集成電路工藝刻蝕

集成電路工藝刻蝕第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.引言第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1刻蝕的概念

刻蝕：它是半導體制造工藝，微電子IC制造工藝以及微納制造工藝中的一種相當重要的步驟。是與光刻相聯(lián)系的圖形化（pattern）處理的一種主要工藝。所謂刻蝕，實際上狹義理解就是光刻腐蝕，先通過光刻將光刻膠進行光刻曝光處理，然后通過其它方式實現(xiàn)腐蝕處理掉所需除去的部分。隨著微制造工藝的發(fā)展；廣義上來講，刻蝕成了通過溶液、反應離子或其它機械方式來剝離、去除材料的一種統(tǒng)稱，成為微加工制造的一種普適叫法。第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2刻蝕工藝的目的把光刻膠圖形精確地轉(zhuǎn)移到硅片上，最后達到復制掩膜版圖形的目的。第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.3刻蝕示意圖第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4刻蝕的分類干法刻蝕：把硅片放在氣體等離子體中，有選擇地去除表面層材料的過程。濕法刻蝕：把硅片放在化學腐蝕液里，有選擇地去除表面層材料的過程。第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月濕法刻蝕是各向同性刻蝕，用化學方法，不能實現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)移，適用于特征尺寸≥3μｍ的情況干法刻蝕是各向異性刻蝕，用物理和化學方法，能實現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)移，是集成電路刻蝕工藝的主流技術。第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月各向同性刻蝕：側(cè)向與縱向腐蝕速度相同各向異性刻蝕：側(cè)向腐蝕速度遠遠小于縱向腐蝕速度，側(cè)向幾乎不被腐蝕。

（a）各向同性刻蝕剖面（b）各向異性刻蝕剖面第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.刻蝕參數(shù)及現(xiàn)象第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月在刻蝕工藝中，刻蝕參數(shù)用來描述刻蝕效果的好壞，決定光刻膠圖形向硅片轉(zhuǎn)移的質(zhì)量。這些刻蝕參數(shù)在工藝中非常重要。第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕參數(shù)刻蝕速率刻蝕偏差選擇比均勻性刻蝕剖面刻蝕現(xiàn)象殘留物聚合物等離子體誘導損傷顆粒沾污和缺陷第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1刻蝕速率

刻蝕速率是指刻蝕過程中去除表面層材料的速度?？涛g速率＝△T/t

其中△T為去掉薄層材料的厚度（單位：埃/分、或nm/min）、t為刻蝕時間（單位：分）第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2刻蝕偏差刻蝕偏差是指刻蝕以后線寬或關鍵尺寸的變化刻蝕偏差＝Wa－Wb第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3選擇比選擇比指在同一刻蝕條件下，刻蝕一種材料對另一種材料的刻蝕速率之比。高選擇比意味著只去除想要刻蝕掉的膜層材料，而對其下層材料和光刻膠不刻蝕。SiO2對光刻膠的選擇比＝（△Tsio2/t1）÷（△T膠/t1）＝△Tsio2/△T膠

（a）0時刻（b）t1時刻第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月SiO2對下層Si的選擇比SiO2對下層Si的選擇比＝（△Tsio2/t1）÷（△Tsi/（t3－t2））

（c）t2時刻（d）t3時刻第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4均勻性

刻蝕均勻性是指刻蝕速率在整個硅片或整批硅片上的一致性情況。非均勻性刻蝕會產(chǎn)生額外的過刻蝕。2.5刻蝕剖面

刻蝕剖面是指被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6殘留物刻蝕殘留物是刻蝕以后留在硅片表面不想要的材料，濕法去膠時能去除殘留物。2.7聚合物

聚合物是由光刻膠或刻蝕氣體中的碳和其它物質(zhì)組成的化合物。第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物的優(yōu)點：在刻蝕圖形側(cè)壁上形成抗腐蝕膜，阻擋側(cè)壁的腐蝕提高各向異性，獲得良好的腐蝕剖面。聚合物的缺點：在反應室的任何地方都有聚合物，影響縱向的刻蝕速率，增加反應室的清洗工作。第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物（Polymer）的形成第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.8等離子體誘導損傷

等離子體誘導損傷有兩種情況：

1）等離子體在MOS晶體管柵電極產(chǎn)生陷阱電荷引起薄柵氧化硅的擊穿。

2）帶能量的離子對暴露的柵氧化層或雙極結表面上的氧化層進行轟擊，使器件性能退化。2.9顆粒沾污和缺陷顆粒沾污和缺陷由等離子體產(chǎn)生，是刻蝕中經(jīng)常遇到的問題，應盡量減少。第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.干法刻蝕

第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月1.刻蝕過程1）刻蝕氣體進入反應腔（以CF4為例）2）RF電場使反應氣體分解電離，產(chǎn)生等離子體3）等離子體包括高能電子、離子、原子、自由基等4）反應正離子轟擊樣品表面－各向異性刻蝕（物理刻蝕）

3.1干法刻蝕原理第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5）反應正離子吸附表面6）反應元素（自由基和反應原子）和表面膜的表面反應－各向同性刻蝕（化學刻蝕）7）副產(chǎn)物解吸附8）副產(chǎn)物去除第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

干法刻蝕過程示意圖第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.等離子體的電勢分布①當刻蝕機電極加上射頻功率后，反應氣體電離形成輝光放電的等離子體；②在正負半周的射頻電壓作用下，快速運動的電子離開等離子體轟擊上下電極，使接電源的電極產(chǎn)生一個相對地為負的自偏置直流電壓；第25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月③達到一定的負電荷數(shù)量后電子會被電極排斥，產(chǎn)生一個帶正離子電荷的暗區(qū)（即離子殼層）；④等離子體相對于接地電極產(chǎn)生一個等幅的正電勢電位。電源電極自偏置電壓的大小取決于RF電壓的幅度、頻率和上下電極面積的比值。第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.反應離子刻蝕（ReactiveIonEtch

，RIE）反應器平行板RIE反應器第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕機理反應離子刻蝕屬于物理和化學混合刻蝕①進入真空反應室的刻蝕氣體在射頻電場的作用下分解電離形成等離子體，等離子體由高能電子、反應正離子、自由基、反應原子或原子團組成。②反應室被設計成射頻電場垂直于被刻蝕樣片表面，且射頻電源電極（稱為陰極）的面積小于接地電極（稱為陽極）的面積時，在系統(tǒng)的電源電極上產(chǎn)生一個較大的自偏置電場。第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月③等離子體中的反應正離子在自偏置電場中加速得到能量轟擊樣片表面，這種離子轟擊不僅對樣片表面有一定的濺射作用形成物理刻蝕，而且提高了表面層自由基和反應原子或原子團的化學活性，加速與樣片的化學反應。④由于離子轟擊的方向性，遭受離子轟擊的底面比未遭受離子轟擊的側(cè)面的刻蝕要快得多，達到了很好的各向異性。第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.高密度等離子體反應離子刻蝕傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)不能滿足小于0.25μm高深寬比圖形的刻蝕要求，于是發(fā)展了高密度等離子體RIE系統(tǒng)。高密度等離子體刻蝕系統(tǒng)有電子回旋振蕩RIE系統(tǒng)、電感耦合等離子體RIE系統(tǒng)、磁增強RIE系統(tǒng)等。高密度等離子體的離化率達到10%而傳統(tǒng)最大0.1%第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月反應器第三個電極：ICP（Inductively

Coupled

Plasma）電極優(yōu)點：結構簡單，成本低三極平行板RIE反應器第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月ICP-RIE

刻蝕機ICP部分傳片腔第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月高密度等離子體反應離子刻蝕的特點：

1.等離子體中反應基密度大增加了刻蝕速率

2.系統(tǒng)中引入磁場使反應離子具有高方向性，可獲得高深寬比的槽；

3.系統(tǒng)的自偏壓低，反應離子的能量低，因而減小對Si片表面的轟擊損傷。第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月5.終點檢測終點檢測的常用方法：光發(fā)射譜法第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月光發(fā)射譜法終點檢測機理：在等離子體刻蝕中，反應基團與被刻蝕材料反應的同時，基團被激發(fā)并發(fā)出特定波長的光，利用帶波長過濾器的探測器，探測等離子體中的反應基團發(fā)光強度的變化來檢測刻蝕過程是否結束。第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2干法刻蝕的應用

刻蝕材料的種類：介質(zhì)、硅和金屬三類

ULSI對刻蝕的挑戰(zhàn)

1.大直徑硅片（φ200mm以上）的刻蝕均勻性

2.深亞微米特征尺寸、高深寬比（達到6：1）的成功刻蝕

3.對下層材料的高選擇比（50：1）第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月ULSI對刻蝕的要求

1.對不需要刻蝕的材料（主要是光刻膠和下層材料）的高選擇比

2.可接受產(chǎn)能的刻蝕速率

3.好的側(cè)壁剖面控制

4.好的片內(nèi)均勻性

5.低的器件損傷

6.寬的工藝窗口第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月介質(zhì)的干法刻蝕1.氧化硅的刻蝕工藝目的：刻蝕氧化硅通常是為了制作接觸孔和通孔工藝方法：刻蝕氣體：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3＋Ar＋He）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)，亞0.25微米以下采用ICP－RIE系統(tǒng)工作壓力：≤0.1Torr，亞0.25微米≤10mTorr第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕機理：在RF作用下工藝氣體分解電離：

CHF3＋Ar＋He＋3e→CF3+＋CF3

＋

HF

＋

F

＋Ar+＋He+

CF3是刻蝕SiO2的主要活性基，與SiO2發(fā)生化學反應：

4CF3＋3SiO2→3SiF4↑＋2CO2↑＋2CO↑物理和化學混合刻蝕，物理刻蝕：Ar＋、CF3＋，化學刻蝕：CF3H的作用：以HF的形式除去一些腐蝕Si的活性基（F原子）提高對下層Si的選擇比He的作用：做為稀釋劑改善刻蝕均勻性第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.氮化硅的刻蝕工藝目的:在CMOS工藝中，通常為了形成MOS器件的有源區(qū)和鈍化窗口工藝方法：刻蝕氣體：CF4＋O2＋N2刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)，亞0.25微米以下采用ICP－RIE系統(tǒng)工作壓力：≤0.1Torr，亞0.25微米≤10mTorr第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕機理：在RF作用下工藝氣體分解電離：

CF4＋O2＋N2

＋3e→CF3+＋CF3

＋

F

＋O+＋N+

F是主要活性基與Si3N4發(fā)生化學反應：

12F＋Si3N4→3SiF4↑＋2N2↑物理和化學混合刻蝕，物理刻蝕：CF3＋，化學刻蝕：FO2/N2的作用:稀釋F基的濃度降低對下層SiO2的刻蝕速率第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月硅的干法刻蝕1.多晶硅的刻蝕工藝目的：在CMOS工藝中，形成MOS柵電極，是特征尺寸刻蝕。工藝方法：刻蝕氣體：Cl2＋Ar刻蝕系統(tǒng)：平行板式RIE或ICP-RIE系統(tǒng)工作壓力：小于0.1Torr，亞0.25微米≤10mTorr第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕機理：氣體分解電離：Cl2＋Ar＋2e→Cl+＋

Cl＋Ar+

Cl活性基與Si化學反應：4Cl＋Si→SiCl4↑物理和化學混合刻蝕不用SF6等F基氣體是因為Cl基氣體刻蝕多晶硅對下層的柵氧化層有較高的選擇比刻蝕要求：對0.15微米技術IC的柵氧化硅的選擇比大于150：1，以防止柵氧化層穿通。第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.單晶硅的刻蝕工藝目的：主要形成IC的STI槽和垂直電容槽工藝方法：刻蝕氣體：SF6

＋Ar刻蝕系統(tǒng)：平行板式ICP－RIE系統(tǒng)工作壓力：小于10mTorr刻蝕機理：物理和化學混合刻蝕SF6是刻蝕硅的主氣體

Ar產(chǎn)生物理刻蝕單晶硅刻蝕的SEM照片第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬的干法刻蝕1.Al的刻蝕工藝目的：形成IC的金屬互連工藝方法：刻蝕氣體：Cl2＋BCl3＋CHF3刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)，亞0.25微米以下采用ICP－RIE系統(tǒng)工作壓力：≤0.1Torr，亞0.25微米≤10mTorr

第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月刻蝕機理：物理和化學混合刻蝕

Cl2用于鋁主刻蝕BCl3用于鋁表面的Al2O3的刻蝕CHF3用于刻蝕鋁上層的抗反射膜（TiN）和鋁下層的Ti金屬鋁的刻蝕步驟多，工藝復雜第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.濕法刻蝕第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1濕法刻蝕的原理

濕法刻蝕是將被刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進行腐蝕的技術這是各向同性的刻蝕方法，利用化學反應過程去除待刻蝕區(qū)域的薄膜材料濕法刻蝕，又稱濕化學腐蝕法。半導體制造業(yè)一開始，濕法腐蝕就與硅片制造聯(lián)系在一起?，F(xiàn)在濕法腐蝕大部分被干法刻蝕代替，但在漂去氧化硅、除去殘留物、表層剝離以及大尺寸的圖形腐蝕應用方面起著重要作用。尤其適合將多晶硅、氧化物、氮化物、金屬與Ⅲ－Ⅴ族化合物等作整片的腐蝕。第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2常用材料的濕法刻蝕1.二氧化硅濕法刻蝕采用氫氟酸溶液加以進行。因為二氧化硅可與室溫的氫氟酸溶液進行反應，但卻不會蝕刻硅基材及多晶硅。反應式如下：

SiO2+6HF＝H2[SiF6]+2H2O

由于氫氟酸對二氧化硅的蝕刻速率相當高，在制程上很難控制，因此在實際應用上都是使用稀釋后的氫氟酸溶液，或是添加氟化銨（NH4F）作為緩沖劑的混合液，來進行二氧化硅的蝕刻。第49頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月影響二氧化硅腐蝕速率的因素1.溫度一定，SiO2的腐蝕速率取決于腐蝕液的配比及二氧化硅的摻雜濃度（二氧化硅除了純二氧化硅外，尚有含有雜質(zhì)的二氧化硅如BPSG等）摻磷濃度越高，腐蝕速率越快；摻硼濃度越高，腐蝕速率越慢2.溫度越高，腐蝕速率越快3.攪拌可以加速腐蝕速率4.高溫熱成長的氧化層較以化學氣相沉積方式的氧化層刻蝕速率慢，因其組成結構較為致密。第50頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鋁刻蝕1、鋁或鋁合金的濕式蝕刻主要是利用加熱的磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液加以進行2、典型的比例為80%的磷酸、5%的硝酸（提高腐蝕速率，但是不能太多，否則影響光刻膠的抗蝕能力）、5%的醋酸（提高腐蝕的均勻性）及10%的水。加熱的溫度約在35°C-45°C左右3、溫度越高蝕刻速率越快，一般而言蝕刻速率約為1000-3000?/min，而溶液的組成比例、不同的溫度及蝕刻過程中攪拌與否都會影響到蝕刻的速率。4、在刻蝕AL的過程中有氫氣泡產(chǎn)生，這些氣泡會附著在鋁的表面而局部的抑制刻蝕的進行，造成刻蝕不均勻?？梢酝ㄟ^攪拌和添加催化劑來降低界面張力以避免這種問題的發(fā)生。第51頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月常見濕法刻蝕技術腐蝕液被腐蝕物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01AlNH4(40%):HF(40%)=7