第 章 干法刻蚀

Anisotropic etch - etches in only one direction Resist
Film Substrate 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
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刻蚀参数
3. 刻蚀偏差
• 刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化。 刻蚀偏差＝Wa－Wb
Bias：凹切量或侧蚀宽度
Wb
Wa
Bias
第十章 干法刻蚀
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刻蚀概述
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除不需要的材料的工艺过程称
为刻蚀。由于硅可以作为几乎所有集成电路和半导体器件的 基板材料，所以本章主要讨论在硅基板表面的刻蚀过程。 刻蚀示意图：
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刻蚀概述
刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制掩膜版图形
Kaufman型：热阴极、 磁控管阳极组合放电
ECR型：冷阴极
放电ECR离子源
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气体离化团束加工技术
• 材料表面改性技术的发展要求轰击离子注入到靶材表面的深度在 数纳米范围内，而低能离子束很难实现这一要求。
• 气体离化团束 (GCIB) 中束团的动能由组成原子共享，平均每个 原子的入射能量约在10 eV以下。因而，在碰撞过程中，团束原 子的整体运动使得团束仅对靶材表面的前几个原子层产生轰击效 应。
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等离子体刻蚀
➢ 等离子体刻蚀机理
① 进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等 离子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或 原子团组成。
② 自由基和反应原子或原子团的化学性质非常活泼，它们构成了等 离子体的反应元素，自由基、反应原子或原子团与被刻蚀的材料进 行化学反应形成了等离子体刻蚀。
30 kV的气体离化团束设备图
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气体离化团束加工技术
• GCIB的优点：
➢浅层注入，损伤小； ➢高产额溅射（比单原子离子高出100倍以上）； ➢侧向溅射，利于表面平坦化； ➢表面清洁效率高。
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微机械加工
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干法刻蚀用离子源的开发
干法刻蚀用离子源的要求：
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干法刻蚀设备实例
ICP高密度等离子刻蚀膜系统-中科院上海微系统所
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表 面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀， 而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与 样片的化学反应。
④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的 侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。
慢
高（5：1 ～100：1）
适中
线宽控制
好
非常差
很好
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干法刻蚀的过程
硅片的等离子体刻蚀过程图 17
干法刻蚀的终点检查
终点检测的常用方法：光发射谱法 机理：在等离子体刻蚀中，活性基团与被刻蚀材料反应的同时， 基团被激发并发出特定波长的光，利用带波长过滤器的探测器，探 测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。
Resist
Film
Undercut
Overetch
Resist Film
Substrate (a)
Substrate
(b)
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刻蚀参数
4. 选择比
• 选择比是指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一种材料的刻 蚀速率之比。高选择比则意味着只刻除想要除去的材料，而对其 他部分不刻蚀。
• SiO2对光刻胶的选择比 ＝ (ΔTsio2/t1)/(ΔT胶/t1) ＝ ΔTsio2/ΔT胶
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反应离子束刻蚀
• 定义：将离子以束状聚集以进行刻蚀加工的技术即为离 子束刻蚀。离子由非活性气体产生，仅通过溅射进行物 理刻蚀的方式为溅射离子束刻蚀。当被离子束照射的位 置存在活性气体时，化学反应同时发生的方式为反应离 子束刻蚀（RIBE-Reactive Ion Beam Etching）。
• RIBE 的一个重要参数是离子束直径。目前，可聚焦到最 细的离子束直径为0.04 m, 宽束离子束直径可达200 mm以 上。
的目的。它是在硅片上复制图形的最后主要图形转移工艺。
刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀 ✓干法刻蚀：通过气体放电，使刻蚀气体分解、电离，由产生
的活性基及离子对基板进行刻蚀的工艺过程；刻蚀精度：亚 微米。 ✓湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除表面层材 料的工艺过程；刻蚀精度：大于3微米。
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刻蚀参数
• 等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：发生刻蚀反应的反应室、 一个产生等离子体的射频电源、气体流量控制系统、去除刻蚀生成 物和气体的真空系统。
• 等离子体刻蚀又称为激发反应气体刻蚀，属于化学刻蚀，各向同性。
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等离子体刻蚀
• 圆桶式等离子体刻蚀机
刻蚀系统的射频电场平行于硅片表面，不存在反应离子轰击，只有 化学作用（仅在激发原子或活性气氛中进行刻蚀）。
相关刻蚀参数: • 刻蚀速率 • 刻蚀剖面 • 刻蚀偏差 • 选择比 • 均匀性 • 聚合物 • 等离子体诱导损伤
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刻蚀参数
1. 刻蚀速率
• 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面不需要的材料的速度。 刻蚀速率＝ΔT/t（Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（Å或μm） t=刻蚀所用时间（min）
情况（≥3μｍ） 。
集成电路刻蚀工艺的主流技术。
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干法刻蚀的机制
物理刻蚀：利用离子碰撞被刻蚀表面的溅射效应而实现材料去 除的过程。
化学刻蚀：通过激活的刻蚀气体与被刻蚀材料的化学作用，产 生挥发性化合物而实现刻蚀。
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干法刻蚀的机制
物理化学刻蚀：通过等离子体中的离子或活性基与被刻蚀材料间 的相互作用实现刻蚀。
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反应离子刻蚀
➢ RIE （Reactive Ion Etch）机理
①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离 子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原 子团组成。
②反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射频电源电极 （称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统 的电源电极上产生一个较大的自偏置电场。
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干法刻蚀的机制
等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比
刻蚀参数 刻蚀机理 侧壁剖面
物理刻蚀 RF场垂直片面 物理离子溅射
各向异性
化学刻蚀 物理和化学刻蚀
RF场平行片面 RF场垂直片面
活性元素 离子溅射和活性
化学反应
元素化学反应
各向同性
各向异性
选择比 刻蚀速率
低/难提高 （1：1）
高
很高 （500：1）
（a）0时刻
（b）t1时刻
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刻蚀参数
5. 均匀性 • 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性
情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。 • 微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching
9源自文库
刻蚀参数
6. 聚合物
• 聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳与刻蚀气体和刻蚀生成物 结合在一起而形成的；能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀 气体类型。
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习题
• 试比较干法刻蚀和湿法刻蚀的优缺点 • 比较物理干法刻蚀和化学干法刻蚀的机制
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T
Si 基板
光刻胶 被刻蚀材料
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刻蚀参数
2. 刻蚀剖面
• 刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状。 • 两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面
Isotropic etch - etches in all directions at the same rate
Resist
Film Substrate 湿法各向同性化学腐蚀
• 聚合物的形成有时是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而 防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向 性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。
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刻蚀参数
7. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况： • 等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化
硅的击穿。 • 带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层
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反应离子束刻蚀
• 聚焦离子束(FIB)：经过透镜聚焦形成的、束径在0.1 m以 下的极微细离子束。
• FIB的离子源主要有液态金属离子源(LMIS，常选用金属 Ga)和电场电离型气体离子源(FI，常选用H2、He、Ne等) 两大类。
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反应离子束刻蚀
• 大束径离子束刻蚀：束径10~20 cm，效率高，质量均匀。 常用大束径离子束设备有两种：
进行轰击，使器件性能退化。
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干法刻蚀
• 干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比） 1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2.最小的光刻胶脱落或粘附问题 3. 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 4. 化学品使用费用低
• 干法刻蚀的缺点（与湿法刻蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
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反应离子刻蚀
• RIE: 物理刻蚀+化学刻蚀
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反应离子刻蚀
• 高密度等离子体刻蚀
• 在先进的集成电路制造技术中，传统的RIE系统不能满足0.25 微米 以下尺寸高深宽比图形的刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体 RIE系统。
• 高密度等离子体用于干法刻蚀的特征：
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反应离子刻蚀
普通RIE及高密度等RIE系统比较：
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干法刻蚀
刻蚀类型 湿法腐蚀
侧壁剖面 各向同性
示意图
各向同性(与设备和参数有关)
干法刻蚀
各向异性 (与设备和参数有关) 各向异性– 锥形
硅槽
湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 干法刻蚀有各向同性腐蚀，也
不能实现图形的精确转移， 有各向异性腐蚀。各向异性腐
一般用于特征尺寸较大的
蚀能实现图形的精确转移，是