第16章刻蚀综述课件

第16章刻蚀第第16章刻蚀章刻蚀第16章刻蚀目标举出并论述9个重要的刻蚀参数解释干法刻蚀的过程极其优点解释高密度等离子体刻蚀的好处举出一个介质、硅、金属干法刻蚀的实际例子论述湿法刻蚀极其应用解释光刻胶的去除过程7/12/20242集成电路工艺第16章刻蚀提纲1.概述2.刻蚀参数3.干法刻蚀4.等离子体刻蚀反应器5.干法刻蚀的应用6.湿法刻蚀7.去除光刻胶8.刻蚀检查7/12/20243集成电路工艺第16章刻蚀1.概述概述刻蚀刻蚀是用化学或物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。有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到刻蚀源显著的侵蚀，这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶保护的区域。7/12/20244集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀工艺基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应，从而去掉曝露的表面材料。湿法刻蚀湿法刻蚀是用液体化学试剂以化学方式去除硅片表面的材料，一般用于尺寸较大的情况（大于3m）。7/12/20245集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀的材料金属刻蚀介质刻蚀硅刻蚀7/12/20246集成电路工艺第16章刻蚀有图形刻蚀和无图形刻蚀有图形刻蚀采用掩蔽层来定义要刻蚀掉的表面材料区域，只有硅片上被选择的这一部分在刻蚀过程中刻掉。无图形刻蚀、反刻或剥离是在整个硅片没有掩蔽的情况下进行的。7/12/20247集成电路工艺第16章刻蚀2.刻蚀参数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7/12/20248集成电路工艺第16章刻蚀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，通常用/min表示。刻蚀速率T/t (/min)刻蚀窗口的深度称为台阶高度。刻蚀速率由工艺和设备决定，如被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构配置、使用的刻蚀气体和工艺参数设置。7/12/20249集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀剖面刻蚀剖面指的是被刻蚀图形的侧壁形状。两种基本的刻蚀剖面：各向同性和各项异性刻蚀剖面。7/12/202410集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀偏差刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化，它通常是由于横向钻蚀引起的，但也能由刻蚀剖面引起。刻蚀偏差Wb-WaWb=刻蚀前光刻胶的线宽Wa=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽7/12/202411集成电路工艺第16章刻蚀选择比选择比指的是同一刻蚀条件下被刻蚀材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少。高选择比意味着只刻除想要刻去的那一层材料。关键尺寸越小，选择比要求越高。S=Ef/ErEf=被刻蚀材料的刻蚀速率；Er掩蔽层材料的刻蚀速率7/12/202412集成电路工艺第16章刻蚀均匀性刻蚀均匀性是一种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。均匀性的一些问题是因为刻蚀速率和刻蚀剖面与图形尺寸和密度有关而产生的。刻蚀速率在小窗口图形中较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸图形上刻蚀会停止。具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比具有低深宽比硅槽的刻蚀速率慢。称为深宽比相关刻蚀(ARDE)，也称为微负载效应。7/12/202413集成电路工艺第16章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。它常常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部。产生原因：被刻蚀膜层中的污染物、选择了不合适的化学刻蚀剂、腔体中的污染物、膜层中不均匀的杂质分步。7/12/202414集成电路工艺第16章刻蚀聚合物聚合物的形成有时是有益的，是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗刻蚀膜从而防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形。因为聚合物能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。这些聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳转化而来并与刻蚀气体（如C2F4）和刻蚀生成物结合在一起而形成的。7/12/202415集成电路工艺第16章刻蚀等离子体诱导损伤包含具有能量的离子、电子和激发分子的等离子体可引起对硅片上的敏感器件引起等离子体诱导损伤。一种主要的损伤是非均匀等离子体在晶体管栅电极产生陷阱电荷，引起薄栅氧化硅的击穿。7/12/202416集成电路工艺第16章刻蚀颗粒沾污等离子体带来的硅片损伤有时由硅片表面附近的等离子体产生的颗粒沾污而引起的。氟基化学气体等离子体比氯基或溴基等离子体产生较少的颗粒，因为氟产生的刻蚀生成物具有较高的蒸汽压。7/12/202417集成电路工艺第16章刻蚀3.干法刻蚀干法刻蚀刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制好的CD控制最小的光刻胶脱落或粘附问题好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性较低的化学制品使用和处理费用7/12/202418集成电路工艺第16章刻蚀干法刻蚀缺点对下层材料的差的刻蚀选择比等离子体带来的器件损伤昂贵的设备7/12/202419集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀作用化学作用化学反应各向同性物理作用溅射刻蚀各向异性物理和化学混合作用，其中离子轰击改善化学刻蚀作用。刻蚀剖面可以通过调节等离子体条件和气体组分从各向同性向各向异性改变。7/12/202420集成电路工艺第16章刻蚀4.等离子体刻蚀反应器等离子体刻蚀反应器发生刻蚀反应的反应腔一个产生等离子体的射频电源气体流量控制系统去除刻蚀生成物和气体的真空系统7/12/202421集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀选择材料氟刻蚀二氧化硅氯和氟刻蚀铝氯、氟和溴刻蚀硅氧刻蚀光刻胶7/12/202422集成电路工艺第16章刻蚀控制参数真空度气体混合组分气流流速温度射频功率硅片相对等离子体的位置7/12/202423集成电路工艺第16章刻蚀干法等离子体反应器圆筒式等离子体反应器平板（平面）反应器顺流刻蚀系统三级平面反应器离子铣（IBM，IBE）反应离子刻蚀（RIE）高密度等离子体刻蚀机（HDP）7/12/202424集成电路工艺第16章刻蚀高密度等离子体刻蚀机对于亚微米尺寸的小图形，它难以使刻蚀基进入高深宽比图形并使刻蚀生成物从高深宽比图形中出来。解决的方法是降低系统的工作压力至110毫托，以增加气体分子和离子的平均自由程。这一条件能有效减少影响图形剖面控制的碰撞。然后由于压力的减少而减少了离子密度，从而降低了刻蚀速率。为解决这个问题，需要高密度等离子体以产生足够的离子，从而在低压下获得可接受的刻蚀速率。7/12/202425集成电路工艺第16章刻蚀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。因此需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减少对下面材料的过度刻蚀。终点检测系统测量一些不同的参数，如刻蚀速率的变化刻蚀速率的变化在刻蚀中被去除的腐蚀产物的类型在刻蚀中被去除的腐蚀产物的类型在气体放电中活性反应剂的变化在气体放电中活性反应剂的变化7/12/202426集成电路工艺第16章刻蚀5.干法刻蚀的应用干法刻蚀的应用对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的高选择比获得可接受的产能的刻蚀速率好的侧壁剖面控制好的片内均匀性低的器件损伤宽的工艺制造窗口7/12/202427集成电路工艺第16章刻蚀介质的干法刻蚀刻蚀氧化物通常是为了制作接触孔和通孔氧化物等离子体刻蚀工艺通常采用氟碳化合物化学气体。氧化物刻蚀的主要困难之一是获得对下一层材料（通常是硅、氮化硅等）的高的选择比。如在刻蚀接触孔时，为了避免刻到源漏区域，高的L1氧化层介质对硅的选择比是很重要的。获得对硅的高选择比的一种方法是通过在化学气体中加入氧气来控制氧化物和硅之间的选择比。当氧气浓度大到20时，氧化物刻蚀比硅刻蚀要更快。另一种提高选择比的方法是在气体中加入氢气，当氢气浓度达到40时，硅的刻蚀速率几乎为零。7/12/202428集成电路工艺第16章刻蚀硅的干法刻蚀用等离子体刻蚀的两个主要硅层是制作MOS栅结构的多晶硅栅和制作器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽。多晶硅刻蚀气体传统上是氟基气体(CF4,SF6,NF3等)，在刻蚀过程中氟原子起作用（各向异性），为了避免溅射掉栅氧化层，轰击离子的能量必须足够低，多晶硅等离子体刻蚀气体常常包含氯和溴，它们产生各向异性的多晶硅刻蚀并对氧化硅有好的选择比。7/12/202429集成电路工艺第16章刻蚀金属的干法刻蚀高的刻蚀速率（大于1000nm/min）对下层的高选择比高的均匀性，且CD控制很好没有等离子体诱导充电带来的器件损伤残留物污染少快速去胶7/12/202430集成电路工艺第16章刻蚀6.湿法刻蚀湿法刻蚀飘去氧化硅去除残留物表层剥离大尺寸图形腐蚀7/12/202431集成电路工艺第16章刻蚀湿法刻蚀优点对下层材料具有高的选择比对器件不会带来等离子体损伤设备简单7/12/202432集成电路工艺第16章刻蚀湿法刻蚀缺点在掩蔽层材料边缘下面产生钻蚀，形成各向同性的侧壁。湿法刻蚀槽的安全性，可能带来的光刻胶脱落和起泡，难以控制刻蚀槽的参数以保证均匀性，化学试剂的处理费用昂贵等。7/12/202433集成电路工艺第16章刻蚀湿法刻蚀参数浓度溶液浓度时间硅片浸在湿法化学刻蚀槽中时间温度湿法化学腐蚀槽的温度搅动溶液槽的搅动批数为了减少颗粒并确保适当的溶液 强度，一定批次后必须更好溶液7/12/202434集成电路工艺第16章刻蚀刻蚀方法浸泡方法简单喷射所需的化学试剂少，腐蚀的快7/12/202435集成电路工艺第16章刻蚀湿法腐蚀氧化硅氧化硅能够用氢氟酸（HF）来进行湿法刻蚀。常用被氟化铵缓冲的稀氢氟酸（缓冲氧化硅腐蚀液BOE或缓冲氢氟酸BHF）喷射或浸泡硅片来有选择地去除氧化硅。用NH4F来缓冲HF可使得刻蚀能被很好地控制，这种腐蚀液减慢并稳定刻蚀过程，并不对光刻胶产生影响。7/12/202436集成电路工艺第16章刻蚀7.去除光刻胶去除光刻胶剥离光刻胶(photoresist stripping)是湿法去除光刻胶的一种基本方法。大部分应用中，在干法刻蚀前光刻胶的表面必须在氟基或氯基气体中进行加固处理，这使得光刻胶在大部分湿法去胶液中不溶解。需要用干法等离子体去胶去掉至少上面的一层光刻胶。7/12/202437集成电路工艺第16章刻蚀去胶的难点光刻胶都是被设计和处理成能更好粘附于硅片表面的，这是光刻胶能满足刻蚀和离子注入的要求必需的。最大的粘附性明显地使得光刻胶难以去除。为了获得较高的硅片产能需要有高的去胶速率。但高的去胶速率会留下更多光刻胶残留物。7/12/202438集成电路工艺第16章刻蚀等离子体去胶等离子体去胶用氧气来干法去胶，是批量去胶的一种主要工艺。注意：由于离子轰击和硅片充电所带来的对硅片上器件的等离子体损伤。补救：顺流去胶机把硅片放在远离带来损伤的等离子体的地方，只允许化学反应基到达硅片表面。7/12/202439集成电路工艺第16章刻蚀8.刻蚀检查刻蚀检查刻蚀工艺的最后一步是刻蚀检查以确保刻蚀质量。传统上用白光或紫外光手动显微镜来检查缺陷，如检查污点和大的颗粒沾污。手动显微镜已大量被自动监测系统所取代，特别是对有深亚微米图形的关键层的检查。先进的测量仪器能够自动检测带图形硅片的图形缺陷和形变。7/12/202440集成电路工艺第16章刻蚀小结刻蚀是采用物理或化学方法有选择地从硅片表面去除材料。干法刻蚀采用等离子体，而湿法刻蚀采用液态化学试剂。刻蚀通常分为介质刻蚀、硅刻蚀和金属刻蚀。有九个刻蚀参数：刻蚀速率、刻蚀剖面、刻蚀偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物形成、等离子体诱导损伤和颗粒沾污。7/12/202441集成电路工艺第16章刻蚀小结侧壁剖面分为各向同性和各向异性。各向异性或称垂直的侧壁，是通过干法刻蚀形成的。湿法刻蚀在先进的IC制造中基本被干法刻蚀所替代，但仍然用于氧化硅去除、湿法清洗和剥离技术。去胶机采用顺流工艺技术来减少等离子体诱导损伤，并通过随后进行湿法腐蚀来去除残留物。刻蚀检测是刻蚀过程的最后一步，是保证缺陷被识别和修复所必需的。7/12/202442集成电路工艺第16章刻蚀作业复习题2、12、34、627/12/202443集成电路工艺