第10章 干法刻蝕

第十章干法刻蝕1刻蝕的概念:用化學(xué)或物理的方法有選擇地去除不需要的材料的工藝過程稱為刻蝕。由于硅可以作為幾乎所有集成電路和半導(dǎo)體器件的基板材料，所以本章主要討論在硅基板表面的刻蝕過程?？涛g示意圖：刻蝕概述23刻蝕概述刻蝕的工藝目的:把光刻膠圖形精確地轉(zhuǎn)移到硅片上，最后達到復(fù)制掩膜版圖形的目的。它是在硅片上復(fù)制圖形的最后主要圖形轉(zhuǎn)移工藝?？涛g工藝分類：干法刻蝕和濕法刻蝕干法刻蝕：通過氣體放電，使刻蝕氣體分解、電離，由產(chǎn)生的活性基及離子對基板進行刻蝕的工藝過程；刻蝕精度：亞微米。濕法刻蝕：把要腐蝕的硅片放在化學(xué)腐蝕液里去除表面層材料的工藝過程；刻蝕精度：大于3微米。4刻蝕參數(shù)相關(guān)刻蝕參數(shù):刻蝕速率刻蝕剖面刻蝕偏差選擇比均勻性聚合物等離子體誘導(dǎo)損傷51.刻蝕速率刻蝕速率是指刻蝕過程中去除硅片表面不需要的材料的速度?？涛g速率＝ΔT/t（?/min)其中，ΔT=去掉的材料厚度（?或μm）t=刻蝕所用時間（min）Si基板T光刻膠被刻蝕材料刻蝕參數(shù)6刻蝕參數(shù)2.刻蝕剖面刻蝕剖面是指被刻蝕圖形的側(cè)壁形狀。兩種基本的刻蝕剖面:各向同性和各向異性刻蝕剖面Isotropicetch-etchesinalldirectionsatthesamerateSubstrateFilmResistAnisotropicetch-etchesinonlyonedirectionResistSubstrateFilm具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕濕法各向同性化學(xué)腐蝕7刻蝕參數(shù)3.刻蝕偏差刻蝕偏差是指刻蝕以后線寬或關(guān)鍵尺寸的變化。刻蝕偏差＝Wa－WbBias：凹切量或側(cè)蝕寬度(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretch(b)8刻蝕參數(shù)4.選擇比選擇比是指在同一刻蝕條件下，刻蝕一種材料對另一種材料的刻蝕速率之比。高選擇比則意味著只刻除想要除去的材料，而對其他部分不刻蝕。SiO2對光刻膠的選擇比＝(ΔTsio2/t1)/(ΔT膠/t1)＝ΔTsio2/ΔT膠

（a）0時刻（b）t1時刻9刻蝕參數(shù)5.均勻性刻蝕均勻性是指刻蝕速率在整個硅片或整批硅片上的一致性情況。非均勻性刻蝕會產(chǎn)生額外的過刻蝕。微負載效應(yīng)：AspectRatioDependenceEtching10刻蝕參數(shù)6.聚合物聚合物是在刻蝕過程中由光刻膠中的碳與刻蝕氣體和刻蝕生成物結(jié)合在一起而形成的；能否形成側(cè)壁聚合物取決于所使用的刻蝕氣體類型。聚合物的形成有時是為了在刻蝕圖形的側(cè)壁上形成抗腐蝕膜從而防止橫向刻蝕，這樣能形成高的各向異性圖形，增強刻蝕的方向性，從而實現(xiàn)對圖形關(guān)鍵尺寸的良好控制。11刻蝕參數(shù)7.等離子體誘導(dǎo)損傷等離子體誘導(dǎo)損傷有兩種情況：等離子體在MOS晶體管柵電極產(chǎn)生陷阱電荷引起薄柵氧化硅的擊穿。帶能量的離子對暴露的柵氧化層或雙極結(jié)表面上的氧化層進行轟擊，使器件性能退化。12干法刻蝕

干法刻蝕的優(yōu)點（與濕法刻蝕比）

1.刻蝕剖面各向異性，非常好的側(cè)壁剖面控制

2.最小的光刻膠脫落或粘附問題

3.好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性4.化學(xué)品使用費用低

干法刻蝕的缺點（與濕法刻蝕比）

1.對下層材料的刻蝕選擇比較差

2.等離子體誘導(dǎo)損傷

3.設(shè)備昂貴13干法刻蝕

濕法刻蝕是各向同性腐蝕，不能實現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)移，一般用于特征尺寸較大的情況（≥3μｍ）。干法刻蝕有各向同性腐蝕，也有各向異性腐蝕。各向異性腐蝕能實現(xiàn)圖形的精確轉(zhuǎn)移，是集成電路刻蝕工藝的主流技術(shù)。14干法刻蝕的機制物理刻蝕：利用離子碰撞被刻蝕表面的濺射效應(yīng)而實現(xiàn)材料去除的過程。化學(xué)刻蝕：通過激活的刻蝕氣體與被刻蝕材料的化學(xué)作用，產(chǎn)生揮發(fā)性化合物而實現(xiàn)刻蝕。15物理化學(xué)刻蝕：通過等離子體中的離子或活性基與被刻蝕材料間的相互作用實現(xiàn)刻蝕。干法刻蝕的機制16干法刻蝕的機制刻蝕參數(shù)物理刻蝕

RF場垂直片面化學(xué)刻蝕RF場平行片面物理和化學(xué)刻蝕RF場垂直片面刻蝕機理物理離子濺射活性元素化學(xué)反應(yīng)離子濺射和活性元素化學(xué)反應(yīng)側(cè)壁剖面各向異性各向同性各向異性選擇比低/難提高（1：1）很高（500：1）高（5：1～100：1）刻蝕速率高慢適中線寬控制好非常差很好等離子體干法刻蝕機理及刻蝕參數(shù)對比17干法刻蝕的過程

硅片的等離子體刻蝕過程圖18干法刻蝕的終點檢查終點檢測的常用方法：光發(fā)射譜法機理：在等離子體刻蝕中，活性基團與被刻蝕材料反應(yīng)的同時，基團被激發(fā)并發(fā)出特定波長的光，利用帶波長過濾器的探測器，探測等離子體中的反應(yīng)基團發(fā)光強度的變化來檢測刻蝕過程是否結(jié)束。19等離子體刻蝕等離子體刻蝕機理①進入真空反應(yīng)室的刻蝕氣體在射頻電場的作用下分解電離形成等離子體，等離子體由高能電子、反應(yīng)正離子、自由基、反應(yīng)原子或原子團組成。②自由基和反應(yīng)原子或原子團的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡鼈儤?gòu)成了等離子體的反應(yīng)元素，自由基、反應(yīng)原子或原子團與被刻蝕的材料進行化學(xué)反應(yīng)形成了等離子體刻蝕。等離子體干法刻蝕系統(tǒng)的基本部件包括：發(fā)生刻蝕反應(yīng)的反應(yīng)室、一個產(chǎn)生等離子體的射頻電源、氣體流量控制系統(tǒng)、去除刻蝕生成物和氣體的真空系統(tǒng)。等離子體刻蝕又稱為激發(fā)反應(yīng)氣體刻蝕，屬于化學(xué)刻蝕，各向同性。20圓桶式等離子體刻蝕機刻蝕系統(tǒng)的射頻電場平行于硅片表面，不存在反應(yīng)離子轟擊，只有化學(xué)作用（僅在激發(fā)原子或活性氣氛中進行刻蝕）。等離子體刻蝕21反應(yīng)離子刻蝕RIE（ReactiveIonEtch）機理①進入真空反應(yīng)室的刻蝕氣體在射頻電場的作用下分解電離形成等離子體，等離子體由高能電子、反應(yīng)正離子、自由基、反應(yīng)原子或原子團組成。②反應(yīng)室被設(shè)計成射頻電場垂直于被刻蝕樣片表面且射頻電源電極（稱為陰極）的面積小于接地電極（稱為陽極）的面積時，在系統(tǒng)的電源電極上產(chǎn)生一個較大的自偏置電場。③等離子體中的反應(yīng)正離子在自偏置電場中加速得到能量轟擊樣片表面，這種離子轟擊不僅對樣片表面有一定的濺射作用形成物理刻蝕，而且提高了表面層自由基和反應(yīng)原子或原子團的化學(xué)活性，加速與樣片的化學(xué)反應(yīng)。④由于離子轟擊的方向性，遭受離子轟擊的底面比未遭受離子轟擊的側(cè)面的刻蝕要快得多，達到了很好的各向異性。22反應(yīng)離子刻蝕RIE:物理刻蝕+化學(xué)刻蝕23反應(yīng)離子刻蝕高密度等離子體刻蝕在先進的集成電路制造技術(shù)中，傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)不能滿足0.25微米以下尺寸高深寬比圖形的刻蝕要求，于是發(fā)展了高密度等離子體RIE系統(tǒng)。高密度等離子體用于干法刻蝕的特征：24普通RIE及高密度等RIE系統(tǒng)比較：反應(yīng)離子刻蝕25反應(yīng)離子束刻蝕定義：將離子以束狀聚集以進行刻蝕加工的技術(shù)即為離子束刻蝕。離子由非活性氣體產(chǎn)生，僅通過濺射進行物理刻蝕的方式為濺射離子束刻蝕。當(dāng)被離子束照射的位置存在活性氣體時，化學(xué)反應(yīng)同時發(fā)生的方式為反應(yīng)離子束刻蝕（RIBE-ReactiveIonBeamEtching）。RIBE的一個重要參數(shù)是離子束直徑。目前，可聚焦到最細的離子束直徑為0.04m,寬束離子束直徑可達200mm以上。26反應(yīng)離子束刻蝕聚焦離子束(FIB)：經(jīng)過透鏡聚焦形成的、束徑在0.1m以下的極微細離子束。FIB的離子源主要有液態(tài)金屬離子源(LMIS，常選用金屬Ga)和電場電離型氣體離子源(FI，常選用H2、He、Ne等)兩大類。27反應(yīng)離子束刻蝕大束徑離子束刻蝕：束徑10~20cm，效率高，質(zhì)量均勻。常用大束徑離子束設(shè)備有兩種：Kaufman型：熱陰極、磁控管陽極組合放電ECR型：冷陰極放電ECR離子源28氣體離化團束加工技術(shù)材料表面改性技術(shù)的發(fā)展要求轟擊離子注入到靶材表面的深度在數(shù)納米范圍內(nèi)，而低能離子束很難實現(xiàn)這一要求。氣體離化團束(GCIB)中束團的動能由組成原子共享，平均每個原子的入射能量約在10eV以下。因而，在碰撞過程中，團束原子的整體運動使得團束僅對靶材表面的前幾個原子層產(chǎn)生轟擊效應(yīng)。30kV的氣體離化團束設(shè)備圖