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1、第七章 真空、等离子体 与刻蚀技术 7.1 真空压力范围与真空泵结构 7.2 真空密封与压力测量 7.3 等离子产生 主要内容主要内容 7.4 刻蚀的基本概念 7.5 湿法刻蚀机理 7.6 化学机械抛光（CMP） 7.7 干法刻蚀机理 7.8 干法刻蚀设备 7.9 常用材料的干法刻蚀 7 7. .1 1 真空压力范围与真空泵结构真空压力范围与真空泵结构 初真空初真空0.1 Torr760 Torr10 Pa105 Pa 中真空中真空10-4 Torr10-1 Torr10-2Pa10Pa 高真空高真空10-8 Torr10-4 Torr10-6Pa10-10Pa 超高真空超高真空晶向的硅进行各
2、向异性腐蚀，会产生 清晰V型槽，沟槽边缘为（111）晶面，与（100）的表面有54.7夹角。若 打开图案窗口足够大或是腐蚀时间足够短，会形成一个U型槽。若使用的是 晶向的硅，会得到侧壁垂直的沟槽，此时侧壁为(111)面。 3.3.氮化硅的腐蚀氮化硅的腐蚀 氮化硅(Si3N4) 是一种不活泼的致密材料，它在半导体制程上的作用主要是 作为场氧化层(field oxide)在进行氧化成长时的遮盖层，以及集成电路器件层 制备后的保护层以及侧墙隔离等。 通常采用浓度85%的磷酸磷酸(H3PO4)在150左右的溶液进行刻蚀，发生的反 应如下： Si3N4+ 4H3PO4+ 10H2O = Si3O2(OH
3、)8+ 4NH4H2PO4 热磷酸对氮化硅及二氧化硅的刻蚀选择比远大于HF和BOE刻蚀氮化硅时对 二氧化硅的选择比，可以有效防止刻蚀的钻蚀现象。 氮化硅的腐蚀速率与生长方式有关，以PECVD方式所得到的氮化硅会比 以高温低压化学气相沉积（LPCVD）方式得到的氮化硅的刻蚀速率快得多。 高温磷酸容易造成光刻胶的剥落，必须使用二氧化硅作为掩盖层。 材料材料腐蚀剂腐蚀剂注释注释 SiO2HF（水中含49%）“纯HF”对Si有选择性（即比较而言对硅的腐蚀很慢）。腐蚀速率依赖 于膜的密度、掺杂等因素。 NH4F：HF（6:1）“缓冲HF”或 “BOE” 是纯HF腐蚀速率的1/20。腐蚀速率依赖于膜的密度
4、、掺杂等因 素。不像纯HF那样使胶剥离 Si3N4HF（49%）腐蚀速率主要依赖于薄膜密度、膜中O、H的含量 H3PO4：H2O（沸点130150）对SiO2有选择性，需要氧化物掩膜 AlH3PO4：H2O：HNO3：CH3COOH （16:2:1:1） 对Si、SiO2和光刻胶有选择性 多晶硅HNO3：H2O：HF（+CH3COOH） （50:20:1） 腐蚀速率依赖于腐蚀剂组成 单晶硅HNO3：H2O：HF（+CH3COOH） （50:20:1） 腐蚀速率依赖于腐蚀剂组成 KOH：H2O：IPA （23wt% KOH，13wt% IPA） 对于晶向有选择性 相应腐蚀速率（100)：（111
5、）= 100:1 TiNH4OH：H2O2：H2O（1:1:5）对TiSi2有选择性 TiNNH4OH：H2O2：H2O（1:1:5）对TiSi2有选择性 TiSi2NH4F：HF（6:1） 光刻胶H2SO4：H2O2（125）适用于无金属的硅片 有机剥离液适用于含金属的硅片 ICIC工艺中常用材料的湿法腐蚀剂工艺中常用材料的湿法腐蚀剂 7.6 7.6 化学机械抛光化学机械抛光 化学机械抛光（CMP）是获得全局平坦化获得全局平坦化的一种手段，为了能够获得即 平坦又无划痕和杂质玷污的表面，其原理图如下所示： 研磨速率公式pvkRR p = 典型速率一般为每分钟几千埃，增加抛光盘压力，研磨去除的速
6、率将 随之线性增加，但是通常被抛光图形的台阶的高度比率也增加，同时残 留的氧化损伤以及表面金属玷污也随之增加 7.7 7.7 干法刻蚀机理干法刻蚀机理 干法刻蚀是采用等离子体进行刻蚀的技术 干法刻蚀与湿法刻蚀相比具有以下优点：干法刻蚀与湿法刻蚀相比具有以下优点： 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁控制 良好的关键尺寸（ CD）控制 最小的光刻胶脱落或粘附问题 良好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 较低的化学制品使用和处理费用 然而干法刻蚀也存在一些缺点，然而干法刻蚀也存在一些缺点，最主要的是对下层材料的 选择比不高、等离子体带来的器件损伤以及昂贵的设备。 根据原理分类根据原理分类 溅射与离子
7、铣溅射与离子铣 （纯物理）（纯物理） 等离子刻蚀等离子刻蚀 （纯化学）（纯化学） 反应离子刻蚀反应离子刻蚀 （物理（物理+化学）化学） 介质SiO2or Si3N4 衬底 光刻胶 介质 衬底 光刻胶 干法刻蚀的两种机制：化学刻蚀和物理刻蚀干法刻蚀的两种机制：化学刻蚀和物理刻蚀 溅射与离子铣刻蚀溅射与离子铣刻蚀（纯物理纯物理） 等离子体产生的带能粒子（正离 子）在强电场下朝硅片表面加速， 这些离子通过溅射刻蚀作用除去 未被保护的硅片表面材料。一般 是用惰性气体，如氩(Ar)。这种 机械刻蚀的好处在于它有很强的 方向性，从而可以获得高的各向 异性刻蚀剖面，以获得很好的线 宽控制。这种溅射刻蚀速率高
8、， 然而选择比差。另一个问题是被 溅射作用去除的表面元素是非挥 发性的，可能会重新淀积到硅片 表面，带来颗粒和化学污染。 优点：定向性和普适性优点：定向性和普适性缺点：低刻蚀比和低生产能力缺点：低刻蚀比和低生产能力 离子铣常用的Kaufman离子源：离子轰 击能量和离子流密度直接和独立控制 离子铣可能存在的问题离子铣可能存在的问题 图形质量不高，表面损伤较大，刻蚀选择性不高图形质量不高，表面损伤较大，刻蚀选择性不高 改善办法：引入反应性泄放器改善办法：引入反应性泄放器 该种刻蚀又称离子辅助化学刻蚀法该种刻蚀又称离子辅助化学刻蚀法 等离子体刻蚀等离子体刻蚀(Plasma(Plasma Etchi
9、ng)Etching) （化学化学） 等离子体产生的反应元素（自由基和反应原子）与硅片表面物质发生 反应。为了获得高的选择比（即为了与光刻胶或下层材料的化学反应最 小），进入腔体的气体（一般含氯或氟）都经过了慎重选择。等离子体化 学刻蚀由于它是各向同性的，因而线宽控制差。反应产生的挥发性物质可 以被真空泵抽走。 反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive(Reactive IonIon Etching,RIE)Etching,RIE)（物理物理+ +化学化学） 将物理方法和化学方法结合，产生的方法称为反应离子刻蚀（RIE）， 通过高能离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，同时兼具各向 异
10、性和选择性好的优点。目前，RIE已经成为VLSI工艺中最广泛应用的主 流刻蚀技术。 等离子体刻蚀和反应离子刻蚀机理等离子体刻蚀和反应离子刻蚀机理 反应离子刻蚀反应离子刻蚀(RIE)(RIE)过程过程 反应离子刻蚀实例：反应离子刻蚀实例：XeFXeF2 2+ Ar+ Ar+ +ion beamion beam 上图为引入XeF2气体和Ar+进行刻蚀反应的速率曲线，可以发现只有当两者 都存在时，才能获得较高的刻蚀速率。并且刻蚀的各向异性和选择性都较好。 RIERIE可能同时存在很多机制，两种最主要的机制如下图所示：可能同时存在很多机制，两种最主要的机制如下图所示： 离子轰击提高了表面化学反应速率提
11、高了表面化学反应速率，增强刻蚀效果 同时离子轰击能够除去反应过程中产生的副产物除去反应过程中产生的副产物（例如由气体或光刻胶产 生的聚合物），消除它们对刻蚀的抑制作用 因此等离子体反应离子刻蚀机制具有很好的选择性 RIERIE系统分类：平板式和六角式系统分类：平板式和六角式 平板式平板式 六角式六角式 实际刻蚀过程中，侧壁因为没有 离子轰击而逐渐积累氟碳化合物(有时 也称polymer)。这种“聚合作用聚合作用”在 侧壁形成的保护膜阻止了横向刻蚀的 发生。 实际刻蚀的形状与聚合物沉积和 刻蚀速率的比有关，如右图所示。左 列为聚合物沉积速率大于刻蚀速率所 导致的结果，右列为聚合物沉积速率 小于刻
12、蚀速率所导致的结果。 RIERIE需要注意的问题需要注意的问题 调节聚合物可控制刻蚀的侧壁形貌调节聚合物可控制刻蚀的侧壁形貌 充分利用“聚合作用”：充分利用“聚合作用”： Bosch ProcssBosch Procss 去除“聚合作用”：去除“聚合作用”：两步两步RIERIE刻蚀刻蚀 湿法与干法刻蚀的机理总结湿法与干法刻蚀的机理总结 选择性选择性 气压气压 能量能量 各向异性各向异性 物物 理理 过过 程程 化化 学学 过过 程程 高密度等离高密度等离 子体刻蚀子体刻蚀 溅射刻蚀和溅射刻蚀和 离子束铣离子束铣 反应离反应离 子刻蚀子刻蚀 等离子等离子 体刻蚀体刻蚀 湿法化湿法化 学腐蚀学腐蚀
13、 7.8 7.8 干法刻蚀设备干法刻蚀设备 筒型刻蚀设备 纯化学刻蚀 用于非关键工艺，例如去胶 平行板平行板刻蚀设备：刻蚀设备：RIERIE工作模式工作模式 传统RIE设备除利用活性基团与薄膜反应之外，还利用高能离子对薄膜进 行轰击，去除再沉积的反应产物或聚合物 优点是构造简单，加工成本低廉 缺点：增加等离子体密度的同时需要增加离子轰击能量，破坏薄膜或晶圆 结构 平行板刻蚀设备：平行板刻蚀设备：ICPICP工作模式工作模式 ICP采用三电极结构分离等离子体的产生与加速电场，增加等离子体密度。 干法刻蚀设备的发展：干法刻蚀设备的发展：高密度等离子体刻蚀设备高密度等离子体刻蚀设备 由于干法刻蚀工艺
14、逼近传统的RIE系统极限，高密度等离子体源（HDP， high density plasma）的需求日益显现，如电子回旋共振等离子如电子回旋共振等离子（ECR， electron cyclotron resonance）、电感耦合等离子体电感耦合等离子体（ICP, inductive coupled plasma）等得到了发展等得到了发展，这些设备均拥有高等离子体密度与低工艺压强的优点。 HDP等离子体源对衬底的损伤较小，因为衬底有独立的偏压源与侧电极电 势，并且拥有较高的各向异性（低压下高等离子体密度），是目前IC制造中主 流的干法刻蚀设备。 ECRECR刻蚀设备刻蚀设备 当电子回旋共振频率
15、等于外加微波频率时，电子能量与外加磁场产生共振 耦合，产生很高的离化程度 此设备最大限制为有效面积，与激发等离子体的频率密切相关 ICPICP刻蚀设备刻蚀设备 7 7. .9 9 常用材料干法刻蚀常用材料干法刻蚀 1. 二氧化硅 从早期干法刻蚀到现在，大多采用含氟碳化合物的等离子体进行SiO2的干法 刻蚀。所使用气体从早期的四氟化碳(CF4)到现在的CHF3,或是C2F6和C3F8，都 可以用来提供碳原子及氟原子的反应气体。以CF4为例，刻蚀过程可用下列反 应表示： SiSi + + 4 4F F = = SiFSiF4 4 SiOSiO2 2+ + 4 4F F = = SiFSiF4 4
16、+ + O O2 2 在一个低能量的纯氟流束中，室温下，Si与SiO2的刻蚀选择比为50:1，在- 30条件下的刻蚀选择比则是100:1。 加入少量的氧气能够提高Si和SiO2的刻蚀速率 加入少量的氢气可以降低Si和SiO2的刻蚀速率 CFCF4 4刻蚀刻蚀SiSi机理机理 1 2 3 在在CFCF4 4进气中加入少量的氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀速率进气中加入少量的氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀速率 原理：氧气与碳原子反应生成CO和CO2，因此从等离子体中去掉了一些碳， 从而增加了氟的浓度。这些等离子体称为富氟等离子体。 右图为Si与SiO2在CF4-O2等离子 体中刻蚀速率与O2所占百分比的 关系。可以看出氧添加之后对Si的 刻蚀速率提升比SiO2的刻蚀要快。 当氧添加含量超过一定值后，二 者的刻蚀速率开始下降，是因为 气相的氟原子再结合形成氟分子 使得自由氟原子减少的缘故。另 一方面二者的选择比也会急剧下 降，因为吸附在硅表面的氧原子 和氧分子会使
