LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
各种材料的刻蚀
工艺 栅极 多晶硅
Al布线
绝缘膜 （SiO2）
气体
F系列(CF4/O2, SF6, NF3等)化学刻蚀/各向同性 Cl/Br系列(Cl2, HBr, HBr/Cl2 等)各向异性、 SiO2选择比大 使用F系气体时由于F的反应产物AlF3不挥发，将 使用Cl系气体(生成AlCl3)。 刻蚀气体：Cl2(化学刻蚀/各向同性) 添加气体：BCl3,SiCl4,CCl4等(形成侧壁保护膜等)
有底蚀时无法 分辨掩膜下的 图形和间距
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前言
选择比
选择比=被刻蚀膜的刻蚀速度/其它膜的刻蚀速度 基底膜及掩膜(光刻胶)的选择比非常重要
选择比大
选择比小
前言
刻蚀方案
◆湿法刻蚀 化学刻蚀、各向同性刻蚀
◆干法刻蚀 □ 广义的干法刻蚀
用气体取代化学品的刻蚀 气体激励方法有 热、光、放电、离子束等 □ 目前半导体产品制造中使用的方法
用放电激励的气体（等离子体）的刻蚀
可能实现各向异性刻蚀
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45 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
刻蚀
前言
引入干法刻蚀的背景和历史
60年代后半期 用氧等离子体剥离光刻胶
70年代 Si刻蚀和Si3N4刻蚀（CF4+O2系） 80年代 用RIE的各向异性刻蚀 90年代 高密度等离子体
检测刻蚀终了的时间 防止刻蚀不足和过刻蚀
◆ 发射光谱监测
利用刻蚀剂或反应产物 在刻蚀中和刻蚀终了后 发光强度的改变
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LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
残留物与过刻蚀
◆ 各向异性刻蚀引起的残留物
台阶处垂直方向的膜厚变厚 ↓ 各向异性刻蚀在台阶处往往产生残留物 ↓ 为了除去残留物需要过刻蚀
栅极氧化膜 100Å以下
气体流量大、用硬掩膜时反应产物的附着减少
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50 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
刻蚀
LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
铝合金刻蚀的挑战
光刻胶选择比低（约为2） →厚光刻胶膜给光刻带来很大负担
AlCl3的抗蚀和反应
Al的腐蚀 (腐蚀后) AlCl3+H2O→HCl
在二电极间加 高频电流流过线圈
入射
高频电场
时产生感应电场 电磁波
干法刻蚀的原理和设备
平行平板型刻蚀装置
阴极耦合
阳极耦合
RIE
等离子刻蚀
(反应性离子刻蚀)
加双频RIE
等离子密度 控制(高频)
工业用的高频电源频率为13.56MHz至 约100MHz(绝缘膜衬底直流不放电)
衬底偏置 控制(低频)
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LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
高深宽比孔中的RIE-lag
刻蚀时间相同时刻蚀深度差异的比较
LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
形成微细图形以外的应用
◆ 形成LDD结构 参见右图
刻蚀栅电极 LDD注入
◆ 其它应用 平坦化 反刻蚀等
淀积氧化物层
氧化物层反刻蚀 （留下侧壁）
刻蚀参数 1.压力 2.气体流量 3.功率
电源
真 空 锁
控质 制量 器流
量
真空泵
反应室
气 罐
净
化
设
排
备
气
管
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47 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
刻蚀
干法刻蚀的原理和设备
等离子体生成方法分类
3类等离子体生成方法
电容耦合 电感耦合 电磁波耦合 （静电场） （感应电场） （电磁波）
需要后处理
无法清除含有C-Al的灰化层 需要侧壁保护膜清除工艺
多层布线→TiN的刻蚀速率低
AlSiCu→Cu残留物 用溅射作用除去
LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
SiO2刻蚀的挑战
高深宽比孔的垂直加工
Si衬底损伤 →高接触电阻 →减少或除去损伤
扩散层浅结 →需要Si的高选择性
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LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
5. 灰化 6. 结语
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前言
光刻 刻蚀 灰化
刻蚀过程
光刻胶
多晶Si Al合金 SiO2等
除去光刻胶没有 遮盖的不需要的 部分薄膜
清除光刻胶,只留下薄 膜的电路图形
260
前言
各向同性刻蚀和各向异性刻蚀
◆各向同性刻蚀（isotropic etching）
在所有方向以相同速度进行的刻蚀 掩膜下会产生侧向侵蚀情况
光 激励
电子
原子
分子
原子
离解
正离子
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理解干法刻蚀所需的等离子体基础知识
为什么只有电子是高温？
离子、原子、分子的质量是电子的1万倍以上！！
如果电子是一元硬币，离子、原子、分子就与人 的重量一样！！
1日元硬币
由于电子轻，容易从 电场得到能量 ⇒ 高温电子
电子与分子碰撞时分 子不移动 ⇒ 仍是低温分子
压力：1mTorr～1Torr（≒0.1Pa～100Pa） 电子密度：109～1013cm-3 电离度：一般的RIE情况，小于万分之一 作用可能实现各向异性
理解干法刻蚀所需的等离子体基础知识
等离子体中的反应
离化
激励频率的作用
高频(例如13.56MHz) ：离子质量重,不能流动 低频(例如400kHz) ：频率低,离子可以跟踪
最大振幅：20μm 最大能量：1eV
最大振幅：2cm 最大能量：1000eV
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干法刻蚀的原理和设备
低压高密度刻蚀装置
电容耦合 （CCP）
磁控管RIE 有磁场 （通常的RIE中高压鞘内能量损失
◆热等离子体和低温等离子体(不平衡等离子体)
□热等离子体 所有电子、离子、中性粒子的温度都相同 □低温等离子体（不平衡等离子体）只有电子温度较高
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理解干法刻蚀所需的等离子体基础知识
干法刻蚀用的等离子体的特点
◆由低压气体放电产生 ◆低温等离子体（不平衡等离子体） ◆弱离化，等离子体密度低
大,难以高密度化）
电感耦合 （ICP）
圆筒形螺旋线圈 无磁场 平面形螺旋线圈
ECR等离子体
电磁波耦合
有磁场
（通过电子回旋共振有效吸收电磁 波能量）
干法刻蚀的原理和设备
低压高密度等离子体的必要性(1)
高精度各向异性
微细加工的高深宽比
提高入射离子的垂直性
低压
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48 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
第五章
刻蚀
Semiconductor Manufacturing Basic
刻蚀
刻蚀
1. 前言 2. 理解干法刻蚀所需的等离子体基础知识 3. 干法刻蚀原理和设备
·干法刻蚀机理/各向异性刻蚀机理 ·干法刻蚀设备 ·高密度等离子体的必要性和设备
4. LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
·干法刻蚀要求的特性 ·各种材料的刻蚀和有关问题 ·干法刻蚀引起的损伤 ·相应的环境问题
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干法刻蚀的原理和设备
反应性离子刻蚀
(Reactive Ion Etching -RIE-)
阻断电容器
电子速度 离子速度
电子流入电容器 负电荷累积形成负电位(Vdc)
电子流和离子流 稳态平衡
自生偏压
平均电位分布
Vdc加速离子 垂直入射到晶圆
进行各向异性刻蚀
Vdc一般为数百伏
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干法刻蚀的原理和设备
电子能量(速度)比离子 要大得无可比拟
离子鞘
流入固体的电子数量 占压倒多数
带向衬底！
理解干法刻蚀所需的等离子体基础知识
离子鞘(2)
电阻温度约2万度 离子、中性粒子数・・由于带负电荷，电子 速度非常快。
等离子体
电子速度 1000km/秒
相差2000倍！
磁控管RIE
磁场
电磁铁
S极
N极
永久磁铁
用永久磁铁或电磁 铁创建一个与晶圆 平行的磁场
干法刻蚀的原理和设备
为什么会是高密度？
磁场中的电子—＞摆线运动
电场
磁场
无磁场
延长电子寿命、与气体分子碰撞的频度增 加、产生高密度等离子体
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49 《半导体制造》
Semiconductor Manufacturing Basic
刻蚀
干法刻蚀的原理和设备
干法刻蚀要求的特性
◆ 刻蚀速率
经济的加工时间（典型情况是约数十秒/片）
◆ 选择比
衬底膜层的选择比、掩膜的选择比
◆ 加工精度
尺寸精度、加工形状
◆ 无损伤 ◆ 均匀性/重复性
晶圆内/晶圆间、与衬底选择性的权衡
LSI工艺用干法刻蚀的应用与挑战
终点检测
◆ 终点检测（End Point Detection）
1.化学的
2.物理的
3.化学物理的
干法刻蚀的原理和设备
各向异性刻蚀机理
１．侧壁保护膜 光刻胶溅射的附着膜 等离子体中不饱和类聚合膜(聚合物) 不挥发的反应产物
侧壁保护膜
离子冲击除 去淀积在底 部的保护膜
２．离子辐照加速反应进行
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干法刻蚀的原理和设备
干法刻蚀装置
组成 1.反应室 2.气体供给系统 3.排气系统 4.等离子体产生系统(电源) 5.传送系统