第十章 等离子体纳米科技 -刻蚀

10.1 引 言 芯片制造大致有5个主要环节，生产流程是以电路设计为主导，由芯片设计公司设计出芯片，然后委托芯片制造厂生产晶圆，再委托封装厂进行芯片封装、测试。 面临的困境，《报告》认为，是产业链中游芯片制造。晶圆制造是规模经济，具有投资大、回报慢的特点，我国与国际技术水平差距较大，发展存在天然门槛。相较于芯片产业链中设计业不断利好政策出台，晶圆制造环节由于资本支出高、回收慢

10.1 引 言 芯片制造的发展方向：追求更小的制程（晶体管中栅极的最小宽度，当前最先进的为 7 nm）；以达到降低能耗、提高性能的目的 10.1 引 言 芯片制造的发展方向：追求更小的制程（晶体管中栅极的最小宽度，当前最先进的为 7 nm）；以达到降低能耗、提高性能的目的 FinFET的提出：当制程逼近20纳米时，栅极对电流的控制能力会急剧下降，出现“电流泄露”问题；当制程逼近10纳米后，漏电问题就会变得十分严重，难以控制CPU 整体性能和功耗控制。新的芯片制造工艺设计应运而生，典型的代表就是鳍式场效应晶体管 (FinFET：Fin Field-Effect Transistor) 新的晶体管设计使得芯片内部平面的结构变成了3D，使得接触面积增大，减少栅极宽度的同时能够降低漏电率，并且让晶体管的空间利用率大大增加。 而芯片的性能与电路中晶体管数量息息相关，单位面积上晶体管的数量又与芯片的制程紧密联系

10.1 引 言

10.1 引 言 晶圆上“雕刻”电路的流程 光刻与刻蚀： 光刻：使用光刻胶涂覆在掩膜版上，用光刻机制图 10.1 引 言 晶圆上“雕刻”电路的流程 光刻与刻蚀： 光刻：使用光刻胶涂覆在掩膜版上，用光刻机制图 刻蚀：根据掩膜版的线路，刻制出沟槽和接触孔

10.1 引 言 一台一亿美元的极紫外光刻机（荷兰艾司摩尔公司垄断了高端光刻机市场，对中国禁运）

10.1 引 言 华中科技大学的甘棕松教授已经用跟ASML公司完全不同的技术路线，首次在世界范围内实现了单线9纳米线宽的超分辨光刻，而且成本只是动辄1亿美元的主流光刻机的几分之一。清华大学研制的“光刻机双工件台系统样机”也在2016年通过验收，使我国成为少数能研制光刻机双工件台这一超精密机械与测控技术领域尖端系统的国家之一。 刻蚀机：干法、湿法两大类。湿法不可避免的会在刻蚀的侧壁形成横向钻蚀，无法很好的控制线宽，所以，在工艺达到微米级以后，生产中更多的是采用没有液体参与的干法刻蚀技术 进步：国产 7 nm等离子体刻蚀机（中微半导体，近日宣布5nm刻蚀机研制成功）

10.1 引 言 另一则振奋新闻 在华为遭封锁的第5天，中芯国际宣布今年能够大规模的生产14纳米的芯片，并且良品率高达95%（CEO梁孟松功不可没） 14纳米：相当于正常头发丝直径的万分之一，现在的华为荣耀8X Max、ioX21搭配的都是14纳米的芯片。（三星、台积电等已实现7nm量产；中间差10nm一代） 华为海思：是芯片设计公司，不能制造，只能通过中芯国际和台积电这样的公司来制造的芯片。 14nm工艺即将量产，对于我国半导体工业都绝对是大事件，是我国国产芯片的重要一步，标志我国芯片实现了质的飞跃。

10.1 引 言 刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的工艺过程称为刻蚀。 刻蚀示意图： Photoresist 10.1 引 言 刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的工艺过程称为刻蚀。 刻蚀示意图： Photoresist mask Film to be etched (a) Photoresist-patterned substrate (b) Substrate after etch Protected film

10.1 引 言 刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后主要图形转移工艺。 刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀 干法刻蚀：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。亚微米 湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除表面层材料的工艺过程。大于3微米 按被刻蚀的材料分：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀 有图形刻蚀和无图形刻蚀

10.2 刻蚀参数 刻蚀参数 为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。 10.2 刻蚀参数 为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。 刻蚀参数 1. 刻蚀速率 2. 刻蚀剖面 3. 刻蚀偏差 4. 选择比 5. 均匀性 6. 残留物 7. 聚合物 8. 等离子体诱导损伤 9. 颗粒沾污和缺陷

刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。 刻蚀速率＝ΔT / t （Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（ Å 或 μm） 1. 刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。 刻蚀速率＝ΔT / t （Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（ Å 或 μm） t=刻蚀所用时间（min） T Start of etch End of etch t = elapsed time during etch T = change in thickness 光刻胶 被刻蚀材料

两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面 2. 刻蚀剖面 刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状 两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面 Anisotropic etch - etches in only one direction Resist Substrate Film Isotropic etch - etches in all directions at the same rate Substrate Film Resist 湿法各向同性化学腐蚀 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀

湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面 湿法刻蚀是各向同性腐蚀，不能实现图形的精确转移，一般用于特征尺寸较大的情况（≥3μｍ） 。 干法刻蚀有各向同性腐蚀，也有各向异性腐蚀。各向异性腐蚀能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。 14

刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差＝Wa－Wb 3. 刻蚀偏差 刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差＝Wa－Wb (a) Bias Resist Film Substrate Wb Wa Undercut Substrate Resist Film Overetch (b)

选择比：指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另 一种材料的刻蚀速率之比。 高选择比: 意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而 4. 选择比 选择比：指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另 一种材料的刻蚀速率之比。 高选择比: 意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而 对其下层材料和光刻胶不刻蚀。 SiO2对光刻胶的选择比＝（ΔTsio2/t1）/（ΔT胶/t1） ＝ ΔTsio2/ΔT胶 （a）0时刻 （b）t1时刻

BPSG:硼磷硅玻璃

刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。 5. 均匀性 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。 ARDE效应-微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching 仅当由于负载的变化而引起输出稳定量的变化的效应称为负载效应 Emax：最大刻蚀速率Emin：最小刻蚀速率Eave：平均刻蚀速率 微负载效应

6. 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。 残留物的去除：湿法去胶时去除 7. 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，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。

聚合物（Polymer）的形成

聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳并与刻蚀气体和刻蚀生成物结合在一起而形成的；能否形成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。 聚合物的缺点：聚合物在刻蚀结束后难以去除；在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。

8. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况： 1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿。 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。 9. 颗粒沾污 颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常 遇到的问题，应尽量减少。

10.3 干法刻蚀 干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比） 1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2. 好的CD控制 10.3 干法刻蚀 干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比） 1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2. 好的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. 化学品使用费用低 CD: 关键尺寸(Critical Dimension）

干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵

干法刻蚀过程 1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反应－各向同性刻蚀（化学刻蚀） 7. 副产物解吸附 8. 副产物去除

干法刻蚀过程 硅片的等离子体刻蚀过程图

刻蚀作用

等离子体的电势分布 ①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光放电的等离子体； ②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为负的自偏置直流电压； ③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一个带正离子电荷的暗区（即正离子鞘层）； ④等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频率和上下电极面积的比值。

等离子体的电位相对于接地电极来说是正的，等离子体区域中的电势在系统中最大 等离子体的电势分布 刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图 等离子体的电位相对于接地电极来说是正的，等离子体区域中的电势在系统中最大

改变等离子体刻蚀参数的影响

10.4 干法刻蚀系统及其刻蚀机理 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。 干法等离子体反应器的类型： 圆桶式等离子体反应器；顺流刻蚀系统(化学作用) 离子铣 (物理作用) 平板反应器；三级平面反应器；反应离子刻蚀（RIE)；高密度等离子体刻蚀机(物理+化学作用)

圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用于氧等离子体的去胶工艺。 1. 圆桶式等离子体刻蚀机 圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用于氧等离子体的去胶工艺。 典型圆桶式反应器结构

圆桶式等离子体刻蚀机理 ①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。 ②自由基和反应原子或原子团的化学性质非常活泼，它们构成了等离子体的反应元素，自由基、反应原子或原子团与被刻蚀的材料进行化学反应形成了等离子体刻蚀。 等离子体刻蚀属于化学刻蚀，各向同性。

2. 反应离子刻蚀（RIE）系统 RIE（Reactive Ion Etch）物理刻蚀+化学刻蚀

反应离子刻蚀（RIE）机理 ①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。 ②反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较大的自偏置电场。

③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，加速与样片的化学反应。 ④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。

3. 高密度等离子体刻蚀 在先进的集成电路制造技术中，传统的RIE系统不能满足0.25微米以下尺寸高深宽比图形的刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体RIE系统。 高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋加速振荡ECR系统、电感耦合等离子体（ICP） RIE 系统、磁增强RIE系统等。

3. 高密度等离子体刻蚀ICP－RIE系统

ICP－RIE系统具有结构简单成本低被广泛采用 高密度等离子是指在相同的工作压力下，等离子体中反应基（自由基、反应原子或原子团）的密度比传统等离子中高。

ICP－RIE设备 生产厂家： 美国TRION公司 型号：MNL/D Ⅲ

ICP－RIE设备

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高密度等离子体刻蚀的特点： 1. 等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率 2. 系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获 得高深宽比的槽； 3. 系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小 对Si片表面的轰击损伤。

4. 终点检测 终点检测的常用方法：光发射谱法

光发射谱法终点检测机理 在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。 在等离子刻蚀中被激发的基团的特征波长

刻蚀参数 物理刻蚀 RF场垂直片面 化学刻蚀 RF场平行片面 物理和化学刻蚀 刻蚀机理 物理离子溅射 活性元素 化学反应 离子溅射和活性 ■ 等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比 刻蚀参数 物理刻蚀 RF场垂直片面 化学刻蚀 RF场平行片面 物理和化学刻蚀 刻蚀机理 物理离子溅射 活性元素 化学反应 离子溅射和活性 元素化学反应 侧壁剖面 各向异性 各向同性 选择比 低/难提高 （1：1） 很高 （500：1） 高（5：1 ～100：1） 刻蚀速率 高 慢 适中 线宽控制 好 非常差 很好

10.5 干法刻蚀的应用 刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类 ULSI对刻蚀的挑战 1. 大直径硅片（φ200mm以上）的刻蚀均匀性 10.5 干法刻蚀的应用 刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类 ULSI对刻蚀的挑战 1. 大直径硅片（φ200mm以上）的刻蚀均匀性 2. 深亚微米关键尺寸、高深宽比（达到6：1）的 成功刻蚀 3. 对下层材料的高选择比（50：1）

ULSI对刻蚀的要求 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. 可接受产能的刻蚀速率 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. 宽的工艺窗口

工艺优化 设备参数: 工艺参数: 其它相关因素: 质量指标: 设备设计 等离子体—表面相互作用: 电源 - 表面材料 电源频率 压力 温度 气流速率 真空状况 工艺菜单 其它相关因素: 净化间规范 操作过程 维护过程 预防维护计划 工艺参数: 等离子体—表面相互作用: - 表面材料 - 复合金属的不同层 - 表面温度 - 表面电荷 - 表面形貌 化学和物理要求 时间 质量指标: 刻蚀速率 选择比 均匀性 特性曲线 关键尺寸 残留物 Plasma-etching a wafer

介质的干法刻蚀 1. 氧化硅的刻蚀 工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔 刻蚀工艺 1）刻蚀气体：两种（CF4＋H2＋Ar＋He） 或（CHF3 ＋Ar＋He） 2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理溅射离子：Ar＋、CF3＋等，CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，加入H2后以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基（F原子）提高对下层Si的选择比，He为稀释剂改善刻蚀均匀性。

CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋Ar+＋He+ 刻蚀SiO2的反应式： 在RF作用下工艺气体分解电离： CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋Ar+＋He+ CF3活性基与SiO2发生化学反应： 4CF3＋ 3SiO2 → 3SiF4 ↑＋ 2CO2 ↑＋ 2CO↑ 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统，亚微米以下采用ICP－RIE系统 4）工作压力：小于0.1Torr 5）关键问题：注意刻蚀接触孔对下层Si、氮化硅、抗反射涂层的高选择比，刻蚀通孔对TiN、W、Al的高选择比

2. 氮化硅的刻蚀 1）刻蚀气体：CF4＋O2＋N2 2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，O2＋N2的作用是稀释F基的浓度降低对下层SiO2的刻蚀速率 刻蚀Si3N4的反应式： 在RF作用下工艺气体分解电离： CF4 ＋O2＋N2 ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ F ＋O+＋N+ F活性基与Si3N4发生化学反应： 12F＋ Si3N4 → 3SiF4 ↑＋ 2N2↑

2. 氮化硅的刻蚀 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀 RIE系统 4）工作压力：小于0.1Torr 5）刻蚀速率：120nm/min 6）对SiO2的选择比：高达20：1

硅的干法刻蚀 1. 多晶硅的刻蚀 工艺目的：形成IC中的MOS栅电极，是关键尺寸 的刻蚀 刻蚀工艺： 三个刻蚀步骤： 预刻蚀：去除自然氧化层和氮氧化硅 主刻蚀：刻至终点 过刻蚀：去除刻蚀残留物和剩余多晶硅 1）刻蚀气体：两种（Cl2 ＋Ar）或（HBr＋Ar） 2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，不用SF6等F基气体

因为Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较 高的选择比，而F基气体的选择比低。 刻蚀多晶硅的反应式： 气体分解电离： Cl2 ＋Ar ＋2e→ Cl+ ＋ Cl＋Ar+ Cl活性基与Si化学反应： 4Cl ＋ Si→ SiCl4 ↑ 3）刻蚀系统：平行板式反应离子刻蚀RIE系统 4）工作压力：小于0.1Torr 5）刻蚀要求：对0.15微米技术IC的栅氧化硅的选 择比大于150：1，以防止栅氧化层穿通。

工艺目的：主要形成IC的STI槽和垂直电容槽 刻蚀工艺： 1）刻蚀气体： SF6 ＋He＋Ar 2. 单晶硅的刻蚀 工艺目的：主要形成IC的STI槽和垂直电容槽 刻蚀工艺： 1）刻蚀气体： SF6 ＋He＋Ar 2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，SF6是刻蚀硅的主气体， Ar产生物理溅射刻蚀， He对样片下电极进行背冷却。 3）刻蚀系统：平行板式ICP－RIE系统，高密度等离子体系统 4）工作压力：小于1.0Torr STI：浅槽隔离

单晶硅刻蚀的SEM照片

金属的干法刻蚀 1. Al的刻蚀 1）刻蚀气体：Cl2＋BCl3＋CHF3 2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀， BCl3主要用于刻蚀铝表面的Al2O3， CHF3主要用于刻蚀铝上层的抗反射膜（TiN）和铝下层的Ti， Cl2用于主铝的刻蚀，因此金属铝的刻蚀要分6～7步进行，每步通入的工艺气体种类、流量都不一样，工艺非常复杂。

3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统 4）工作压力：小于0.1Torr 5）关键问题：在刻蚀铝后，在硅片表面残留了生成物AlCl3，此生成物遇到水会生成HCl腐蚀Al，因此要严格控制系统的水汽，硅片要及时处理去除AlCl3。

2. 钨的刻蚀 工艺目的：填充通孔的钨塞沉积层的反刻 先进的CMP陆续取代该工艺 反刻工艺： 1）刻蚀气体：（Cl2＋N2＋O2） 2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀 3）第一步以高速率均匀地刻蚀掉多余的钨覆盖层90％，第二步低刻蚀速率刻蚀对TiN有高的选择比

反刻工艺形成的钨塞结构

钨塞结构

10.6 湿法腐蚀 湿法去胶 1.H2SO4：H2O2 ＝1：1，120℃ 2.发烟硝酸浸泡 漂洗硅片 HF：H2O ＝50：1漂洗SiO2 10.6 湿法腐蚀 湿法去胶 1.H2SO4：H2O2 ＝1：1，120℃ 2.发烟硝酸浸泡 漂洗硅片 HF：H2O ＝50：1漂洗SiO2 煮去LOCOS的Si3N4 浓磷酸 160 ℃ H2O2：过氧化氢； LOCOS：硅的局部氧化