第06章-刻蚀分析课件.ppt

1、半导体制造技术半导体制造技术第第 6 章章 刻刻 蚀蚀 第一章第一章 引言引言第二章第二章 晶体生长晶体生长第三章第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章第四章 硅的氧化硅的氧化第五章第五章 光刻光刻第六章第六章 刻蚀刻蚀第七章第七章 扩散扩散第八章第八章 离子注入离子注入第九章第九章 薄膜淀积薄膜淀积第十章第十章 工艺集成工艺集成 第十一章第十一章 集成电路制造集成电路制造通常的CMOS工艺流程注入注入扩散扩散测试测试/拣选拣选刻蚀刻蚀抛光抛光光刻光刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜薄膜硅片制造 (前端) Used with permi

2、ssion from Advanced Micro Devices刻蚀的应用刻蚀的应用光刻胶光刻胶被刻蚀材料被刻蚀材料(a) 有光刻胶图形衬底有光刻胶图形衬底(b) 刻蚀后的衬底刻蚀后的衬底光刻胶光刻胶被保护层被保护层本章主要内容1.1. 刻蚀的性能参数刻蚀的性能参数2. 2. 两种刻蚀方法：湿法腐蚀、干法刻蚀两种刻蚀方法：湿法腐蚀、干法刻蚀刻蚀速率刻蚀速率R(etch rate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响大影响刻蚀均匀性刻蚀均匀性(etch uniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化速率

3、的变化选择性选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比不同材料之间的刻蚀速率比各向异性度各向异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性刻蚀的方向性A=0, 各项同性；各项同性；A=1, 各项异性各项异性掩膜层下刻蚀掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量（钻蚀）横向单边的过腐蚀量（钻蚀）刻蚀的性能参数刻蚀的性能参数刻蚀速率刻蚀速率R T刻蚀开始刻蚀开始刻蚀结束刻蚀结束t = 刻蚀时间刻蚀时间 T = 刻蚀掉的厚度刻蚀掉的厚度刻蚀均匀性刻蚀均匀性在每片上测在每片上测5至至9个点处的刻蚀速率，个点处的刻蚀速率，然后计算每片的刻蚀均匀性并比较片然后计算每片的刻蚀均匀性并比

4、较片与片之间的均匀性与片之间的均匀性在一批中随机抽取在一批中随机抽取 3 至至 5片片%100 xlowhighlowhighRRRR刻蚀速率均匀性R Rhighhigh: : 最大刻蚀速率最大刻蚀速率R Rlowlow: : 最小刻蚀速率最小刻蚀速率两大关键问题：选择性和方向性两大关键问题：选择性和方向性21RRS 待刻材料的刻蚀速率待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率vlRRA 1横向刻蚀速率横向刻蚀速率纵向刻蚀速率纵向刻蚀速率各向异性度各向异性度A选择性选择性S：A0 0A1 A=1各向同性化学腐蚀各向同性化学腐蚀各向同性刻蚀是在各方向上各向同性刻蚀是在各方

5、向上以同样的速率进行刻蚀以同样的速率进行刻蚀衬底衬底膜膜胶胶具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀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各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀个方向刻蚀胶胶衬底衬底膜膜湿法腐蚀和干法刻蚀的剖面湿法腐蚀和干法刻蚀的剖面刻蚀中的钻蚀和过刻蚀刻蚀中的钻蚀和过刻蚀钻蚀钻蚀衬底衬底光刻胶光刻胶膜膜过刻蚀过刻蚀两种刻蚀方法两种刻蚀方法湿法刻蚀：化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好湿法刻蚀：化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好干法刻蚀：气相化学腐蚀（干法刻蚀：气相化学腐蚀（选择性好选择性好）或物理腐蚀（）或物理腐蚀（方向性方向性 好好），或二者兼而有之），或二者兼而有之加入加入NH4F缓

6、冲液：缓冲液：弥补弥补F和降低对胶的刻蚀和降低对胶的刻蚀1、SiO2采用采用HF腐蚀腐蚀2、Si采用采用HNO3和和HF腐蚀（腐蚀（HNA）3、Si3N4采用热磷酸腐蚀采用热磷酸腐蚀二氧化硅、硅、氮化硅的各向异性腐蚀二氧化硅、硅、氮化硅的各向异性腐蚀实际使用：实际使用：缓冲液缓冲液BHFBHF25 C 在在BHF 溶液中近似的氧化硅腐蚀速率溶液中近似的氧化硅腐蚀速率4、Si采用采用KOH腐蚀腐蚀Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀硅的各向异性腐蚀价键密度：价键密度

7、： 腐蚀速度：腐蚀速度：R(100) 100 R(111)利用利用SiSi的各向异性湿法腐蚀制作的的各向异性湿法腐蚀制作的MEMSMEMS（MicroElectroMechanicalMicroElectroMechanical Systems Systems）结构）结构湿法腐蚀的缺点湿法腐蚀的缺点在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性

8、化学试剂，对人体和环境有害）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害（4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济湿法各向同性化学腐蚀湿法各向同性化学腐蚀各向同性刻蚀是在各方向上各向同性刻蚀是在各方向上以同样的速率进行刻蚀以同样的速率进行刻蚀衬底衬底膜膜胶胶干法刻蚀干法刻蚀 干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点 刻蚀反应刻蚀反应 干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点1. 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制. 2. 好的 CD 控制. 3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题. 4.

9、好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性. 5. 较低的化学制品使用和处理费用. 化学和物理的干法刻蚀机理化学和物理的干法刻蚀机理反应正离子反应正离子轰击表面轰击表面原子团与表面膜原子团与表面膜的表面反应的表面反应副产物副产物的解吸附的解吸附各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀溅射的表面材料溅射的表面材料化学刻蚀化学刻蚀物理刻蚀物理刻蚀硅片的等离子体刻蚀过程硅片的等离子体刻蚀过程 8) 副产物去除副产物去除 1) 刻蚀气体进入反刻蚀气体进入反应腔应腔衬底衬底刻蚀反应腔刻蚀反应腔 2) 电场使反应物电场使反应物分解分解 5) 反应离子吸附反应离子吸附在表面在表面 4) 反应正离子轰击反应正

10、离子轰击表面表面 6) 原子团和表面膜的表面原子团和表面膜的表面反应反应排气排气气体传送气体传送RF 发生器发生器副产物副产物 3) 电子和原子结合产电子和原子结合产生等离子体生等离子体 7) 副产物解吸附副产物解吸附阴极阴极阳极阳极电场电场l ll l各向异性各向异性刻蚀刻蚀各向同性刻各向同性刻蚀蚀化学干法等离子体刻蚀化学干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀* Used primarily for stripping and etchback operations.刻蚀参数刻蚀参数物理刻蚀（物理刻蚀（RF电场电场垂直于硅片表面）垂直于硅片表面）化学化学刻蚀刻蚀（RF电

11、场平电场平行于硅片表面）行于硅片表面）化学刻蚀化学刻蚀物理和化学刻蚀物理和化学刻蚀刻蚀机理刻蚀机理物理离子溅射物理离子溅射等离子体中的活性基等离子体中的活性基与硅片表面反应与硅片表面反应*液体中的活性基与硅液体中的活性基与硅片表面反应片表面反应在干法刻蚀中，刻蚀在干法刻蚀中，刻蚀包括离子溅射和活性包括离子溅射和活性元素与硅片表面的反元素与硅片表面的反应应侧壁剖面侧壁剖面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同性到各向同性到各向异性各向异性选择比选择比差差/难以提高难以提高 (1:1)一般一般/好好 (5:1至至 100:1)高高/很高很高(高于高于 500:1)一般一般/高高(5

12、:1 至至100:1)刻蚀速率刻蚀速率快快适中适中慢慢适中适中线宽控制线宽控制一般一般/好好差差非常差非常差好好/非常好非常好离子增强刻蚀离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching-Ion Enhanced etching 等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程，而且相互有增强作用。过程，而且相互有增强作用。 物理过程（如离子轰击造成的断键物理过程（如离子轰击造成的断键/晶格损伤、辅助挥发晶格损伤、辅助挥发性反应产物的生成、表面抑制物的去除等）将有助于表面化性反应产物的生成、表面抑制物的去除等）将有助于表面化学过程学过程

13、/化学反应的进行。化学反应的进行。 无离子，无离子，XeF2对对Si不刻蚀不刻蚀 纯纯Ar离子，对离子，对Si不刻蚀不刻蚀 Ar离子和离子和XeF2相互作用，刻蚀速率很快相互作用，刻蚀速率很快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 氧化物氧化物 氮化硅氮化硅 硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀 多晶硅栅刻蚀多晶硅栅刻蚀 单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀 金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀 铝和金属复合层铝和金属复合层 钨的反刻钨的反刻 接触金属刻蚀接触金属刻蚀 去胶去胶一个成功的干法刻蚀要求一个成功的干法刻蚀要求1.1. 对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的对不需要刻蚀的材料（主要是光刻

14、胶和下层材料）的高选择比高选择比. .2.2. 获得可接受的产能的刻蚀速率获得可接受的产能的刻蚀速率. .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. 宽的工艺制造窗口宽的工艺制造窗口. . 氧化物刻蚀反应器氧化物刻蚀反应器CF4C3F8C4F8CHF3NF3SiF4Ar硅片硅片静电吸盘静电吸盘等离子体等离子体碳氟化合物和碳氢化物的碳氟化合物和碳氢化物的选择选择HFCF2FCHFCH4多晶硅导体长度多晶硅导体长度多晶硅栅多晶硅栅栅氧化硅栅氧化硅栅长确定沟道长度并定义源栅长确定沟道长度并定义源漏电极的

15、边界漏电极的边界漏漏源源栅栅刻蚀多晶硅步骤刻蚀多晶硅步骤1.1. 第一步是预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层第一步是预刻蚀，用于去除自然氧化层、硬的掩蔽层（如（如SiONSiON）和表面污染物来获得均匀的刻蚀（这减少和表面污染物来获得均匀的刻蚀（这减少了刻蚀中作为微掩蔽层的污染物带来的表面缺陷。了刻蚀中作为微掩蔽层的污染物带来的表面缺陷。2.2. 接下来的是刻至终点的主刻蚀。这一步用来刻蚀掉大接下来的是刻至终点的主刻蚀。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侧壁剖面。向异性的侧壁剖面。3.3. 最后一步是过刻蚀

16、，用于去除刻蚀残留物和剩余多晶最后一步是过刻蚀，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（小槽形成）。多晶硅周围的栅氧化层形成微槽（小槽形成）。 在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽衬底衬底多晶多晶光刻胶光刻胶栅氧化层栅氧化层离子离子栅氧化硅中的沟槽栅氧化硅中的沟槽硅槽的刻蚀硅槽的刻蚀Si+4FSi+4F* *SiFSiF4 4 SiOSiO2 2+4F+4F* *SiFSiF4 4 +O +O2 2 SiSi3 3N N4 4+12F+12F* *3SiF3SiF4

17、 4 +2N +2N2 2 硅、硅、SiSi3 3N N4 4和和SiOSiO2 2刻蚀刻蚀CFCF4 4中添加少量中添加少量O O2 2可增加对可增加对SiSi，SiOSiO2 2和和SiSi3 3N N4 4的腐蚀速率的腐蚀速率10%O10%O2 2可获得最大的可获得最大的Si/SiOSi/SiO2 2刻蚀比刻蚀比 在在CF4中加入少量中加入少量H2，可使，可使CFx：F*的浓度比增加。的浓度比增加。 从从而使而使SiO2:Si及及Si3N4：Si的腐蚀速率比增大的腐蚀速率比增大增加增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率比（加氧气），可以增加刻蚀速率减少减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾

18、向于形成比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜高分子膜金属刻蚀的主要要求金属刻蚀的主要要求1.1. 高刻蚀速率高刻蚀速率 ( (大于大于1000 1000 nm/min).nm/min).2.2. 对下面层的高选择比，对掩蔽层对下面层的高选择比，对掩蔽层 ( (大于大于4:1), 4:1), 和层间和层间介质层介质层 ( (大于大于20:1)20:1). .3.3. 高的均匀性，且高的均匀性，且CDCD控制很好控制很好. .4.4. 没有等离子体诱导充电带来的器件损伤没有等离子体诱导充电带来的器件损伤. .5.5. 残留物污染少残留物污染少 ( (如铜硅残留物、显影液侵蚀和表面缺如铜硅残留物

19、、显影液侵蚀和表面缺陷陷).).6.6. 快速去胶，通常是在一个专用的去胶腔体中进行，不快速去胶，通常是在一个专用的去胶腔体中进行，不会带来残留物污染会带来残留物污染. .7.7. 不会腐蚀金属不会腐蚀金属. . VLSI/ULSI 技术中的复合金属层钨的反刻金属2复合层(d) 金属2 淀积钨塞(a) 通孔刻穿 ILD-2 (SiO2)层金属1 复合层ILD-2ILD-1通孔SiO2(c) 钨反刻SiO2钨塞(b) 钨 CVD 通孔填充钨去胶机中氧原子与光刻胶的反应衬底光刻胶去胶反应腔2) O2 分解成原子氧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

20、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+等离子刻蚀终点检测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.时间刻蚀参数在等离子体刻蚀中被激发的基团的特征波长材料材料 刻蚀气体的刻蚀气体的发射基团发射基团 反应产物反应产物 波长波长(纳米纳米) 硅 CF4/O2 Cl2 SiF SiCl 440; 777 287 SiO2 CHF3 CO 484 铝 Cl2 BCl3 Al AlCl 391; 394; 396 261 光刻胶 O2 CO OH H 484 309 656 氮气 N2（用于刻蚀前后的净化气体） N2 NO 337 248 思考题思考题1、刻蚀工艺有哪两种类型？各自的优缺点是什么？、刻蚀工艺有哪两种类型？各自的优缺点是什么？2、什么是刻蚀中的等离子体诱导损伤？以及这些、什么是刻蚀中的等离子体诱导损伤？以及这些 损伤会带来什么问题？损伤会带来什么问题？