西安交通大学 微电子制造技术 第十六章 刻蚀

结构设置 Coil or electrodes outside vessel Planar diode (two electrodes) Coil or electrodes outside vessel Triode (three electrodes) Planar triode Planar or cylindrical diode Magnetic field in parallel with plasma flow Magnets distributed around central plasma Spiral coil separated from plasma by dielectric plate Plasma generated by electromagnets and plasma density maintained at wafer by magnetic field Independent plasma and wafer biasing Planar diode with magnetic field confining plasma
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T = 刻蚀掉的厚度 T
t = 刻蚀时间
刻蚀开始
刻蚀结束
Figure 16.3 刻蚀速率
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刻蚀剖面
刻蚀剖面指的是被刻蚀图形的恻壁形状。有 两种基本的刻蚀剖面，分别为各向同性的刻蚀剖 面和各向异性刻蚀剖面。 各向同性刻蚀剖面是指在所有方向以相同的 刻蚀速率进行的刻蚀（见图1.4）。湿法化学腐蚀 就是各向同性刻蚀，因而不能用于亚微米器件制 造中的选择性图形刻蚀。
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等离子体离子
Resist
Oxide
生成的聚合物
Silicon
Figure 16.10
聚合物恻壁钝化来提高各向异性
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干法刻蚀
在先进的半导体生产中，干法刻蚀是最主要 的用来去除表面材料的刻蚀方法。主要目的是完 整地把掩膜图形复制到硅片表面上，与湿法刻蚀 相比其优点列于下表中。
电场 刻蚀反应腔 l 3) 电子和原子分离 产生等离子体 l 副产物 8) 副产物 去除 排气
4) 反应正离子 轰击表面
5) 反应离子 吸附在表面
6) 原子团和表面 膜的表面反应
7) 副产物 解吸附
各向异性 刻蚀
Substrate Cathode
各向同性刻蚀
Figure 16.11 硅片的等离子体刻蚀过程
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干法刻蚀机比较
类型 园桶式 平行板 (Plasma) 顺流等离子体 Triode Planar Ion Beam Milling Reactive Ion Etch (RIE) Electron Cyclotron Resonance (ECR) Distributed ECR Inductively Coupled Plasma (ICP) Helicon Wave 刻蚀机理 化学 物理和化 学 化学 Reactive Inert Reactive Reactive Reactive Reactive 压力 (Torr) 10-1 to 1 10-1 to 1 10-1 to 1 10-3 10-4 < 0.1 10-4 to 103
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钻蚀 Resist 过刻 Film Substrate
Figure 16.7 刻蚀中的横向钻蚀和倾斜
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刻蚀选择性
选择比是指在同一刻蚀条件下一种材料与另一 种材料刻蚀速率的比值（见图16.8）。高选择比意 味着只刻蚀想要刻蚀的材料，而对其它材料的刻蚀 微乎其微。对被刻蚀材料和掩膜材料的选择比SR可 以通过下式计算： SR =Ef/Er Ef =被刻蚀材料的刻蚀速率 Er =掩膜材料的刻蚀速率 高的选择比可以是100:1
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在一批中随机抽取 3 to 5 片
在每片上测 5 to 9 个点处的刻蚀速率 ，然后计算每片的刻蚀均匀性并比较 片与片之间的均匀性
Figure 16.9 刻蚀均匀性检测方法
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残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面的刻 蚀副产物。通常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底 部。产生的原因有：被刻蚀的材料、腔体中的污染 物、膜层中不均匀的杂质分布等。 刻蚀残留物是芯片制造过程中的硅片污染源， 并能在去除光刻胶过程中带来一些问题。为了去除 刻蚀残留物，可以在刻蚀完成后进行微量的过刻蚀 ，也可以在去除光刻胶的过程中进行清除。 聚合物 为了获得良好的异性刻蚀，防止横向刻蚀 ，在刻蚀过程中可以有意在恻壁上形成一层聚合物 （见图16.10） ，增强刻蚀的方向性，实现对图形 关键尺寸的良好控制。恻壁聚合物可以通过刻蚀过 程中由光刻胶中的碳转化而来并与刻蚀气体和刻蚀 生成物结合在一起而形成。


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等离子体刻蚀反应器
• • • • • • • 干法等离子体反应器有下面不同的类型： 园桶式等离子体反应器 平板（平面）反应器 顺流刻蚀系统 三级平面反应器 离子铣 反应离子刻蚀 高密度等离子体刻蚀机
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第 16 章
刻 蚀
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概
述
刻蚀是将硅片表面上淀积的各种绝缘介质、 金属薄膜等按照掩膜版的图形结构选择性的去除 ，以便形成各种各样的器件结构和电路的互连。 刻蚀工艺是在显影检查完后进行，一旦膜层 材料被刻蚀去除，在刻蚀过程中所造成的缺陷将 无法弥补而使整个硅片报废。 刻蚀的要求取决于要制作的图形类型。如金 属层、多晶硅栅、隔离槽、通孔等。因为结构的 不同，所以具有大量不同刻蚀参数的材料。 特征尺寸的缩小使刻蚀工艺对尺寸的控制要 求更加严格，也更加难以检测。
刻蚀偏差=Wb－Wa 其中，Wb =刻蚀前光刻胶的线宽
Wa =光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽
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Wb Wa Resist Film Substrate (a) 偏差
偏差
Resist Film
Substrate
(b)
Figure 16.6 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面
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刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽几何尺寸的变化 （见图16.6）。它通常是由于横向钻蚀引起的（ 见图16.7），但也会由刻蚀剖面引起。当刻蚀中 去除掩膜层下过量的材料时，会引起被刻蚀材料 的上表面向光刻胶边缘凹进去，这就是横向钻蚀 。计算刻蚀偏差的公式如下：
改变等离子体刻蚀参数的影响
刻蚀参数的增加 或 减小 () RF 功率 DC 偏置 电极尺寸 离子能量 直流偏置 刻蚀速率 选择比 物理刻蚀
RF 频率


Table 16.4

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物理刻蚀
溅射的表面材料 反应正离子 轰击表面 原子团与表面膜 的表面反应
化学刻蚀
副产物的 解吸附
各向异性刻蚀
各向同性刻蚀
Figure 16.12
化学和物理的干法刻蚀机理
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化学干法等离子体刻蚀与 物理干法等离子体刻蚀的比较
Er S= Ef Ef Oxide
氮化硅
Er
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Figure 16.8
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刻蚀均匀性
刻蚀均匀性是衡量刻蚀工艺在整个硅片上， 或者整个一批或批与批之间刻蚀能力之间的参数 。均匀性与选择比有密切关系，因为非均匀刻蚀 会产生额外的过刻蚀。保持刻蚀均匀性是保证制 造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻 蚀具有不同图形密度的硅片上保证均匀性。 刻蚀的不均匀，是因为刻蚀速率与刻蚀剖面 、图形尺寸和宽度有关。因为刻蚀速率在刻蚀小 窗口图形时较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸 图形上刻蚀居然停止。这一现象被称为深宽比相 关刻蚀（ARDE），也被称为微负载效应。为了 提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应降到 最小。
刻蚀参数
为了将掩膜图形复制到硅片表面的材料上，刻 蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下刻蚀参数。 刻蚀速率 刻蚀剖面 刻蚀偏差 选择比 均匀性 残留物 聚合物 等离子体诱导损伤 颗粒沾污和缺陷
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刻蚀速率
刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除薄膜表面材料 的速度（见图16.3），通常用Å/min表示。刻蚀速 率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型、刻 蚀机的结构、使用的刻蚀气体和工艺参数等。刻蚀 速率可用下式来计算。 刻蚀速率=ΔT/t(Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（Å） t=刻蚀所用的时间（min） 刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度，也与被刻 蚀的图形的几何形状有关。刻蚀的面积越大刻蚀速 率就越慢，因为刻蚀所需要的刻蚀剂气体就越多， 这被称为负载效应。
光刻胶 被刻蚀材料 光刻胶 被保护层
(a) 有光刻胶图形的衬底
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(b) 刻蚀后的衬底
Figure 16.1
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刻蚀工艺 • 刻蚀工艺的类型
– 湿法刻蚀 – 干法刻蚀
• 需要刻蚀的三种主要材料 –硅 – 介质 – 金属
• 有图形的刻蚀和无图形的刻蚀
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1. 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制 2. 好的 CD 控制 3. 最小的光刻胶脱落或黏附问题 4. 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 5. 较低的化学制品使用和处理费用
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Table 16.2
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RF 发生器
Anode
1) 刻蚀气体 进入反应室 气体传送 2) 电场是反 应物分解
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学 习 目 标
1. 了解9个主要的刻蚀参数； 2. 描述干法刻蚀的优点及基本原理； 3. 列举一个介质、硅、金属干法刻蚀的实际 例子； 4. 熟悉湿法刻蚀及其应用； 5. 了解刻蚀检查以及相关的重要的质量测量 方法。
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刻蚀原理 刻蚀是利用化学或者物理方法有选择地从硅 片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标 是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。因此，刻 蚀过程中光刻胶层起着有效保护下面的膜层不受浸 蚀的作用。图16.1是常规COMS栅刻蚀工艺示意图。
各向异性刻蚀是仅在一 个方向刻蚀
Resist
Film Substrate Figure 16.5 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
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Table 16.1 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面
刻蚀类型 湿法刻蚀 恻壁剖面 各向同性 各向同性 (与设备和参数 有关) 各向异性 (与设备和参数 干法刻蚀 有关) 各向异性 – 锥形 硅槽 示意图
液体中的活性 基与硅片表面 反应 各向同性 好/很高 (高于 500:1) 慢 非常差
在干法刻蚀中， 刻蚀包括离子溅 射和活性元素与 硅片表面的反应 各向同性至各向 异性 一般/高 (5:1 to 100:1) 适中 好/非常好
恻壁剖面 选择比 刻蚀速率 CD 控制
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刻蚀机理
干法刻蚀系统中，刻蚀是通过化学或物理作用 或者是两个的共同作用来实现的（见图16.12）。 在纯化学机理中，等离子体产生的反应元素(自 由基和反应原子）与硅片表面的物质发生反应，为 了获得高的选择比，进入反应腔的气体都要经过慎 重的选择。等离子体化学刻蚀是各向同性的，因而 线宽控制较差。 物理刻蚀的机理是利用等离子体产生的高能离 子在强电场作用下向硅片表面加速，这些加速的离 子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的表面材料。具 有很强的刻蚀方向性，从而可以获得高的各向异性 刻蚀剖面。刻蚀速率高，选择比差。
物理刻蚀 刻蚀参数 (RF 电场垂直 与硅片表面) 物理刻蚀 (RF 电场平行 与硅片表面) 化学刻蚀 物理和化学刻蚀
刻蚀机理
等离子体中的 活性基与硅片 物理离子溅射 表面反应 各向异性 差/难以提高 (1:1) 快 一般/好 各向同性 一般/好 (5:1 to 100:1) 适中 差
Table 16.3
各向同性刻蚀是在各个方 向上同样的速率进行刻蚀 Resist
Film Substrate
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Figure 16.4
湿法各向同性刻蚀
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对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻蚀剖面 是各向异性的，即刻蚀只在垂直于硅片表面的方 向进行（见图16.5），只有很少的横向刻蚀。各 向异性刻蚀对于亚微米器件的制作来说非常关键 。各向异性刻蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀 来实现的。