半导体器件工艺学之刻蚀

会计学1半导体器件工艺学之刻蚀§6-1刻蚀的概念一、基本概念刻蚀：去除材料用化学的或物理的或化学物理结合的方式有选择的去除（光刻胶开出的窗口）整体剥离或反刻被刻蚀的材料：介质硅金属光刻胶第1页/共38页刻蚀工艺：湿法刻蚀：大尺寸（＞3μm尺寸）整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等干法刻蚀：形成亚微米尺寸目前用来形成图形主要方法第2页/共38页二、刻蚀参数刻蚀速率刻蚀剖面刻蚀偏差选择比均匀性第3页/共38页1.刻蚀速率刻蚀速率：去除材料的速度单位：A/min公式：△T/t第4页/共38页2.刻蚀剖面刻蚀剖面：刻蚀后图形的侧壁形状各向同性各向异性各向异性对制作亚微米器件很关键高的各向异性，可以形成88°—89°垂直度的侧壁

各向异性各向同性第5页/共38页3.刻蚀偏差刻蚀后线宽或关键尺寸间距的变化通常是由横向钻蚀引起。第6页/共38页4.选择比选择比：两种材料刻蚀速率的比公式：S=Er/Ef高选择比意味着只刻除想要刻去得那层材料。高选择比对于确保关键尺寸和剖面控制是必需的，要制造的关键尺寸越小，选择比要求越高第7页/共38页5.均匀性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保持硅片的均匀性是保证制造性能一致的关键难点在于在刻蚀具有不同图形密度的硅片上保持均匀性第8页/共38页（微负载效应）深宽比相关刻蚀：具有高深宽比硅槽的刻蚀速率要比低深宽比硅槽的刻蚀速率慢对于高深宽比的图形窗口，化学刻蚀剂难以进入，反应生成物难以出来第9页/共38页刻蚀均匀性的检测第10页/共38页§6-2刻蚀工艺一、湿法刻蚀液体化学试剂（酸、碱和溶剂等）以化学方式去除硅片表面材料反应产物必须是易挥发性的或可溶于刻蚀剂的物质，否则会成为沉淀，影响刻蚀的进行第11页/共38页特点：各向同性难以精确控制线宽和获得精细图形安全性光刻胶脱落难控制参数化学试剂处理高选择性无离子体损伤设备简单方式：浸泡喷射应用：通常用于大尺寸刻蚀（＞3μm尺寸），一般用于整体剥离或去除干法刻蚀后的残留物等第12页/共38页二、干法刻蚀利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的特点：横向钻蚀小，无化学废液，分辨率高，细线条，操作安全，简便；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13页/共38页刻蚀方式：等离子刻蚀：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差反应离子刻蚀(RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。第14页/共38页化学和物理干法刻蚀机理第15页/共38页干法刻蚀设备化学桶式下游式物理离子束刻蚀物理和化学反应离子刻蚀高密度等离子刻蚀第16页/共38页圆桶式刻蚀系统化学各向同性刻蚀高选择比等离子诱导损伤小用于硅片表面去胶，氧是去胶的主要刻蚀剂第17页/共38页下游式刻蚀系统化学各向同性刻蚀用于去胶或去除非关键层下游刻蚀的目的是减少或消除等离子体带来的损伤而使硅片曝露在等离子体中的时间最少第18页/共38页离子束刻蚀系统具有强方向性等离子体的一种物理刻蚀机理小尺寸各向异性低选择比低产能通常用于金，铂和铜等难刻蚀的材料第19页/共38页反应离子刻蚀系统采用化学反应和物理离子轰击去除硅片表面材料的技术具有较好的各向异性侧壁图形通常用于单晶硅槽的刻蚀第20页/共38页高密度等离子体刻蚀系统先进的IC技术中刻蚀关键层最主要的刻蚀方法是采用单片处理的高密度等离子体刻蚀技术高密度等离子体刻蚀可以在高深宽比图形中获得各向异性刻蚀第21页/共38页标准等离子体刻蚀，对于0.25μm以下尺寸，刻蚀基难以进入高深宽比图形，刻蚀生成物难以从高深宽比图形出来。解决：低压，以增加气体分子和离子的平均自由程。但同时由于压力减少而减少了离子密度，从而降低了刻蚀速率，所以采用高密度等离子体技术，以产生足够的离子，从而获得可接受的刻蚀速率传统等离子体，离化度是在0.01%—0.1%。而高密度等离子体能产生较大的刻蚀基分解，获得高达10%的离化率第22页/共38页磁增强反应离子刻蚀系统第23页/共38页电子回旋共振刻蚀系统第24页/共38页感应耦合式等离子体刻蚀系统第25页/共38页终点检测干法刻蚀对下层材料没有好的选择比，需要终点检测来监测刻蚀工艺并停止刻蚀以减少对下层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，产物的类型等第26页/共38页§6-3材料刻蚀材料刻蚀有：金属刻蚀，介质刻蚀和硅刻蚀介质刻蚀：（如SiO2）接触孔和通孔制作需要刻蚀介质硅刻蚀：如：刻蚀多晶硅晶体管栅和硅槽电容金属刻蚀：如：金属层上去除铝合金，制作互连线光刻胶剥离第27页/共38页一、介质刻蚀对于200mm以上的硅片，铜互连采用双层大马士革技术，层间介质的沟槽刻蚀和低K介质刻蚀是技术难题介质刻蚀通常是制作接触孔和通孔，要求刻蚀出高深宽比的窗口氧化物的刻蚀困难之一在于难以获得对下层材料（通常是硅、氮化硅或一层抗反射涂层）的高选择比 为了防止形成倾斜的侧墙，获得高的氧化硅/光刻胶的选择比很重要第28页/共38页二、硅的刻蚀主要是制作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栅的刻蚀工艺必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和可重复性，同时要求高度的各向异性单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔离沟槽或DRAM中高密度的垂直电容的制作。在高密度IC中要求数百万个沟槽具有一致的光洁度，接近的垂直侧壁，正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角第29页/共38页多晶硅栅第30页/共38页在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽第31页/共38页单晶硅槽第32页/共38页三、金属刻蚀高刻蚀速率（大于1000nm/min）对下层的高选择比，对掩膜层（＞4：1）和层间介质（＞20：1）高的均匀性，CD控制很好，没有微负载效应没有等离子体诱导充电带来的器件损伤残留物污染少不会腐蚀金属第33页/共38页铝和金属复合层刻蚀第34页/共38页钨的刻蚀第35页/共38页四、去胶湿法去除：剥离光刻胶是湿法去除光刻胶的一种基本方法由于化学药品所需的管理和处理，使用湿法去除不合算通常干法刻蚀前，光刻胶表面都