干法刻蚀的介绍

  其次章干法刻蚀的介绍 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外表去除不需要的材料的过程。刻蚀的根本目的，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展。我们一般通过刻蚀，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，保护硅片上的局部特别区域，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根本的刻蚀工艺：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响，刻蚀掉硅片上暴露的外表材料的一种工艺技术法[1]。 该工艺技术的突出优点是，能够得到极其准确的特征图形。超大规模集成电路的进展，要 求微细化加工工艺能够严格的掌握加工尺寸，要求在硅片上完成极其准确的图形转移。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，给生产带来没有办法弥补的损害。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，已根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外表的 材料。固然，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，腐蚀掉露出的外表材料。但从掌握图形外形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状况(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，湿法腐蚀仍被大范围的应用在腐蚀层间膜、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展刻蚀的。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，与被刻蚀外表进展反响，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，干法刻蚀在刻蚀外表材料时，既存在化学反响又存在物理反响。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 我们大家可以了解到干法刻蚀的主要过程。反响腔体内气体等离子体中的离子，在反响腔体的扁压作用下，对被刻蚀的外表进展轰击，形成损伤层，从而加速了等离子中的自由活性激团在其外表的反响，经反响后产生的反响生成物，一局部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外表反响和反响生成物不断淀积的过程中完成的。离子轰击表达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响时，等方性作用对侧壁的刻蚀[3]。正由于干法刻蚀这一物理反响和化学反响相结合的独特方式，在异方性和等方性的相互作用下，可以准确的掌握图形的尺寸 和外形，表达出湿法刻蚀无法比较的优越性，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进展，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 大致上可以分为：惰性系、腐蚀系、氧化系以及C，F 系。 2. 3. 2 刻蚀反响的分类 刻蚀反响，包括了物理反响和化学反响。依据等离子体中自由活性激团与主要外表材料的刻蚀反响，其根本化学反响式可归纳为如下几种。 SiO : 3SiO +4CF *→3SiF ↑+2 CO↑+2CO ↑ 2 2 3 4 2 Si: Si+4F*→SiF 4 ↑ Si+4C1*→SiCl ↑ 4 W: W+6F*→WF ↑ 6 A1: A1+3C1*→A1C1 ↑ 3 固然，在实际的刻蚀过程中，依据加工工序的要求，以及被刻蚀图形的膜层构造，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SiON ；以及其他介质膜刻蚀中的SiN 等。 3 刻蚀应用的分类 干法刻蚀，主要使用在在图形形成工艺中。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。 大局部干法刻蚀工艺，涉及有图形刻蚀。而对于局部无图形刻蚀，仍旧能够最终靠干法刻 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工程之一。但依据生产的基本工艺的需要，在局部关键的无图形刻蚀中，均承受了干法 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 侧壁的外形和尺寸的好坏，会直接影响器件的特性，用干法刻蚀进展刻蚀的掌握是最好的选择。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 侧壁的特别形貌的。另外，在钨塞的形成工艺中，承受了钨的干法回刻工艺。湿法的全面腐蚀是无法准确掌握钨塞损失量的。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，依据各加工工序、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： 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格外严格，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进展为硅基板+ 氮化膜刻蚀。固然，除隔离区的形成外，在一些大功率管的制作的完整过程中也承受了硅基板刻蚀。 氮化膜刻蚀(SiN etch)。如前所述，多用于器件隔离区的刻蚀。此外，还运用在特别的LDD 侧墙形成的工艺中。但由于刻蚀工程中的金属污染问题，此类刻蚀必需与隔离区的刻蚀设备分别使用。 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。其涉及的工序最重要的包含 LDD 侧墙、容量、接触孔与通孔的刻蚀。同样由于微细化的进展，为形成微小寸法的栅极，在栅极刻蚀中已大量承受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展刻蚀。同样，考虑到栅极局部 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需留意分别使用[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。 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。 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，此类设备也必需与同类非金属膜刻蚀设备严格区分。 去胶刻蚀(Ash etch)。由于设备本身与刻蚀工序的特别性，它与上述刻蚀设备存在较大区分。它对应的工序比较广泛，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，干法刻蚀依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承受，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 要承受氟基气体(如，NF 3 和 SF 6 )，在增大刻蚀速率的状况下，拥有非常良好的尺寸掌握特性。 在接触金属刻蚀中，形成接触的局部是一个自对准工艺。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。由于该工艺并不承受金属刻蚀，而是利用介质刻 蚀形成互练线槽，在电化学淀积铜后，承受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，进展具体争论。 2. 4 干法刻蚀设备 2. 4. 1 干法刻蚀反响器 争论干法刻蚀设备，先要介绍一下等离子刻蚀反响器。干法等离子反响器有以下儿种类型： 圆桶式等离子体反响器;平板(平面)反响器;顺流刻蚀系统;三极平面反响器;离子铣;反响离子刻蚀(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进展趋势，本节将介绍和争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，干法刻蚀方式最重要的包含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，是指承受 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， 将在下文中介绍反响离子刻蚀(RIE)反响器时，进展相关描述。 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掌握的。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掌握器(phase controller)进展位相制御。由位相掌握离子能量，此类装置适合 poly-silicon 与 poly-silicide 刻蚀。 RIE 反响离子刻蚀腔体，该干法刻蚀进展时，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响性能的自由活性激团，用于其后的刻蚀反响。这一特性，表达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，到达硅片外表。这一特点，表达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MHz RF，形成等离子体，并由下部电极加载 13. 56MHz 的 RF，用于掌握离子能量。诱导放电模式中，等离子体密度与离子能量可以独立的被掌握。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，格外适用于铝、钨等金属膜质的刻蚀.作为诱导放电方式，包括了电子盘旋加速反响器(ECR)、电感祸合(ICP )、双等离子体源反响器和磁增加反响离子刻蚀反响器(MERIE)等多种类型的反响器，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 刻蚀中表达出等方性的特征。此类设备，应用在去胶刻蚀工艺中，并对局部工艺的外表损伤进展微刻蚀修复。可依据工艺需要，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，简洁的介绍了干法刻蚀相关的刻蚀反响腔体。而 实际的刻蚀腔，要相对简单得多。如图 2. 4-4 DPS 金属刻蚀腔体的掌握界面图所示。从图中我们大家可以看到，工艺气体从腔体上部经流量掌握系统流入腔体，经刻蚀反响的气体再通过分 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掌握 系统，在对腔体吹扫及硅片搬送等动作时，进展系统用气的掌握。从图的左侧，还能够正常的看到， RF 功率及温度等掌握界面。 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，将依据刻蚀类型的不同，进展不同的组合。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，包括了气体流量制掌握系统、RF 输出系统、腔体温度掌握系统、硅片的温度掌握系统、压力掌握系统、终点检出系统和气体除害系统等，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响腔体外，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顿层的材料之间往往没有好的选择比，所以要通过终点 检测系统来监控刻蚀过程，推断刻蚀停顿的最正确位置，以削减对刻蚀停顿层的的过度刻蚀。 终点检测系统，是利用等离子体发光强度的变化来进展检测的。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。而当检测反响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，也就是刻蚀停顿的地方，则发生在波形上升或下降的拐点四周。对于终点的具体检出位置，将依据检出窗口的大小，停顿在波形变化的某一 个区域。较为普遍的终点检测的新方法，是承受光放射谱，可以很便利的对刻蚀腔体进展实时监 测。关于终点检出的波形，可以依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，把握终点检测窗口的设置，对于准确设置刻蚀工艺条件，是格外重要的。 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外表材料的速度，通常用 A/min 表示。通常对于量产，为提高产能，期望有较高的刻蚀速率。在承受单片工艺的干法刻蚀设备中，这一参数是格外重要的。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打算。如，被刻蚀材料类型、刻蚀机的构造配置、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。硅片外表儿何外形等因素不同，可造成不一样的硅片 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，也就是说大局部气相刻蚀基在等离子反响过程中被消耗了，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全都性的根底参数。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异， 表达出不同设备的性质。 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 /Er f Sr：对光刻胶的选择比，E :：被刻蚀材料刻蚀速率，Er：光刻胶刻蚀速率 f 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

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