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

摘要 (2)

目录 (3)

第1章绪论 (4)

第2章干法刻蚀的机制和原理 (6)

2.1刻蚀工艺 (6)

2.2刻蚀作用 (6)

2.2.1物理刻蚀 (7)

2.1.2化学刻蚀 (8)

第3章干法刻蚀的应用 (10)

3.1介质的干法刻蚀 (10)

3.1.1氧化物 (11)

3.1.2氮化物 (12)

3.2硅的干法刻蚀 (12)

3.2.1多晶硅栅刻蚀 (12)

3.2.2单晶硅的刻蚀 (13)

3.3金属的干法刻蚀 (13)

3.3.1铝和金属复合层 (13)

3.3.2钨 (14)

第4章干法刻蚀设备的构成和主要性能指标 (15)

4.1.干法刻蚀设备的概述 (15)

4.2.干法刻蚀工艺流程 (16)

4.3.设备的主要的组成部分 (16)

4.4.干法刻蚀设备的主要性能指标 (17)

总结与展望 (19)

参考文献 (20)

致 (21)

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，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。和其他一些技术。比如气相腐蚀、激光诱导腐蚀，以及无掩膜的聚焦离子束腐蚀等，虽然亦有别于“湿法”，但已自成体系，一般不列入干法刻蚀之中。经过二十多年的发展，出现多种干法刻蚀结构形式，她们具有各自的时代背景，也有各自的特点。

第2章干法刻蚀的机制和原理

2.1刻蚀工艺

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。干法刻蚀是把硅片表面曝露与其他中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开除的残空，与硅片发生物理或者化学反应（或这两种反应），从而去掉曝露的表面材料。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方方法。而湿法腐蚀一般只用于尺寸较大的情况下（大于3微米）。湿法腐蚀仍然用来腐蚀硅片上的某些层或用来去除干法刻蚀后的残留物。

干法刻蚀也可以根据被刻蚀的材料类型来分类。按材料分，刻蚀主要分成三种：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。接触空和通孔结构制作需要刻蚀介质，从而在ILD中刻蚀出窗口，而具有高深度宽比（窗口的深于宽的比值）的窗口刻蚀具有一定的挑战性。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。金属刻蚀主要是在金属层上去掉铝合金复合层，制作出互联线。

刻蚀也可以分成有图形刻蚀和无图形刻蚀。有图形的刻蚀采用掩蔽层（有图形的光刻胶）来定义要刻蚀掉的表面材料区域，只有硅片上被选择的这一部分在刻蚀过程中刻掉，有图形刻蚀可用来在硅片上制作多种不同的特征图形，包括栅、金属互联线、通孔、接触孔和沟槽。无图形刻蚀、反过来或剥离是在整个硅片没有掩膜的情况下进行的，这种刻蚀工艺用于剥离掩蔽层（如STI氮化硅剥离和用于制备近体馆注入侧墙的硅化物工艺后钛的剥离）。反刻是在想要把某一层膜的总的厚度减小时采用的（如当平坦化硅片表面是需要见效形貌特征）。光刻胶是另一个剥离的例子。总的来说。有图形刻蚀和无图形刻蚀工艺能够采用干法刻蚀或湿法腐蚀技术来实现。

2.2刻蚀作用