半導(dǎo)體刻蝕精品課件

1、半導(dǎo)體刻蝕第1頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 刻蝕是用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程?？涛g的基本目標(biāo)是在涂膠的硅片上正確的復(fù)制掩膜圖形。有圖形的光刻膠層在刻蝕中不受到腐蝕源顯著的侵蝕。這層掩蔽膜用來在刻蝕中保護(hù)硅片上的特殊區(qū)域而選擇性地刻蝕掉未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域（見圖12.1）。在通常的CMOS工藝流程中刻蝕都是在光刻工藝之后進(jìn)行的。從這一點(diǎn)來說，刻蝕可以看成在硅片上復(fù)制所想要的圖形的最后主要圖形轉(zhuǎn)移工藝步驟。 第2頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第3頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.1 刻蝕

2、工藝12.1.1 刻蝕工藝 在半導(dǎo)體制造中有兩種基本的刻蝕工藝：干法刻蝕和濕法腐蝕。在濕法腐蝕中，液體化學(xué)試劑（如酸、堿和溶劑等）以化學(xué)方式去除硅片表面的材料。第4頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 干法刻蝕是把硅片表面曝露于氣態(tài)中產(chǎn)生的等離子體，等離子體通過光刻膠中開出的窗口，與硅片發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)（或這兩種反應(yīng)），從而去掉曝露的表面材料。 干法刻蝕根據(jù)被刻蝕的材料類型來分類。按材料來分，刻蝕主要分成三種：金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕。第5頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 1. 介質(zhì)刻蝕是用于介質(zhì)材料的刻蝕，如二氧化硅。 2. 硅刻蝕（包括多晶硅

3、）應(yīng)用于需要去除硅的場合，如刻蝕多晶硅晶體管柵和硅槽電容。 3. 金屬刻蝕主要是在金屬層上去掉鋁合金復(fù)合層，制作出互連線。第6頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 刻蝕可以分成有圖形刻蝕和無圖形刻蝕。有圖形的刻蝕采用掩蔽層（有圖形的光刻膠）來定義要刻蝕掉的表面材料區(qū)域，只有硅片上被選擇的這一部分在刻蝕過程中刻掉。 第7頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.1.2 刻蝕參數(shù) 為了復(fù)制硅片表面材料上的掩膜圖形，刻蝕必須滿足一些特殊的要求。一刻蝕速率 刻蝕速率是指在刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度（見圖12.2），通常用/min表示?？涛g速率用下式來計(jì)算：

4、 刻蝕速率 = T/t （/min） 其中，T =去掉的材料厚度（或m），t =刻蝕所用的時(shí)間（分）。第8頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第9頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二二刻蝕剖面 刻蝕剖面指的是刻蝕圖形的側(cè)壁形狀。有兩種基本的刻蝕剖面：各向同性和各向異性刻蝕剖面。各向同性的刻蝕剖面是在所有方向上（橫向和垂直方向）以相同的刻蝕速率進(jìn)行刻蝕，導(dǎo)致被刻蝕材料在掩膜下面產(chǎn)生鉆蝕（見圖12.3）而形成的，這帶來不希望的線寬損失。濕法化學(xué)腐蝕本質(zhì)上是各向同性的，因而濕法腐蝕不用于亞微米器件中的選擇性圖形刻蝕。一些干法等離子體系統(tǒng)也能進(jìn)行各向同性刻蝕第1

5、0頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第11頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 對于亞微米尺寸的圖形來說，希望刻蝕剖面是各向異性的，即刻蝕只在垂直于硅片表面的方向進(jìn)行（見圖12.4），只有很少的橫向刻蝕。這種垂直的側(cè)壁使得在芯片上可制作高密度的刻蝕圖形。各向異性刻蝕對于小線寬圖形亞微米器件的制作來說非常關(guān)鍵。先進(jìn)集成電路應(yīng)用上通常需要88到89垂直度的側(cè)壁。各向異性刻蝕大部分是通過干法等離子體刻蝕來實(shí)現(xiàn)的。 第12頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第13頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第14頁，共71頁，2

6、022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二三刻蝕偏差 刻蝕偏差是指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸間距的變化（見圖12.5）。它通常是由于橫向鉆蝕引起的（見圖12.6），但也能由刻蝕剖面引起。當(dāng)刻蝕中要去除掩膜下過量的材料時(shí)，會(huì)引起被刻蝕材料的上表面向光刻膠邊緣凹進(jìn)去，這樣就會(huì)產(chǎn)生橫向鉆蝕。第15頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第16頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第17頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 計(jì)算刻蝕偏差的公式如下： 刻蝕偏差 = Wb Wa 其中，Wb =刻蝕前光刻膠的線寬， Wa =光刻膠去掉后被刻蝕材料的線寬。第18

7、頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二四選擇比 選擇比指的是在同一刻蝕條件下一種材料與另一種材料相比刻蝕速率快多少。它定義為被刻蝕材料的刻蝕速率與另一種材料的刻蝕速率的比（見圖12.7）。高選擇比意味著只刻除想要刻去的那一層材料。第19頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第20頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 對于被刻蝕材料和掩蔽層材料的選擇比SR可以通過下式計(jì)算： SR = Ef / Er 其中，Ef =被刻蝕材料的刻蝕速率， Er =掩蔽層材料的刻蝕速率。第21頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二五均勻性 刻

8、蝕均勻性是一種衡量刻蝕工藝在整個(gè)硅片上，或整個(gè)一批，或批與批之間刻蝕能力的參數(shù)。均勻性與選擇比有密切的關(guān)系，因?yàn)榉蔷鶆蛐钥涛g會(huì)產(chǎn)生額外的過刻蝕。保持硅片的均勻性是保證制造性能一致的關(guān)鍵。具有高深寬比硅槽的刻蝕速率要比具有低深寬比硅槽的刻蝕速率慢。這一現(xiàn)象被稱為深寬比相關(guān)刻蝕（ARDE），也被稱為微負(fù)載效應(yīng)。為了提高均勻性，必須把硅片表面的ARDE效應(yīng)減至最小。 第22頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二六殘留物 刻蝕殘留物是刻蝕以后留在硅片表面不想要的材料。它常常覆蓋在腔體內(nèi)壁或被刻蝕圖形的底部。它的產(chǎn)生有多種原因，例如被刻蝕膜層中的污染物、選擇了不合適的化學(xué)刻蝕劑（如刻蝕

9、太快）、腔體中的污染物、膜層中不均勻的雜質(zhì)分布?？涛g殘留物是IC制造過程中的硅片污染源，為了去除刻蝕殘留物，有時(shí)在刻蝕完成后會(huì)進(jìn)行過刻蝕?？涛g殘留物可以在去除光刻膠的過程中或用濕法化學(xué)腐蝕去掉。第23頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二七聚合物 聚合物的形成有時(shí)是有意的，是為了在刻蝕圖形的側(cè)壁上形成抗腐蝕膜從而防止橫向刻蝕（見圖12.8），這樣做能形成高的各向異性圖形，因?yàn)榫酆衔锬茏钃鯇?cè)壁的刻蝕，增強(qiáng)刻蝕的方向性，從而實(shí)現(xiàn)對圖形關(guān)鍵尺寸的良好控制。能否形成側(cè)壁聚合物取決于所使用的刻蝕氣體類型。第24頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第25頁，共71頁

10、，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二八等離子體誘導(dǎo)損傷 包含帶能離子、電子和激發(fā)分子的等離子體可引起對硅片上的敏感器件引起等離子體誘導(dǎo)損傷。一種主要的損傷是非均勻等離子體在晶體管柵電極產(chǎn)生陷阱電荷，引起薄柵氧化硅的擊穿。差的設(shè)備或在優(yōu)化的工藝窗口之外進(jìn)行刻蝕工藝會(huì)使等離子體變得不均勻。另一種器件損傷是能量離子對曝露的柵氧化層的轟擊。等離子體損傷有時(shí)可以通過退火或濕法化學(xué)腐蝕消除。第26頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二九顆粒沾污 等離子體帶來的硅片損傷有時(shí)也由硅片表面附近的等離子體產(chǎn)生的顆粒沾污而引起。研究表明，由于電勢的差異，顆粒產(chǎn)生在等離子體和殼層的界面處。當(dāng)

11、沒有了等離子體時(shí)，這些顆粒就會(huì)掉到硅片表面。顆粒沾污的控制可通過優(yōu)化刻蝕設(shè)備，合適的操作和關(guān)機(jī)，對被刻蝕的膜層選用合適的化學(xué)氣體來達(dá)到。第27頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.2 干法刻蝕 在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，干法刻蝕是最主要的用來去除表面材料的刻蝕方法。干法刻蝕的主要目的是完整的把掩膜圖形復(fù)制到硅片表面上。硅片的等離子體刻蝕過程見圖12.9。 第28頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第29頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 干法刻蝕相比與濕法腐蝕的優(yōu)點(diǎn)是： 1. 刻蝕剖面是各向異性，具有非常好的側(cè)壁剖面控制； 2. 好的特征

12、尺寸（CD）控制； 3. 最小的光刻膠脫落或粘附問題； 4. 好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性； 5. 較低的化學(xué)制品使用和處理費(fèi)用第30頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 使用干法刻蝕也有一些缺點(diǎn)。主要的缺點(diǎn)是對下層材料的差的刻蝕選擇比、等離子體帶來的器件損傷和昂貴的設(shè)備。第31頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.2.1 刻蝕作用 干法刻蝕系統(tǒng)中，刻蝕作用是通過化學(xué)作用或物理作用，或者是化學(xué)和物理的共同作用來實(shí)現(xiàn)的。在純化學(xué)機(jī)理中，等離子體產(chǎn)生的反應(yīng)元素與硅片表面的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng). 為了獲得物理機(jī)理的刻蝕，等離子體產(chǎn)生的帶能離子（轟擊的正離子）

13、在強(qiáng)電場下朝硅片表面加速，這些離子通過濺射刻蝕作用去除未被保護(hù)的硅片第32頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二表面材料。這種機(jī)械刻蝕的好處在于它很強(qiáng)的刻蝕方向性，從而可以獲得高的各向異性刻蝕剖面，以達(dá)到好的線寬控制目的。這種濺射刻蝕速率高，然而選擇比差。另一個(gè)問題是被濺射作用去除的元素是非揮發(fā)性的，可能會(huì)重新淀積到硅片表面，帶來顆粒和化學(xué)污染。第33頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 還有一種是物理和化學(xué)混合作用機(jī)理，其中離子轟擊改善化學(xué)刻蝕作用。刻蝕剖面可以通過調(diào)節(jié)等離子體條件和氣體組分從各向同性向各向異性改變。這種物理和化學(xué)混合作用機(jī)理刻蝕能獲得好

14、的線寬控制并有不錯(cuò)的選擇比，因而在大多數(shù)干法刻蝕工藝中被采用。表12.2總結(jié)了化學(xué)作用、物理作用和化學(xué)/物理結(jié)合作用刻蝕中的不同刻蝕參數(shù)。第34頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第35頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.2.2 等離子體刻蝕反應(yīng)器 一個(gè)等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的基本部件包括：發(fā)生刻蝕反應(yīng)的反應(yīng)腔、一個(gè)產(chǎn)生等離子體的射頻電源、氣體流量控制系統(tǒng)、去除刻蝕生成物和氣體的真空系統(tǒng)?？涛g系統(tǒng)包括傳感器、氣體流量控制單元和終點(diǎn)觸發(fā)探測器。第36頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 在干法等離子體刻蝕中不同的控制參數(shù)有：真空度、

15、氣體混合組份、氣流流速、溫度、射頻功率和硅片相對于等離子體的位置。這些不同的參數(shù)之間的互作用是干法刻蝕工藝控制器的功能。第37頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 干法等離子體反應(yīng)器有下面不同的類型： 一圓筒式等離子體刻式機(jī) (圖12.10） 化學(xué)刻蝕，各向同性。 二平板（平面）反應(yīng)器 (圖12.11) 物理和化學(xué)刻蝕，各向異性和各向同性。 三順流刻式系統(tǒng) (圖12.12) 化學(xué)刻蝕，各向同性。第38頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 四三極平面反應(yīng)器(圖12.13） 物理刻蝕，各向異性。 五離子銑 (圖12.14) 物理和化學(xué)刻蝕，各向異性。 六反應(yīng)

16、離子刻蝕 (圖12.15) 物理刻蝕，各向異性。 七高密度等離子體刻蝕機(jī) 物理刻蝕，各向異性。第39頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第40頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第41頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第42頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第43頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第44頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第45頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 高密度等離子體刻蝕機(jī)中等離子體通常處于磁場中。在等離子體刻蝕中采用磁場

17、的理由是： 1）產(chǎn)生的等離子體能更有效地獲得進(jìn)入高深寬比窗口的高方向性低能離子以及較少的硅片損傷； 2）等離子體密度較大，有更多的反應(yīng)基和帶電粒子以增大刻蝕速率； 3）能減小硅片上的直流偏置電壓，從而可減少粒子轟擊（或損傷）。 第46頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二目前有以下幾種高密度等離子體技術(shù)： 電子回旋加速振蕩（ECR） 電感耦合等離子體（ICP） 雙等離子體源（DPS） 磁增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕（MERIE）第47頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.2.3 終點(diǎn)檢測 干法刻蝕不同于濕法腐蝕之處在于它對下面的材料沒有好的選擇比?；诖嗽?，需要

18、終點(diǎn)檢測來監(jiān)測刻蝕工藝并停止刻蝕以減小對下面材料的過渡刻蝕。終點(diǎn)檢測系統(tǒng)測量一些不同的參數(shù)，如刻蝕速率的變化、在刻蝕中被去除的腐蝕產(chǎn)物的類型或在氣體放電中活性反應(yīng)劑的變化（見圖12.16）。用于終點(diǎn)檢測的一種方法是光發(fā)射譜。這一測量方法集成在刻蝕腔體中以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測第48頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第49頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二12.2.4 干法刻蝕的應(yīng)用 一個(gè)成功的干法刻蝕要求： 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獲得可接受的產(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

19、； 6. 寬的工藝制造窗口。第50頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二一介質(zhì)的干法刻蝕 1氧化物 刻蝕氧化物通常是為了制作接觸孔和通孔。氧化物等離子體刻蝕工藝通常采用氟碳化合物化學(xué)氣體。加入緩沖氣體用于稀釋刻蝕氣體的濃度可以增加刻蝕的均勻性。第51頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二2氮化硅 在硅片制造過程中用到兩種基本的氮化硅。一種是在700800下用LPCVD淀積的，另一種是在低于350下用PECVD淀積的。后一種氮化硅膜的刻蝕速率較快?？涛g氮化硅常用的主要?dú)怏w是CF4。第52頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二二硅的干法刻蝕 1

20、多晶硅柵刻蝕 在MOS器件中，摻雜的LPCVD多晶硅是用作柵極的導(dǎo)電材料。摻雜多晶硅線寬決定了有源器件的柵長，并會(huì)影響晶體管的性能（見圖12.17）。多晶硅柵的刻蝕工藝必須對下層?xùn)叛趸瘜佑懈叩倪x擇比并具有非常好的均勻性和重復(fù)性。同時(shí)也要求高度的各向異性，因?yàn)槎嗑Ч钖旁谠?漏的注入過程中起阻擋層的作用。傾斜的側(cè)壁會(huì)引起多晶硅柵結(jié)構(gòu)下面部分的摻雜第53頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二第54頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 刻蝕多晶硅（或硅）通常是一個(gè)三步工藝過程： 1）預(yù)刻蝕，用于去除自然氧化層、硬的掩蔽層和表面污染物來獲得均勻的刻蝕； 2）接下來是

21、刻至終點(diǎn)的主刻蝕。這一步用來刻蝕掉大部分的多晶硅膜，并不損傷柵氧化層和獲得理想的各向異性的側(cè)壁剖面；第55頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 3）最后是過刻蝕，用于去除刻蝕殘留物和剩余多晶硅，并保證對柵氧化層的高選擇比。 多晶硅刻蝕氣體傳統(tǒng)上是氟基氣體，在刻蝕硅的過程中氟原子起作用。采用氯或溴化學(xué)氣體可以產(chǎn)生各向異性刻蝕和對氧化硅有好的選擇比。 第56頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二2單晶硅的刻蝕 單晶硅刻蝕主要用于制作溝槽，如器件隔離溝槽或垂直電容的制作。硅槽的刻蝕要求對每一個(gè)溝槽都進(jìn)行精確的控制，要求有一致的光潔度、接近的垂直側(cè)壁、正確的深度和

22、圓滑的溝槽頂角和底角，因此需采用多步工藝，并對最后一步進(jìn)行優(yōu)化。淺槽的刻蝕氣體多用氟氣，深槽常使用氯基或溴基氣體。第57頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二三金屬的干法刻蝕 金屬刻蝕的要求主要有以下幾點(diǎn)： 1）高刻蝕速率（大于1000nm/min）； 2）對下面層的高選擇比，對掩蔽層（大于4:1）和層間介質(zhì)層（大于20:1）； 3）高的均勻性，且CD控制很好，沒有微負(fù)載效應(yīng)；第58頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 4）沒有等離子誘導(dǎo)充電帶來的器件損傷； 5）殘留物污染少； 6）快速去膠； 7）不會(huì)腐蝕金屬。第59頁，共71頁，2022年，5月20日，

23、1點(diǎn)40分，星期二 1鋁和金屬復(fù)合層 通常用氯基氣體來刻蝕鋁。純氯刻蝕鋁是各向同性的。為了獲得各向異性的刻蝕工藝，必須在刻蝕氣體中加入聚合物來對側(cè)壁進(jìn)行鈍化。第60頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二 在互連線金屬刻蝕中的一個(gè)難點(diǎn)是VLSI / ULSI技術(shù)中常用的多層金屬復(fù)合膜的復(fù)雜性，在復(fù)合膜中常常有抗反射的TiN或其他材料層和下面的粘附阻擋層，這些都增加了刻蝕工藝的復(fù)雜性?？梢圆捎枚嗖娇涛g工藝技術(shù)刻蝕這種金屬復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。第61頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二2鎢 鎢是在多層金屬結(jié)構(gòu)中常用的一種用于通孔填充的重要金屬?？梢杂梅蚵然鶜怏w來刻蝕鎢。第62頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二3接觸金屬刻蝕 在MOS器件制造中，接觸金屬的刻蝕是很關(guān)鍵的，因?yàn)槌叽绲目刂茣?huì)影響到器件的溝道長度。接觸金屬等離子體刻蝕可以采用氟基或氯基氣體。第63頁，共71頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)40分，星期二四. 去除光刻膠 刻蝕以后的步驟之一是去除光刻膠，光刻膠用來作為從光刻掩膜版到硅片表面的圖形轉(zhuǎn)移媒介以及被刻蝕區(qū)域或被離子注入?yún)^(qū)域的阻擋層。一旦刻蝕或注入完成，光刻膠在硅片表面就不再有用，必須完全去除。另