(第六章)刻蝕解讀課件

第六章刻蝕第六章刻蝕16.1引言刻蝕的概念:用化學或物理的方法有選擇地去除硅片表面層材料的工藝過程稱為刻蝕?？涛g示意圖：PhotoresistmaskFilmtobeetched(a)Photoresist-patternedsubstrate(b)SubstrateafteretchPhotoresistmaskProtectedfilm6.1引言刻蝕的概念:PhotoresistFilm2刻蝕的工藝目的:把光刻膠圖形精確地轉移到硅片上，最后達到復制掩膜版圖形的目的。它是在硅片上復制圖形的最后主要圖形轉移工藝?？涛g工藝分類：干法刻蝕和濕法刻蝕干法刻蝕：把要刻蝕的硅片放在具有反應氣體的等離子體真空腔中去除表面層材料的工藝過程。亞微米濕法刻蝕：把要腐蝕的硅片放在化學腐蝕液里去除表面層材料的工藝過程。大于3微米按被刻蝕的材料分：金屬刻蝕、介質刻蝕、硅刻蝕有圖形刻蝕和無圖形刻蝕6.1引言刻蝕的工藝目的:6.1引言36.2刻蝕參數(shù)為了復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，包括以下幾個刻蝕參數(shù)。

刻蝕參數(shù)

1.刻蝕速率2.刻蝕剖面3.刻蝕偏差4.選擇比5.均勻性6.殘留物7.聚合物8.等離子體誘導損傷9.顆粒沾污和缺陷6.2刻蝕參數(shù)為了復制硅片表面材料上的掩膜圖形，刻蝕必須41.刻蝕速率刻蝕速率是指刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度。刻蝕速率＝ΔT/t（?/min)其中，ΔT=去掉的材料厚度（?或μm）

t=刻蝕所用時間（min）TStartofetchEndofetcht=elapsedtimeduringetchT=changeinthickness光刻膠被刻蝕材料1.刻蝕速率TStartofetchEndofe52.刻蝕剖面刻蝕剖面是指被刻蝕圖形的側壁形狀兩種基本的刻蝕剖面:各向同性和各向異性刻蝕剖面Isotropicetch-etchesinalldirectionsatthesamerateSubstrateFilmResistAnisotropicetch-etchesinonlyonedirectionResistSubstrateFilm具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕濕法各向同性化學腐蝕2.刻蝕剖面Isotropicetch-etches6濕法刻蝕和干法刻蝕的側壁剖面濕法刻蝕是各向同性腐蝕，不能實現(xiàn)圖形的精確轉移，一般用于特征尺寸較大的情況（≥3μｍ）。干法刻蝕有各向同性腐蝕，也有各向異性腐蝕。各向異性腐蝕能實現(xiàn)圖形的精確轉移，是集成電路刻蝕工藝的主流技術。濕法刻蝕和干法刻蝕的側壁剖面濕法刻蝕是各向同性腐蝕，不能實73.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(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)3.刻蝕偏差(a)BiasResistFilmSubstr84.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:意味著只刻除想要刻去的膜層材料，而對其下層材料和光刻膠不刻蝕。SiO2對光刻膠的選擇比＝（ΔTsio2/t1）/（ΔT膠/t1）＝ΔTsio2/ΔT膠

（a）0時刻（b）t1時刻4.選擇比（a）0時刻9(第六章)刻蝕解讀課件105.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。ARDE效應-微負載效應：AspectRatioDependenceEtchingEmax：最大刻蝕速率Emin：最小刻蝕速率Eave：平均刻蝕速率微負載效應5.均勻性Emax：最大刻蝕速率Emin：最小刻蝕速率Ea116.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。殘留物的去除：濕法去膠時去除7.聚合物

聚合物的形成有時是有意的，是為了在刻蝕圖形的側壁上形成抗腐蝕膜從而防止橫向刻蝕，這樣能形成高的各向異性圖形，增強刻蝕的方向性，從而實現(xiàn)對圖形關鍵尺寸的良好控制。6.殘留物12聚合物（Polymer）的形成聚合物（Polymer）的形成13聚合物是在刻蝕過程中由光刻膠中的碳并與刻蝕氣體和刻蝕生成物結合在一起而形成的；能否形成側壁聚合物取決于所使用的刻蝕氣體類型。聚合物的缺點：聚合物在刻蝕結束后難以去除；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。聚合物是在刻蝕過程中由光刻膠中的碳并與刻蝕氣體和刻蝕生成物結148.

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。9.

顆粒沾污

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。8.等離子體誘導損傷15列舉刻蝕的9個重要參數(shù)？思考：殘留物和顆粒沾污的區(qū)別？列舉刻蝕的9個重要參數(shù)？166.3干法刻蝕

干法刻蝕的優(yōu)點（與濕法腐蝕比）1.刻蝕剖面各向異性，非常好的側壁剖面控制2.好的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.化學品使用費用低6.3干法刻蝕干法刻蝕的優(yōu)點（與濕法腐蝕比）17

干法刻蝕的缺點（與濕法腐蝕比）1.對下層材料的刻蝕選擇比較差2.等離子體誘導損傷3.設備昂貴干法刻蝕的缺點（與濕法腐蝕比）18

干法刻蝕過程1.刻蝕氣體進入反應腔2.RF電場使反應氣體分解電離3.高能電子、離子、原子、自由基等結合產(chǎn)生等離子體4.反應正離子轟擊表面－各向異性刻蝕（物理刻蝕）5.反應正離子吸附表面6.反應元素（自由基和反應原子團）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)物去除干法刻蝕過程19干法刻蝕過程硅片的等離子體刻蝕過程圖干法刻蝕過程硅片的等離子體刻蝕過程圖20刻蝕作用刻蝕作用21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；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。等離子體的電勢分布22等離子體的電勢分布等離子體的電位相對于接地電極來說是正的，等離子體區(qū)域中的電勢在系統(tǒng)中最大刻蝕機輝光放電區(qū)域原理圖和電勢分布圖等離子體的電勢分布等離子體的電位相對于接地電極來說是正的，等23改變等離子體刻蝕參數(shù)的影響改變等離子體刻蝕參數(shù)的影響246.4干法刻蝕系統(tǒng)及其刻蝕機理等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的基本部件包括：發(fā)生刻蝕反應的反應腔、一個產(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)。干法等離子體反應器的類型：圓桶式等離子體反應器；順流刻蝕系統(tǒng)(化學作用)離子銑(物理作用)平板反應器；三級平面反應器；反應離子刻蝕（RIE)；高密度等離子體刻蝕機(物理+化學作用)6.4干法刻蝕系統(tǒng)及其刻蝕機理等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的基本251.圓桶式等離子體刻蝕機圓桶式反應器結構，刻蝕系統(tǒng)的射頻電場平行與硅片表面，不存在反應離子轟擊，只有化學作用。用于氧等離子體的去膠工藝。典型圓桶式反應器結構1.圓桶式等離子體刻蝕機典型圓桶式反應器結構26圓桶式等離子體刻蝕機理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自由基和反應原子或原子團的化學性質非?；顫姡鼈儤嫵闪说入x子體的反應元素，自由基、反應原子或原子團與被刻蝕的材料進行化學反應形成了等離子體刻蝕。等離子體刻蝕屬于化學刻蝕，各向同性。圓桶式等離子體刻蝕機理272.反應離子刻蝕（RIE）系統(tǒng)

RIE（ReactiveIonEtch）物理刻蝕+化學刻蝕2.反應離子刻蝕（RIE）系統(tǒng)28反應離子刻蝕（RIE）機理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。反應離子刻蝕（RIE）機理29③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面的刻蝕要快得多，達到了很好的各向異性。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303.高密度等離子體刻蝕在先進的集成電路制造技術中，傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)不能滿足0.25微米以下尺寸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)有電子回旋加速振蕩ECR系統(tǒng)、電感耦合等離子體（ICP）RIE系統(tǒng)、磁增強RIE系統(tǒng)等。3.高密度等離子體刻蝕313.高密度等離子體刻蝕ICP－RIE系統(tǒng)3.高密度等離子體刻蝕ICP－RIE系統(tǒng)32ICP－RIE系統(tǒng)具有結構簡單成本低被廣泛采用高密度等離子是指在相同的工作壓力下，等離子體中反應基（自由基、反應原子或原子團）的密度比傳統(tǒng)等離子中高。ICP－RIE系統(tǒng)具有結構簡單成本低被廣泛采用33ICP－RIE設備生產(chǎn)廠家：美國TRION公司型號：MNL/DⅢICP－RIE設備34ICP－RIE設備ICP－RIE設備35ICP－RIE設備ICP－RIE設備36高密度等離子體刻蝕的特點：

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。高密度等離子體刻蝕的特點：374.終點檢測

終點檢測的常用方法：光發(fā)射譜法4.終點檢測38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。在等離子刻蝕中被激發(fā)的基團的特征波長光發(fā)射譜法終點檢測機理在等離子刻蝕中被激發(fā)的基團的特征波長39■等離子體干法刻蝕機理及刻蝕參數(shù)對比刻蝕參數(shù)物理刻蝕

RF場垂直片面化學刻蝕RF場平行片面物理和化學刻蝕RF場垂直片面刻蝕機理物理離子濺射活性元素化學反應離子濺射和活性元素化學反應側壁剖面各向異性各向同性各向異性選擇比低/難提高（1：1）很高（500：1）高（5：1～100：1）刻蝕速率高慢適中線寬控制好非常差很好■等離子體干法刻蝕機理及刻蝕參數(shù)對比刻蝕參數(shù)物理刻406.5干法刻蝕的應用刻蝕材料的種類：介質、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.深亞微米關鍵尺寸、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）6.5干法刻蝕的應用刻蝕材料的種類：介質、硅和金屬三類41

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ULSI對刻蝕的要求42工藝優(yōu)化設備參數(shù):設備設計電源電源頻率壓力溫度氣流速率真空狀況工藝菜單其它相關因素:凈化間規(guī)范操作過程維護過程預防維護計劃工藝參數(shù):等離子體—表面相互作用: -表面材料 -復合金屬的不同層 -表面溫度 -表面電荷 -表面形貌化學和物理要求時間質量指標:刻蝕速率選擇比均勻性特性曲線關鍵尺寸殘留物Plasma-etchingawafer工藝優(yōu)化設備參數(shù):工藝參數(shù):Plasma-etching43介質的干法刻蝕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刻蝕工藝

1）刻蝕氣體：兩種（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3＋Ar＋He）2）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，物理濺射離子：Ar＋、CF3＋等，CF3是刻蝕SiO2的主要活性基，加入H2后以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為稀釋劑改善刻蝕均勻性。介質的干法刻蝕44

刻蝕SiO2的反應式：在RF作用下工藝氣體分解電離：CHF3＋Ar＋He＋3e→CF3+＋CF3＋

HF

＋

F

＋Ar+＋He+

CF3活性基與SiO2發(fā)生化學反應：4CF3＋3SiO2→3SiF4↑＋2CO2↑＋2CO↑3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)，亞微米以下采用ICP－RIE系統(tǒng)4）工作壓力：小于0.1Torr5）關鍵問題：注意刻蝕接觸孔對下層Si、氮化硅、抗反射涂層的高選擇比，刻蝕通孔對TiN、W、Al的高選擇比刻蝕SiO2的反應式：452.氮化硅的刻蝕

1）刻蝕氣體：CF4＋O2＋N22）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，O2＋N2的作用是稀釋F基的濃度降低對下層SiO2的刻蝕速率刻蝕Si3N4的反應式：在RF作用下工藝氣體分解電離：CF4＋O2＋N2＋3e→CF3+＋CF3＋

F

＋O+＋N+

F活性基與Si3N4發(fā)生化學反應：12F＋Si3N4→3SiF4↑＋2N2↑2.氮化硅的刻蝕462.氮化硅的刻蝕

3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)4）工作壓力：小于0.1Torr5）刻蝕速率：120nm/min6）對SiO2的選擇比：高達20：1

2.氮化硅的刻蝕47硅的干法刻蝕1.多晶硅的刻蝕工藝目的：形成IC中的MOS柵電極，是關鍵尺寸的刻蝕刻蝕工藝：三個刻蝕步驟：

預刻蝕：去除自然氧化層和氮氧化硅

主刻蝕：刻至終點

過刻蝕：去除刻蝕殘留物和剩余多晶硅1）刻蝕氣體：兩種（Cl2＋Ar）或（HBr＋Ar）2）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，不用SF6等F基氣體

硅的干法刻蝕48

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，而F基氣體的選擇比低?？涛g多晶硅的反應式：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↑3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)4）工作壓力：小于0.1Torr5）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。因為Cl基氣體刻蝕多晶硅對下層的柵氧化層有較高的492.單晶硅的刻蝕工藝目的：主要形成IC的STI槽和垂直電容槽刻蝕工藝：

1）刻蝕氣體：SF6＋He＋Ar2）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，SF6是刻蝕硅的主氣體，Ar產(chǎn)生物理濺射刻蝕，He對樣片下電極進行背冷卻。3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式ICP－RIE系統(tǒng)，高密度等離子體系統(tǒng)4）工作壓力：小于1.0Torr2.單晶硅的刻蝕50單晶硅刻蝕的SEM照片單晶硅刻蝕的SEM照片51

金屬的干法刻蝕1.Al的刻蝕

1）刻蝕氣體：Cl2＋BCl3＋CHF32）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，BCl3主要用于刻蝕鋁表面的Al2O3，CHF3主要用于刻蝕鋁上層的抗反射膜（TiN）和鋁下層的Ti，Cl2用于主鋁的刻蝕，因此金屬鋁的刻蝕要分6～7步進行，每步通入的工藝氣體種類、流量都不一樣，工藝非常復雜。

金屬的干法刻蝕52

3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)4）工作壓力：小于0.1Torr5）關鍵問題：在刻蝕鋁后，在硅片表面殘留了生成物AlCl3，此生成物遇到水會生成HCl腐蝕Al，因此要嚴格控制系統(tǒng)的水汽，硅片要及時處理去除AlCl3。3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)532.鎢的刻蝕工藝目的：填充通孔的鎢塞沉積層的反刻先進的CMP陸續(xù)取代該工藝反刻工藝：

1）刻蝕氣體：（Cl2＋N2＋O2）2）刻蝕機理：物理和化學刻蝕

3）第一步以高速率均勻地刻蝕掉多余的鎢覆蓋層90％，第二步低刻蝕速率刻蝕對TiN有高的選擇比2.鎢的刻蝕54反刻工藝形成的鎢塞結構反刻工藝形成的鎢塞結構55鎢塞結構鎢塞結構566.6濕法腐蝕濕法去膠

1.H2SO4：H2O2＝1：1，120℃2.發(fā)煙硝酸浸泡漂洗硅片

HF：H2O＝50：1漂洗SiO2煮去LOCOS的Si3N4濃磷酸160

℃6.6濕法腐蝕濕法去膠57本章習題書中第16章：9、12、24、46本章習題書中第16章：58本章作業(yè)書中第16章：1、5、30本章作業(yè)書中第16章：59課堂練習：在RIE干法刻蝕系統(tǒng)中，用CF4刻蝕SiO2，已知SiO2的總厚度為200nm，刻蝕條件不變，圖1是刻蝕4min后的剖面圖、刻蝕掉SiO2的厚度為100nm，圖2是刻蝕10min后的剖面圖，已產(chǎn)生了過刻蝕，刻蝕掉硅的厚度為10nm，試計算SiO2的刻蝕速率、Si的刻蝕速率以及刻蝕SiO2對Si的選擇比。課堂練習：60第六章刻蝕第六章刻蝕616.1引言刻蝕的概念:用化學或物理的方法有選擇地去除硅片表面層材料的工藝過程稱為刻蝕?？涛g示意圖：PhotoresistmaskFilmtobeetched(a)Photoresist-patternedsubstrate(b)SubstrateafteretchPhotoresistmaskProtectedfilm6.1引言刻蝕的概念:PhotoresistFilm62刻蝕的工藝目的:把光刻膠圖形精確地轉移到硅片上，最后達到復制掩膜版圖形的目的。它是在硅片上復制圖形的最后主要圖形轉移工藝?？涛g工藝分類：干法刻蝕和濕法刻蝕干法刻蝕：把要刻蝕的硅片放在具有反應氣體的等離子體真空腔中去除表面層材料的工藝過程。亞微米濕法刻蝕：把要腐蝕的硅片放在化學腐蝕液里去除表面層材料的工藝過程。大于3微米按被刻蝕的材料分：金屬刻蝕、介質刻蝕、硅刻蝕有圖形刻蝕和無圖形刻蝕6.1引言刻蝕的工藝目的:6.1引言636.2刻蝕參數(shù)為了復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，包括以下幾個刻蝕參數(shù)。

刻蝕參數(shù)

1.刻蝕速率2.刻蝕剖面3.刻蝕偏差4.選擇比5.均勻性6.殘留物7.聚合物8.等離子體誘導損傷9.顆粒沾污和缺陷6.2刻蝕參數(shù)為了復制硅片表面材料上的掩膜圖形，刻蝕必須641.刻蝕速率刻蝕速率是指刻蝕過程中去除硅片表面材料的速度。刻蝕速率＝ΔT/t（?/min)其中，ΔT=去掉的材料厚度（?或μm）

t=刻蝕所用時間（min）TStartofetchEndofetcht=elapsedtimeduringetchT=changeinthickness光刻膠被刻蝕材料1.刻蝕速率TStartofetchEndofe652.刻蝕剖面刻蝕剖面是指被刻蝕圖形的側壁形狀兩種基本的刻蝕剖面:各向同性和各向異性刻蝕剖面Isotropicetch-etchesinalldirectionsatthesamerateSubstrateFilmResistAnisotropicetch-etchesinonlyonedirectionResistSubstrateFilm具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕濕法各向同性化學腐蝕2.刻蝕剖面Isotropicetch-etches66濕法刻蝕和干法刻蝕的側壁剖面濕法刻蝕是各向同性腐蝕，不能實現(xiàn)圖形的精確轉移，一般用于特征尺寸較大的情況（≥3μｍ）。干法刻蝕有各向同性腐蝕，也有各向異性腐蝕。各向異性腐蝕能實現(xiàn)圖形的精確轉移，是集成電路刻蝕工藝的主流技術。濕法刻蝕和干法刻蝕的側壁剖面濕法刻蝕是各向同性腐蝕，不能實673.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(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)3.刻蝕偏差(a)BiasResistFilmSubstr684.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:意味著只刻除想要刻去的膜層材料，而對其下層材料和光刻膠不刻蝕。SiO2對光刻膠的選擇比＝（ΔTsio2/t1）/（ΔT膠/t1）＝ΔTsio2/ΔT膠

（a）0時刻（b）t1時刻4.選擇比（a）0時刻69(第六章)刻蝕解讀課件705.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。ARDE效應-微負載效應：AspectRatioDependenceEtchingEmax：最大刻蝕速率Emin：最小刻蝕速率Eave：平均刻蝕速率微負載效應5.均勻性Emax：最大刻蝕速率Emin：最小刻蝕速率Ea716.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。殘留物的去除：濕法去膠時去除7.聚合物

聚合物的形成有時是有意的，是為了在刻蝕圖形的側壁上形成抗腐蝕膜從而防止橫向刻蝕，這樣能形成高的各向異性圖形，增強刻蝕的方向性，從而實現(xiàn)對圖形關鍵尺寸的良好控制。6.殘留物72聚合物（Polymer）的形成聚合物（Polymer）的形成73聚合物是在刻蝕過程中由光刻膠中的碳并與刻蝕氣體和刻蝕生成物結合在一起而形成的；能否形成側壁聚合物取決于所使用的刻蝕氣體類型。聚合物的缺點：聚合物在刻蝕結束后難以去除；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。聚合物是在刻蝕過程中由光刻膠中的碳并與刻蝕氣體和刻蝕生成物結748.

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。9.

顆粒沾污

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。8.等離子體誘導損傷75列舉刻蝕的9個重要參數(shù)？思考：殘留物和顆粒沾污的區(qū)別？列舉刻蝕的9個重要參數(shù)？766.3干法刻蝕

干法刻蝕的優(yōu)點（與濕法腐蝕比）1.刻蝕剖面各向異性，非常好的側壁剖面控制2.好的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.化學品使用費用低6.3干法刻蝕干法刻蝕的優(yōu)點（與濕法腐蝕比）77

干法刻蝕的缺點（與濕法腐蝕比）1.對下層材料的刻蝕選擇比較差2.等離子體誘導損傷3.設備昂貴干法刻蝕的缺點（與濕法腐蝕比）78

干法刻蝕過程1.刻蝕氣體進入反應腔2.RF電場使反應氣體分解電離3.高能電子、離子、原子、自由基等結合產(chǎn)生等離子體4.反應正離子轟擊表面－各向異性刻蝕（物理刻蝕）5.反應正離子吸附表面6.反應元素（自由基和反應原子團）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)物去除干法刻蝕過程79干法刻蝕過程硅片的等離子體刻蝕過程圖干法刻蝕過程硅片的等離子體刻蝕過程圖80刻蝕作用刻蝕作用81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；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。等離子體的電勢分布82等離子體的電勢分布等離子體的電位相對于接地電極來說是正的，等離子體區(qū)域中的電勢在系統(tǒng)中最大刻蝕機輝光放電區(qū)域原理圖和電勢分布圖等離子體的電勢分布等離子體的電位相對于接地電極來說是正的，等83改變等離子體刻蝕參數(shù)的影響改變等離子體刻蝕參數(shù)的影響846.4干法刻蝕系統(tǒng)及其刻蝕機理等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的基本部件包括：發(fā)生刻蝕反應的反應腔、一個產(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)。干法等離子體反應器的類型：圓桶式等離子體反應器；順流刻蝕系統(tǒng)(化學作用)離子銑(物理作用)平板反應器；三級平面反應器；反應離子刻蝕（RIE)；高密度等離子體刻蝕機(物理+化學作用)6.4干法刻蝕系統(tǒng)及其刻蝕機理等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的基本851.圓桶式等離子體刻蝕機圓桶式反應器結構，刻蝕系統(tǒng)的射頻電場平行與硅片表面，不存在反應離子轟擊，只有化學作用。用于氧等離子體的去膠工藝。典型圓桶式反應器結構1.圓桶式等離子體刻蝕機典型圓桶式反應器結構86圓桶式等離子體刻蝕機理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自由基和反應原子或原子團的化學性質非常活潑，它們構成了等離子體的反應元素，自由基、反應原子或原子團與被刻蝕的材料進行化學反應形成了等離子體刻蝕。等離子體刻蝕屬于化學刻蝕，各向同性。圓桶式等離子體刻蝕機理872.反應離子刻蝕（RIE）系統(tǒng)

RIE（ReactiveIonEtch）物理刻蝕+化學刻蝕2.反應離子刻蝕（RIE）系統(tǒng)88反應離子刻蝕（RIE）機理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。反應離子刻蝕（RIE）機理89③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面的刻蝕要快得多，達到了很好的各向異性。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903.高密度等離子體刻蝕在先進的集成電路制造技術中，傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)不能滿足0.25微米以下尺寸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)有電子回旋加速振蕩ECR系統(tǒng)、電感耦合等離子體（ICP）RIE系統(tǒng)、磁增強RIE系統(tǒng)等。3.高密度等離子體刻蝕913.高密度等離子體刻蝕ICP－RIE系統(tǒng)3.高密度等離子體刻蝕ICP－RIE系統(tǒng)92ICP－RIE系統(tǒng)具有結構簡單成本低被廣泛采用高密度等離子是指在相同的工作壓力下，等離子體中反應基（自由基、反應原子或原子團）的密度比傳統(tǒng)等離子中高。ICP－RIE系統(tǒng)具有結構簡單成本低被廣泛采用93ICP－RIE設備生產(chǎn)廠家：美國TRION公司型號：MNL/DⅢICP－RIE設備94ICP－RIE設備ICP－RIE設備95ICP－RIE設備ICP－RIE設備96高密度等離子體刻蝕的特點：

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。高密度等離子體刻蝕的特點：974.終點檢測

終點檢測的常用方法：光發(fā)射譜法4.終點檢測98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。在等離子刻蝕中被激發(fā)的基團的特征波長光發(fā)射譜法終點檢測機理在等離子刻蝕中被激發(fā)的基團的特征波長99■等離子體干法刻蝕機理及刻蝕參數(shù)對比刻蝕參數(shù)物理刻蝕

RF場垂直片面化學刻蝕RF場平行片面物理和化學刻蝕RF場垂直片面刻蝕機理物理離子濺射活性元素化學反應離子濺射和活性元素化學反應側壁剖面各向異性各向同性各向異性選擇比低/難提高（1：1）很高（500：1）高（5：1～100：1）刻蝕速率高慢適中線寬控制好非常差很好■等離子體干法刻蝕機理及刻蝕參數(shù)對比刻蝕參數(shù)物理刻1006.5干法刻蝕的應用刻蝕材料的種類：介質、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.深亞微米關鍵尺寸、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）6.5干法刻蝕的應用刻蝕材料的種類：介質、硅和金屬三類101

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ULSI對刻蝕的要求102工藝優(yōu)化設備參數(shù):設備設計電源電源頻率壓力溫度氣流速率真空狀況工藝菜單其它相關因素:凈化間規(guī)范操作過程維護過程預防維護計劃工藝參數(shù):等離子體—表面相互作用: -表面材料 -復合金屬的不同層 -表面溫度 -表面電荷 -表面形貌化學和物理要求時間質量指標:刻蝕速率選擇比均勻性特性曲線關鍵尺寸殘留物Plasma-etchingawafer工藝優(yōu)化設備參數(shù):工藝參數(shù):Plasma-etching103介質的干法刻蝕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刻蝕工藝

1）刻蝕氣體：兩種（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3＋Ar＋He）2）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，物理濺射離子：Ar＋、CF3＋等，CF3是刻蝕SiO2的主要活性基，加入H2后以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為稀釋劑改善刻蝕均勻性。介質的干法刻蝕104

刻蝕SiO2的反應式：在RF作用下工藝氣體分解電離：CHF3＋Ar＋He＋3e→CF3+＋CF3＋

HF

＋

F

＋Ar+＋He+

CF3活性基與SiO2發(fā)生化學反應：4CF3＋3SiO2→3SiF4↑＋2CO2↑＋2CO↑3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)，亞微米以下采用ICP－RIE系統(tǒng)4）工作壓力：小于0.1Torr5）關鍵問題：注意刻蝕接觸孔對下層Si、氮化硅、抗反射涂層的高選擇比，刻蝕通孔對TiN、W、Al的高選擇比刻蝕SiO2的反應式：1052.氮化硅的刻蝕

1）刻蝕氣體：CF4＋O2＋N22）刻蝕機理：物理和化學刻蝕，O2＋N2的作用是稀釋F基的濃度降低對下層SiO2的刻蝕速率刻蝕Si3N4的反應式：在RF作用下工藝氣體分解電離：CF4＋O2＋N2＋3e→CF3+＋CF3＋

F

＋O+＋N+

F活性基與Si3N4發(fā)生化學反應：12F＋Si3N4→3SiF4↑＋2N2↑2.氮化硅的刻蝕1062.氮化硅的刻蝕

3）刻蝕系統(tǒng)：平行板式或桶式反應離子刻蝕RIE系統(tǒng)4）工作壓力：小于0.1Torr5）刻蝕速率：120nm/min6