第二章干法刻蚀的介绍

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1、第二章干法刻蚀的介绍2. 1刻蚀、干法刻蚀和湿法腐蚀2. 1 .1关于刻蚀刻蚀，是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基 本目的，是在涂胶（或有掩膜）的硅片上正确的复制出掩膜图形1。刻蚀，通常是在光刻工艺之后进行。我们通常通过刻蚀，在光刻工艺之后，将想要的图 形留在硅片上。从这一角度而言，刻蚀可以被称之为最终的和最主要的图形转移工艺步骤。 在通常的刻蚀过程中，有图形的光刻胶层或掩膜层）将不受到腐蚀源显著的侵蚀或刻蚀， 可作为掩蔽膜，保护硅片上的部分特殊区域，而未被光刻胶保护的区域，则被选择性的刻蚀 掉。2.1.2干法刻蚀与湿法刻蚀在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺

2、：干法刻蚀和湿法腐蚀。干法刻蚀，是利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于 等离子体中的硅片行物理和化学反应，刻蚀掉硅片上暴露的表面材料的一种工艺技术法：1】。 该工艺技术的突出优点在于，可以获得极其精确的特征图形。超大规模集成电路的发展，要 求微细化加工工艺能够严格的控制加工尺寸，要求在硅片上完成极其精确的图形转移。任何 偏离工艺要求的图形或尺寸，都可能直接影响产品性能或品质，给生产带来无法弥补的损害。 由于干法刻蚀技术在图形轶移上的突出表现，己成为亚微米尺寸下器件刻蚀的最主要工艺方 法。在特征图形的制作上，已基本取代了湿法腐蚀技术。对于湿法腐蚀，就是用液体化学试剂（

3、如酸、碱和溶剂等）以化学的方式去除硅片表面的 材料。当然，在通过湿法腐蚀获得特征图形时，也要通过经光刻开出的掩膜层窗口，腐蚀掉 露出的表面材料。但从控制图形形状和尺寸的准确性角度而言，在形成特征图形方面，湿法 腐蚀一般只被用于尺寸较大的情况（大于3微米）。由于这一特点，湿法腐蚀远远没有干法刻 蚀的应用广泛。但由于它的高选择比和批量制作模式，湿法腐蚀仍被广泛应用在腐蚀层间膜、 去除干法刻蚀残留物和颗粒等工艺步骤中。2. 2干法刻蚀的原理2. 2. 1干法刻蚀中的等离子体干法刻蚀工艺是利用气体中阴阳粒子解离后的等离子体来进行刻蚀的。所谓的等离子 体，宇宙中99%的物质，均处于等子状态。其中包含了中

4、性的粒子、离子和电子，它们混 合在一起，表现为电中性。在干法刻蚀中，气体中的分子和原子，通过外部能量的激发，形 成震荡，使质量较轻的电子脱离原子的轨道与相邻的分子或原子碰撞，释放出其他电子，在 这样的反复过程中，最终形成气体离子与自由活性激团。而干法刻蚀，则利用了气体等离子 体中的自由活性激团与离子，与被刻蚀表面进行反应，以此形成最终的特征图形2。2.2.2干法刻蚀的特征干法刻蚀与湿法腐蚀工艺利用药液处理的原理不同，干法刻蚀在刻蚀表面材料时，既存 在化学反应又存在物理反应。因此在刻蚀特性上既表现出化学的等方性，又表现出物理的异 方性。所谓等方性，是指纵横两个方向上均存在刻蚀。而异方性，则指单一

5、纵向上的刻蚀。2.2. 3干法刻蚀过程我们可以了解到干法刻蚀的主要过程。反应腔体内气体等离子体中的离子，在反应腔体 的扁压作用下，对被刻蚀的表面进行轰击，形成损伤层，从而加速了等离子中的自由活性激 团在其表面的反应，经反应后产生的反应生成物，一部分被分子泵从腔体排气口排出，一部 分则在刻蚀的侧壁上形成淀积层。干法刻蚀就是在自由活性激团与表面反应和反应生成物不 断淀积的过程中完成的。离子轰击体现了干法刻蚀的异方性，而由于侧壁的淀积，则很好的 抑制了自由活性激团反应时，等方性作用对侧壁的刻蚀3。正因为干法刻蚀这一物理反应和 化学反应相结合的独特方式，在异方性和等方性的相互作用下，可以精确的控制图形

6、的尺寸 和形状，体现出湿法刻蚀无法比拟的优越性，成为亚微米图形刻蚀的主要工艺技术之一。随着微细化加工的深入发展，干法刻蚀工艺技术已贯穿了整个制品流程，参与到了各个关 键的工艺工序中。从器件隔离区、器件栅极、LDD侧壁保护、接触孔与通孔、孔塞、上下 部配线的形成，到金属钝化以及光刻胶的剥离与底部损伤层的修复，均涉及了干法刻蚀技术。 2.3 . 1刻蚀气体的分类主要分为：惰性系、腐蚀系、氧化系以及C，F系。2. 3. 2刻蚀反应的分类刻蚀反应，包括了物理反应和化学反应。根据等离子体中自由活性激团与主要表面材料 的刻蚀反应，其基本化学反应式可归纳为如下几种。SiO2： 3SiO2+4CF3*3SiF

7、4 f+2 COT+2CO2 fSi:Si+4F*-SiF4? Si+4C1SiC14 fW:W+6F*WF6fA1:A1+3CUA1C13f当然，在实际的刻蚀过程中，根据加工工序的要求，以及被刻蚀图形的膜层结构，还包 括了上述以外的其他材料。如，金属刻蚀中的Ti, TiN；金属配线层之间的有机或无机silica； 钝化刻蚀中的SiON3；以及其他介质膜刻蚀中的SiN等。2.3.3刻蚀应用的分类干法刻蚀，主要应用在图形形成工艺中。随着在生产制造上的广泛应用，针对图形加工， 干法刻蚀可细致的被分为：有图形刻蚀和无图形刻蚀两大类。大部分干法刻蚀工艺，涉及有图形刻蚀。而对于部分无图形刻蚀，仍然可以通

8、过干法刻 蚀来完成。如，LDD侧壁、孔塞、光刻胶的剥离。虽然在前儿节中曾描述了无图形刻蚀是 湿法腐蚀的项目之一。但根据生产工艺的需要，在部分关键的无图形刻蚀中，均采用了干法 刻蚀技术。除剥离工艺外，类似这样的全面干法刻蚀，通常被称为回刻即，ETCH BACK)。 如，LDD的侧壁刻蚀。LDD侧壁的形状和尺寸的好坏，会直接影响器件的特性，用干法刻 蚀进行刻蚀的控制是最好的选择。加上湿法腐蚀对于氧化膜的腐蚀作用和等方性特征，是无 法形成LDD侧壁的特殊形貌的。另外，在钨塞的形成工艺中，采用了钨的干法回刻工艺。 湿法的全面腐蚀是无法精确控制钨塞损失量的。而在剥离方面，如STI氮化硅剥离和钦在制 备晶

9、体管侧墙注入时与硅化物结合后的剥离。对光刻胶而言，则是另一个干法剥离的例子。另外，根据各加工工序、被刻蚀材料膜质的不同，干法刻蚀工艺又可以被细分成如下几 项：a. 硅基板刻蚀(silicon etch)。由于微细化的要求，栅极寸法越来越小，配线间的寸法要求 也非常严格，为防止配线间的短路和确保光刻时的寸法精度，要求在形成器件隔离区 时须具备较高的平坦度。因此，对于隔离区的刻蚀已从原先的氮化膜刻蚀逐步发展为 硅基板+氮化膜刻蚀。当然，除隔离区的形成外，在一些大功率管的制造过程中也 采用了硅基板刻蚀。b. 氮化膜刻蚀(SiN etch)。如前所述，多用于器件隔离区的刻蚀。此外，还运用在特殊的 LD

10、D侧墙形成的工艺中。但由于刻蚀工程中的金属污染问题，此类刻蚀必须与隔离区 的刻蚀设备分离使用。c. 金属多晶硅刻蚀(W-silicide etch)。多用于栅极刻蚀。在一些foundry产品中，也用于电 容形成时的刻蚀。其涉及的工序主要包括LDD侧墙、容量、接触孔与通孔的刻蚀。同样由于微细化的发展，为形成极小寸法的栅极，在栅极刻蚀中已大量采用氧化膜代 替树脂光刻胶作为掩膜，因此回涉及到氧化膜刻蚀进行刻蚀。同样，考虑到栅极部分的金属污染，此类设备应与其他氧化膜刻蚀。如上各工序的设备必须注意分离使用4。e. 多晶硅刻蚀(poly-silicon etch)。此类刻蚀多运用于回刻工序。如，DOPOS

11、膜添埋后的 回刻等。f. 金属刻蚀(metal etch)。涉及各种金属配线、金属回刻工序和接触金属刻蚀。包括钨、 铝、钦、氮化钦、孔塞和金属硅化物的刻蚀。g. 金属钝化刻蚀(SioN3 etch )。运用在器件层完全形成后，最上部PAD引线图形形成的 工序中。由于在刻蚀过程中下部金属配线的关系，此类设备也必须与同类非金属膜刻 蚀设备严格区分。h. 去胶刻蚀(Ash etch)。由于设备本身与刻蚀工序的特殊性，它与上述刻蚀设备存在较大 区别。它对应的工序较为广泛，不仅运用于干法刻蚀后的去胶、损伤层的修复。还应 用在离子注入后晶格修复、亲疏性处理等工艺工序中。综上所述，干法刻蚀根据被刻蚀的材料类

12、型，可系统的分成三种。即，金属刻蚀、介质 刻蚀和硅刻蚀。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀，如二氧化硅、氮化硅等。上述涉及介质的 刻蚀，均属于介质刻蚀。硅刻蚀(包括多晶硅)，应用于需要去除硅的场合，如刻蚀多晶硅晶 体管栅和硅槽电容等。金属刻蚀，则主要在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互连线。关 于钨的刻蚀，从目前的亚微米芯片制造来看，钨配线在制程过程中已很少被采用，与钨刻蚀 相关的刻蚀工艺，大多为钨塞的回刻工艺。至于接触金属刻蚀，是指金属硅化物的刻蚀。金 属硅化物是难熔金属与硅的合金。接触金属等离子刻蚀与通常的金属配线刻蚀略有不同，主 要采用氟基气体(如，NF3和SF6)，在增大刻蚀速率的情况下，具

13、有良好的尺寸控制特性。 在接触金属刻蚀中，形成接触的部分是一个自对准工艺。因此，在刻蚀时往往不需要光刻胶 或其他种类的掩蔽膜。另外，当芯片制造的设计规格降到0.15微米线宽时，另一种金属互 连线工艺，铜配线工艺，已被生产和使用。由于该工艺并不采用金属刻蚀，而是利用介质刻 蚀形成互练线槽，在电化学淀积铜后，采用化学机械抛光工艺最终形成配线。因此，在本论 文中，将不作为金属刻蚀的范畴，进行详细讨论。2. 4干法刻蚀设备2. 4. 1干法刻蚀反应器讨论干法刻蚀设备，先要介绍一下等离子刻蚀反应器。干法等离子反应器有以下儿种类 型：圆桶式等离子体反应器;平板(平面)反应器;顺流刻蚀系统;三极平面反应器;

14、离子铣;反应 离子刻蚀(RIE );高密度等离子体刻蚀机。考虑到目前半导体制造业的现状和发展趋势，本节将介绍和讨论 目前的一些主流设备。从干法刻蚀等离子形成的方式而言，干法刻蚀方式主要包括有机放电和无机放电两大 类。有电极放电主要有:R工E-Reactive Ion Etch(高周波、低周波、2周波、相位制御)。无电极放电主要为:诱导放电、U波、ECR-Electron Cycbrton Resonance。所谓低周波，是指采用400kHz低周波的放电模式。上下部电极共用一个RF电源，离 子追随底周波电界Vpp运动，可获得较大的离子能量，适用于氧化膜刻蚀。至于高周波， 将在下文中介绍反应离子刻

15、蚀(RIE )反应器时，进行相关描述。所谓2周波，则指在上部电极加载27MHz的周波，产生中密度的等离子体，在下部电 极加载800kHz的周波，制御离子能量。这时，等离子密度与离子能量是分别独立控制的。 此类装置适合于氧化膜刻蚀。所谓相位制御，是指上下部电极间加载13. 56MHz周波后，上下部的电源间由相位控 制器(phase controller)进行位相制御。由位相控制离子能量，此类装置适合poly-silicon与 poly-silicide 刻蚀。RIE反应离子刻蚀腔体，该干法刻蚀进行时，在高真空腔体内，导入气体。在平行电极 板之间，加载13.56MHz高周波，使导入的气体分子解离，

16、产生离子和具有高反应性能的 自由活性激团，用于其后的刻蚀反应。这一特性，体现出干法刻蚀的化学特性，即等方性。在上下极板之间产生直流自偏置电压(DC bias)，放置硅片的下部电极则处于负电位状 态，等离子中的正离子在负电位的牵引下，得到加速，到达硅片表面。这一特点，体现了干 法刻蚀的物理特性，即异方性。使得朝硅片运动的离化基具有方向性，以此获得较好的侧壁 图形。RIE刻蚀适用于氮化膜、氧化膜以及较早时期的钨刻蚀7。诱导放电刻蚀腔体，在上部线圈上加载2MHz RF，形成等离子体，并由下部电极加载 13. 56MHz的RF，用于控制离子能量。诱导放电模式中，等离子体密度与离子能量可以独 立的被控制。同时，由于上部线圈的高RF，使这一诱导放电模式，可获得高密度的等离子 体。此类设备，非常适用于铝、钨等金属膜质的刻蚀.作为诱导放电方式，包括了电