第二章干法刻蚀的介绍
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：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(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*→3SiF4 ↑+2 CO↑+2C O2 ↑
Si: Si+4F*→S iF4↑Si+4C1*→SiC l4↑
W: W+6F*→WF6↑
A1: A1+3C1*→A1C13↑
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
LDD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;离子铣;反应离子刻蚀(RIE );高密度等离子体刻蚀机[5]。
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[6]。
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，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，包括了电子回旋加速反应器(ECR)、电感祸合(ICP )、双等离子体源反应器和磁增强反应离子刻蚀反应器(MERIE)等多种类型的反应器，被广泛的应用于高密度等离子体刻蚀机中.
高密度等离子体技术，更有效的使输入功率祸合等离子体，产生较大的刻蚀基分解，从而获得10%的离化率，产生高方向性的低能离子，在高深宽比图形中获得各向异性刻蚀。
利用微波(F=2. 45GHz)实现高压领域(~1Torr)无电极放电。其产生的离子能量较低，在刻蚀中体现出等方性的特征。此类设备，应用在去胶刻蚀工艺中，并对部分工艺的表面损伤进行微刻蚀修复。可根据工艺需要，设定温度，常有高、低温去胶设备
之分。
如上所述，仅从等离子体形成的角度，简单的介绍了干法刻蚀相关的刻蚀反应腔体。而实际的刻蚀腔，要相对复杂得多。如图2. 4-4 DPS金属刻蚀腔体的控制界面图所示。从图中我们可以看到，工艺气体从腔体上部经流量控制系统流入腔体，经刻蚀反应的气体再通过分子泵，从排气口排出，经下部的干泵最终送入除害筒回收。同时，在腔体下部另有气体控制系统，在对腔体吹扫及硅片搬送等动作时，进行系统用气的控制。从图的左侧，还可以看到，RF功率及温度等控制界面。
另外，从整个刻蚀系统而言，除刻蚀腔外，还有对准腔、搬送腔、冷却腔甚至去胶腔等腔体。如图2. 4-5高密度等离子体刻蚀机所示。这些腔体，将根据刻蚀类型的不同，进行不同的组合。如，金属刻蚀机需要自带去胶腔，而介质膜等刻蚀却不需要。而且，从系统的角度来看，干法刻蚀系统，包括了气体流量制控制系统、RF输出系统、腔体温度控制系统、硅片的温度控制系统、压力控制系统、终点检出系统以及气体除害系统等，对应这些系统将有更多的相应装置，在本节中将不作为重点一一详述。
2.4.2终点检测系统
终点检测系统，是干法刻蚀除等离子刻蚀反应腔体外，又一重要的系统。在干法刻蚀过程中，被刻蚀层材料与最终刻蚀停止层的材料之间往往没有好的选择比，所以需要通过终点检测系统来监控刻蚀过程，判断刻蚀停止的最佳位置，以减少对刻蚀停止层的的过度刻蚀。
终点检测系统，是利用等离子体发光强度的变化来进行检测的。当检测刻蚀气体的发光强度时，通常在终点检出后，检出波形上升。而当检测反应生成物的发光强度时，在终点检出后，检出波形下降。而作为检出的终点，也就是刻蚀停止的地方，则发生在波形上升或下降的拐点附近。对于终点的具体检出位置，将依据检出窗口的大小，停止在波形变化的某一个区域。较为普遍的终点检测方法，是采用光发射谱，可以很方便的对刻蚀腔体进行实时监测。关于终点检出的波形，可以根据发光强度变化量的一次或二次微分换算而成。了解终点
检测的波形形成方式，掌握终点检测窗口的设置，对于准确设置刻蚀工艺条件，是非常重要的。
2. 5干法刻蚀的刻蚀参数与工艺参数
2. 5. 1干法刻蚀的刻蚀参数
刻蚀速率、刻蚀速率均一性、选择比是干法刻蚀最主要的刻蚀参数。刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面材料的速度，通常用A/min表示。通常对于量产，为提高产能，希望有较高的刻蚀速率。在采用单片工艺的干法刻蚀设备中，这一参数是非常重要的。刻蚀速率的计算公式如下[1]
ER (etch rate)=△T/t
ER：刻蚀速率；△T：刻蚀量；t：刻蚀时间；
刻蚀量单位为(A或μm)，刻蚀时间单位为分钟(min)
刻蚀速率由工艺和设备变量决定。如，被刻蚀材料类型、刻蚀机的结构配置、使用的气体和工艺参数设置。
刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度。硅片表面儿何形状等因素不同，可造成不同的硅片之间不同的刻蚀速率。如，被刻蚀的面积较大，则会消耗较多的刻蚀剂，也就是说大部分气相刻蚀基在等离子反应过程中被消耗了，刻蚀剂浓度下降，刻蚀速率就随之减慢。反之，需刻蚀的面积较小，刻蚀速率就相对快些。这种现象，被称为负载效应。对于负载效应带来的刻蚀速率的变化，在有效的终点检测中起着重要的作用。
刻蚀速率的均一性，直接影响刻蚀整体的均匀性，是保证硅片刻蚀图形一致性的基础参数。其计算公式如下[1]
Ux=士Eave/2 (Emax-Em i n)*100%
E：面内各点刻蚀速率的平均值；Emax：面内刻蚀速率最大值；
Emin：面内刻蚀速率最小值；μx：被刻蚀材料x的速率均一性，Ux的单位为(士%) 等离子密度的分布、刻蚀腔体的构造均会影响刻蚀速率的均一性。一般而言，刻蚀速率的均一性受刻蚀腔体的限制，不同的刻蚀设备之间，在某一刻蚀速率的均一性上会有差别，体现出不同设备的性质。
选择比，指在同一种刻蚀条件下，被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比值。如，对光刻胶的选择比计算公式，如下所示[1]：
Sr=E f/Er
Sr：对光刻胶的选择比，E f:：被刻蚀材料刻蚀速率，Er：光刻胶刻蚀速率
选择比低可以低到1:1，意味着被刻材料和另一种材料被去除的一样快。而选择比高可以高到100:1甚至100以上，意味着被刻蚀材料相对与另一种材料易被去除，而在去除过程中，不影响对另一种材料的刻蚀，将过刻蚀影响降致最低。
至于刻蚀条件中，应使用多高的选择比，则应根据被刻蚀膜膜质的情况、图形的结构和对所要刻蚀图形的形状、尺寸的要求，来选择适当的选择比。选择比高，有利于刻蚀高宽比较高的图形。但，对于多层膜结构的图形，在进行层间刻蚀时，则不适合使用选择比高的刻蚀条件。
另外，干法刻蚀通常不能提供对下一层材料足够高的选择比。因此，一个终点检测系统，对于等离子体刻蚀机来说，是至关重要的。它可以避免最小的过刻蚀影响。在刻蚀过程重，当下一层材料正好露出时，可以被终点检测系统检出，从而触发刻蚀机控制器，停止刻蚀。
基于以上基本参数，我们可以根据工艺的需要，在调整实际刻蚀工艺参数时，对这些基础刻蚀参数进行选择和组合，以获得满足需要的刻蚀图形。关于相关的工艺参数，将在后续段落中进行说明。
另外，从刻蚀管理的角度而言，除如上三种基本刻蚀参数外，刻蚀的整体均匀性、腔体
之间的工艺差、刻蚀中的颗粒污染、残留物、等离子损伤等，均属于刻蚀参数范畴。它们将在刻蚀的整个工艺评价中，被逐一确认。只有既达到刻蚀参数的要求，又能刻蚀出符合规格的图形，这样的刻蚀条件，才能被应用在实际的量产中。
2.5.2干法刻蚀的工艺参数
干法刻蚀的工艺参数，一般指刻蚀条件中可以被调整的条件项目。即，刻蚀条件中的工艺气体的流量、各工艺气体之间的比例、腔体的压力、腔体上下电极上设定的功率、下部电极的温度(及腔壁的设定温度)、终点检测系统中检测窗口的设定参数[9]。
通常我们利用工艺参数与刻蚀参数之间的关系，来制定可以满足规格图形需要的刻蚀条件。比如，对于一些尺寸规格较小的接触孔图形，在干法刻蚀的过程中，常会出现中途刻蚀停止的现象，这往往是由于反应聚合物在孔内侧壁聚积引起的。由于接触孔的孔径较小，内壁上聚合物的堆积回阻止等离子自由活性激团进一步进入孔的底部，最终导致刻蚀停止。针对这种的情况，我们可以适当增加下部电极的功率和降低淀积气体的比例来进行改善。下部电极功率参数可以增加等离子的直进性，也就是物理异方性，达到垂直刻蚀的效果，这样可以减少内壁上的反应聚合物的淀积。另外，降低淀积气体的比例，是指刻蚀条件中对于淀积气体的设定。所胃淀积气体，是指相对于与表面材料发生反应的主刻蚀气体外的辅助气体，它们可以在刻蚀反应中，帮助产生一些容易淀积的聚合物，反应聚合物淀积在侧壁上，保护侧壁不被刻蚀，从而确保良好的刻蚀形状。但适当降低该气体的比例，可以改善刻蚀停止的问题。
然而，任何一个工艺参数的变化都会引起刻蚀参数的变化。如，功率变化或气体比例的变化，会引起刻蚀速率的变化。硅片面内各点的速率变化了，意味着面内的均一性会发生变化。同时，随着速率的变化，相对于某种表面材料的选择比也发生了变化。因此说，工艺参数和刻蚀参数之间有着密切的关系。我们虽然推断，通过改变某些工艺参数可能改善图形或解决刻蚀中出现的问题。但是，我们必须制定出适当的工艺条件。比如，按如上的分析，我们增加了下部电极的功率，刻蚀停止的问题可能解决了。但由于功率的增加，刻蚀速率变快了，光刻胶对于该刻蚀材料的选择比降低了，导致整个孔径尤其是开口处的尺寸或形状恶化了。这样的条件，解决了停止问题，却仍然不能在生产中应用。因此说，调整工艺参数是一个权衡利弊，掌握平衡的过程。掌握工艺参数与刻蚀参数之间的关系非常重要，它可以帮助我们较为全面的判断和制定出一个完善的工艺条件。
所以，制定刻蚀条件是一种技能。一个优秀的刻蚀工艺工程师，可以在较短的时间内通过准确的数据分析和判断，确立并完善刻蚀条件，使之应用在生产中，解决实际的生产问题。关于工艺参数和刻蚀参数的具体取样、分析及最终图形确认的研究，将于下一章节，在金属刻刻蚀的具体课题研究中，进行详细的阐述。
[1] Michael Quirk & Julian Serda, Semiconductor Manufacturing Technology，Copyright c，
Published by Person Education，Inc.，publishing as Prentice HALL，2001.，page187 and page404.
[2] 小野，武谷，大森NEC中坚技术者教育资料，V ol. 3，page282
[3] J.A. Mucha and D. W.Hess,"Plasma Etching" in Introduction to
Microlithography,Advanced in chemistry Series.Vol .219. Amer.Chem.Soc. (Japanese V ersion) 1983, page215.
[4] Y. Lii,"Etching," ULSI Technology, ed. C. Chang and S. Sze (New York:McGraw-Hill，
1996) page342.
[5] 颜燕，半导体工艺与半导体设备的关系，微电子技术，2002,Vol.30, No. 3
[6] Sawin et al, Proc. Of 8th Plasma Symposium, Electronchem.Soc，page2l
[7] T. Watanable and Y. Yoshida."Dielectric Preakdown of Gas Insulator due to R工E"，Solid State Technol.，Apr i 1. 1984.，page213.
[8 J.Coburn,J.Appl. Phys.48, 3532 (1979)
[9] 盛金龙，IC 制造中清洗技术发展的分析，China Electronic Testing andManufactory
Network,1003一353X(2006)03一0166一04
干法刻蚀工艺
干法刻蚀工艺 干法刻蚀工艺可分为物理性刻蚀与化学性刻蚀两种方式。物理性刻蚀是利用辉光放电将气体（如氩）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，该过程完全是物理上的能量转移，故称为物理性刻蚀。其特色在于，具有非常好的方向性，可获得接近垂直的刻蚀轮廓。但是由于离子是全面均匀地溅射在芯片上，所以光刻胶和被刻蚀材料同时被刻蚀，造成刻蚀选择性偏低。同时，被击出的物质并非挥发性物质，这些物质容易二次沉积在被刻蚀薄膜的表面及侧壁上。因此，在超大规模集成化制作工艺中，很少使用完全物理方式的干法刻蚀方法。 化学性刻蚀或称为等离子体刻蚀( PLASMA Etching，PE)，是利用等离子体将刻蚀气体电离并形成带电离子、分子及反应性很强的原子团，它们扩散到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。这种刻蚀方式与前面所讲的湿法刻蚀类似，只是反应物与产物的状态从液态改为气态，并以等离子体来加快反应速率。因此，化学性干法刻蚀具有与湿法刻蚀类似的优点与缺点，即具有较高的掩膜／底层的选择比及等向性。鉴于化学性刻蚀等向性的缺点，在半导体工艺中，只在刻蚀不需要图形转移的步骠（如光刻胶的去除）中应用纯化学刻蚀方法。 最为广泛使用的方法是结合物理性的离子轰击与化学反应的反应离子刻蚀( RIE)。这种方式兼具非等向性与高刻蚀选择比的双重优点。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。 当应用于法刻蚀时，主要应注意刻蚀速率、均匀度、选择比及刻蚀轮廓等因素。
半导体工艺教案第八章
第九章掺杂 【教学内容及教学过程】 8.1引言 8.1.1刻蚀的概念 刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图8?1所示。 图8-1刻蚀图形转移示意图 1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。 2)干法刻蚀是利用辉光(Glow Discharge)的方法产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。 8.1.2刻蚀的要求 1.图形转换的保真度高 2.选择比 3.均匀性 4.刻蚀的清洁 8.2刻蚀工艺 8.2.1湿法刻蚀 最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应生成物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。 2)湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。 3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。 1)反应物扩散到被刻蚀材料的表面。 2)反应物与被刻蚀材料反应。 3)反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排除。 8.2.2干法刻蚀 干法刻蚀是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。在干法刻蚀过程中，不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。 1)物理刻蚀是利用辉光放电将气体(比如氩气)解离成带正电的离子，再利用偏压将带正电的离子加速，轰击在被刻蚀薄膜的表面，从而将被刻蚀物质的原子轰击出去。
干法刻蚀工艺总结
干法刻蚀工艺总结 离子束刻蚀机（IBE-150A） 背景: 利用辉光放电原理将氩气分解为氩离子，氩离子经过阳极电场的加速对样品表面进行物理轰击，以达到刻蚀的作用。把Ar、Kr或Xe之类惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面撞击固体表面原子，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，属纯物理过程。 技术指标： 装片：一片六英寸衬底、或1片四英寸，向下兼容。 抽气速度：30min由ATM到1.0×10-3Pa 极限真空度：2×10-4Pa 离子能量：300eV-400eV
ICP刻蚀机（OXFORD ICP 180） 背景: 通入反应气体使用电感耦合等离子体辉光放电将其分解，产生的具有强化学活性的等离子体在电场的加速作用下移动到样品表面，对样品表面既进行化学反应生成挥发性气体，又有一定的物理刻蚀作用。因为等离子体源与射频加速源分离，所以等离子体密度可以更高，加速能力也可以加强，以获得更高的刻蚀速率，以及更好的各向异性刻蚀。另外，由于该系统使用了Cl基和Br基的刻蚀气体，因此该ICP系统适合于对Ⅲ-Ⅴ族化合物材料进行刻蚀。 技术指标： ICP离子源：0~3000W RF射频源：0~600W 装片：1片四英寸，向下兼容 基底刻蚀温度：0℃-200℃可调。 刻蚀气体：BCl 3、Cl 2 、HBr、Ar、O 2 可刻蚀材料包括：GaN、GaAs、InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物材料
ICP刻蚀机（STS HRM） 背景： 通入反应气体使用电感耦合等离子体辉光放电将其分解，产生的具有强化学活性的等离子体在电场的加速作用下移动到样品表面，对样品表面既进行化学反应生成挥发性气体，又有一定的物理刻蚀作用。因为等离子体源与射频加速源分离，所以等离子体密度可以更高，加速能力也可以加强，以获得更高的刻蚀速率，以及更好的各向异性刻蚀。该系统使用了F基的刻蚀气体，具有Bosch工艺，适合于对硅材料进行大深宽比刻蚀。 技术指标： ICP离子源：0-3000W RF射频源：0-600W 装片系统：六英寸，向下兼容 基底刻蚀温度：0℃-200℃可调。 刻蚀气体：SF6、C4F8、O2、Ar 可刻蚀材料包括：硅材料
半导体工艺 干法刻蚀 铝刻蚀
干法刻蚀之铝刻蚀 在集成电路的制造过程中，刻蚀就是利用化学或物理方法有选择性地从硅片表面去除不需要的材料的过程。从工艺上区分，刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。前者的主要特点是各向同性刻蚀；后者是利用等离子体来进行各向异性刻蚀，可以严格控制纵向和横向刻蚀。 干法的各向异性刻蚀，可以用表面损伤和侧壁钝化两种机制来解释。表面损伤机制是指，与硅片平行的待刻蚀物质的图形底部，表面的原子键被破坏，扩散至此的自由基很容易与其发生反应，使得这个方向的刻蚀得以持续进行。与硅片垂直的图形侧壁则因为表面原子键完整，从而形态得到保护。侧壁钝化机制是指，刻蚀反应产生的非挥发性的副产物，光刻胶刻蚀产生的聚合物，以及侧壁表面的氧化物或氮化物会在待刻蚀物质表面形成钝化层。图形底部受到离子的轰击，钝化层会被击穿，露出里面的待刻蚀物质继续反应，而图形侧壁钝化层受到较少的离子轰击，阻止了这个方向刻蚀的进一步进行。 在半导体干法刻蚀工艺中，根据待刻蚀材料的不同，可分为金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。金属刻蚀又可以分为金属铝刻蚀、金属钨刻蚀和氮化钛刻蚀等。目前，金属铝作为连线材料，仍然广泛用于DRAM和flash等存储器，以及以上的逻辑产品中。本文着重介绍金属铝的刻蚀工艺。
金属铝刻蚀通常用到以下气体：Cl2、BCl3、Ar、 N2、CHF3和C2H4等。Cl2作为主要的刻蚀气体，与铝发生化学反应，生成的可挥发的副产物AlCl3被气流带出反应腔。BCl3一方面提供BCl3＋，垂直轰击硅片表面，达到各向异性的刻蚀。另一方面，由于铝表面极易氧化成氧化铝，这层自生氧化铝在刻蚀的初期阻隔了Cl2和铝的接触，阻碍了刻蚀的进一步进行。添加BCl3 则利于将这层氧化层还原（如方程式1），促进刻蚀过程的继续进行。 Al2O3 + 3BCl3→ 2AlCl3 + 3BOCl （1） Ar电离生成Ar＋，主要是对硅片表面提供物理性的垂直轰击。 N2、CHF3和C2H4是主要的钝化气体，N2与金属侧壁氮化产生的AlxNy，CHF3和C2H4与光刻胶反应生成的聚合物会沉积在金属侧壁，形成阻止进一步反应的钝化层。 一般来说，反应腔的工艺压力控制在6-14毫托。压力越高，在反应腔中的Cl2浓度越高，刻蚀速率越快。压力越低，分子和离子的碰撞越少，平均自由程增加，离子轰击图形底部的能力增强，这样刻蚀反应速率不会降低甚至于停止于图形的底部。
干法刻蚀技术
蚀刻技术 最早的蚀刻技术是利用特定的溶液与薄膜间所进行的化学反应来去除薄膜 未被光阻覆盖的部分，而达到蚀刻的目的，这种蚀刻方式也就是所谓的湿式蚀刻。因为湿式蚀刻是利用化学反应来进行薄膜的去除，而化学反应本身不具方向性，因此湿式蚀刻过程为等向性，一般而言此方式不足以定义3微米以下的线宽，但对于3微米以上的线宽定义湿式蚀刻仍然为一可选择采用的技术。 湿式蚀刻之所以在微电子制作过程中被广泛的采用乃由于其具有低成本、高可靠性、高产能及优越的蚀刻选择比等优点。但相对于干式蚀刻，除了无法定义较细的线宽外，湿式蚀刻仍有以下的缺点：1) 需花费较高成本的反应溶液及去离子水；2) 化学药品处理时人员所遭遇的安全问题；3) 光阻附着性问题；4) 气泡形成及化学蚀刻液无法完全与晶圆表面接触所造成的不完全及不均匀的蚀刻； 5) 废气及潜在的爆炸性。 湿式蚀刻过程可分为三个步骤：1) 化学蚀刻液扩散至待蚀刻材料之表面； 2) 蚀刻液与待蚀刻材料发生化学反应； 3) 反应后之产物从蚀刻材料之表面扩散至溶液中，并随溶液排出(3)。三个步骤中进行最慢者为速率控制步骤，也就是说该步骤的反应速率即为整个反应之速率。 大部份的蚀刻过程包含了一个或多个化学反应步骤，各种形态的反应都有可能发生，但常遇到的反应是将待蚀刻层表面先予以氧化，再将此氧化层溶解，并随溶液排出，如此反复进行以达到蚀刻的效果。如蚀刻硅、铝时即是利用此种化学反应方式。 湿式蚀刻的速率通常可藉由改变溶液浓度及温度予以控制。溶液浓度可改变反应物质到达及离开待蚀刻物表面的速率，一般而言，当溶液浓度增加时，蚀刻速率将会提高。而提高溶液温度可加速化学反应速率，进而加速蚀刻速率。 除了溶液的选用外，选择适用的屏蔽物质亦是十分重要的，它必须与待蚀刻材料表面有很好的附着性、并能承受蚀刻溶液的侵蚀且稳定而不变质。而光阻通常是一个很好的屏蔽材料，且由于其图案转印步骤简单，因此常被使用。但使用光阻作为屏蔽材料时也会发生边缘剥离或龟裂的情形。边缘剥离乃由于蚀刻溶液的侵蚀，造成光阻与基材间的黏着性变差所致。解决的方法则可使用黏着促进剂来增加光阻与基材间的黏着性，如Hexamethyl-disilazane (HMDS)。龟裂则是因为光阻与基材间的应力差异太大，减缓龟裂的方法可利用较具弹性的屏蔽材质来吸收两者间的应力差。 蚀刻化学反应过程中所产生的气泡常会造成蚀刻的不均匀性，气泡留滞于基材上阻止了蚀刻溶液与待蚀刻物表面的接触，将使得蚀刻速率变慢或停滞，直到气泡离开基材表面。因此在这种情况下会在溶液中加入一些催化剂增进蚀刻溶液与待蚀刻物表面的接触，并在蚀刻过程中予于搅动以加速气泡的脱离。 以下将介绍半导体制程中常见几种物质的湿式蚀刻：硅、二氧化硅、氮化硅及铝。 5-2-1 硅的湿式蚀刻 在半导体制程中，单晶硅与复晶硅的蚀刻通常利用硝酸与氢氟酸的混合液来进行。此反应是利用硝酸将硅表面氧化成二氧化硅，再利用氢氟酸将形成的二氧化硅溶解去除，反应式如下： Si + HNO3 + 6HF à H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O 上述的反应中可添加醋酸作为缓冲剂(Buffer Agent)，以抑制硝酸的解离。而蚀刻速率的调整可藉由改变硝酸与氢氟酸的比例，并配合醋酸添加与水的稀释
半导体工艺第八章
8-1超大规模集成电路对图形转换有哪些要求？ 答： （1）图形转换的保真度高 在刻蚀时，通常在纵向刻蚀时，也会有横向（侧向）刻蚀，但这种横向刻蚀在工艺中是不希望出现的。因此，在工艺中，就要严格控制这种侧向刻蚀，使之越小越好。 （2）选择比 刻蚀时，光刻胶和衬底在刻蚀过程中不参与反应，也就是说不会被刻蚀。但事实上，光刻胶与衬底，在整个刻蚀过程中，也会参与反应，也会被刻蚀掉部分。这种现象是不希望出现的。因此，在刻蚀过程中，要求光刻胶和衬底的刻蚀速率十分缓慢。 （3）均匀性 现在商业化生产的晶圆直径往往大于12英寸，而且刻蚀的是≤1mm的微细图形。这种大直径硅片上的薄膜厚度一旦不均匀，就会引起刻蚀速率的不均匀，将直接导致图形转移的不均匀性。而且随着晶圆直径的增大，这种不均匀性就会越来越明显。 （4）刻蚀的清洁 超大规模集成电路的图形非常精细，在刻蚀过程中，任何人为引入的污染，既影响到图形转移的精度，又增加刻蚀后清洗的复杂性。 8-2湿法刻蚀有哪些特点？ 答： （1）湿法刻蚀的反应物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。 （2）湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。这样腐蚀后得到的图形结构像一个倒八字形，而不是理想的垂直墙。（3）湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。放热造成刻蚀局部温度升高，引起化学反应速率增加，一旦温度剧烈增加，又反过来使刻蚀处于不受控制的恶性循环中，使得刻蚀效果变差。 8-3分别阐述SiO2和Si3N4膜的湿法刻蚀原理及刻蚀液配方。 答： （1）二氧化硅的湿法刻蚀 腐蚀液：氢氟酸和氟化氨的混合液 原理：溶液中的F-与二氧化硅中的Si4+络合成六氟硅酸根络离子（SiF6)-2，它与H+结合而生成可溶性的六氟硅酸。 反应原理： SiO2+6HF H2[SiF6]+2H2O （2）氮化硅的湿法刻蚀 ?氢氟酸对氮化硅的腐蚀速度比二氧化硅慢得多，而磷酸则容易腐蚀氮化硅。 ?所以常用热磷酸作为氮化硅的腐蚀剂。 ?化学反应原理： Si3N4+H3PO4 Si(H2PO4)4+NH3
1干法刻蚀和湿法刻蚀
1 干法刻蚀和湿法刻蚀 干法刻蚀是把硅片表面暴露于空气中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应，从而去掉暴露的表面材料。 湿法腐蚀是以液体化学试剂以化学方式去除硅片表面的材料。 2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。A/min表示 刻蚀速率=T/t(。A/min) 其中T=去掉的材料厚度 t=刻蚀所用的时间 为了高的产量，希望有高的刻蚀速率。 3刻蚀选择比指的是同一刻蚀条件下一种材料与另一种刻蚀材料相比刻蚀速率快多少。他定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比。 干法刻蚀的选择比低，通常不能提供对下一层材料足够高的刻蚀选择比。 高选择比意味着只刻除想要刻去的那层。 4干法刻蚀的主要目的完整的把掩膜图形复制到硅片表面上。 优点：刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的侧壁剖面控制， 好的CD控制 最小的光刻胶脱落或粘附问题 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 不足：对下层材料的差的刻蚀选择比，等离子体带来的器件损伤和昂贵的设备。 5化学机理：等离子体产生的反应元素与硅片表面的物质发生反应，为了获得高的选择比，进入腔体的气体都经过了慎重选择。等离子体化学刻蚀由于它是各向同性的，因而线宽控制差。 物理机理：等离子体产生的带能粒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去除未被保护的硅片表面材料。 6基本部件：发生刻蚀反应的反应腔，一个产生等离子体的射频电源，气体流量控制系统，去除刻蚀生成物和气体的真空系统。 氟刻蚀二氧化硅，氯和氟刻蚀铝，氯，氟和溴刻蚀硅，氧去除光刻胶。 7 ECR反应器在1-10毫托的工作压力下产生很密的等离子体，他在磁场环境中采用微波激励源来产生高密度等离子体。ECR反应器的一个关键点是磁场平行于反映剂的流动方向，这使得自由电子由于磁力的作用做螺旋形运动。当电子的回旋频率等于所加的微波电场频率时，能有效把电能转移到等离子体中的电子上。这种振荡增加了电子碰撞的可能性，从而产生高密度的等离子体，获得大的离子流。 8氟基气体 三个步骤：1，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2，刻至终点的主刻蚀，用来刻蚀大部分的多晶硅膜，并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异性的侧壁剖面。
综述报告——刻蚀简介
微加工技术——刻蚀简介 自从半导体诞生以来，很大程度上改变了人类的生产和生活。半导体除了在计算机领域应用之外，还广泛地应用于通信、网络、自动遥控及国防科技领域。本文主要介绍半导体制造工艺中的刻蚀工艺。随着半导体制造大规模集成电路技术的发展，图形加工线条越来越细，硅片尺寸越来越大，对刻蚀工艺的要求也越来高。因此，学习了解刻蚀工艺十分必要。本文将主要从刻蚀简介、刻蚀参数及现象、干法刻蚀和湿法刻蚀四个方面进行论述。 1、刻蚀简介 1.1 刻蚀定义及目的 刻蚀就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形。刻蚀的基本目的，是在涂光刻胶(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。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。其工艺流程示意图如下。
1.2 刻蚀的分类 从工艺上分类的话，在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：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，是各向异性刻蚀（侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度，侧向几乎不被腐蚀），因此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转移上的突出表现，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(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，由于湿法刻蚀是各向同性刻蚀（侧向与纵向腐蚀速度相同），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。干法刻蚀和湿法刻蚀的区别可以见如下示意图。 （a）湿法刻蚀的各向同性刻蚀剖面（b）干法刻蚀的各向异性刻蚀剖面从刻蚀材料上来分类的话，刻蚀主要可分为金属刻蚀、介质刻蚀、硅（多晶硅）刻蚀。
第八章_基本光刻工艺流程-表面准备到曝光
第八章基本光刻工艺流程-表面准备到曝光 概述 最重要的光刻工艺是在晶圆表面建立图形。这一章是从解释基本光刻工艺十步法和讨论光刻胶的化学性质开始的。我们会按照顺序来介绍前四步（表面准备到对准和曝光）的目的和执行方法。 目的 完成本章后您将能够： 1．勾画出基本的光刻工艺十步法制程的晶圆截面。 2．解释正胶和负胶对光的反应。 3．解释在晶圆表面建立空穴和凸起所需要的正确的光刻胶和掩膜版的极性。4．列出基本光刻十步法每一步的主要工艺选项。 5．从目的4的列表中选出恰当的工艺来建立微米和亚微米的图形。 6．解释双重光刻，多层光刻胶工艺和平整化技术的工艺需求。 7．描述在小尺寸图形光刻过程中，防反射涂胶工艺和对比增强工艺的应用。8．列出用于对准和曝光的光学方法和非光学方法。 9．比较每一种对准和曝光设备的优点。 介绍 光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上的所规定的特定区域的基本操作（图8.1）。Photolithography是用来定义这个基本操作的术语。还有其它术语为Photomasking, Masking, Oxide或者Metal Removal （OR,MR）和Microlithography。 光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在不同的器件和电路表面上建立图形（水平的）工艺过程。这个工艺过程的目标有两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形。这个目标被称为晶圆的分辨率（resolution）。图形尺寸被称为电路的特征图形尺寸（feature size）或是图像尺寸（image size）。 第二个目标是在晶圆表面正确定位图形（称为Alignment或者Registration）。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的（图8.2）。请记住，最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确的对准。很容易想象，如果建筑物每一层和每一层不能很好地对准，那么它会对电梯以及楼梯带来什么样的
硅的干法刻蚀简介
https://www.360docs.net/doc/b69357372.html, → 着硅珊ＭＯＳ器件的出现，多晶硅渐渐成为先进器件材料的主力军。除了用作ＭＯＳ栅 极之外多晶硅还广泛应用于ＤＲＡＭ的深沟槽电容极扳填充，闪存工艺中的位线和字线。这些工艺的实现都离不开硅的干法刻蚀技术其中还包括浅槽隔离的单晶硅刻蚀和金属硅化物的刻蚀。为了满足越来越苛刻的要求，业界趋向于采用较低的射频能量并能产生低压和高密度的等离子体来实现硅的干法刻蚀。感应耦合等离子刻蚀技术（ＩＣＰ）被广泛应用于硅及金属硅化物刻蚀，具有极大技术优势和前景。它比典型的电容耦合（ＣＣＰ）等离子刻蚀技术高出１０￣２０倍。此外，其对离子浓度和能量的独立控制扩大了刻蚀工艺窗口及性能。 硅栅（Ｐｏｌｙ Ｇａｔｅ）的干法刻 蚀： 随着晶体管尺寸的不断缩小对硅栅的刻蚀就越具有挑战性。这种挑战体现在对关键尺寸（ＣＤ）及其均匀性的控制，即对栅氧化层选择比的提高，对剖面轮廓的一致性控制以及减少等离子导致的损伤。 因为受到光刻线宽的限制，为达到最后的ＣＤ 线宽要求往往需要先对光阻进行缩小处理，然后进一步往下刻蚀。ＢＡＲＣ打开后，再以光阻为阻挡层将ＴＥＯＳ 打开。 接着把剩余的光阻去除，再以ＴＥＯＳ作为阻挡层对硅栅进行刻蚀。为了保护栅极氧化层不被损伤，通常要把硅栅的刻蚀分成几个步骤：主刻蚀、着陆刻蚀和过刻蚀。主刻蚀通常有比较高的刻蚀率但对氧化硅的选择比较小。通过主刻蚀可基本决定硅栅的剖面 硅的干法刻蚀简介 应用材料中国，葛强 轮廓和关键尺寸。着陆刻蚀通常对栅极氧化层有比较高的选择比以确保栅极氧化层不被损伤。一旦触及到栅极氧化层后就必须转成对氧化硅选择比更高的过刻蚀步骤以确保把残余的硅清除干净而不损伤到栅极氧化层。 ＣＬ２，ＨＢｒ，ＨＣＬ是硅栅刻蚀的主要气体，ＣＬ２和硅反应生成挥发性的ＳｉＣｌ４而ＨＢｒ和硅反应生成的ＳｉＢｒ４ 同样具有挥发性。通常会在这些主刻蚀气体中加入小流量的氧气，一方面是为了在侧壁生成氧化硅从而增加对侧壁的保护；另一方面也提高了对栅极氧化层的选择比。在标准的ＩＣＰ双耦合刻蚀腔体中，ＨＢｒ－Ｏ２的组合通常能达到大于１００：１的选择比。为了避免伤及栅极氧化层，任何带Ｆ基的气体如ＣＦ４，ＳＦ６，ＮＦ３都不能在过刻蚀的步骤中使用。 浅沟槽（ＳＴＩ）的干法刻蚀： 在０．２５ｕｍ和以下的技术节点中，浅沟槽隔离技术被广泛应用。 因为它在减小表面积的同时提供更加有效的隔离。作为沟槽硅刻蚀的阻挡层可以直接用光阻但更多是采用氮化硅作为硅刻蚀的阻挡层。先用光阻作为氮化硅刻蚀的阻挡层，然后用氧等离子体将剩余的光阻除去，最后以氮化硅为阻挡层完成浅沟槽的刻蚀。 浅沟槽刻蚀的难点在于沟槽深度的匀度小于１００仯 饩拖嗟庇谛∮？．２５％ 的均匀性。随着硅片尺寸的增加要达到这样的要求就必须严格控制氮化过刻蚀、ＢＴ刻蚀和浅槽刻蚀的均匀性，每一步都会对最后的结果产生影响。其次为了满足沟槽隔离氧化物的填充要求，剖面轮廓的控制也是非常重要的环节。因 随 为太垂直的轮廓不利于ＨＤＰＣＶＤ的沉积，所以通常会要求适当的倾斜度。另外随着工艺尺寸的缩小，要求达到更高的深宽比使得剖面轮廓控制和深度均匀性控制受到更大的挑战．。当然ＣＤ 的均匀性和剩余氮化硅的均匀性也是重要的技术指标。 ＣＬ２和ＨＢｒ依然是浅沟槽的刻蚀的主要气体，再配合小流量的氧气和氮气来产生氮氧化硅形成侧壁钝化层从而达到理想的刻蚀剖面轮廓。氦气和氩气通常用作辅助稀释的作用。 另外浅槽底部轮廓同样影响到氧化物的填充。采用ＣＬ２ 做为主刻蚀的气体容易形成比较直的剖面轮廓和凸型的底部轮廓。采用ＨＢｒ 作为主刻蚀气体能得到比较斜的剖面轮廓和凹形的底部轮廓。 在实际生产中经常会遇到硅刻蚀的反应物没有被及时的清洗从而导致产品被污染的现象。这是因为硅片完成刻蚀离开反应腔时，在硅片的表面还有大量的Ｃｌ 和Ｂｒ 残留。 它们具有较强的挥发 性。当硅片暴露在空气中，空气中的水汽和ＣＬ、Ｂｒ形成ＨＣＬ和 ＨＢｒ。这些酸性物质会腐蚀和它们接触的表面形成一定程度的污染。为了防止这样的现象发生可以采用Ｏ２等离子清除表面的残留，或者利用腔体净化功能减少污染源。另外还应尽量减少硅片暴露在空气中的时间，尽快洗去表面污染物。 随着关键尺寸的不断缩小和硅片尺寸的扩大。先进的３００ｍｍ 硅刻蚀工艺腔体的气体和温度多采用内圈和外圈独立的控制以满足苛刻的工艺要求。可变的腔体尺寸也是业界的方向之一。腔体内环境的控制和不同硅片的一致性控制也是生产中最常遇到的问题。
第二章干法刻蚀的介绍
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：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(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
干法刻蚀技术的应用与发展
干法刻蚀技术的应用与发展 摘要 在半导体生产中，干法刻蚀是最主要的用来去除表面材料的刻蚀方法。而干法刻蚀是一个惯称，它指的是在低气压下雨等离子体有关的腐蚀方法。经过二十多年的发展，经历了多样化的发展过程，使技术不断完善和创新。一定程度上，干法刻蚀的水平决定了集成电路器件性能和生产规模。 本课程设计主要讨论半导体制造工艺中非常重要的步骤---刻蚀，详细描述了干法刻蚀的物理方法和化学方法以及基本原理，重点讲述干法刻蚀技术在半导体制造工艺中的应用和未来的发展。 关键词：半导体制造，刻蚀，干法刻蚀，金属刻蚀
目录 摘要 (1) 目录 (2) 第1章绪论 (3) 第2章干法刻蚀的机制和原理 (5) 2.1刻蚀工艺 (5) 2.2刻蚀作用 (5) 2.2.1 物理刻蚀 (6) 2.1.2 化学刻蚀 (7) 第3章干法刻蚀的应用 (9) 3.1介质的干法刻蚀 (9) 3.1.1 氧化物 (10) 3.1.2 氮化物 (11) 3.2硅的干法刻蚀 (11) 3.2.1 多晶硅栅刻蚀 (11) 3.2.2 单晶硅的刻蚀 (12) 3.3金属的干法刻蚀 (12) 3.3.1 铝和金属复合层 (12) 3.3.2 钨 (13) 第4章干法刻蚀设备的构成和主要性能指标 (14) 4.1.干法刻蚀设备的概述 (14) 4.2.干法刻蚀工艺流程 (15) 4.3.设备的主要的组成部分 (15) 4.4.干法刻蚀设备的主要性能指标 (16) 总结与展望 (18) 参考文献 (19) 致谢 (20)
第1章绪论 在微电子学领域中，自1948年发明晶体管，随后出现集成电路，直到整个六十年代的二十年里，半导体器件光刻工艺中对各种材料均采用不同的实际进行腐蚀，惯称湿法腐蚀。然而，当器件集成度进入中规模。结构尺寸小于十微米时，惯用的湿法腐蚀由于毛细现象和各向同性的腐蚀性就难以保证精度和重复性，迫切需要寻找新的技术途径。虽然人们早已认识到原子核游离基具有远强于分子的化学活性，但一直没有应用到对固体材料的腐蚀技术上。直至六十年代末才发现氧等离子体可用于去除残留碳化物，并成功地用于等离子体去胶工艺中。随后很快地发展了半导体器件工艺中的干法刻蚀技术。自七十年代初，以辉光放电产生的气体等离子体进行腐蚀加工。至今三十多年，经历了多样化的发展过程，使技术不断得到完善和创新。它的发展是与集成电路的高速发展有着密切关系的。反过来说，干法刻蚀的水平很大程度上决定了集成电路器件和生产规模。 广义而言，所谓的刻蚀技术，是将显影后所产生的光阻图案忠实地转印到光阻下的材质上，形成由光刻技术定义的图形。它包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除，可分为湿式刻蚀(wet etching)和干式刻蚀(dry etching)两种技术。湿式刻蚀具有待刻蚀材料与光阻及下层材质良好的刻蚀选择比（selectivity）。然而，由于化学反应没有方向性，因而湿式刻蚀是各向同性刻蚀。当刻蚀溶液做纵向刻蚀时，侧向的刻蚀将同时发生，进而造成底切（Undercut）现象，导致图案线宽失真，如下图所示。 图1-1 底切现象 自1970年以来，元件制造首先开始采用电浆刻蚀技术（也叫等离子体刻蚀技术），人们对于电浆化学性的了解与认识也就越来越深。在现今的半导体集成电路或LCD制造过程中，要求精确地控制各种材料尺寸至次微米大小，而且还必须具有极高的再现性，
第8章 干刻工艺
第八章干刻工艺 8.1 Dry Etch工序的目的 广义而言，所谓的刻蚀技术，是将显影后所产生的光阻图案忠实地转印到光阻下的材质上，形成由光刻技术定义的图形。它包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除，可分为湿式刻蚀(wet etching)和干式刻蚀(dry etching)两种技术。第五章中已经对湿式刻蚀进行了较详细的介绍。湿式刻蚀具有待刻蚀材料与光阻及下层材质良好的刻蚀选择比（selectivity）。然而，由于化学反应没有方向性，因而湿式刻蚀是各向同性刻蚀。当刻蚀溶液做纵向刻蚀时，侧向的刻蚀将同时发生，进而造成底切（Undercut）现象，导致图案线宽失真，如下图所示。 图8.1 底切现象 自1970年以来，元件制造首先开始采用电浆刻蚀技术（也叫等离子体刻蚀技术），人们对于电浆化学性的了解与认识也就越来越深。在现今的半导体集成电路或LCD制造过程中，要求精确地控制各种材料尺寸至次微米大小，而且还必须具有极高的再现性，电浆刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地将此工作在高良率下完成的技术，因此电浆刻蚀便成为半导体制造以及TFT LCD Array制造中的主要技术之一。 干式刻蚀通常指利用辉光放电（glow discharge）方式，产生包含离子、电子等带电粒子以及具有高度化学活性的中性原子、分子及自由基的电浆，来进行图案转印（pattern transfer）的刻蚀技术。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法，广泛应用于半导体或LCD 前段制程。在本章节中，将针对干刻蚀技术加以说明。 8.2 Dry Etch 的分类及工艺的基本原理 8.2.1蚀刻技术中的术语 1.各向同性与各向异性蚀刻( Isotropic and Anisotropic Etching) 不同的蚀刻机制将对蚀刻后的轮廓(Profile)产生直接的影响。如图8.2所示，纯粹的化
干法刻蚀
1、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?/min表示。 ※?：埃米，1埃米Angstrom =1/10000000000米（10的负10次方）。 刻蚀速率=△T/t（?/min） △T=去掉的材料厚度（?或μm） t=刻蚀所用的时间（分） ※负载效应：刻蚀速率和刻蚀面积成反比。 2、刻蚀剖面 刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状。 ※各向同性和各向异性：各向同性，刻蚀在各个方向的速率一致；各向异性，刻蚀在各个方向的速率不一致。 3、刻蚀偏差 刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸间距的变化。 刻蚀偏差=W b－W a W b=刻蚀前光刻胶的线宽 W a=光刻胶去掉后被刻蚀材料的线宽 4、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。 选择比S R=E f/E r E f=被刻蚀材料的刻蚀速率 E r=掩蔽层材料的刻蚀速率（如光刻胶） 5、均匀性 刻蚀均匀性是一种衡量刻蚀工艺在整个硅片上，或整个一批，或批与批之间刻蚀能力的参数。 ※ARDE，微负载效应。 6、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。 7、聚合物 聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳转化而来并与刻蚀气体（如C2F4）和刻蚀生成物结合在一起形成的。 8、等离子体诱导损伤 A、一种主要的损伤是非均匀等离子体在晶体管栅电极产生陷阱电荷，引起薄栅氧化硅的击穿。 B、另一种器件损伤是能量粒子对暴露的栅氧化层的轰击。发生在刻蚀时栅电极的边缘。 9、颗粒沾污和缺陷 等离子体带来的硅片损伤有时也由硅片表面附近的等离子体产生的颗粒沾污而引起的。由于电势的差异，颗粒产生在等离子体和壳层的界面处。当没有等离子体时，这些颗粒就会掉到硅片表面。氟基化学气体等离子体比氯基或溴基等离子体产生较少的颗粒，因为氟产生的刻蚀生成物具有较高的蒸汽压。