第9章 刻蚀技术【ppt】

1、第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分1第9章 刻蚀技术9.1 刻蚀概述9.2 光刻胶去除9.3 掩膜版制作第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分29.1 刻蚀概述 在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶圆的表层。 定义： 目的： 第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分39.1 刻蚀概述光刻胶被刻蚀材料(a) 有光刻胶图形的衬底(b) 刻蚀后的衬底光刻胶被保护层第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分49.1 刻蚀概述 刻蚀工艺分为两大类：湿法湿法和和干法干法刻蚀。 无论那一种方法，其

2、目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶圆表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。刻蚀方法见下图。刻蚀湿法干法沉浸喷射等离子体离子轰击反应离子刻蚀（.I.ER）桶形平面第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分59.1 刻蚀概述 湿法刻蚀湿法刻蚀 最原始的刻蚀工艺，就是将晶圆沉浸于装有刻蚀液的槽中经过一定的时间，再传送到冲洗设备中除去残余的酸（刻蚀液）在进行最终的冲洗和甩干。 此工艺只能用于特征尺寸大于3m的产品，小于3m的产品由于控制和精度的需要一般使用干法刻蚀了。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分69.1 刻蚀概述v湿法的刻蚀原理：湿

3、法的刻蚀原理： 湿法是接触型腐蚀，以HF酸腐蚀SiO2为例，不同浓度的HF酸会有不同的反应方程： SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O 此反应的产物是气态的 SiF4和水第2章 微电子工艺基础刻蚀关键参数 刻蚀速率 刻蚀剖面 刻蚀偏差 选择比 残留物 2022年2月15日9时49分7第2章 微电子工艺基础刻蚀速率 2022年2月15日9时49分8T开始结束t = 刻蚀时间T = 刻蚀掉的厚度第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分99.1 刻蚀概述v气体压力v气体流量v射频功率v温度v负载效应v腐蚀剂选择比v反应速度第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49

4、分109.1 刻蚀概述 刻蚀的反应速率R可用Arrhenius方程描述： R = R0exp(-Ea/kT) 其中R0是常数，Ea是反应的激活能，k是玻耳兹曼常数，T是温度第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分11刻蚀剖面l 各向异性刻蚀与可向同性刻蚀各向异性刻蚀与可向同性刻蚀湿法各向同性化学腐蚀层（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）衬底膜胶第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分12具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀（各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀）ResistSubstrateFilm第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分139.1

5、刻蚀概述 刻蚀工艺中容易出现的问题： 不完全刻蚀 过刻蚀和底切 选择比第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分149.1 刻蚀概述 不完全刻蚀不完全刻蚀 是指表面层刻蚀不 彻底，如图所示。 产生的原因：产生的原因：l 太短的刻蚀时间；l 薄厚不均匀的待刻蚀层；l 过低的刻蚀温度。晶圆光刻胶层第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分159.1 刻蚀概述 过刻蚀和底切过刻蚀和底切 与不完全刻蚀相反，不过通常是有意识的过刻蚀，因为恰到好处是很难做到的。 由于各向同性刻蚀的存在,这样就避免不了在侧面形成一个斜面，这种现象称为底切（如右图所示）。第2章 微电子工艺基础 202

6、2年2月15日9时49分169.1 刻蚀概述 刻蚀的目标: 是把这种底切控制在一个可以接受的范围内(程度可以是适度88-89度或者是近似于90度的)。由于这种底切的存在，在电路设计时必须考虑（即各器件之间留有余量以防止电路短路）。正常过刻蚀过刻蚀和光刻胶翘起第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分179.1 刻蚀概述 产生底切的原因产生底切的原因 除了各向同性刻蚀以外，产生底切的原因有：l 时间过长l 温度过高l 刻蚀液浓度太高l 光刻胶和晶圆表面的粘结力较弱l 开孔边缘粘结力失效等 彻底解决底切的方法是采用等离子体刻蚀。第2章 微电子工艺基础Table 16.1 Type of

7、 EtchSidewall ProfileDiagramWet EtchIsotropicIsotropic(depending onequipment ¶meters)Anisotropic(depending onequipment ¶meters)Anisotropic TaperDry EtchSilicon Trench第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分199.1 刻蚀概述 选择比选择比 理想的刻蚀特性是：既要把该刻蚀的彻底、干净地刻蚀掉，又要把不该刻蚀的原样保留。这就是刻蚀的选择性。 尽管不能完全做到，但在刻蚀液的选择上尽量保证。同一种刻蚀液对不

8、同的材料刻蚀速度是不同的，通常用刻蚀速率来描写。第2章 微电子工艺基础比如：SiO2/Si的选择性从2040。 如如SiO2的刻蚀中的刻蚀中,好的选择性的刻蚀液：好的选择性的刻蚀液：v对光刻胶和硅的腐蚀速率很低对光刻胶和硅的腐蚀速率很低v对对SiO2的腐蚀速率很很高的腐蚀速率很很高 2022年2月15日9时49分20第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分21 选择比的定义 定义在某一刻蚀过程中的两种材料的选择性S为在该刻蚀剂中材料1和材料2的刻蚀速率r1和r2之比。 S=r1/r2 材料1：待刻蚀薄膜材料 材料2：掩模（光刻胶或氧化硅） 当S1时，刻蚀剂的选择性较好S = Ef

9、ErEfNitrideOxideEr第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分229.1 刻蚀概述 例：要将硅衬底上1微米厚的SiO2薄膜刻蚀掉，已知氧化硅的腐蚀速率为0.4微米/分钟。氧化硅对硅的刻蚀选择比为25：1。如果刻蚀时间为3分钟，硅衬底被腐蚀掉多少？第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分239.1 刻蚀概述 解： 硅的腐蚀速率 当氧化硅完全腐蚀掉，才会腐蚀硅 腐蚀掉氧化硅的时间： 因此腐蚀硅的时间为0.5分钟。则厚度为： min/016. 0min/4 . 02521mrrmrrSSiSimin5 . 2min/4 . 01mmtmh008. 05 .

10、0016. 0第2章 微电子工艺基础残留物 刻蚀残留物是中的主要污染源，它具有电活性，影响器件性质 一般采用过刻蚀去除 2022年2月15日9时49分24第2章 微电子工艺基础9.1 刻蚀概述 对于小尺寸湿法刻蚀的局限性前面已经提到，主要包括： 局限于3m以上的图形尺寸； 各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡； 要求冲洗和干燥步骤； 潜在地污染； 光刻胶粘结力失效导致底切。 2022年2月15日9时49分25第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分269.1 刻蚀概述干法刻蚀干法刻蚀 基于这些原因，干法刻蚀主要用于先进电路的小尺寸精细刻蚀中。 干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术，晶圆

11、不需要液体化学品或冲洗，刻蚀过程在干燥的状态进出系统。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分279.1 刻蚀概述干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点：刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制；最小的光刻胶脱落或黏附问题；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，无化学废液分辨率高,细线条处理过程未引入污染易于实现自动化，表面损伤小缺点:成本高,设备复杂第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分289.1 刻蚀概述 等离子体等离子体(回顾回顾) 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包括中性原子或分子、带电离子和自由电子。 当从中性原子中去除一

12、个价电子时，形成正离子和自由电子。例如，当原子结构内的原子和电子数目相等时氟是中性的，当一个电子从它的核内分离出去后氟就离子化了（见下图）。在一个有限的工艺腔内，利用强直流或交流磁场或用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分299.1 刻蚀概述 离子的形成 F +9离子是质子（）与电子（）数不等地原子电子从主原子中分离出来.少一个电子的氟原子到原子失去一个电子时产生一个正离子 F +9具有质子（9）和电子（9）数目相等地中性粒子是原子氟原子总共有7个价电子价层环最多能有8个电子价层电子（）内层电子（）在原子核中的质子（未显示电子）

13、第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分309.1 刻蚀概述 干法刻蚀原理： 反应腔加上射频电场，刻蚀气体放电产生等离子体，等离子体处于激发态，有很强的化学活性，撞击在硅片上，发生反应，腐蚀硅化物。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分319.1 刻蚀概述 硅片的等离子体刻蚀过程 8)副产物去除 1) 刻蚀气体进入反应室衬底刻蚀反应室 2) 电场使反应物分解 5) 反应离子吸附在表面 4) 反应正离子轰击表面 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) 电子和原子结合产生等离子体 7) 副产物解吸附阴极阳极电场ll各向异性刻蚀各向同性刻蚀第

14、2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分329.1 刻蚀概述 各向异性刻蚀（侧壁的惰性原子可以产生保护膜）第2章 微电子工艺基础Chemical and Physical Dry Etch MechanismsReactive +ions bombard surfaceSurface reactions of radicals + surface filmDesorption of by-productsAnisotropic etchIsotropic etchSputtered surface materialChemical EtchingPhysical EtchingFi

15、gure 16.12 第2章 微电子工艺基础不同材料的刻蚀方法 2022年2月15日9时49分34 氧化物氧化物 作用：制作接触孔和通孔 要求：刻蚀出高深宽比的缺口，并且要求下层材料的选择比 氮化硅氮化硅第2章 微电子工艺基础Oxide Etch ReactorCF4C3F8C4F8CHF3NF3SiF4ArWaferElectrostatic chuckPlasmaSelection of fluorocarbon and hydrocarbon chemicalsHFCF2FCHFCH4Figure 16.26 第2章 微电子工艺基础 多晶硅 2022年2月15日9时49分36Polysi

16、licon gateGate oxideThe gate length determines channel length and defines boundaries for source and drain electrodes.DrainSourceGate第2章 微电子工艺基础 步骤：预刻蚀：用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层和表面污染物主刻蚀：刻蚀多晶硅，但不损伤栅氧化层过刻蚀：用于去除刻蚀残留物和剩余多晶硅 2022年2月15日9时49分37第2章 微电子工艺基础 单晶硅 主要是用于制作硅槽，如器件隔离沟槽或高密度的中垂直电容制作（数百万个电容沟槽） 方法：加入碳对侧壁进行钝化 202

17、2年2月15日9时49分38第2章 微电子工艺基础 金属 主要是金属互联线的铝合金刻蚀 2022年2月15日9时49分39TiN Al + Cu (1%)Ti p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellLI OxideILD-1Metal etchPhotoresist mask第2章 微电子工艺基础 主要步骤： 去除自然氧化层（自然氧化的铝） 刻蚀其他材料层（如抗反射层） 主刻蚀（铝） 去除残留物的过刻蚀 去除光刻胶 2022年2月15日9时49分40第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分419.1 刻蚀概述CF4 C

18、F3+F*CF3 CF2+F*CF2 CF+F*Si+4F* SiF4SiO2+4F* SiF4 +O2Si3N4+4F* 3SiF4 +2N2干法刻蚀常用的离子1.多晶硅、氧化硅、氮化硅，采用CF4刻蚀第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分429.1 刻蚀概述2.铝及其合金-氯基CCl4,CHCl33.难熔金属氯基或氟基 TaSiX+nFTaF5+SiF4 TaSiX+nClTaCl5+SiCl44.光刻胶O2第2章 微电子工艺基础刻蚀设备 等离子体刻蚀反应器等离子体刻蚀反应器 基本部件 发生刻蚀反应的反应腔 产生等离子体的射频单元 气体流量控制系统 去除刻蚀生成物和气体的真

19、空系统 2022年2月15日9时49分43第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分44 等离子体刻蚀反应器等离子体刻蚀反应器 圆桶式等离子体刻蚀机 早期的离子体系统被设计成圆柱形的（如图），在0.11托的压力下具有几乎完全的化学各向同性刻蚀，硅片垂直、小间距地装在一个石英舟上。射频功率加在圆柱两边的电极上。 特点：没有物理轰击，主要用于晶圆的表面去胶反应气体真空产生射频的线圈真空泵Gas inRF 电极RF发生器Wafers石英舟Wafers反应腔第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分45 平板（平面）等离子体刻蚀机 平板（平面）等离子体刻蚀机有两个大小和位置对称

20、的平行金属板，一个硅片背面朝下放置于接地的阴极上面，RF信号加在反应器的上电极（13.56MHz）。由于等离子体电势总是高于地电势，因而是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀模式。l 物理和化学刻蚀均存在l 目前广泛应用晶圆反应气体等离子体场电极接地射频第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分46罗茨泵工艺气体ExhaustGas- flow controller压力控制器Gas panelRF 发生器匹配网络微控制器操作界面气体弥散屏电极终点检测信号压力信号机械泵Wafer第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分47 相对于桶形刻蚀系统，平板式刻蚀系统平板式刻蚀系统

21、具有各向异性刻蚀的特点具有各向异性刻蚀的特点，从而可得几乎垂直的侧边。 另外，旋转晶圆盘可增加刻蚀的均匀性旋转晶圆盘可增加刻蚀的均匀性。该系统可设计成批量和单个晶圆反应室设置。 单个晶圆系统因其可对刻蚀参数精密控单个晶圆系统因其可对刻蚀参数精密控制制，从而得到均匀刻蚀而受到欢迎。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分489.1 刻蚀概述粒子束刻蚀粒子束刻蚀 粒子束刻蚀也是干法刻蚀的一种，与化学等离子体刻蚀不同的是粒子束刻蚀是一个物理工艺。如图所示，晶圆在真空反应室内被置于固定器上，并且向反应室导入氩气流。氩气进入反应室便受到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响。电子将氩原子离子化

22、成带正电荷的高能状态。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分499.1 刻蚀概述 由于晶圆位于接负极的固定器上，从而氩离子便被吸向固定器。在移动的同时被加速以提高能量。在晶圆表面上它们轰击进入暴露的晶圆层并从晶圆表面炸掉一小部分从而达到刻蚀的目的。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分509.1 刻蚀概述 优点优点：刻蚀的方向 性非常好（属于各 向异性），非常适 合高精度的小开口 区域刻蚀 缺点：缺点：选择性差， 存在离子化形成的 辐射损害。第2章 微电子工艺基础Chemical Versus Physical Dry Plasma EtchingTable 1

23、6.3 第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分52 干法刻蚀中光刻胶的影响干法刻蚀中光刻胶的影响 （1）残余的氧气会刻蚀光刻胶层残余的氧气会刻蚀光刻胶层 对于湿法和干法刻蚀两种工艺，图形保护层是光刻胶层。在湿法刻蚀中对光刻胶层几乎没有来自刻蚀剂的刻蚀。然而在干法刻蚀中，残余的氧气会刻蚀残余的氧气会刻蚀光刻胶层光刻胶层。因此光刻胶层必须保证足够光刻胶层必须保证足够的厚度的厚度以应付刻蚀剂的刻蚀而不至于变薄出现空洞。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分53 （2）光刻胶容易烘焙到一个难于从晶圆光刻胶容易烘焙到一个难于从晶圆表面去除的状态表面去除的状态 另一个与光刻

24、胶相关的干法刻蚀问题是光刻胶烘焙。在干法刻蚀反应室内，温度可升到200，这样的温度可把光刻这样的温度可把光刻胶烘焙到一个难于从晶圆表面去除的状胶烘焙到一个难于从晶圆表面去除的状态态，还有就是高温下光刻胶的流动倾向会使图形变差。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分549.2 光刻胶去除 刻蚀工艺完成后，作为刻蚀阻挡层的光刻胶已经完成任务，必须从表面去掉。 湿法去除湿法去除：传统的方法是用湿法化学工艺去除，尽管有一些问题，湿法去除在前线工艺还是经常采用的一种方法（特别是硅片表面和MOS栅极暴露并易于受到等离子体中氧气离子的损伤）。 第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时

25、49分559.2 光刻胶去除 湿法去除有许多不同的化学品，其选择依据是晶圆表层、产品考虑、光刻胶极性和光刻胶的状态（见下图）。去除剂化学品去胶温度（?C金属化表面氧化物光刻胶极性酸：硫酸氧化剂+ 有机酸铬硫酸溶液/溶液：NMP/AlkanolamineDMSO/MonothanolamineDMAC/DiethanolamineHydroxylamine (HDA)125 90110 20 95 95 100 65X X X X X X X X+/- +/- +/- + + + +第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分569.2 光刻胶去除优点：优点： 成本有效性好； 可有效去

26、除金属离子； 低温工艺并且不会将晶圆暴露于可能的损伤第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分579.2 光刻胶去除 无金属表面的湿法化学去除无金属表面的湿法化学去除 硫酸和氧化剂溶液 是最常用的去除无金属表面光刻胶的去除剂。无金属表面是指二氧化硅、氮化硅或多晶硅。此溶液可去除负光刻胶和正光刻胶。第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分589.2 光刻胶去除 有金属表面的湿法化学去除有金属表面的湿法化学去除 因为金属会受到侵蚀和氧化，所以有金属表面去除光刻胶相对比较困难。有三种类型的液体化学品可供使用： 酚有机去除剂 溶液/胺去除剂 特殊湿法去除剂第2章 微电子工艺基础 2022年2月15日9时49分599.2 光刻胶去除 干法去