半导体前端工艺之刻蚀工艺.docx

《半导体前端工艺之刻蚀工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体前端工艺之刻蚀工艺.docx（18页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、半导体前端工艺之刻蚀工艺目录前言11 .光“堆叠”可不行22 .刻蚀工艺的特性33 .工艺流程43.1.概述43.2.刻蚀工艺的特性43.3.刻蚀偏差63.4.刻蚀材料61.5, 刻蚀形状64 .刻蚀的种类74. 1.湿刻蚀(WetEtChing)与干刻蚀(DryEtChing)75. 2.按去除材料的方法划分85 .刻蚀气体与附加气体116 .刻蚀工艺中的等离子体136.1.生成机理131.2. 离子体电势147 .反应离子刻蚀RIE147. 1.结构148. 2.刻蚀机理149. 3.优缺点158 .电感耦合等离子体刻蚀ICP158. 1.刻蚀机理159. 2.结构1610. 3.优势16

2、9 .侧壁保护179. 1.各向异性参数1710. .方法1710 .结论：提高密度的另一个抓手17前言在半导体制程工艺中，有很多不同名称的用于移除多余材料的工艺，如“清洗”、“刻蚀”等。如果说“清洗”工艺是把整张晶圆上多余的不纯物去除掉,“刻蚀”工艺则是在光刻胶的帮助下有选择性地移除不需要的材料，从而创建所需的微细图案。半导体“刻蚀”工艺所采用的气体和设备，在其他类似工艺中也很常见。1 .光“堆叠”可不行在半导体前端工艺第三篇中，我们了解了如何制作“饼干模具”。本期，我们就来讲讲如何采用这个“饼干模具”印出我们想要的“饼干”。这一步骤的重点，在于如何移除不需要的材料，即“亥IJ蚀(EtChi

3、ng)工艺”。饼干剖面图普力胱刻胶采用特殊溶液移除去除挖出的饼干屑添加巧克力糖浆清理多余的巧克力糖浆不受光刻胶保护的部分图1移除饼干中间部分，再倒入巧克力糖浆让我们再来回想一下上一篇内容中制作饼干的过程。如果想在“幸福之翼”造型饼干中加一层巧克力夹心，要怎么做呢？最简单的方法就是把饼干中间部分挖出来，再倒入巧克力糖浆。挖出饼干的这一过程，在半导体制程中就叫做“刻蚀”，即在“幸福之翼”饼干上叠加中间被挖空的黄色模具(光刻胶)，再喷洒只与饼干裸露部分产生反应的溶液，使其未受模具保护的部分被溶解腐蚀。随后便应移去模具，倒入巧克力糖浆。最后，清理残余的巧克力糖浆，再盖上一层饼干层，巧克力夹心饼干就制成

4、了。在半导体制程工艺中，有很多不同名称的用于移除多余材料的工艺，如“清洗，、，刻蚀，等。如果说，清洗，工艺是把整张晶圆上多余的不纯物去除掉,“刻蚀”工艺则是在光刻胶的帮助下有选择性地移除不需要的材料，从而创建所需的微细图案。半导体“刻蚀”工艺所采用的气体和设备，在其他类似工艺中也很常见。2 .刻蚀工艺的特性“刻蚀”工艺具有很多重要的特性。所以，在了解具体工艺之前，有必要先梳理一下刻蚀工艺的重要术语，请见图2：刻蚀方向的选择性刻蚀方向的选择性等向性刻蚀非等向性蚀高选择比低选择比速度慢速度快高(非)均匀性低(非)均匀性图2等向性刻蚀与非等向性刻蚀的特点第一个关键术语就是“选择比”，该参数用于衡量是

5、否只刻蚀了想刻蚀的部分。在反应过程中，一部分光刻胶也会被刻蚀，因此在实际的刻蚀工艺中，不可能100%只刻蚀到想移除的部分。一个高选择比的刻蚀工艺，便是只刻蚀了该刻去的部分，并尽可能少地刻蚀到不应该刻蚀材料的工艺。第二个关键词，就是“方向的选择性”。顾名思义，方向的选择性是指刻蚀的方向。该性质可分为等向性(ISOtrOPiC)和非等向性(AniSOtrOPiC)刻蚀两种：等向性刻蚀没有方向选择性，除纵向反应外，横向反应亦同时发生；非等向性刻蚀则是借助具有方向性的离子撞击来进行特定方向的刻蚀，形成垂直的轮廓。试想一个包裹糖果的包装袋漏了一道口子，如果把整块糖连包装袋一起放入水中，一段时间后，糖果就

6、会被溶解。可如果只向破口处照射激光，糖果就会被烧穿，形成一个洞，而不是整块糖果被烧没。前一现象就好比等向性刻蚀，而后一现象就如同非等向性刻蚀。第三个关键词，就是表明刻蚀快慢的“刻蚀速率(EtChingRate)”。如果其他参数不变，当然速率越快越好，但一般没有又快又准的完美选择。在工艺研发过程中，往往需要在准确度等参数与速率间权衡。比如，为提高刻蚀的非等向性，需降低刻蚀气体的压力，但降压就意味着能够参与反应的气体量变少，这自然就会带来刻蚀速率的放缓。最后一个关键词就是“均匀性”。均匀性是衡量刻蚀工艺在整片晶圆上刻蚀能力的参数，反映刻蚀的不均匀程度。刻蚀与曝光不同，它需要将整张晶圆裸露在刻蚀气体

7、中。该工艺在施加反应气体后去除副产物，需不断循环物质，因此很难做到整张晶圆的每个角落都是一模一样。这就使晶圆不同部位出现了不同的刻蚀速率。3 .工艺流程3.1. 概述H1nJMH9aMHH1HMH图3芯片制造的刻蚀工艺流程光刻胶选择比被刻蚀物刻蚀速率光刻胶刻蚀速率光刻胶选择比=被刻蚀物刻蚀速率光刻胶刻蚀速率衬底选择比被刻蚀物刻蚀速率衬底刻蚀速率衬底选择比=被刻蚀物刻蚀速率衬底刻蚀速率3.2.刻蚀工艺的特性“刻蚀”工艺具有很多重要的特性。所以，在了解具体工艺之前，有必要先梳理一下刻蚀工艺的重要术语，请见图4：刻蚀方向的选择性刻蚀方向的选择性等向性刻蚀非等向性刻蚀高选择比低选择比速度快速度慢高(非

8、)均匀性低(非)均匀性图4等向性刻蚀与非等向性刻蚀的特点第一个关键术语就是“选择比”，该参数用于衡量是否只刻蚀了想刻蚀的部分。在反应过程中，一部分光刻胶也会被刻蚀，因此在实际的刻蚀工艺中，不可能100%只刻蚀到想移除的部分。一个高选择比的刻蚀工艺，便是只刻蚀了该刻去的部分，并尽可能少地刻蚀到不应该刻蚀材料的工艺。第二个关键词，就是“方向的选择性”。顾名思义，方向的选择性是指刻蚀的方向。该性质可分为等向性(ISOtroPiC)和非等向性(AniSOtroPiC)刻蚀两种：等向性刻蚀没有方向选择性，除纵向反应外，横向反应亦同时发生；非等向性刻蚀则是借助具有方向性的离子撞击来进行特定方向的刻蚀，形成

9、垂直的轮廓。试想一个包裹糖果的包装袋漏了一道口子，如果把整块糖连包装袋一起放入水中，一段时间后，糖果就会被溶解。可如果只向破口处照射激光，糖果就会被烧穿，形成一个洞，而不是整块糖果被烧没。前一现象就好比等向性刻蚀，而后一现象就如同非等向性刻蚀。第三个关键词，就是表明刻蚀快慢的“刻蚀速率(EtChingRate)”。如果其他参数不变，当然速率越快越好，但一般没有又快又准的完美选择。在工艺研发过程中，往往需要在准确度等参数与速率间权衡。比如，为提高刻蚀的非等向性，需降低刻蚀气体的压力，但降压就意味着能够参与反应的气体量变少，这自然就会带来刻蚀速率的放缓。最后一个关键词就是“均匀性”。均匀性是衡量刻

10、蚀工艺在整片晶圆上刻蚀能力的参数，反映刻蚀的不均匀程度。刻蚀与曝光不同，它需要将整张晶圆裸露在刻蚀气体中。该工艺在施加反应气体后去除副产物，需不断循环物质，因此很难做到整张晶圆的每个角落都是一模一样。这就使晶圆不同部位出现了不同的刻蚀速率。3. 3.刻蚀偏差使用化学刻蚀的湿法刻蚀是各向同性刻蚀，在实际刻蚀中光刻胶下面会有刻蚀液的渗入，会造成相当大的刻蚀偏差，为侧向刻蚀。如实反应光刻胶尺寸小于光刻胶的尺寸光刻胶硅衬底各向异性刻蚀的形状接近各向异性刻蚀的形状3.4.刻蚀材料材料刻蚀气体半导体Si（沟槽）SF6+氟利昂或Cb,SiC14N2多晶硅HBrC12W2,HBr绝缘膜SiO2CF4、CHF3

11、、C5F8等doped-Si2CFy等Si3N4CF金属膜A1+通孔金属BC13C12W+黏附层SF6、NF3+d23.5.刻蚀形状图5刻蚀材料布线平面图由面图孔沟槽图6刻蚀形状4.刻蚀的种类4. 1.湿刻蚀(WetEtChing)与干刻蚀(DryEtChing)刻蚀也像氧化工艺一样，分为湿刻蚀(WetEtChing)和干刻蚀(DryEtching)o还记得上一篇我们说到，取名“湿法”氧化的原因是因为采用了水蒸气与晶圆反应，而刻蚀中的“湿”则意味着将晶圆“浸入液体后捞出”。湿刻蚀的优点是刻蚀速率相当快，且只采用化学方法，所以“选择比”较高。但其问题是只能进行等向性(ISOtroPiC)刻蚀。如

12、果把晶圆浸入液体中，液体就会自由流动与材料发生反应，光刻胶背面的受保护部分也会与液体发生反应，被快速溶解腐蚀,准确度较差。而且，如果光刻胶破口很小，液体刻蚀剂将受自身表面张力影响,无法穿过破口。用光刻机绘制了微细的图形后，若不能照图形制成电路，也只是徒劳。因此，如今在制作半导体核心层时，一般不采用湿刻蚀的方法。在光刻胶破口内自由流动的液体刻蚀剂如图7所示。光刻胶(PhOtOreSiSt)图7在光刻胶破口内自由流动的液体刻蚀剂干刻蚀则泛指采用气体进行刻蚀的所有工艺，即在晶圆上叠加光刻胶“模具”后，将其裸露于刻蚀气体中的工艺。干刻蚀可分为等离子刻蚀、溅射刻蚀和反应性离子刻蚀（RIE,Reactiv

13、eIonEtching）与湿刻蚀不同，这些干刻蚀工艺采用各种不同的方式来刻蚀材料，所以，可以一目了然地说明非等向性和等向性刻蚀的特点。例如，采用化学反应的干刻蚀为等向性刻蚀，采用物理反应的刻蚀则为非等向性刻蚀。最近，随着RIE（非等向性高、刻蚀速率高的一种干刻蚀方法）成为主流，干刻蚀具有非等向性的认识已成了一种共识（RIE的具体工艺请见下面的详述内容）。4.2.按去除材料的方法划分RIE工艺概要如图8,去除晶圆上材料的方法大致可分为化学方法和物理方法两种：化学方法就是采用与指定材料易反应的物质进行化学反应。光刻胶下面有许多要去除的物质，如在氧化工艺中生成的氧化膜或在沉积工艺中涂敷的一些其他物质

14、等。化学方法就是采用易与想去除的材料产生反应，却不与光刻胶发生反应的物质，有针对性地去除材料。当然，根据要去除的材料，所使用的刻蚀剂（气体或液体）也不同。常用刻蚀剂有以氟或氯为基础的化合物等。化学方法的优点是“高选择比”，可以只去除想去除的材料。物理方法是借助具有高能量的离子撞击晶圆表面，以去除材料，这种方法叫溅射刻蚀（SPUttering）。该方法先把气体（主要使用惰性气体）气压降低，再赋予高能量，使气体分解为原子（+）与电子此时，朝晶圆方向施加电场，原子就会在电场作用下加速与晶圆发生冲撞。这种方法的原理很简单，但在实际工艺中，仅凭这一原理很难达成目的。低气压意味着参加反应的气体量少，刻蚀速

15、率当然就会慢下来。而且，采用物理方法时，会移除较大面积的本不该去除的材料。物理方法采用强行用力刻出材料的方法，发生冲撞时不会区分“应该”还是“不应该”去除的材料。(在后续介绍沉积工艺的沉积气体时也会说到溅射方法，大家不妨记住，有助于下文的理解。)因此，在实际的刻蚀工艺中，我们主要采用将化学和物理方法相结合的反应性离子刻蚀(RIE,ReactiveIonEtching)oRIE属于干刻蚀的一种，它将刻蚀气体变成等离子，以进行刻蚀。具体而言，这种方法在设备内投入混合气体(反应气体与惰性气体)后，赋予气体高能量，使其分解为电子(EIeetron)、阳离子(PoSitiVe1on)和自由基(RadiCa1)。质量较轻的电子基本上起不了什么作用，而在电场中向阳离子施加冲向晶圆方向的加速度，就会发生物理刻蚀。阳离子具有正电荷，在电场中加速时方向性很强。到这里，是不是与物理方法没什么两样呢？自由基：指气体具有不成对电子等高反应性的状态。混合气体等离子化（使用的刻蚀气体可能不同）-将产生