第7章 刻蝕工藝

1、第第7章章 刻蝕制程刻蝕制程7.1 概述概述7.2 濕法刻蝕濕法刻蝕7.3 干法刻蝕干法刻蝕7.4 質量評價質量評價7.1 概述概述 廣義而言，刻蝕技術包含了所有將材質表面均勻移除或是有選擇性的部分去除的技術，可大體分為濕法刻蝕與干法刻蝕兩種方式。 本情景針對半導體制造工藝中所用的刻蝕技術做詳細介紹，內容將包括濕法刻蝕和干法刻蝕技術的原理，以及Si、SiO2、Si3N4、多晶硅及金屬等各種不同材料刻蝕方面的應用。將重點描述干法刻蝕技術，并將涵蓋刻蝕反應器、終點探測以及等離子體導致?lián)p傷等的介紹。7.2 濕法刻蝕工藝濕法刻蝕工藝 濕法刻蝕又稱為濕化學刻蝕法，主要是借助刻蝕劑與待刻材料之間的化學反應

2、將待刻膜層溶解達到刻蝕的目的。濕法刻蝕的反應產物必須是氣體或可溶于刻蝕劑的物質，否則會造成反應物的沉淀，影響刻蝕的正常進行。 濕法刻蝕的進行，通常先利用氧化劑(如Si和Al刻蝕時的HNO3)將被刻蝕材料氧化成氧化物(例如SiO2、Al2O3)，再利用另一種溶劑(如Si刻蝕中的HF和A1刻蝕中的H3PO4)將形成的氧化層溶解并隨溶液排出。如此便可達到刻蝕的效果。 刻蝕分三步進行： 刻蝕劑擴散至待刻材料的表面； 刻蝕劑與待刻材料反應； 反應產物離開刻蝕表面擴散至溶液當中，隨溶液排出。 缺點：濕法刻蝕多是各向同性的，在將圖形轉移到硅片上時，刻蝕后會向橫向發(fā)展，這會造成圖形失真，不適合得到3m以下的線

3、寬。 要控制濕法刻蝕的速率，通?？赏ㄟ^改變溶液濃度和反應溫度等方法實現(xiàn)。溶液濃度增加會加快濕法刻蝕時反應物到達及離開被刻蝕薄膜表面的速率，反應溫度可以控制化學反應速率的大小。選擇一個濕法刻蝕的工藝，除了刻蝕溶液的選擇外，也應注意掩膜是否適用。幾種常見物質的濕法刻蝕介紹1、硅的濕法刻蝕 單晶硅與多晶硅的刻蝕都是通過與硝酸和氫氟酸的混合溶劑反應來完成的。其過程是硝酸先將硅氧化成二氧化硅，再利用氫氟酸溶解掉產生的二氧化硅，反應如下： Si十4HNO3Si02十2H20十4NO2 Si02十6HFH2SiF6十2H202、二氧化硅的濕法刻蝕 通常采用氫氟酸溶液完成，由于刻蝕速率太高，工業(yè)難以控制。因此

4、，在實際應用時需經過氟化銨的稀釋。氟化銨可避免氟化物離子的消耗，以保持穩(wěn)定的刻蝕速率。典型的二氧化硅刻蝕劑是氟化銨與氫氟酸以6:1的體積比混合，它對氧化層的刻蝕速率約為1000/min，其反應如下： SiO2十6HFH2SiF6十2H2O3、氮化硅的濕法刻蝕 Si3N4在半導體工藝中主要是作為場氧化層在進行氧化生長時的屏蔽膜及半導體器件完成主要制備流程后的保護層。可以使用加熱180oC，85%的H3PO4溶液刻蝕Si3N4 ，其刻蝕速率與Si3N4的生長方式有關，例如：用PECVD方式比用高溫LPCVD方法得到的Si3N4的刻蝕速率快很多。 由于高溫Si3N4會造成光刻膠的剝落。在進行有圖形的

5、Si3N4濕法刻蝕時，必須使用SiO2作掩膜。一般來說， Si3N4的濕法刻蝕大多應用于整面的剝除。對于有圖形的Si3N4刻蝕，則應采用干法刻蝕的方式。4、金屬鋁的濕法刻蝕 集成電路中，大多數(shù)電極引線都是由鋁或鋁合金形成的。鋁刻蝕的方法很多，生產上常用的是經過加熱的磷酸、硝酸、醋酸以及水的混合溶液，典型的比例是80:5:5:10。硝酸的作用主要是提高刻蝕速率，若太多會影響光刻膠的抗蝕能力；醋酸是用來提高刻蝕均勻性的?？涛g溫度一般介于3545oC之間，刻蝕反應如下： 2Al十6H3PO42Al(H2PO4)3十3H2 刻蝕時會有氫氣泡產生，這些氣泡附著在鋁的表面抑制鋁刻蝕的進行，造成刻蝕的不均勻

6、，醋酸就是用來降低界面張力避免這種問題發(fā)生的。 綜上所述，濕法刻蝕設備簡單、工藝操作方便， 一般的常規(guī)生產均能滿足要求。但各向同性刻蝕性太強，容易出現(xiàn)橫向鉆蝕現(xiàn)象，如圖7-1所示難以控制線寬，而且刻蝕劑大多為腐蝕性較強的試劑，安全性較差。所以，已逐漸被干法刻蝕代替。 硅片SiO2薄膜氫腐酸等腐蝕液光刻膠（光致抗腐劑）橫向鉆蝕圖7-1 濕法刻蝕出現(xiàn)橫向鉆蝕現(xiàn)象7.3 干法刻蝕工藝干法刻蝕物理性刻蝕化學性刻蝕反應離子刻蝕 物理性刻蝕 物理性刻蝕是利用輝光放電將氣體(如Ar氣)電離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，濺擊在被刻蝕物的表面而將被刻蝕物的原子擊出，該過程完全是物理上的能量轉移，故稱為物

7、理性刻蝕。 優(yōu)點：具有非常好的方向性可獲得接近垂直的刻蝕輪廓 缺點：離子是全面均勻地濺射在芯片上，光刻膠和被刻蝕材料同時被刻蝕，造成刻蝕選擇性偏低。同時，被擊出的物質并非揮發(fā)性物質，這些物質容易二次沉積在被刻蝕薄膜的表面及側壁。 化學性刻蝕 又稱等離子體刻蝕，是利用等離子體將刻蝕氣體電離并形成帶電離子、分子及反應性很強的原子團，它們擴散到被刻蝕薄膜表面后與被刻蝕薄膜的表面原子反應生成具有揮發(fā)性的反應產物，并被真空設備抽離反應腔。因這種反應完全利用化學反應，故稱為化學性刻蝕。 優(yōu)點與缺點 ：具有較高的掩膜/底層的選擇比及等向性 解決方法：在刻蝕不需要圖形轉移的步驟(如光刻膠的去除)中應用純化學刻

8、蝕。 反應離子刻蝕（RIE) 方法：結合物理性的離子轟擊與化學反應 優(yōu)點：兼具非等向性與高刻蝕選擇比雙重優(yōu)點 加入離子轟擊的作用 ： 破壞被刻蝕材質表面的化學鍵以提高反應速率。 將二次沉積在被刻蝕薄膜表面的產物或聚合物打掉，以使被刻蝕表面能充分與刻蝕氣體接觸。 3）選擇比 ：被刻蝕材料的刻蝕速率與掩膜或底層的刻蝕速率的比值，選擇比的控制通常與氣體種類、比例、等離子體的偏壓功率、反應溫度等有關系。4）刻蝕輪廓 ：般而言越接近90度越好，只有在少數(shù)特例中，如在接觸孔或走線孔的制作中，為了使后續(xù)金屬濺鍍工藝能有較好的階梯覆蓋能力而故意使其刻蝕輪廓小于90度。通常，刻蝕輪廓可利用氣體的種類、比例和偏壓

9、功率等方面的調節(jié)進行控制。一、干法刻蝕設備 最常見的刻蝕設備是使用平行板電極的反應器。高密度等離子體刻蝕機具有高等離子體密度和低離子轟擊損傷等優(yōu)點，已成為設備開發(fā)研究的熱點，典型的設備有電子回旋共振式等離子體刻蝕機、變壓耦合式等離子體刻蝕機、感應耦合等離子體刻蝕機和螺旋波等離子體刻蝕機。 等離子體刻蝕系統(tǒng)應包括下列幾個基本部件：反應腔、射頻電源、氣體流量控制器、真空系統(tǒng)、電極等。 在本作業(yè)中，將介紹現(xiàn)今較為常用的刻蝕設備。 1.反應離子刻蝕機 反應離子刻蝕機系統(tǒng)中包含了一個高真空的反應腔，腔內有兩個呈平行板狀的電極，一個電極與腔壁接地，另一個電極則接在射頻產生器上，如圖7-2(a)所示。這種刻

10、蝕系統(tǒng)對離子有加速作用，使離子以一定的速度撞擊待刻薄膜，因此刻蝕過程是物理與化學反應的共同進行。圖7-2(a) RIE設備示意圖 圖7-2(b) 三極式RIE設備示意圖 圖7-2(c)RIE原理圖圖7-3日本芝浦Mechatronics株式會社生產的適用于不同尺寸單晶硅圓片的反應離子刻蝕裝置2磁場強化活性離子刻蝕機 如圖7-4所示，磁場強化活性離子刻蝕系統(tǒng)(MERIE)是在傳統(tǒng)的RIE中加上永久磁鐵或線圈，產生與晶片平行的磁場，此磁場與電場垂直。電子在該磁場作用下將以螺旋方式運動，如此一來，可避免電子與腔壁發(fā)生碰撞，增加電子與分子碰撞的機會并產生較高密度的等離子體。然而，因為磁場的存在，將使離

11、子與電子的偏轉方向不同而分離，造成不均勻性及天線效應的產生，所以磁場常設計為旋轉磁場。MERIE的操作壓力與RIE相似，約在1100 Pa之間，所以也不適合用于0.5m以下線寬的刻蝕。圖7-4 磁場強化活性離子刻蝕設備示意圖3電子回旋共振式等離子體刻蝕機 電子回旋共振(ECR)系統(tǒng)利用微波以及外加磁場來產生光密度等離子體。當電子回旋率與外加微波頻率相同時，外加電場與電子的移動將發(fā)生共振，產生高離子化的等離子體。電子回旋共振刻蝕系統(tǒng)如圖7-5所示。 該系統(tǒng)有等離子體產生腔和擴散腔兩個腔。微波由波導管穿過石英窗進入等離子體產生腔，電子與微波共振產生高密度的等離子體，這些離子體在附加磁鐵的作用下移動

12、至晶片表面，反應刻蝕。圖7-5 電子回旋共振式等離子體刻蝕設備示意圖4.感應耦合式等離子體刻蝕機與螺旋波等離子體刻蝕機 感應耦合式等離子體刻蝕系統(tǒng)(ICP)的結構如圖7-6所示，在反應器上方有一介電層窗，其上方有螺旋纏繞的線圈，通過此感應線圈在介電層窗下產生等離子體。等離子體產生的位置與晶片之間只有幾個平均自由程的距離，故只有少量的等離子體密度損失，可獲得高密度的等離子體。 二、半導體工藝中常用材料的干法刻蝕 1.二氧化硅的干法刻蝕 刻蝕原理。氧化物的等離子體刻蝕工藝大多采用含有氟碳化合物的氣體進行刻蝕。使用的氣體有CF4、C3F8、CHF3等，常用的是CF4和CHF3。CF4的刻蝕速率很高但

13、對多晶硅的選擇比不好，CHF3的聚合物生產速率較高。非等離子體狀態(tài)下的氟碳化合物化學穩(wěn)定性較高，且其化學鍵比SiF的化學鍵強，所以不會與硅或硅的氧化物反應。 以CF4為例，整個刻蝕反應過程如下： CF4 2F+ CF2 SiO2+4FSiF4+2O Si+4FSiF4 SiO2+2 CF2 SiF4+2CO Si+2 CF2 SiF4+2C 氟原子與硅的反應速率非?？?，約為二氧化硅的101000倍，因此RIE反應系統(tǒng)中，CF4被電離為CF2，這樣可得到較高的二氧化硅與硅的刻蝕選擇比。通常，氟碳化合物氣體中，碳原子占的比例越高，形成的聚合物越多，這樣會得到高的刻蝕選擇比但刻蝕速率也越低。所以，在

14、有些刻蝕系統(tǒng)中，會通過增加硅源(四氟化硅)來增加氟原子以改變氟碳原子比。 選擇比的改變?，F(xiàn)今半導體工藝中，SiO2的干法刻蝕主要用于接觸孔與金屬間介電層連接洞的非等向性刻蝕方面。前者在SiO2下方的材料是Si，后者則是金屬層，通常是TiN，因此SiO2的刻蝕中， SiO2與Si或TiN的刻蝕選擇比是一個很重要的因素。 在反應氣體中加入氧后，氧會和氟碳化合物反應放出氟原子同時消耗掉一部分碳，改變了氟碳原子比。反應如下： CF4+OCOF2+2F 氧氣的加入可改變二氧化硅與硅的刻蝕速率比，當氧氣濃度約為20%40%時，二氧化硅的刻蝕速率明顯高于硅的刻蝕速率，氧氣濃度達到40%以后，二者的刻蝕速率又

15、開始接近。也可通過加入氫氣來降低硅的刻蝕速率，氫氣的濃度約為40%時，硅的刻蝕速率幾乎為0，而二氧化硅的刻蝕速率卻基本不受影響。2. 氮化硅的干法刻蝕 Si3N4在半導體工藝中主要用在兩個地方： 用作器件區(qū)的防止氧化保護層(厚約100 nm)； 作為器件的鈍化保護層。 3.多晶硅的干法刻蝕 在MOSFET器件的制備中，需要嚴格地控制柵極的寬度，因為它決定了MOSFET器件的溝道長度，進而與器件的特性息息相關?？涛g多晶硅時，必須淮確地將掩膜上的尺寸轉移到多晶硅上。除此之外，刻蝕后的輪廓也很重要，如多晶硅刻蝕后柵極側壁有傾斜時，將會屏蔽后續(xù)工藝中源極和漏極的離子注入，造成雜質分布不均，溝道的長度會

16、隨柵極傾斜的程度而改變。 改用Cl2等離子體對多晶硅進行刻蝕， Cl2與多晶硅的反應方程式如下所示： Cl2 2Cl Si+2Cl SiCl2 SiCl2 +2Cl SiCl4 SiCl2會形成一層聚合物保護膜，反應方程式如下： n SiCl2 n(SiCl2) 此保護膜可保護多晶硅的側壁，進而形成非等向性刻蝕。使用Cl2等離子體對多晶硅的刻蝕速率比使用F原子團慢很多，為兼顧刻蝕速率與選擇比，有人使用SF6氣體中添加SiCl4或CHCl3。SF6的比例越高，刻蝕速率越快；而SiCl4或CHCl3的比例越高，多晶硅/ SiO2的刻蝕選擇比越高，刻蝕越趨向非等向性刻蝕。 除了Cl和F的氣體外，溴化

17、氫(HBr)也是一種常用的氣體，因為在小于0.5m的制程中，柵極氧化層的厚度將小于10 nm，用HBr等離子體時多晶硅/ SiO2的刻蝕選擇比高于以Cl為主的等離子體。4. 金屬的干法刻蝕 金屬刻蝕主要是互連線及多層金屬布線的刻蝕，金屬刻蝕有以下幾個要求：高刻蝕速率(大于1000nm/min)；高選擇比，對掩蔽層大于4:1，對層間介質大于20:1；高的刻蝕均勻性；關鍵尺寸控制好；無等離子體損傷：殘留污染物少；不會腐蝕金屬。 鋁的刻蝕。 鋁是半導體制備中最主要的導線材料，具有電阻低、易于淀積和刻蝕等優(yōu)點。鋁刻蝕通常采用加入鹵化物的氯基氣體，最常用的是BCl3。因為鋁在常溫下表面極易氧化生成氧化鋁，氧化鋁阻礙了刻蝕的正常進行，而BCl3可將自然氧化層還原、保證刻蝕的進行，而且BCl3還容易與氧氣和水反應，可吸收反應腔內的水汽和氧氣，從而降低氧化鋁的生成速率。 7.4 質量評價質量評價一、 干法刻蝕的終點監(jiān)測 近幾年發(fā)展起來的干法刻蝕工藝，為了提高刻蝕精度，深入研究刻蝕機理，實現(xiàn)刻蝕設備的自動化，需要解決工藝過程