应离子刻蚀（RIE）系统28n n反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIERIE）机理）机理）机理）机理进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离解电离形成等离子体形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。离子、自由基、反应原子或原子团组成。反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统的电源电极上为阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较产生一个较大的自偏置电场大的自偏置电场。反应离子刻蚀（RIE）机理29n n等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表面得到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，性，加速与样片的化学反应加速与样片的化学反应。n n由于由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的了很好的各向异性各向异性。等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表30n n3.3.高密度等离子体刻蚀高密度等离子体刻蚀高密度等离子体刻蚀高密度等离子体刻蚀n n在先进的集成电路制造技术中，传统的在先进的集成电路制造技术中，传统的RIERIE系统不能系统不能满足满足0.250.25微米以下尺寸高深宽比图形的刻蚀要求，于微米以下尺寸高深宽比图形的刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体是发展了高密度等离子体RIERIE系统。系统。n n高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋加速振荡高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋加速振荡ECRECR系统、电感耦合等离子体系统、电感耦合等离子体（ICPICP）RIE RIE 系统、磁增系统、磁增强强RIERIE系统等。系统等。3.高密度等离子体刻蚀31n n3.3.高密度等离子体刻蚀高密度等离子体刻蚀高密度等离子体刻蚀高密度等离子体刻蚀ICPICPRIERIE系统系统系统系统3.高密度等离子体刻蚀ICPRIE系统32n nICPICPRIERIE系统具有结构简单成本低被广泛采用系统具有结构简单成本低被广泛采用系统具有结构简单成本低被广泛采用系统具有结构简单成本低被广泛采用n n高密度等离子是指在相同的工作压力下，等离子高密度等离子是指在相同的工作压力下，等离子体中反应基（自由基、反应原子或原子团）的密体中反应基（自由基、反应原子或原子团）的密度比传统等离子中高。度比传统等离子中高。ICPRIE系统具有结构简单成本低被广泛采用33n nICPICPRIERIE设备设备设备设备n n生产厂家：生产厂家：生产厂家：生产厂家：n n美国美国美国美国TRIONTRION公司公司公司公司n n型号：型号：型号：型号：MNL/D MNL/D ICPRIE设备34n nICPICPRIERIE设备设备设备设备ICPRIE设备35n nICPICPRIERIE设备设备设备设备ICPRIE设备36n n高密度等离子体刻蚀的特点：高密度等离子体刻蚀的特点：高密度等离子体刻蚀的特点：高密度等离子体刻蚀的特点：1.1.等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率 2.2.系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获 得高深宽比的槽；得高深宽比的槽；3.3.系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小 对对SiSi片表面的轰击损伤。片表面的轰击损伤。高密度等离子体刻蚀的特点：37n n4.4.终点检测终点检测终点检测终点检测 终点检测的常用方法：光发射谱法终点检测的常用方法：光发射谱法终点检测的常用方法：光发射谱法终点检测的常用方法：光发射谱法4.终点检测38n n光发射谱法终点检测机理光发射谱法终点检测机理光发射谱法终点检测机理光发射谱法终点检测机理 在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。在等离子刻蚀中被激发的基团的特征波长光发射谱法终点检测机理在等离子刻蚀中被激发的基团的特征波长39 等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比刻蚀参数刻蚀参数刻蚀参数刻蚀参数物理刻蚀物理刻蚀物理刻蚀物理刻蚀 RFRF场垂直片面场垂直片面场垂直片面场垂直片面化学刻蚀化学刻蚀化学刻蚀化学刻蚀RFRF场平行片面场平行片面场平行片面场平行片面物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀RFRF场垂直片面场垂直片面场垂直片面场垂直片面刻蚀机理刻蚀机理刻蚀机理刻蚀机理物理离子溅射物理离子溅射物理离子溅射物理离子溅射活性元素活性元素活性元素活性元素化学反应化学反应化学反应化学反应离子溅射和活性离子溅射和活性离子溅射和活性离子溅射和活性元素化学反应元素化学反应元素化学反应元素化学反应侧壁剖面侧壁剖面侧壁剖面侧壁剖面各向异性各向异性各向异性各向异性各向同性各向同性各向同性各向同性各向异性各向异性各向异性各向异性选择比选择比选择比选择比低低低低/难提高难提高难提高难提高（1 1：1 1）很高很高很高很高（500500：1 1）高（高（高（高（5 5：1 1100100：1 1）刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率高高高高慢慢慢慢适中适中适中适中线宽控制线宽控制线宽控制线宽控制好好好好非常差非常差非常差非常差很好很好很好很好 等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比刻蚀参数物理刻406.5 干法刻蚀的应用干法刻蚀的应用n n 刻蚀材料的种类刻蚀材料的种类刻蚀材料的种类刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类：介质、硅和金属三类n n ULSI ULSI对刻蚀的挑战对刻蚀的挑战对刻蚀的挑战对刻蚀的挑战 1.1.大直径硅片（大直径硅片（200mm200mm以上）的刻蚀均匀性以上）的刻蚀均匀性 2.2.深亚微米关键尺寸、高深宽比（达到深亚微米关键尺寸、高深宽比（达到6 6：1 1）的）的 成功刻蚀成功刻蚀 3.3.对下层材料的高选择比（对下层材料的高选择比（5050：1 1）6.5 干法刻蚀的应用 刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类41n n ULSIULSI对刻蚀的要求对刻蚀的要求对刻蚀的要求对刻蚀的要求 1.1.对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的高选择比的高选择比 2.2.可接受产能的刻蚀速率可接受产能的刻蚀速率 3.3.好的侧壁剖面控制好的侧壁剖面控制 4.4.好的片内均匀性好的片内均匀性 5.5.低的器件损伤低的器件损伤 6.6.宽的工艺窗口宽的工艺窗口 ULSI对刻蚀的要求42n n工艺优化工艺优化工艺优化工艺优化设备参数设备参数设备参数设备参数:n n设备设计设备设计设备设计设备设计n n电源电源电源电源n n电源频率电源频率电源频率电源频率n n压力压力压力压力n n温度温度温度温度n n气流速率气流速率气流速率气流速率n n真空状况真空状况真空状况真空状况n n工艺菜单工艺菜单工艺菜单工艺菜单其它相关因素其它相关因素其它相关因素其它相关因素:n n净化间规范净化间规范净化间规范净化间规范n n操作过程操作过程操作过程操作过程n n维护过程维护过程维护过程维护过程n n预防维护计划预防维护计划预防维护计划预防维护计划工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数:n n等离子体等离子体等离子体等离子体表面相互表面相互表面相互表面相互作用作用作用作用:-表面材料表面材料表面材料表面材料-复合金属的不同层复合金属的不同层复合金属的不同层复合金属的不同层-表面温度表面温度表面温度表面温度-表面电荷表面电荷表面电荷表面电荷-表面形貌表面形貌表面形貌表面形貌n n化学和物理要求化学和物理要求化学和物理要求化学和物理要求n n时间时间时间时间质量指标质量指标质量指标质量指标:n n刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率n n选择比选择比选择比选择比n n均匀性均匀性均匀性均匀性n n特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线n n关键尺寸关键尺寸关键尺寸关键尺寸n n残留物残留物残留物残留物Plasma-etchinga wafer工艺优化设备参数:工艺参数:Plasma-etching43n n介质的干法刻蚀介质的干法刻蚀介质的干法刻蚀介质的干法刻蚀n n1.1.氧化硅的刻蚀氧化硅的刻蚀氧化硅的刻蚀氧化硅的刻蚀n n工艺目的工艺目的工艺目的工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔n n刻蚀工艺刻蚀工艺刻蚀工艺刻蚀工艺 1 1）刻蚀气体：两种（）刻蚀气体：两种（CFCF4 4H H2 2ArArHeHe）或（或（CHFCHF3 3 ArArHeHe）2 2）刻蚀机理：）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理和化学刻蚀，物理溅射离子：物理溅射离子：ArAr、CFCF3 3等，等，CFCF3 3是刻蚀是刻蚀SiOSiO2 2的主要活性基，加入的主要活性基，加入H H2 2后以后以HFHF的形式除去一些腐蚀的形式除去一些腐蚀SiSi的活性基（的活性基（F F原子）提高对原子）提高对下层下层SiSi的选择比，的选择比，HeHe为稀释剂改善刻蚀均匀性。为稀释剂改善刻蚀均匀性。介质的干法刻蚀44 刻蚀刻蚀SiOSiO2 2的反应式：的反应式：在在RFRF作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：CHF CHF3 3 ArArHe He 3e CF3e CF3 3+CF CF3 3 HFHF F F ArAr+HeHe+CF CF3 3活性基与活性基与SiOSiO2 2发生化学反应：发生化学反应：4CF 4CF3 3 3SiO 3SiO2 2 3SiF3SiF4 4 2CO 2CO2 2 2CO 2CO 3 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIERIE系统，系统，亚微米以下采用亚微米以下采用ICPICPRIERIE系统系统 4 4）工作压力：小于）工作压力：小于0.1Torr0.1Torr 5 5）关键问题关键问题：注意刻蚀接触孔对下层：注意刻蚀接触孔对下层SiSi、氮化硅、抗、氮化硅、抗反射涂层的高选择比，刻蚀通孔对反射涂层的高选择比，刻蚀通孔对TiNTiN、WW、AlAl的高的高选择比选择比 刻蚀SiO2的反应式：45n n2.2.氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀 1 1）刻蚀气体：）刻蚀气体：CFCF4 4O O2 2N N2 2 2 2）刻蚀机理：）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理和化学刻蚀，O O2 2N N2 2的作用是的作用是稀释稀释F F基的浓度降低对下层基的浓度降低对下层SiOSiO2 2的刻蚀速率的刻蚀速率 刻蚀刻蚀SiSi3 3N N4 4的反应式：的反应式：在在RFRF作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：CF CF4 4 O O2 2N N2 2 3e CF3e CF3 3+CF CF3 3 F F O O+N N+F F活性基与活性基与SiSi3 3N N4 4发生化学反应：发生化学反应：12F 12F Si Si3 3N N4 4 3SiF 3SiF4 4 2N 2N2 2 2.氮化硅的刻蚀46n n2.2.氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀 3 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀 RIE RIE系统系统 4 4）工作压力：小于）工作压力：小于0.1Torr0.1Torr 5 5）刻蚀速率：）刻蚀速率：120nm/min120nm/min 6 6）对）对SiOSiO2 2的选择比：高达的选择比：高达2020：1 1 2.氮化硅的刻蚀47n n硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀n n1.1.多晶硅的刻蚀多晶硅的刻蚀多晶硅的刻蚀多晶硅的刻蚀 工艺目的工艺目的：形成：形成ICIC中的中的MOSMOS栅电极，是关键尺寸栅电极，是关键尺寸 的刻蚀的刻蚀 刻蚀工艺：刻蚀工艺：三个刻蚀步骤：三个刻蚀步骤：预刻蚀预刻蚀：去除自然氧化层和氮氧化硅：去除自然氧化层和氮氧化硅 主刻蚀主刻蚀：刻至终点：刻至终点 过刻蚀过刻蚀：去除刻蚀残留物和剩余多晶硅：去除刻蚀残留物和剩余多晶硅1 1）刻蚀气体：两种（）刻蚀气体：两种（ClCl2 2 ArAr）或（）或（HBrHBrArAr）2 2）刻蚀机理：）刻蚀机理：物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀，不用，不用SFSF6 6等等F F基气体基气体 硅的干法刻蚀48 因为因为ClCl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较 高的选择比，而高的选择比，而F F基气体的选择比低。基气体的选择比低。刻蚀多晶硅的反应式：刻蚀多晶硅的反应式：气体分解电离：气体分解电离：Cl Cl2 2 Ar Ar 2e Cl2e Cl+ClClArAr+Cl Cl活性基与活性基与SiSi化学反应：化学反应：4Cl 4Cl Si SiCl Si SiCl4 4 3 3）刻蚀系统：平行板式反应离子刻蚀）刻蚀系统：平行板式反应离子刻蚀RIERIE系统系统 4 4）工作压力：小于）工作压力：小于0.1Torr0.1Torr 5 5）刻蚀要求：对）刻蚀要求：对0.150.15微米技术微米技术ICIC的栅氧化硅的选的栅氧化硅的选 择比大于择比大于150150：1 1，以防止栅氧化层穿通。，以防止栅氧化层穿通。因为Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较 高的49n n2.2.单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀工艺目的工艺目的工艺目的工艺目的：主要形成主要形成ICIC的的STISTI槽和垂直电容槽槽和垂直电容槽刻蚀工艺：刻蚀工艺：刻蚀工艺：刻蚀工艺：1 1）刻蚀气体：）刻蚀气体：SF SF6 6 HeHeArAr 2 2）刻蚀机理：）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理和化学刻蚀，SFSF6 6是刻蚀硅的主是刻蚀硅的主气体，气体，Ar Ar产生物理溅射刻蚀，产生物理溅射刻蚀，He He对样片下电极进对样片下电极进行背冷却。行背冷却。3 3）刻蚀系统：平行板式）刻蚀系统：平行板式ICPICPRIERIE系统，高密度等离系统，高密度等离子体系统子体系统 4 4）工作压力：小于）工作压力：小于1.0Torr1.0Torr2.单晶硅的刻蚀50n n单晶硅刻蚀的单晶硅刻蚀的单晶硅刻蚀的单晶硅刻蚀的SEMSEM照片照片照片照片单晶硅刻蚀的SEM照片51n n 金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀n n 1.Al 1.Al的刻蚀的刻蚀的刻蚀的刻蚀 1 1）刻蚀气体：）刻蚀气体：ClCl2 2BClBCl3 3CHFCHF3 3 2 2）刻蚀机理：）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理和化学刻蚀，BClBCl3 3主要用于刻蚀主要用于刻蚀铝表面的铝表面的AlAl2 2O O3 3，CHF CHF3 3主要用于刻蚀铝上层的抗反主要用于刻蚀铝上层的抗反射膜（射膜（TiNTiN）和铝下层的）和铝下层的TiTi，Cl Cl2 2用于主铝的刻蚀，用于主铝的刻蚀，因此金属铝的刻蚀要分因此金属铝的刻蚀要分6 67 7步进行，每步通入的工步进行，每步通入的工艺气体种类、流量都不一样，工艺非常复杂。艺气体种类、流量都不一样，工艺非常复杂。金属的干法刻蚀52 3 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIERIE系系统统 4 4）工作压力：小于）工作压力：小于0.1Torr0.1Torr 5 5）关键问题：在刻蚀铝后，在硅片表面残留了生）关键问题：在刻蚀铝后，在硅片表面残留了生成物成物AlClAlCl3 3，此生成物遇到水会生成此生成物遇到水会生成HClHCl腐蚀腐蚀AlAl，因，因此要严格控制系统的水汽，硅片要及时处理去除此要严格控制系统的水汽，硅片要及时处理去除AlClAlCl3 3。3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统53n n2.2.钨的刻蚀钨的刻蚀钨的刻蚀钨的刻蚀工艺目的工艺目的工艺目的工艺目的：填充通孔的钨塞沉积层的反刻填充通孔的钨塞沉积层的反刻先进的先进的CMPCMP陆续取代该工艺陆续取代该工艺反刻工艺：反刻工艺：反刻工艺：反刻工艺：1 1）刻蚀气体：（）刻蚀气体：（ClCl2 2N N2 2O O2 2）2 2）刻蚀机理：）刻蚀机理：物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀 3 3）第一步以高速率均匀地刻蚀掉多余的钨覆盖层）第一步以高速率均匀地刻蚀掉多余的钨覆盖层9090，第二步低刻蚀速率刻蚀对，第二步低刻蚀速率刻蚀对TiNTiN有高的选择比有高的选择比2.钨的刻蚀54反刻工艺形成的钨塞结构反刻工艺形成的钨塞结构反刻工艺形成的钨塞结构55钨塞结构钨塞结构钨塞结构566.6 湿法腐蚀湿法腐蚀n n湿法去胶湿法去胶湿法去胶湿法去胶 1.H1.H2 2SOSO4 4：H H2 2O O2 2 1 1：1 1，120120 2.2.发烟硝酸浸泡发烟硝酸浸泡n n漂洗硅片漂洗硅片漂洗硅片漂洗硅片 HFHF：H H2 2O O 5050：1 1漂洗漂洗SiOSiO2 2n n煮去煮去煮去煮去LOCOSLOCOS的的的的SiSi3 3N N4 4 浓磷酸浓磷酸 160 160 6.6 湿法腐蚀湿法去胶57本章习题本章习题n n书中第书中第书中第书中第1616章：章：章：章：9 9、1212、2424、4646本章习题书中第16章：58本章作业本章作业n n书中第书中第书中第书中第1616章：章：章：章：1 1、5 5、3030本章作业书中第16章：59n n课堂练习：课堂练习：在在RIERIE干法刻蚀系统中，用干法刻蚀系统中，用CF4CF4刻蚀刻蚀SiO2SiO2，已知，已知SiO2SiO2的总厚度为的总厚度为200nm200nm，刻蚀条件不变，图，刻蚀条件不变，图1 1是刻蚀是刻蚀4min4min后的剖面图、刻蚀掉后的剖面图、刻蚀掉SiO2SiO2的厚度为的厚度为100nm100nm，图，图2 2是刻是刻蚀蚀10min10min后的剖面图，已产生了过刻蚀，刻蚀掉硅后的剖面图，已产生了过刻蚀，刻蚀掉硅的厚度为的厚度为10nm10nm，试计算，试计算SiO2SiO2的刻蚀速率、的刻蚀速率、SiSi的刻蚀的刻蚀速率以及刻蚀速率以及刻蚀SiO2SiO2对对SiSi的选择比。的选择比。课堂练习：60