第10章 干法刻蝕

第十章干法刻蝕1刻蝕的概念:用化學(xué)或物理的方法有選擇地去除不需要的材料的工藝過(guò)程稱(chēng)為刻蝕。由于硅可以作為幾乎所有集成電路和半導(dǎo)體器件的基板材料，所以本章主要討論在硅基板表面的刻蝕過(guò)程。刻蝕示意圖：刻蝕概述23刻蝕概述刻蝕的工藝目的:把光刻膠圖形精確地轉(zhuǎn)移到硅片上，最后達(dá)到復(fù)制掩膜版圖形的目的。它是在硅片上復(fù)制圖形的最后主要圖形轉(zhuǎn)移工藝。刻蝕工藝分類(lèi)：干法刻蝕和濕法刻蝕干法刻蝕：通過(guò)氣體放電，使刻蝕氣體分解、電離，由產(chǎn)生的活性基及離子對(duì)基板進(jìn)行刻蝕的工藝過(guò)程；刻蝕精度：亞微米。濕法刻蝕：把要腐蝕的硅片放在化學(xué)腐蝕液里去除表面層材料的工藝過(guò)程；刻蝕精度：大于3微米。4刻蝕參數(shù)相關(guān)刻蝕參數(shù):刻蝕速率刻蝕剖面刻蝕偏差選擇比均勻性聚合物等離子體誘導(dǎo)損傷51.刻蝕速率刻蝕速率是指刻蝕過(guò)程中去除硅片表面不需要的材料的速度?？涛g速率＝ΔT/t（?/min)其中，ΔT=去掉的材料厚度（?或μm）t=刻蝕所用時(shí)間（min）Si基板T光刻膠被刻蝕材料刻蝕參數(shù)6刻蝕參數(shù)2.刻蝕剖面刻蝕剖面是指被刻蝕圖形的側(cè)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(xué)腐蝕7刻蝕參數(shù)3.刻蝕偏差刻蝕偏差是指刻蝕以后線(xiàn)寬或關(guān)鍵尺寸的變化。刻蝕偏差＝Wa－WbBias：凹切量或側(cè)蝕寬度(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)8刻蝕參數(shù)4.選擇比選擇比是指在同一刻蝕條件下，刻蝕一種材料對(duì)另一種材料的刻蝕速率之比。高選擇比則意味著只刻除想要除去的材料，而對(duì)其他部分不刻蝕。SiO2對(duì)光刻膠的選擇比＝(ΔTsio2/t1)/(ΔT膠/t1)＝ΔTsio2/ΔT膠

（a）0時(shí)刻（b）t1時(shí)刻9刻蝕參數(shù)5.均勻性刻蝕均勻性是指刻蝕速率在整個(gè)硅片或整批硅片上的一致性情況。非均勻性刻蝕會(huì)產(chǎn)生額外的過(guò)刻蝕。微負(fù)載效應(yīng)：AspectRatioDependenceEtching10刻蝕參數(shù)6.聚合物聚合物是在刻蝕過(guò)程中由光刻膠中的碳與刻蝕氣體和刻蝕生成物結(jié)合在一起而形成的；能否形成側(cè)壁聚合物取決于所使用的刻蝕氣體類(lèi)型。聚合物的形成有時(shí)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，這樣能形成高的各向異性圖形，增強(qiáng)刻蝕的方向性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形關(guān)鍵尺寸的良好控制。11刻蝕參數(shù)7.等離子體誘導(dǎo)損傷等離子體誘導(dǎo)損傷有兩種情況：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。帶能量的離子對(duì)暴露的柵氧化層或雙極結(jié)表面上的氧化層進(jìn)行轟擊，使器件性能退化。12干法刻蝕

干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)（與濕法刻蝕比）

1.刻蝕剖面各向異性，非常好的側(cè)壁剖面控制

2.最小的光刻膠脫落或粘附問(wèn)題

3.好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性4.化學(xué)品使用費(fèi)用低

干法刻蝕的缺點(diǎn)（與濕法刻蝕比）

1.對(duì)下層材料的刻蝕選擇比較差

2.等離子體誘導(dǎo)損傷

3.設(shè)備昂貴13干法刻蝕

濕法刻蝕是各向同性腐蝕，不能實(shí)現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)移，是集成電路刻蝕工藝的主流技術(shù)。14干法刻蝕的機(jī)制物理刻蝕：利用離子碰撞被刻蝕表面的濺射效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)材料去除的過(guò)程?；瘜W(xué)刻蝕：通過(guò)激活的刻蝕氣體與被刻蝕材料的化學(xué)作用，產(chǎn)生揮發(fā)性化合物而實(shí)現(xiàn)刻蝕。15物理化學(xué)刻蝕：通過(guò)等離子體中的離子或活性基與被刻蝕材料間的相互作用實(shí)現(xiàn)刻蝕。干法刻蝕的機(jī)制16干法刻蝕的機(jī)制刻蝕參數(shù)物理刻蝕

RF場(chǎng)垂直片面化學(xué)刻蝕RF場(chǎng)平行片面物理和化學(xué)刻蝕RF場(chǎng)垂直片面刻蝕機(jī)理物理離子濺射活性元素化學(xué)反應(yīng)離子濺射和活性元素化學(xué)反應(yīng)側(cè)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(xiàn)寬控制好非常差很好等離子體干法刻蝕機(jī)理及刻蝕參數(shù)對(duì)比17干法刻蝕的過(guò)程

硅片的等離子體刻蝕過(guò)程圖18干法刻蝕的終點(diǎn)檢查終點(diǎn)檢測(cè)的常用方法：光發(fā)射譜法機(jī)理：在等離子體刻蝕中，活性基團(tuán)與被刻蝕材料反應(yīng)的同時(shí)，基團(tuán)被激發(fā)并發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，利用帶波長(zhǎng)過(guò)濾器的探測(cè)器，探測(cè)等離子體中的反應(yīng)基團(tuán)發(fā)光強(qiáng)度的變化來(lái)檢測(cè)刻蝕過(guò)程是否結(jié)束。19等離子體刻蝕等離子體刻蝕機(jī)理①進(jìn)入真空反應(yīng)室的刻蝕氣體在射頻電場(chǎng)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(yīng)正離子、自由基、反應(yīng)原子或原子團(tuán)組成。②自由基和反應(yīng)原子或原子團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，它們構(gòu)成了等離子體的反應(yīng)元素，自由基、反應(yīng)原子或原子團(tuán)與被刻蝕的材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成了等離子體刻蝕。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)室、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)。等離子體刻蝕又稱(chēng)為激發(fā)反應(yīng)氣體刻蝕，屬于化學(xué)刻蝕，各向同性。20圓桶式等離子體刻蝕機(jī)刻蝕系統(tǒng)的射頻電場(chǎng)平行于硅片表面，不存在反應(yīng)離子轟擊，只有化學(xué)作用（僅在激發(fā)原子或活性氣氛中進(jìn)行刻蝕）。等離子體刻蝕21反應(yīng)離子刻蝕RIE（ReactiveIonEtch）機(jī)理①進(jìn)入真空反應(yīng)室的刻蝕氣體在射頻電場(chǎng)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(yīng)正離子、自由基、反應(yīng)原子或原子團(tuán)組成。②反應(yīng)室被設(shè)計(jì)成射頻電場(chǎng)垂直于被刻蝕樣片表面且射頻電源電極（稱(chēng)為陰極）的面積小于接地電極（稱(chēng)為陽(yáng)極）的面積時(shí)，在系統(tǒng)的電源電極上產(chǎn)生一個(gè)較大的自偏置電場(chǎng)。③等離子體中的反應(yīng)正離子在自偏置電場(chǎng)中加速得到能量轟擊樣片表面，這種離子轟擊不僅對(duì)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(yīng)原子或原子團(tuán)的化學(xué)活性，加速與樣片的化學(xué)反應(yīng)。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(dá)到了很好的各向異性。22反應(yīng)離子刻蝕RIE:物理刻蝕+化學(xué)刻蝕23反應(yīng)離子刻蝕高密度等離子體刻蝕在先進(jìn)的集成電路制造技術(shù)中，傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)不能滿(mǎn)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)。高密度等離子體用于干法刻蝕的特征：24普通RIE及高密度等RIE系統(tǒng)比較：反應(yīng)離子刻蝕25反應(yīng)離子束刻蝕定義：將離子以束狀聚集以進(jìn)行刻蝕加工的技術(shù)即為離子束刻蝕。離子由非活性氣體產(chǎn)生，僅通過(guò)濺射進(jìn)行物理刻蝕的方式為濺射離子束刻蝕。當(dāng)被離子束照射的位置存在活性氣體時(shí)，化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的方式為反應(yīng)離子束刻蝕（RIBE-ReactiveIonBeamEtching）。RIBE的一個(gè)重要參數(shù)是離子束直徑。目前，可聚焦到最細(xì)的離子束直徑為0.04m,寬束離子束直徑可達(dá)200mm以上。26反應(yīng)離子束刻蝕聚焦離子束(FIB)：經(jīng)過(guò)透鏡聚焦形成的、束徑在0.1m以下的極微細(xì)離子束。FIB的離子源主要有液態(tài)金屬離子源(LMIS，常選用金屬Ga)和電場(chǎng)電離型氣體離子源(FI，常選用H2、He、Ne等)兩大類(lèi)。27反應(yīng)離子束刻蝕大束徑離子束刻蝕：束徑10~20cm，效率高，質(zhì)量均勻。常用大束徑離子束設(shè)備有兩種：Kaufman型：熱陰極、磁控管陽(yáng)極組合放電ECR型：冷陰極放電ECR離子源28氣體離化團(tuán)束加工技術(shù)材料表面改性技術(shù)的發(fā)展要求轟擊離子注入到靶材表面的深度在數(shù)納米范圍內(nèi)，而低能離子束很難實(shí)現(xiàn)這一要求。氣體離化團(tuán)束(GCIB)中束團(tuán)的動(dòng)能由組成原子共享，平均每個(gè)原子的入射能量約在10eV以下。因而，在碰撞過(guò)程中，團(tuán)束原子的整體運(yùn)動(dòng)使得團(tuán)束僅對(duì)靶材表面的前幾個(gè)原子層產(chǎn)生轟擊效應(yīng)。30kV的氣體離化團(tuán)束設(shè)備圖