第09章-刻蚀工艺

微观负载效应
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢 – 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
微观负载效应刻蚀轮廓
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过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
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CF4, CHF3 CF4, CHF3 SF6
4835 6156 2535 7037
半导体制造技术导论（第二版）
第九章
刻蚀工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介
• 刻蚀工艺基础
• 湿法刻蚀工艺 • 干法刻蚀工艺 • 等离子体刻蚀工艺
• 刻蚀工艺制程趋势
• 刻蚀工艺发展趋势
2
简
介
先进的集成电路工艺流程
先进的集成电路工艺流程
4
刻蚀工艺简介
• 刻蚀工艺
– 移除晶圆表面材料 – 图形化刻蚀：去除指定区域的材料，将图形转移到衬底薄膜上 – 整面全区刻蚀：去除整个表面薄膜达到所需工艺要求
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离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
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刻蚀工艺的比较
纯化学刻蚀 应用 刻蚀速率 湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀 可以从高到低
反应式离子刻蚀 等离子体图形化刻蚀 高，可控
纯物理刻蚀 氩轰击 低
选择性
刻蚀轮廓 工艺终点
非常好
等向性 计时或目测
可以接受，可控
������ =
������1 − ������
2
+ ������2 − ������
2
+ ������3 − ������ ������ − 1
2
+ ⋯ + ������������ − ������
2
������ NU % = × 100, ������ • 刻蚀选择性
NUM
������max − ������min % = × 100 2������
• 镍湿法剥除
– 1:1的双氧水(H2O2)和硫酸(H2SO4)混合液 – H2O2氧化金属镍形成NiO，H2SO4和NiO反应形成可溶解的NiSO4
– 用于镍金属硅化物形成后的镍剥除
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自对准硅化物工艺流程
自对准硅化物工艺流程 (a) 镍沉积；(b) 镍硅化物退火；(c) 镍湿法剥除
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干法刻蚀工艺
• 化学反应 Si3N4 + 4H3PO4 • 应用
– 单晶硅和氮化硅刻蚀的隔离工艺 – LOCOS工艺场区氧化后、USG研磨和STI退火处理后，在隔离形成工艺 中去除氮化硅
Si3 PO4
4
+ 4NH3
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绝缘二氧化硅隔离工艺流程
绝缘二氧化硅隔离工艺流程
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金属刻蚀
• 铝湿法刻蚀
– 磷酸(H3PO4, 80%)、醋酸(CH3COOH, 5%)、硝酸(HNO3, 5%)和水(H2O, 10%)所组成的混合物 – HNO3使铝氧化形成Al2O3，H3PO4溶解Al2O3，两个过程同时进行 – 用于测试PVD铝薄膜的质量 – 先进集成电路生产中，铝图形化刻蚀不再使用湿法过程
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湿法和干法刻蚀对照表
湿法刻蚀
横向刻蚀长度 刻蚀轮廓 刻蚀速率 选择性 设备费用 产量 化学药品使用量 <3 μm的工艺条件不可接受 等向性 高 高 低 高（批量） 高
干法刻蚀
很小 可控，从非等向性到等向性 可接受，可控 可接受，可控 高 可接受，可控 低
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等离子体刻蚀
• 等离子体刻蚀
– 等离子体中的碰撞产生增强化学反应的自由基 – 降低压力将增加MFP和离子轰击能量，同时散射而形成垂直的刻蚀轮廓 – 增加射频功率能增加离子轰击的流量和能量，增加自由基的浓度 – 在较低压力下，较长的MFP有助于离子轰击和副产品的移除 – 晶圆放置在较小面积的电极上利用自偏压获得更强的离子轰击
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刻蚀工艺终点监测特征波长
薄膜 刻蚀剂 波长 (Å) 2614 3962 2882 6156 3370 Si3N4 CF4/O2 3862 发射物 AlCl Al Si O N2 CN
Al
多晶硅
Cl2, BCl3
Cl2
7037
6740 7037
F
N F CO O P F
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SiO2 PSG, BPSG W
– 刻蚀单晶硅，形成相邻晶体管间的绝缘区 – 刻蚀多晶硅，形成栅极和局部连线 – 非等向性刻蚀单晶硅，用于形成选择性外延沟槽
H2SiF6 + 2HNO2 + 2H2O
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硅刻蚀形成选择性外延沟槽
各向异性氢氧化钾硅刻蚀形成选择性外延SiGe PMOS源极/漏极
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氮化硅刻蚀
• 刻蚀剂
– 热磷酸(H3PO4) – 对二氧化硅和硅的选择性非常好
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刻蚀工艺基础
刻蚀速率
• 刻蚀速率
– 刻蚀物质被移除的速率 – 刻蚀速率直接影响刻蚀的产量
• 计算方法 刻蚀前厚度 − 刻蚀后厚度 刻蚀速率 = 刻蚀时间
– 对于图形化刻蚀，可以通过扫描 电子显微镜(SEM)直接测量被移 除的薄膜厚度
接触孔示意图
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刻蚀均匀性和选择性
• 刻蚀均匀性
– 均匀的刻蚀速率、高的重复性 – 好的晶圆内均匀性、好的晶圆对晶圆均匀性 – 由测量刻蚀前后晶圆特定点的厚度，并计算这些点的刻蚀速率得出
• 湿法刻蚀的特点
– 高选择性、高刻蚀速率、设备便宜
– 等向性刻蚀轮廓，难以处理图形尺寸小于3μm的密集图形
• 湿法刻蚀的主要应用
– 剥除晶圆整面全区薄膜
– 利用薄膜的湿法刻蚀速率鉴定薄膜质量 – 剥除测试晶圆上的薄膜
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湿法刻蚀工艺流程
湿法刻蚀工艺流程 (a) 湿法刻蚀；(b) 冲洗；(c) 甩干
• 湿法刻蚀
– 利用化学溶液将未被光刻胶覆盖的材料溶解
– 等向性刻蚀轮廓，会造成光刻胶底切效应和关键尺寸损失 – 1980年代后，湿法刻蚀逐渐被干法刻蚀取代 – 先进半导体制造中，薄膜剥除和薄膜质量控制仍使用湿法刻蚀
• 干法刻蚀
– 先进半导体制造中，几乎所有图形化刻蚀都利用等离子体刻蚀技术
5
多晶硅栅刻蚀工艺
– 不同材料间的刻蚀速率比率，特别是要被刻蚀的材料和不被移除的材料 – 光刻胶、被刻蚀薄膜、衬底
������ = ER1 ER 2
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刻蚀轮廓
刻蚀轮廓示意图
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负载效应
• 负载效应
– 等离子体图形化刻蚀过程中，刻 蚀图形影响刻蚀速率和刻蚀轮廓
• 宏观负载效应
– 具有较大开口面积的晶圆与较小 开口面积的晶圆刻蚀速率不同
刻蚀残余物
由于刻蚀不足和阶梯形状形成的残留
移除方法：完全的过刻蚀、足够的离子轰击、适当的化学刻蚀
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刻蚀残余物
非挥发性刻蚀副产品形成的表面残余物
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湿法刻蚀工艺
湿法刻蚀工艺
• 湿法刻蚀
– 利用化学溶液溶解晶圆表面材料，达到制作器件和电路的要求 – 反应生成物：气体、液体、可溶于刻蚀剂的固体 – 工艺流程：刻蚀、冲洗、甩干
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桶式等离子体刻蚀系统
桶式刻蚀系统示意图
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降流式等离子体刻蚀系统
降流式等离子体刻蚀系统示意图
44
平行板等离子体刻蚀系统
平行板等离子体刻蚀系统示意图
45
批量式RIE系统
批量式RIE系统示意图
46
单片式MERIE系统
单片式MERIE系统示意图
47
电子的螺旋运动
电子的螺旋运动示意图
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机械夹环和静电夹盘
非等向性刻蚀机制及其应用
反应式离子刻蚀 (RIE) 纯化学刻蚀 阻挡机制 无离子轰击 去光刻胶 去硅化物 去氮化物 轻微离子轰击 单晶硅刻蚀 多晶硅刻蚀 金属刻蚀 损伤机制 重离子轰击 氧化层刻蚀 氮化物刻蚀 低������介质层刻蚀 只有离子轰击 — 溅射刻蚀 — 纯物理刻蚀
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等离子体刻蚀反应室
– 热氧化前预先剥除晶圆表面的原生氧化层
22
酒杯状接触窗孔
酒杯状接触窗孔
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硅刻蚀
• 刻蚀剂
– 等向性刻蚀：硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)的混合液 – 非等向性刻蚀：氢氧化钾(KOH)、异丙醇(C3H8O)和水的混合液，沿 <100>平面的刻蚀速率比沿<111>平面的高100倍左右
• 化学反应 Si + 2HNO3 + 6HF • 应用
• 阻挡机制
– 离子轰击溅镀的光刻胶和刻蚀产生的化学沉积物沉积在侧壁，阻挡侧壁 水平方向的刻蚀
– 侧壁沉积物需要通过干法、湿法清洗方式处理
– 采用阻挡机制的刻蚀属于接近化学刻蚀的RIE工艺 – 单晶硅刻蚀、多晶硅刻蚀、金属刻蚀
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损伤机制
非等向性刻蚀的损伤机制
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阻挡机制
非等向性刻蚀的阻挡机制
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• 高密度等离子体源
– 感应式耦合型等离子体源(ICP) – 电子回旋共振(ECR)等离子体源
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纯化学、纯物理刻蚀和RIE
• 纯化学刻蚀
– 湿法刻蚀、遥控等离子体光刻胶去除 – 没有物理轰击，由化学反应移除物质 – 刻蚀速率可高可低、等向性刻蚀轮廓、很好的刻蚀选择性 – 用于剥除工艺，光刻胶、氮化硅、衬垫氧化层、屏蔽氧化层、牺牲氧化层
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高密度等离子体刻蚀系统
高密度等离子体刻蚀系统 (a) 感应耦合等离子体(ICP)；(b) 电子回旋共振(ECR)
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刻蚀终点
• 湿法刻蚀终点
– 刻蚀终点取决于时间，进而取决于预先设定的刻蚀速率和刻蚀厚度 – 缺少自动监测终点的方法，通常由操作员目测终点
• 等离子体刻蚀终点
– 运用光学系统自动设定终点 – 刻蚀的最后阶段，等离子体化学成分发生变化，引起等离子体发光的颜 色和强度改变 – 利用光谱仪监测光的特定波长并检测信号的改变 – 质谱仪测定系统：降流式或遥控等离子体刻蚀系统的反应室内没有等离 子体，不会产生辉光发光
非等向性，可控 光学测定
很差
非等向性 计时
36
等离子体刻蚀工艺原理
等离子体刻蚀工艺流程
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等离子体刻蚀非等向性原理
• 损伤机制
– 离子轰击打断晶圆表面原子之间的化学键，带有悬浮键的原子受到刻蚀 自由基的作用，形成挥发性的副产品并从表面移除 – 离子轰击方向垂直于晶圆表面，垂直方向刻蚀速率远高于水平方向 – 采用损伤机制的刻蚀属于接近物理刻蚀的RIE工艺 – 二氧化硅刻蚀、氮化硅刻蚀、低������介质层刻蚀
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湿法刻蚀轮廓
湿法刻蚀轮廓示意图
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氧化物湿法刻蚀
• 刻蚀剂
– 6:1稀释的HF缓冲溶液 – 10:1或100:1稀释的HF水溶液
• 化学反应 SiO2 + 6HF • 应用
– 刻蚀酒杯状接触窗孔，以易于PVD铝的填充 – 缓冲二氧化硅刻蚀(BOE)
H2SiF6 + 2H2O
– 监测CVD氧化层质量，比较CVD二氧化硅和热氧化二氧化硅湿法刻蚀速 率，即湿法刻蚀速率比(WERR)
• 等向性刻蚀系统
– 桶状等离子体刻蚀系统 – 降流式等离子体刻蚀系统、遥控等离子体刻蚀系统
• 非等向性刻蚀系统
– 平行板等离子体刻蚀系统
– 反应式离子刻蚀(RIE)系统
– 单晶圆磁场增强式RIE(MERIE)系统
• 高密度等离子体刻蚀系统
– 感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统
– 电子回旋共振(ECR)等离子体刻蚀系统
(a) 机械夹环；(b) 静电夹盘
避免晶圆被来自背面的加压氦气冷却气流吹走
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氦元素参数列表
名称
原子符号 原子序数 原子量 摩尔体积 音速 折射率 熔点 沸点 热导率 主要应用
氦
He 2 4.002,602 21.0 cm3 970 m/s 1.000,035 0.95 K, −272.20 ℃ 4.22 K, −268.93 ℃ 0.1513 W/(m· K) CVD和刻蚀工艺中用于冷却和载气
• 纯物理刻蚀
– 氩轰击，用于电介质溅射回刻削平开口部分，以利于后续空隙填充 – 刻蚀速率很低、非等向性刻蚀、刻蚀选择性很低
• 反应式离子刻蚀 (RIE)
– 离子辅助刻蚀，刻蚀速率和刻蚀选择性可控、非等向性且可控的刻蚀轮廓
– 氩离子用来增加离子轰击，大多数刻蚀过程中的化学活性是中性自由基 – 在半导体刻蚀等离子体中，中性自由基浓度比离子浓度高得多
多晶硅栅刻蚀工艺流程 (a) 光刻；(b) 刻蚀多晶硅；(c) 去光刻胶
6
湿法和干法刻蚀轮廓
湿法和干法刻蚀Βιβλιοθήκη 廓7CMOS集成电路的刻蚀工艺
具有多晶硅栅和铝金属化CMOS集成电路芯片的刻蚀工艺
8
先进CMOS集成电路截面图
一种先进CMOS集成电路截面图 包括选择性外延源极/漏极、高������、金属栅和铜互连
干法刻蚀工艺
• 干法刻蚀
– 使用气态化学刻蚀剂与材料反应来刻蚀材料，并形成可以从衬底上移除 的挥发性副产品 – 干法刻蚀一般都是等离子体刻蚀
• 等离子体刻蚀
– 等离子体产生的自由基，显著增加化学反应速率并加强化学刻蚀 – 离子轰击从表面移除材料，并破坏化学键，显著提高刻蚀化学反应速率 – 由于离子轰击的存在，等离子体刻蚀是非等向性刻蚀过程 – 1980年代后，等离子体刻蚀逐渐取代湿法刻蚀成为所有图形化刻蚀技术