芯片制造的刻蚀工艺.docx

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1、芯片制造的刻蚀工艺目录前言1?工艺流程2?概述21.2. 刻蚀工艺的特性2?刻蚀偏差3?刻蚀材料4?刻蚀形状42.刻蚀的种类42. 1.湿刻蚀(WetEtChing)与干刻蚀(DryEtehing)53. 2.按去除材料的方法划分54. 刻蚀气体与附加气体8?刻蚀工艺中的等离子体10?生成机理10?离子体电势11?反应离子刻蚀RIEI1?结构11?刻蚀机理11?优缺点12?电感耦合等离子体刻蚀ICP12?刻蚀机理12?结构13?优势13?侧壁保护14?各向异性参数14?方法148.结论：提高密度的另一个抓手14?半导体制造工艺手写笔记15前言在半导体制程工艺中，有很多不同名称的用于移除多余材料

2、的工艺，如“清洗”、“刻蚀”等。如果说“清洗”工艺是把整张晶圆上多余的不纯物去除掉,“刻蚀”工艺则是在光刻胶的帮助下有选择性地移除不需要的材料，从而创建所需的微细图案。半导体“刻蚀”工艺所采用的气体和设备，在其他类似工艺中也很常见。工艺流程概述图1芯片制造的刻蚀工艺流程光刻胶选择比被刻蚀物刻蚀速率光刻胶刻蚀速率光刻胶选择比=被刻蚀物刻蚀速率光刻胶刻蚀速率衬底选择比被刻蚀物刻蚀速率衬底刻蚀速率衬底选择比=被刻蚀物刻蚀速率衬底刻蚀速率1.2.刻蚀工艺的特性“刻蚀”工艺具有很多重要的特性。所以，在了解具体工艺之前，有必要先梳理一下刻蚀工艺的重要术语，请见图2：刻蚀方向的选择性等向性刻蚀刻蚀方向的选择

3、性非等向性刻蚀高选择比低选择比速度快速度慢高（非）均匀性低（非）均匀性图2等向性刻蚀与非等向性刻蚀的特点第一个关键术语就是“选择比”，该参数用于衡量是否只刻蚀了想刻蚀的部分。在反应过程中，一部分光刻胶也会被刻蚀，因此在实际的刻蚀工艺中,不可能100%只刻蚀到想移除的部分。一个高选择比的刻蚀工艺，便是只刻蚀了该刻去的部分，并尽可能少地刻蚀到不应该刻蚀材料的工艺。第二个关键词，就是“方向的选择性”。顾名思义，方向的选择性是指刻蚀的方向。该性质可分为等向性(ISOtrOPiC)和非等向性(AniSOtroPiC)刻蚀两种：等向性刻蚀没有方向选择性，除纵向反应外，横向反应亦同时发生；非等向性刻蚀则是借

4、助具有方向性的离子撞击来进行特定方向的刻蚀，形成垂直的轮廓。试想一个包裹糖果的包装袋漏了一道口子，如果把整块糖连包装袋一起放入水中，一段时间后，糖果就会被溶解。可如果只向破口处照射激光，糖果就会被烧穿，形成一个洞，而不是整块糖果被烧没。前一现象就好比等向性刻蚀，而后一现象就如同非等向性刻蚀。第三个关键词，就是表明刻蚀快慢的“刻蚀速率(EtChingRate)”。如果其他参数不变，当然速率越快越好，但一般没有又快又准的完美选择。在工艺研发过程中，往往需要在准确度等参数与速率间权衡。比如，为提高刻蚀的非等向性，需降低刻蚀气体的压力，但降压就意味着能够参与反应的气体量变少，这自然就会带来刻蚀速率的放

5、缓。最后一个关键词就是“均匀性”。均匀性是衡量刻蚀工艺在整片晶圆上刻蚀能力的参数，反映刻蚀的不均匀程度。刻蚀与曝光不同，它需要将整张晶圆裸露在刻蚀气体中。该工艺在施加反应气体后去除副产物，需不断循环物质，因此很难做到整张晶圆的每个角落都是一模一样。这就使晶圆不同部位出现了不同的刻蚀速率。刻蚀偏差使用化学刻蚀的湿法刻蚀是各向同性刻蚀，在实际刻蚀中光刻胶下面会有刻蚀液的渗入，会造成相当大的刻蚀偏差，为侧向刻蚀。材料刻蚀气体半导体Si（沟槽）SF6氟利昂或Cb,SiC14N2多晶硅HBrCI2+O2、HBr绝缘膜SiO2CF4、CHF3、C5F8等doped-SiOiCF4等Si3N4CF金属膜A1

6、+通孔金属BC13ChW+黏附层SF6、NF3C12如实反应光刻胶尺寸小于光刻胶的尺寸各向异性刻蚀的形状刻蚀材料接近各向异性刻蚀的形状刻蚀形状布线书面图孔沟槽图3刻蚀材料图4刻蚀形状2.刻蚀的种类2.1.湿刻蚀(WetEtChing)与干刻蚀(DryEtChing)刻蚀也像氧化工艺一样，分为湿刻蚀(WetEtChing)和干刻蚀(DryEtchingJo还记得上一篇我们说到，取名“湿法”氧化的原因是因为采用了水蒸气与晶圆反应，而刻蚀中的“湿”则意味着将晶圆“浸入液体后捞出”。湿刻蚀的优点是刻蚀速率相当快，且只采用化学方法，所以“选择比”较高。但其问题是只能进行等向性(ISotrOPiC)刻蚀。

7、如果把晶圆浸入液体中，液体就会自由流动与材料发生反应，光刻胶背面的受保护部分也会与液体发生反应，被快速溶解腐蚀,准确度较差。而且，如果光刻胶破口很小，液体刻蚀剂将受自身表面张力影响,无法穿过破口。用光刻机绘制了微细的图形后，若不能照图形制成电路，也只是徒劳。因此，如今在制作半导体核心层时，一般不采用湿刻蚀的方法。在光刻胶破口内自由流动的液体刻蚀剂如图5所示。光刻胶(PhOtOreSist)图5在光刻胶破口内自由流动的液体刻蚀剂干刻蚀则泛指采用气体进行刻蚀的所有工艺，即在晶圆上叠加光刻胶“模具”后，将其裸露于刻蚀气体中的工艺。干刻蚀可分为等离子刻蚀、溅射刻蚀和反应性离子刻蚀(RIE,Reacti

8、veIonEtching)与湿刻蚀不同，这些干刻蚀工艺采用各种不同的方式来刻蚀材料，所以，可以一目了然地说明非等向性和等向性刻蚀的特点。例如，采用化学反应的干刻蚀为等向性刻蚀，采用物理反应的刻蚀则为非等向性刻蚀。最近，随着RIE(非等向性高、刻蚀速率高的一种干刻蚀方法)成为主流，干刻蚀具有非等向性的认识已成了一种共识(RIE的具体工艺请见下面的详述内容)。2.2.按去除材料的方法划分RIE工艺概要如图6,去除晶圆上材料的方法大致可分为化学方法和物理方法两种：化学方法就是采用与指定材料易反应的物质进行化学反应。光刻胶下面有许多要去除的物质，如在氧化工艺中生成的氧化膜或在沉积工艺中涂敷的一些其他物

9、质等。化学方法就是采用易与想去除的材料产生反应，却不与光刻胶发生反应的物质，有针对性地去除材料。当然，根据要去除的材料，所使用的刻蚀剂(气体或液体)也不同。常用刻蚀剂有以氟或氯为基础的化合物等。化学方法的优点是“高选择比”，可以只去除想去除的材料。物理方法是借助具有高能量的离子撞击晶圆表面，以去除材料，这种方法叫溅射刻蚀(SPUttering)。该方法先把气体(主要使用惰性气体)气压降低，再赋予高能量，使气体分解为原子(+)与电子此时，朝晶圆方向施加电场，原子就会在电场作用下加速与晶圆发生冲撞。这种方法的原理很简单，但在实际工艺中，仅凭这一原理很难达成目的。低气压意味着参加反应的气体量少，刻蚀

10、速率当然就会慢下来。而且，采用物理方法时，会移除较大面积的本不该去除的材料。物理方法采用强行用力刻出材料的方法，发生冲撞时不会区分“应该”还是“不应该”去除的材料。(在后续介绍沉积工艺的沉积气体时也会说到溅射方法，大家不妨记住，有助于下文的理解。)因此，在实际的刻蚀工艺中，我们主要采用将化学和物理方法相结合的反应性离子刻蚀(RIE,ReactiveIonEtchingJoRIE属于干刻蚀的一种，它将刻蚀气体变成等离子，以进行刻蚀。具体而言，这种方法在设备内投入混合气体(反应气体与惰性气体)后，赋予气体高能量，使其分解为电子(EIeCtron)、阳离子(PoSitiVe1On)和自由基(Radi

11、Ca1)。质量较轻的电子基本上起不了什么作用，而在电场中向阳离子施加冲向晶圆方向的加速度，就会发生物理刻蚀。阳离子具有正电荷，在电场中加速时方向性很强。到这里，是不是与物理方法没什么两样呢？自由基：指气体具有不成对电子等高反应性的状态。混合气体等离子化（使用的刻蚀气体可能不同）-将产生部分物理刻蚀离子有极性，故能量高自由基无极性,故缓慢扩散-离子引起材料表面活性度的增加-离子具有很强的方向性:只激活材料表面部分-集中于产生化学性刻蚀的部位-发生快速的非等向忸噌图6RIE工艺概要然而，在这一过程中，阳离子还会起到一个作用：弱化被撞击材料的化学键。电场使阳离子径直向前发射出去，会集中撞到图4所示的

12、红色部分。侧壁化学键稳固，而正面化学键因撞击被弱化。随后接触具有极高化学活性的自由基，正面材料便会有更高的刻蚀速率，最终造就非等向性很高的刻蚀。可见，等离子刻蚀技术可谓是“一举三得”：生成阳离子，产生物理性刻蚀；使被刻蚀材料的化学键变弱；还能提高刻蚀气体的反应性。既取了化学刻蚀之长一一“高选择比”，又不失物理刻蚀的优点一一“非等向性刻蚀”。当然，即便采用RIE,仅凭刻蚀工艺也很难100%得到所需的图形。如果要解决其他问题，还需要改变气体组合、采用硬掩模(HardMaSk)的其他工艺或新材料的帮助。硬掩膜(HardMask)：为防止因图形微细化而造成光刻胶上的图形被破坏，在其下方额外添加的掩模版

13、3.刻蚀气体与附加气体等离子刻蚀气体的种类如图11。刻蚀工艺中所使用的气体非常重要。从上述内容中可以看出，刻蚀工艺的核心就是化学反应。所以，我们要根据想去除的材料,选择相应的刻蚀剂(EtChant)进行刻蚀。选择刻蚀气体时，要衡量反应生成的副产物是否容易被去除、刻蚀选择比是否够高和刻蚀速率是否足够快等因素。经常采用的刻蚀气体有氟(F)、氯(C1)、溟(Br)等卤族元素化合物。等离子刻蚀气体的种类刻蚀物质的口气体惰性气体目的主刻蚀物质调节选择比稳定等离子，调节刻蚀WJ见下表02,N2,He,etc.He,Ar,Xe,etc.被刻蚀材料刻蚀物质刻蚀副产物用途SiNF3,SF6,CF4,etc.,C

14、12,CCI4,HBrSIF4(-86oC),SICI4(58oC),SiBr4(154oC)(绝缘)潜沟槽隔离(STI)、栅极SiO2(Si3N4jSiON)CF4,C4F6,C4F8,etc.,CHF3,CH2F2,CH3F,etc.SF4(-86oC)C0(-191oC),C02(-57oC),HCN(260C)电子元件/金属接触部分A1C12,BCI3AIC3(180oC,Sub1.)金属布线TiJiNc2,cc4TIC3(136oC)WNF3,SF6,CF4,etc.,C12WF6(19oC),WCI4(337oC)PR(-Carbon)02,N2,etc.CO(-191oC),CO

15、2(-5C),HCN(260C)掩模Cu,Fe,Ni,Co,Pt,etc.很难刻蚀Cu2C2(1,490oC),Cu2F2(1,1oC)金属图7等离子刻蚀气体的种类(摘自：(株)图书出版HANO1出版社半导体制造技术的理解443p)在半导体的制程中，晶圆表面会涂敷各种物质。因此，从理论上来讲，要刻蚀的材料有无数种。我们主要举几个代表性的例子。比如，硅(Si)系列元素采用氟系气体可以轻易去除。硅遇氟立即反应生成很容易被气化的氟化硅。SiF4就是氟化硅的一种，在标准大气压下，其熔点为90.3。也就是说，反应后生成的SiF,将立即气化成气体消散，即在晶体表面发生刻蚀的同时立刻变成气体。常用作绝缘或保护膜的二氧化硅(SiO2)也很容易被含氟气体去除。与纯硅