干法刻蚀

挥发性刻蚀副产物 和其它未参加反应 的物质被真空泵抽 出反应腔。
刻蚀终止
刻蚀终止
干式蚀刻不像湿式蚀刻，具 有很高的选择比，过度的干 蚀刻可能会损伤下一层的材 料，因此，蚀刻时间的正确掌握是必要的。另外，反应器状况的 细微改变，如气体流量、温度、晶片上材料的差异，都会影响蚀 刻时间，因此必须时常去检查蚀刻速率的变化，以确保蚀刻的再 现性。使用终点测量器可以计算出蚀刻结束的正确时间，从而准 确地控制过度蚀刻的时间，以确保多次蚀刻的再现性。
2.3物理、化学刻蚀
通过活性离子对衬底的物理轰击和 化学反应双重作用刻蚀，同时兼有各向 异性和选择性好的优点。目前已成为超 大规模集成电路制造工艺中应用最广泛 的主流刻蚀技术。 。
物理、化学刻蚀的进行主要靠化学反 应来实现，加入离子轰击的作用有两方面。 1)破坏被刻蚀材质表面的化学键以提 高反应速率。 2)将二次沉积在被刻蚀薄膜表面的产 物或聚合物打掉，以使被刻蚀表面能充分 与刻蚀气体接触。由于在表面的二次沉积 物可被离子打掉，而在侧壁上的二次沉积 物未受到离子的轰击，可以保留下来阻隔 刻蚀表面与反应气体的接触、使得侧壁不 受刻蚀，所以采用这种方式可以获得非等 向性的刻蚀效果。
4.3.3 侧壁剖面
在局部(LI)氧化层介质中的接触窗口尺寸通常与具有高 深宽比的最小特征尺寸相等。对于这种类型的应用，需要 高度各项异性的垂直侧壁剖面。一个重要的因素是高密度 造过程中用到两种基本的氮化硅。一种是在 700 -800摄氏度下用LPCVD淀积的，它产生按Si3N4组成比的 氮化硅膜。另外一种低密度的氮化硅膜是在低于350摄氏 度下用PECVD淀积。由于它的低密度，PECVD生长的氮化硅 膜的刻蚀速率较快。 可用不同的化学气体来刻蚀氮化硅，常用的气体是CF4。 并与O2,和N2混合使用。增加02/N2的含量来稀释氟基的浓 度并降低对下层氧化物的刻蚀速率。另外可能用于氮化硅 刻蚀的主要气体有SiF4、NF3、CHF3 和C2F6。
Å：埃米，1埃米=0.1nm（10-10m），△T=去掉
的材料厚度（Å或μ m）t=刻蚀时间（分） ※负载效应：刻蚀速率和刻蚀面积成反比。 刻蚀速率通常与气体种类、比例、等离子体的偏压功率、 反应温度等有关系。
各向异性（侧壁剖面）
各向异性的程度（A）取决于垂直方向（垂直于衬底表 面的方向）和横向（平面内）的刻蚀速率之比。 数学表达式： A = 1 - Rl / Rv
Rv：垂直方向刻蚀速率Rl：横向刻蚀速率
理想同向异性情况下，A可近似为1。而完 全 各向同性 情况下，A = 0 。
选择比
选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料的刻 蚀速率比。 数学表达式：SR=Ef/Er Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率 Er=掩蔽层材料 的刻蚀速率（如光刻胶）
择比的控制通常与气体种类、比例、等离子
04
干法刻蚀的优点和应用
4.1相比于湿法刻蚀
能够实现各 向异性或各 更小的光 向同性刻蚀， 刻胶脱落 从而实现细 或粘附问 小图形转移 题 后的保真性
好的片内、 较低的化 片间、批 学制品和 次间的刻 处理费用 蚀均匀性
优点
对下层材 料差的刻 蚀选择比
需要昂贵 的设备支 持 缺点
4.2一个成功的干法刻蚀要求
第一部分
干法刻蚀
利用等离子体、反应离子、化学辅助离子束、气相化学等进行薄膜刻蚀的技术
目录
content
01 02
干法刻蚀的主要参数 干法刻蚀的分类 干法刻蚀的主要过程
03
04 05
干法刻蚀的优点和应用
展望
01
干法刻蚀的主要参数
选择比
刻蚀速率
刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度， 通常用Å/min表示。 数学表达式：刻蚀速率=△T/t（Å/min）
刻蚀物质向样品表 面轰击;
刻蚀物质吸附在表 面上:在离子轰击 下刻蚀物质和硅片 表面被刻蚀材料发 生反应; 。
刻蚀反应副产物在 离子轰击下解吸附 离开硅片表面
刻蚀物质吸附在表 面上:在离子轰击 下刻蚀物质和硅片 表面被刻蚀材料发 生反应; 。
刻蚀反应副产物在 离子轰击下解吸附 离开硅片表面; :
物理方法
化学方法
物理、化学方法
离子轰击
各向异性 选择性差 衬底损伤
等离子体刻蚀
各向同性 良好的选择性 衬底损伤小
反应离子刻蚀
各向异性 较好的选择性 介于中间
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03
干法刻蚀的主要过程
刻蚀物质的产生： 射频电源施加 在一个充满刻蚀气 体的反应腔上，通 过等离子体辉光放 电产生电子、离子、 活性反应基团。
属刻蚀的要求主要有以下几点: 1、高刻蚀速率(大于1000nm/min) 2、对下面层的高选择比，掩蔽层(大于4:1)和层间介质层(大于 20:1)。 3、高的均匀性 4、没有等离子体诱导充电带来的期间损伤。 5 、残留污染少 6、快速去胶， 通常是在一个专用的去胶腔体中进行，不会带 来残留物污染。 7、不会腐蚀金属。
05
展望
干法技术的出现是由于集成 电路制造工艺的需要，其发展也 是伴随集成电路的不断微细化和 高集成化而完善更新。目前已成 为生产不可缺少的关键技术，而 且集成电路的器件性能和生产水 平很大程度上取决约干法刻蚀技 术，现在干法刻蚀设备的投资， 已成为集成电路大规模产业化的 重要部分。
光学放射频谱分析
光学放射频谱分析是利用侦测 电浆中某种波长的光线强度变 化来达到终点侦测的目的。光 学放射频谱分析是最常用的终点侦测器，因为它可以很容易地加 在蚀刻设备上，而且不影响蚀刻的进行，而且，它对反应的细微 变化可以灵敏地侦测，同时可提供有关刻蚀反应过程中许多有用 的资料。
质谱分析
质谱分析法是利用刻蚀腔壁 上的洞来对电浆中的物质成 分取样，取得的中性粒子为 灯丝所产生的电子束解离成离子，离子经由电磁场而偏折，不 同质量偏折程度不同，因而可将离子分辨出来，不同的离子可 借由改变电磁场收集到。当应用终点侦测器时，则将电磁场固 定在欲观测分析的电磁场，观察记数的连续变化便可得知蚀刻 终点。此外，它还可以提供在蚀刻前后蚀刻腔内成分的相关咨 询。
常见的侦测方法有三种: 镭射干涉及反射度量 (laser interferometry and reflectivity)、 光学放射频谱分析 (optical emission spectroscopy) 以及质谱分析 (mass spectroscopy)。
镭射干涉.反射度量
镭射干涉度量是利用干涉效应 来侦测薄膜厚度的变化。而镭 射反射度量则是利用不同物质 间反射系数的差异来判断刻蚀 终点。
体的偏压功率、反应温度等有关系。 高选择比可以使工艺达到更好的掩膜效果和 高保真的图像传递效果。
均匀度
均匀度是表征晶片上不同位置的刻蚀速率差异的一个指
标。 较好的均匀度意味着晶片有较好的刻蚀速率和优良成品 率。
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。它常常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底部
4.3.2 光刻胶的选择比
为了防止形成倾斜的侧墙，获得高的氧化硅/光刻胶选 择比是很重要的。光刻胶用于定义要刻蚀的图形。在接触 孔和通孔的刻蚀中，数百万的孔被同时刻蚀，每个孔中都 需要去除精确数量的表层材料，而孔常常位于不同的深度， 一种 见效光刻胶选择比的因素是在高密度等离子体重活性 氟原子的有效生成。自由的氟原子会刻蚀掉有机的光刻胶 的选择比。另外，需要刻蚀抗反射涂层，这延长了刻蚀时 间，进一步减小了光刻胶的厚度。
。
02
干法刻蚀的分类
2.1物理刻蚀
物理性刻蚀是利用辉光放电将 气体(如Ar气)电离成带正电的离子, 再利用偏压将离子加速,溅击在被刻 蚀物的表面而将被刻蚀物的原子击 出--溅射,该过程完全是物理上的能 量转移,故称物理性刻蚀。
物理刻蚀机理
2.2化学刻蚀
化学刻蚀机理
化学性刻蚀利用等离子体中的化学 活性原子团与被刻蚀材料发生化学反应， 从而实现刻蚀目的。 由于刻蚀的核心还是化学反应（只 是不涉及溶液的气体状态），因此刻蚀 的效果和湿法刻蚀有些相近，具有较好 的选择性，但各向异性较差。
3.6 硅的干法刻蚀
硅的等离子体干法刻蚀是硅片制造中的一项关键工艺 技术，用等离子体刻蚀的两个主要硅层是制作MOS栅结构 的多晶硅柵和制作器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅 槽。
4.5 多晶硅的刻蚀
在MOS器件中，掺杂的LPCVD多晶硅是用做柵极的导 电材料。掺杂多晶硅线宽决定了有源器件的柵长，并会影 响晶体管的性能。刻蚀多晶硅(硅)通常是一个三步工艺工 程。这使得在不同的刻蚀步骤中能对各向异性刻蚀和选择 比进行优化。这三个步骤是: (A)、第一步是预刻蚀，用于 去除自然氧化层、硬的掩蔽层和表面污染物来获得均匀的 刻蚀。 (B)、 接下来的是刻蚀至终点的主刻蚀。这一步用来刻 蚀掉大部分的多晶硅膜，并不损伤柵氧化层和获得理想的 各向异性的侧壁剖面。
偏各向异性，对硅的选择性好，对二氧化硅的选 择性差。 偏各向异性，对硅、二氧化硅的选择性都好。
SF6,CF4
偏各向同性，侧向同性，对二氧化硅的选择性差。
偏各向异性，对二氧化硅没有选择性。 偏各向同性，对二氧化硅选择性高
多晶硅
CF4/H2,CHF3 CF4/O2
刻蚀的主要气体分为惰性系、腐蚀系、氧化系以及C、F系
(C)、最后一步是过刻蚀，用于去除刻蚀残留物和剩余 的多晶硅，并保证对柵氧化层的高选择比，这一步应避免 在多晶硅周围的栅氧化层形成微槽。 多晶硅珊是难以刻蚀的结构，在刻蚀过程中需要仔细 且精密。具有0.15μm特征尺寸器件的柵氧化层厚度是 20~30A ( 等6 ~10个氧化硅原子层的厚度)。氧化硅厚度的损 伤不得超过5A (大约1.5个氧化硅原子层)。为了防止栅氧化 层的穿透，刻蚀的选择比要大于150:1;为了去除刻蚀残留 物和多余的多晶硅，过刻的选择比要大于250:1。
3.6.2 单晶硅的刻蚀
单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽,如器件隔离沟槽或高密 度。在集成电路中硅槽的刻蚀要求对每一个沟槽都进行精 确地控制。在微米甚至亚微米结构中，每个沟槽都要求一 致的光洁度、接近垂直的侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽 顶角和底角。
3.7 金属的刻蚀
金属刻蚀的一个主要应用是作为金属互联线的铝合金刻蚀。金
刻蚀对象
典型刻蚀气体 SF6,CF4/O2 CF4/H2,CHF3/O2 CHF3/C4F8/CO
每组刻蚀气体特点
偏各向同性，侧向刻蚀严重，对硅的选择性差。 偏各向异性，对硅有选择性。 偏各向异性，对氮化硅选择性高。
二氧化硅
CF4/O2
氮化硅
CF4/H2 CHF3/O2
偏各向同性，对硅的选择性差，对二氧化硅的选 择性好。
01
高的选择比
02
接受范围
内的刻蚀 速率
03 0
好的侧壁剖面控制 3 低的器件损伤
04
好的片内 均匀性
05
好的侧壁
剖面控制
设备参数
●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
工艺参数
●等离子体——表面相互作用 —表面材料 —表面温度 —表面电荷 —表面形貌 ●化学和物理要求 ●时间
其他相关因素
●净化间规范 ●操作过程 ●维护过程 ●预防维护计划
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4.3氧化物的干法刻蚀
刻蚀氧化物通常是为了制作接触孔和通孔。这些事很 关键的应用，要求在氧化物中刻蚀出具有高深宽比的窗口。 对于DRAM应用中的0.18um图形，深宽比希望能达到6:1,对 下层的硅和硅化物、多晶硅的选择比要求大约50:1。有一 些新的氧化物刻蚀应用，如有新沟槽刻蚀和高深宽比刻蚀 要求的双大马土革结构,也有低的深宽比通孔刻蚀，如非关 键性的氧化物刻蚀应用。
4.3.1 下层材料的选择比
氧化物刻蚀的主要困难之一是获得对下层材料(通常是 硅、氮化硅或者一层抗反射图层)的高选择比。获得对硅的 高选择比的一种方法是通过在化学气体中加入氧气来控制 氧化物和硅之间的选择比。少量的氧气能改善氧化物刻蚀 和硅刻蚀的速率。当氧气浓度大至大约20%时，氧化物刻 蚀比硅刻蚀要更快，增大了选择比,减少了对下层硅的刻蚀。 另种提高选择比的方法是在气体混合物中加入氢气，减少 硅的刻蚀速率，当氢气浓度达到大约40%是，硅刻蚀的速 率几乎为零。同时，氧化物刻蚀速率在氢气浓度低于40% 的时候几乎不受什么影响。