半导体刻蚀

2．氮化硅
在硅片制造过程中用到两种基本的 氮 化 硅 。 一 种 是 在 700~800℃ 下 用 LPCVD淀积的，另一种是在低于350℃ 下用PECVD淀积的。后一种氮化硅膜 的刻蚀速率较快。刻蚀氮化硅常用的主 要气体是CF4。
二．硅的干法刻蚀
1．多晶硅栅刻蚀 在MOS器件中，掺杂的LPCVD多晶 硅是用作栅极的导电材料。掺杂多晶硅线 宽决定了有源器件的栅长，并会影响晶体 管的性能（见图12.17）。多晶硅栅的刻蚀 工艺必须对下层栅氧化层有高的选择比并 具有非常好的均匀性和重复性。同时也要 求高度的各向异性，因为多晶硅栅在源/ 漏的注入过程中起阻挡层的作用。倾斜的 侧壁会引起多晶硅栅结构下面部分的掺杂
1. 介质刻蚀是用于介质材料的刻 蚀，如二氧化硅。 2. 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。 3. 金属刻蚀主要是在金属层上去 掉铝合金复合层，制作出互连线。
刻蚀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。
12.2 干法刻蚀
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。干 法刻蚀的主要目的是完整的把掩膜图形 复制到硅片表面上。硅片的等离子体刻 蚀过程见图12.9。
干法刻蚀相比与湿法腐蚀的优点是： 1. 刻蚀剖面是各向异性，具有非常 好的侧壁剖面控制； 2. 好的特征尺寸（CD）控制； 3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题； 4. 好的片内、片间、批次间的刻蚀 均匀性； 5. 较低的化学制品使用和处理费用
刻蚀多晶硅（或硅）通常是一个三 步工艺过程： 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）接下来是刻至终点的主刻蚀。 这一步用来刻蚀掉大部分的多晶硅膜， 并不损伤栅氧化层和获得理想的各向异 性的侧壁剖面；
3）最后是过刻蚀，用于去除刻蚀残 留物和剩余多晶硅，并保证对栅氧化层 的高选择比。
干法等离子体反应器有下面不同的 类型： 一．圆筒式等离子体刻式机 (图12.10） 化学刻蚀，各向同性。 二．平板（平面）反应器 (图12.11) 物理和化学刻蚀，各向异性和各向 同性。 三．顺流刻式系统 (图12.12) 化学刻蚀，各向同性。
四．三极平面反应器(图12.13） 物理刻蚀，各向异性。 五．离子铣 (图12.14) 物理和化学刻蚀，各向异性。 六．反应离子刻蚀 (图12.15) 物理刻蚀，各向异性。 七．高密度等离子体刻蚀机 物理刻蚀，各向异性。
包含带能离子、电子和激发分子的等 离子体可引起对硅片上的敏感器件引起 等离子体诱导损伤。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。差的 设备或在优化的工艺窗口之外进行刻蚀 工艺会使等离子体变得不均匀。另一种 器件损伤是能量离子对曝露的栅氧化层 的轰击。等离子体损伤有时可以通过退 火或湿法化学腐蚀消除。
高密度等离子体刻蚀机中等离子体 通常处于磁场中。在等离子体刻蚀中采 用磁场的理由是： 1）产生的等离子体能更有效地获得 进入高深宽比窗口的高方向性低能离子 以及较少的硅片损伤； 2）等离子体密度较大，有更多的反 应基和带电粒子以增大刻蚀速率； 3）能减小硅片上的直流偏置电压， 从而可减少粒子轰击（或损伤）。
12.2.4 干法刻蚀的应用
一个成功的干法刻蚀要求： 1. 对不需要刻蚀的材料（主要是光 刻胶和下层材料）的高选择比； 2．获得可接受的产能的刻蚀速率； 3．好的侧壁剖面控制； 4．好的片内均匀性； 5．低的器件损伤； 6. 宽的工艺制造窗口。
一．介质的干法刻蚀
1．氧化物 刻蚀氧化物通常是为了制作接触 孔和通孔。氧化物等离子体刻蚀工艺 通常采用氟碳化合物化学气体。加入 缓冲气体用于稀释刻蚀气体的浓度可 以增加刻蚀的均匀性。
目前有以下几种高密度等离子体技术：
■ 电子回旋加速振荡（ECR）
■ 电感耦合等离子体（ICP）
■ 双等离子体源（DPห้องสมุดไป่ตู้）
■ 磁增强反应离子刻蚀（MERIE）
12.2.3 终点检测
干法刻蚀不同于湿法腐蚀之处在于它 对下面的材料没有好的选择比。基于此 原因，需要终点检测来监测刻蚀工艺并 停止刻蚀以减小对下面材料的过渡刻蚀 。终点检测系统测量一些不同的参数， 如刻蚀速率的变化、在刻蚀中被去除的 腐蚀产物的类型或在气体放电中活性反 应剂的变化（见图12.16）。用于终点检 测的一种方法是光发射谱。这一测量方 法集成在刻蚀腔体中以便进行实时监测
对于亚微米尺寸的图形来说，希望刻 蚀剖面是各向异性的，即刻蚀只在垂直于 硅片表面的方向进行（见图12.4），只有 很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在 芯片上可制作高密度的刻蚀图形。各向异 性刻蚀对于小线宽图形亚微米器件的制作 来说非常关键。先进集成电路应用上通常 需要88到89º 垂直度的侧壁。各向异性刻 蚀大部分是通过干法等离子体刻蚀来实现 的。
六．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。它的产生有多种原因， 例如被刻蚀膜层中的污染物、选择了不合 适的化学刻蚀剂（如刻蚀太快）、腔体中 的污染物、膜层中不均匀的杂质分布。刻 蚀残留物是IC制造过程中的硅片污染源， 为了去除刻蚀残留物，有时在刻蚀完成后 会进行过刻蚀。刻蚀残留物可以在去除光 刻胶的过程中或用湿法化学腐蚀去掉。
12.2.2 等离子体刻蚀反应器
一个等离子体干法刻蚀系统的基本 部件包括：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。刻蚀系统包括传感器、气体流 量控制单元和终点触发探测器。
在干法等离子体刻蚀中不同的控制参 数有：真空度、气体混合组份、气流流速、 温度、射频功率和硅片相对于等离子体的 位置。这些不同的参数之间的互作用是干 法刻蚀工艺控制器的功能。
三．金属的干法刻蚀
金属刻蚀的要求主要有以下几点：
1）高刻蚀速率（大于1000nm/min）；
2）对下面层的高选择比，对掩蔽层 （大于4:1）和层间介质层（大于20:1）； 3）高的均匀性，且CD控制很好，没 有微负载效应；
七．聚合物
聚合物的形成有时是有意的，是为 了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从 而防止横向刻蚀（见图12.8），这样做 能形成高的各向异性图形，因为聚合物 能阻挡对侧壁的刻蚀，增强刻蚀的方向 性，从而实现对图形关键尺寸的良好控 制。能否形成侧壁聚合物取决于所使用 的刻蚀气体类型。
八．等离子体诱导损伤
三．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（见图12.5）。它通常 是由于横向钻蚀引起的（见图12.6）， 但也能由刻蚀剖面引起。当刻蚀中要去 除掩膜下过量的材料时，会引起被刻蚀 材料的上表面向光刻胶边缘凹进去，这 样就会产生横向钻蚀。
计算刻蚀偏差的公式如下：
刻蚀偏差 = Wb ― Wa
其中，Wb =刻蚀前光刻胶的线宽， Wa =光刻胶去掉后被刻蚀材料 的线宽。
四．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相比刻蚀速率快多 少。它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（见图 12.7）。高选择比意味着只刻除想要刻 去的那一层材料。
对于被刻蚀材料和掩蔽层材料的选 择比SR可以通过下式计算：
12.1 刻蚀工艺
12.1.1 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。在湿法腐 蚀中，液体化学试剂（如酸、碱和溶剂 等）以化学方式去除硅片表面的材料。
干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态 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（或这两种反应），从而去掉曝 露的表面材料。 干法刻蚀根据被刻蚀的材料类型来 分类。按材料来分，刻蚀主要分成三种： 金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。
九．颗粒沾污
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。研究表明，由于电势的差异， 颗粒产生在等离子体和壳层的界面处。 当没有了等离子体时，这些颗粒就会掉 到硅片表面。颗粒沾污的控制可通过优 化刻蚀设备，合适的操作和关机，对被 刻蚀的膜层选用合适的化学气体来达到。
多晶硅刻蚀气体传统上是氟基气体， 在刻蚀硅的过程中氟原子起作用。采用 氯或溴化学气体可以产生各向异性刻蚀 和对氧化硅有好的选择比。
2．单晶硅的刻蚀
单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如 器件隔离沟槽或垂直电容的制作。硅槽 的刻蚀要求对每一个沟槽都进行精确的 控制，要求有一致的光洁度、接近的垂 直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角 和底角，因此需采用多步工艺，并对最 后一步进行优化。浅槽的刻蚀气体多用 氟气，深槽常使用氯基或溴基气体。
使用干法刻蚀也有一些缺点。主 要的缺点是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。
12.2.1 刻蚀作用
干法刻蚀系统中，刻蚀作用是通过 化学作用或物理作用，或者是化学和物 理的共同作用来实现的。在纯化学机理 中，等离子体产生的反应元素与硅片表 面的物质发生反应. 为了获得物理机理的刻蚀，等离子 体产生的带能离子（轰击的正离子）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。这种机械刻蚀的好处在于 它很强的刻蚀方向性，从而可以获得高 的各向异性刻蚀剖面，以达到好的线宽 控制目的。这种溅射刻蚀速率高，然而 选择比差。另一个问题是被溅射作用去 除的元素是非挥发性的，可能会重新淀 积到硅片表面，带来颗粒和化学污染。
还有一种是物理和化学混合作用机 理，其中离子轰击改善化学刻蚀作用。刻 蚀剖面可以通过调节等离子体条件和气体 组分从各向同性向各向异性改变。这种物 理和化学混合作用机理刻蚀能获得好的线 宽控制并有不错的选择比，因而在大多数 干法刻蚀工艺中被采用。表12.2总结了化 学作用、物理作用和化学/物理结合作用 刻蚀中的不同刻蚀参数。