综述报告 - 刻蚀简介 - 图文(2)

A1: A1+3C1*→A1C13↑

当然，在实际的刻蚀过程中，根据加工工序的要求，以及被刻蚀图形的膜层结构，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SiON3；以及其他介质膜刻蚀中的SiN等。 3.3 干法刻蚀应用分类

干法刻蚀，主要应用在图形形成工艺中。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。 大部分干法刻蚀工艺，涉及有图形刻蚀。而对于部分无图形刻蚀，仍然可以通过干法刻蚀来完成。如LDD侧壁、孔塞、光刻胶的剥离。虽然无图形刻蚀是湿法腐蚀的项目之一，但根据生产工艺的需要，在部分关键的无图形刻蚀中，均采用了干法刻蚀技术，如LDD的侧壁刻。LDD侧壁的形状和尺寸的好坏，会直接影响器件的特性，用干法刻蚀进行刻蚀的控制是最好的选择。加上湿法腐蚀对于氧化膜的腐蚀作用和各向同性特征，是无法形成LDD侧壁的特殊形貌的。另外对光刻胶的剥离则是另一个干法刻蚀的例子。

根据各加工工序、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：

a.硅基板刻蚀(silicon etch) b.氮化膜刻蚀(SiN etch)。 c.金属多晶硅刻蚀(W-silicide etch) d.多晶硅刻蚀(poly-silicon etch)。 e.金属刻蚀(metal etch) f.金属钝化刻蚀(SioN3 etch ) g.去胶刻蚀(Ash etch)

综上所述，干法刻蚀根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。 3.4 干法刻蚀设备

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讨论干法刻蚀设备，先要介绍一下等离子刻蚀反应器。等离子刻蚀反应器有以下几种类型：圆桶式等离子体反应器、平板(平面)反应器、顺流刻蚀系统、三极平面反应器、离子铣、反应离子刻蚀(RIE )、高密度等离子体刻蚀机[5]。 从干法刻蚀等离子形成的方式而言，干法刻蚀方式主要包括有电极放电和无电极放电两大类。

有电极放电主要有:RIE即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，是指采用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。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控制的。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控制器(phase controller)进行位相制御。由位相控制离子能量，此类装置适合poly-silicon与poly-silicide刻蚀。 RIE反应离子刻蚀腔体，该干法刻蚀进行时，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应性能的自由活性激团，用于其后的刻蚀反应。这一特性，体现出干法刻蚀的化学特性。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，到达硅片表面。这一特点，体现了干法刻蚀的物理特性，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，在上部线圈上加载2MHz RF，形成等离子体，并由下部电极加载13. 56MHz的RF，用于控制离子能量。诱导放电模式中，等离子体密度与离子能量可以独立的被控制。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，非常适用于铝、钨等金属膜质的刻蚀。作为诱导放电方式，包括了电子回旋加速反应器(ECR)、电感祸合(ICP )、双等离子体源反应器和磁增强反应离子刻蚀反应器(MERIE)等多种类型的反应

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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耦合等离子体，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。

如上所述，仅从等离子体形成的角度，简单的介绍了干法刻蚀相关的刻蚀反应腔体。而实际的刻蚀腔，要相对复杂得多。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。这些腔体，将根据刻蚀类型的不同，进行不同的组合。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，包括了气体流量制控制系统、RF输出系统、腔体温度控制系统、硅片的温度控制系统、压力控制系统、终点检出系统以及气体除害系统等，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。 3.5 终点检测系统

终点检测系统，是干法刻蚀除等离子刻蚀反应腔体外，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止层的材料之间往往没有好的选择比，所以需要通过终点检测系统来监控刻蚀过程，判断刻蚀停止的最佳位置，以减少对刻蚀停止层的的过度刻蚀。

终点检测系统，是利用等离子体发光强度的变化来进行检测的。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。而当检测反应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，也就是刻蚀停止的地方，则发生在波形上升或下降的拐点附近。对于终点的具体检出位置，将依据检出窗口的大小，停止在波形变化的某一个区域。较为普遍的终点检测方法，是采用光发射谱，可以很方便的对刻蚀腔体进行实时监测。关于终点检出的波形，可以根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，掌握终点检测窗口的设置，对于准确设置刻蚀工艺条件，是非常重要的。

4、湿法刻蚀

4.1 湿法刻蚀原理

湿法刻蚀是通过腐蚀液进行刻蚀，又称湿法化学腐蚀法。湿法刻蚀在半导体工艺中被广泛地应用，其腐蚀过程与一般化学反应相似。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖的部分，因此，理想的刻蚀应当对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速

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率很慢。

刻蚀不同材料所选择的腐蚀液是不同的，所用的光刻胶对各种腐蚀剂都具有较强的适应性，在生产上往往用光刻胶对腐蚀剂的抗腐蚀能力作为衡量光刻胶质量的一个重要标志。湿法腐蚀尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与Ⅲ-Ⅴ族化合物等作为整片（即覆盖整个晶片表面）的腐蚀。

湿法刻蚀的机制涉及如下三个核心步骤：反应物由于扩散传递到反应表面、化学反应在表面发生、来自于表面的产物由扩散清除。刻蚀剂溶液的扰动和温度将影响刻蚀速率，该速率指单位时间由由刻蚀去除的薄膜量。在集成电路处理时，多数湿法刻蚀是如下进行的：通过将晶圆片浸泡在化学溶剂中或将溶剂液喷洒到晶圆片上。对于浸泡刻蚀，圆片是浸在刻蚀溶剂液中的，且常常需要机械扰动，为的是确保刻蚀的统一性和一致的刻蚀速率。喷洒蚀刻已经逐渐替代了浸泡刻蚀，因为前者通过持续地将新鲜刻蚀剂喷洒到圆片表面，这样便极大地增加了刻蚀速和一致性。 4.2 常见湿法刻蚀技术 4.2.1 二氧化硅的刻蚀

二氧化硅的湿法刻蚀通常利用稀释的氢氟酸溶液，其中也可以加入氟化铵（NH4F)。加入氟化铵是提供缓冲的HF溶液（BHF)，又称作缓冲氧化层刻蚀（buffered-oxide-etch,BOE)。HF加入NH4F可以控制酸碱值，并且可以补充氟离子的缺乏，这样可以维持稳定的刻蚀效果。二氧化硅的整体反应式：

SiO2+6HF → H2SiF6+2H2O

SiO2的刻蚀速率由腐蚀溶液，腐蚀剂的浓度、搅动与温度决定。另外，密度、表面多孔度、微结构与氧化物内含的杂质皆会影响刻蚀的速率。腐蚀液温度一定时，SiO2的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比及SiO2的掺杂程度，掺杂磷浓度越高，腐蚀速率越快，掺硼浓度越高，腐蚀速率越慢。SiO2对腐蚀的温度十分敏感。温度越高，腐蚀越高，腐蚀速率越快。因此要严格控制腐蚀液的温度。 腐蚀液搅动对腐蚀速率有一定的影响，一般讲，硅片与腐蚀液的相对运动可以提高腐蚀速率和腐蚀均匀性。常见的方法有对流、鼓泡、机械振动(超声波)和喷雾等。喷雾腐蚀速率最快、均匀性好、侧向腐蚀最小，是一种很好的湿法刻蚀方法。超声波腐蚀易引起浮胶、侧向腐蚀严重，因此少用。

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在腐蚀刚开始使用时F—量多，但使用一段时间后，F—量逐渐减少，腐蚀效果明显消弱。为了提高F—浓度，腐蚀液中加入少量的NH4F,它能及时补充F— 。因此，有人称它为缓冲剂。为了保证重复性好，腐蚀液要每天更换。腐蚀液的pH值、腐蚀液的温度、腐蚀时间之间关系要严格控制。 4.2.2 硅的刻蚀

在TTL（晶体管—晶体管逻辑）电路有一种介质隔离技术，那么这种隔离是如何形成的？一般用HF和HNO3作为腐蚀液刻出槽来。其腐蚀速度与腐蚀液中两种酸的比例关系很大。腐蚀有两种方法进行。

1）先在硅表面上生长一层较厚且致密的SiO2层，然后利用光刻和刻蚀的方法把需要的刻槽上的SiO2腐蚀掉，这样就裸露出硅来，然后再放入配制好的腐蚀液中（HNO3：HF=8:1（体积比））。这种腐蚀速度十分快，经过2~3min，硅就被腐蚀出10~20μm深槽。腐蚀后去除表面SiO2层，就露出硅片表面，然后按照工艺重新生长SiO2作介质隔离之用或其他加工。在腐蚀液中加入少量冰醋酸起到缓冲作用。硝酸是强氧化剂，它将单质的硅氧化成SiO2，其反应如下：

3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO↑

生成的SiO2不溶于水也不溶于HNO3，但能与HF生成可溶性络合物，这样硅就被腐蚀掉了。

2）用金属铝作掩护膜，由于Al对HNO3和HF的抗蚀能力较强，可以在硅片表面用蒸发或者溅射方法生长一Al层，然后用光刻和刻蚀方法把槽部分的Al层去掉而裸露出硅，然后再把硅片进入腐蚀液中腐蚀硅。

以上两种方法多都可以使用，但在使用时会发出大量热量来，如不注意散热或降温，其腐蚀效果不好，因此腐蚀时都放在冰水中进行。 4.2.3 金属铝的刻蚀

在半导体干法刻蚀工艺中，根据待刻蚀材料的不同，可分为金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。金属刻蚀又可以分为金属铝刻蚀、金属钨刻蚀和氮化钛刻蚀等。目前，金属铝作为连线材料，仍然广泛用于DRAM和flash等存储器，以及0.13um以上的逻辑产品中。

金属铝刻蚀通常用到以下气体：Cl2、BCl3、Ar、 N2、CHF3和C2H4等。

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