(第六章)刻蚀解读

干法刻蚀过程
硅片的等离子体刻蚀过Βιβλιοθήκη Baidu图

刻蚀作用

等离子体的电势分布
①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成 辉光放电的等离子体； ②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离 开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一 个相对地为负的自偏置直流电压； ③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生 一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；
Plasma-etching a wafer

等离子体—表面相互 作用: - 表面材料 - 复合金属的不同层 - 表面温度 - 表面电荷 - 表面形貌 化学和物理要求 时间
其它相关因素:

质量指标:



净化间规范 操作过程 维护过程 预防维护计划
刻蚀速率 选择比 均匀性 特性曲线 关键尺寸 残留物


等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：发生刻蚀 反应的反应腔、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。 干法等离子体反应器的类型： 圆桶式等离子体反应器；顺流刻蚀系统(化学作用) 离子铣 (物理作用) 平板反应器；三级平面反应器；反应离子刻蚀 （RIE)；高密度等离子体刻蚀机(物理+化学作用)

干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反 应－各向同性刻蚀（化学刻蚀） 7. 副产物解吸附 8. 副产物去除
(b) Substrate after etch
6.1 引 言
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：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等 离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。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。大于3微米 按被刻蚀的材料分：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀 有图形刻蚀和无图形刻蚀

1. 圆桶式等离子体刻蚀机
圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅 片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用 于氧等离子体的去胶工艺。
典型圆桶式反应器结构

圆桶式等离子体刻蚀机理
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。
4）工作压力：小于0.1Torr

6.2 刻蚀参数

为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满
足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。

刻蚀参数
1. 刻蚀速率 2. 刻蚀剖面 3. 刻蚀偏差 4. 选择比 5. 均匀性 6. 残留物 7. 聚合物 8. 等离子体诱导损伤 9. 颗粒沾污和缺陷
1. 刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。 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）
Film Substrate
湿法各向同性化学腐蚀
具有垂直刻蚀剖面的 各向异性刻蚀
湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面
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)
各向异性 (与设备和参数有关) 干法刻蚀 各向异性– 锥形
硅槽

湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 不能实现图形的精确转移， 一般用于特征尺寸较大的 情况（≥3μｍ） 。
刻蚀参数 刻蚀机理 侧壁剖面 选择比
刻蚀速率
线宽控制
高
好
慢
非常差
适中
很好
6.5 干法刻蚀的应用
刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类 ULSI对刻蚀的挑战 1. 大直径硅片（φ200mm以上）的刻蚀均匀性 2. 深亚微米关键尺寸、高深宽比（达到6：1）的 成功刻蚀 3. 对下层材料的高选择比（50：1）


介质的干法刻蚀
1. 氧化硅的刻蚀 工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔 刻蚀工艺
1）刻蚀气体：两种（CF4＋H2＋Ar＋He）
或（CHF3 ＋Ar＋He）
2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理溅射离子：Ar＋、 CF3＋等，CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，加入H2后以 HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基（F原子）提高对 下层Si的选择比，He为稀释剂改善刻蚀均匀性。
1. 等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率
2. 系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获
得高深宽比的槽；
3. 系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小
对Si片表面的轰击损伤。

4. 终点检测 终点检测的常用方法：光发射谱法

光发射谱法终点检测机理 在等离子体刻蚀中，反应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。
(a)



4. 选择比 选择比：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: 意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而 对其下层材料和光刻胶不刻蚀。 SiO2对光刻胶的选择比＝（ΔTsio2/t1）/（ΔT胶/t1） ＝ ΔTsio2/ΔT胶
（a）0时刻
（b）t1时刻
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。 ARDE效应-微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching
Emax：最大刻蚀速率 Emin：最小刻蚀速率 Eave：平均刻蚀速率
微负载效应
6. 残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料。 残留物的去除：湿法去胶时去除 7. 聚合物 聚合物的形成有时是有意的，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。
1）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。
2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面 上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。 9. 颗粒沾污
颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常
遇到的问题，应尽量减少。
列举刻蚀的9个重要参数？ 思考：残留物和颗粒沾污的区别？
6.3 干法刻蚀
④等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源电 极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频率和 上下电极面积的比值。

等离子体的电势分布
刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图
等离子体的电位相对于接地电极来说是正的， 等离子体区域中的电势在系统中最大

改变等离子体刻蚀参数的影响
6.4 干法刻蚀系统及其刻蚀机理


3. 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。

高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋加速振荡ECR 系统、电感耦合等离子体（ICP） RIE 系统、磁增 强RIE系统等。

3. 高密度等离子体刻蚀ICP－RIE系统

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。
在等离子刻蚀中被激发的基团的特征波长
■
等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比
物理刻蚀 RF场垂直片面 物理离子溅射 各向异性 低/难提高 （1：1） 化学刻蚀 RF场平行片面 活性元素 化学反应 各向同性 很高 （500：1） 物理和化学刻蚀 RF场垂直片面 离子溅射和活性 元素化学反应 各向异性 高（5：1 ～100：1）


ULSI对刻蚀的要求
1. 对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料） 的高选择比 2. 可接受产能的刻蚀速率 3. 好的侧壁剖面控制 4. 好的片内均匀性 5. 低的器件损伤 6. 宽的工艺窗口

工艺优化
设备参数:

工艺参数:



设备设计 电源 电源频率 压力 温度 气流速率 真空状况 工艺菜单

干法刻蚀有各向同性腐蚀，也 有各向异性腐蚀。各向异性腐 蚀能实现图形的精确转移，是 集成电路刻蚀工艺的主流技术。
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
Wb Wa Resist Film Substrate Overetch Undercut Bias Resist Film Substrate (b)

ICP－RIE系统具有结构简单成本低被广泛采用 高密度等离子是指在相同的工作压力下，等离子
体中反应基（自由基、反应原子或原子团）的密
度比传统等离子中高。

ICP－RIE设备 生产厂家： 美国TRION公司 型号：MNL/D Ⅲ

ICP－RIE设备

ICP－RIE设备

高密度等离子体刻蚀的特点：

干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比）
1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2. 好的CD控制 3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题 4. 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 5. 化学品使用费用低

干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比）
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

等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。

2. 反应离子刻蚀（RIE）系统 RIE（Reactive Ion Etch）物理刻蚀+化学刻蚀

反应离子刻蚀（RIE）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。
T = change in thickness T 光刻胶
被刻蚀材料
t = elapsed time during etch
Start of etch
End of etch
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
Anisotropic etch - etches in only one direction Isotropic etch - etches in all directions at the same rate Resist Resist Film Substrate

聚合物（Polymer）的形成

聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳并与刻蚀 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。 聚合物的缺点：聚合物在刻蚀结束后难以去除；

在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻
蚀速率，增加反应室的清洗工作。
8. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：
刻蚀SiO2的反应式： 在RF作用下工艺气体分解电离： CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋Ar+＋ He+ CF3活性基与SiO2发生化学反应： 4CF3＋ 3SiO2 → 3SiF4 ↑＋ 2CO2 ↑＋ 2CO↑ 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统， 亚微米以下采用ICP－RIE系统
第六章
刻蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的 工艺过程称为刻蚀。 刻蚀示意图：

Photoresist mask
Film to be etched
Photoresist mask
Protected film
(a) Photoresist-patterned substrate