半导体工艺与设备-5 刻蚀工艺及设备

一 简介

集成电路制造工艺中的刻蚀分为：

• 湿法刻蚀；
• 干法刻蚀。

早期普遍采用的是湿法刻蚀，但由于其在线宽控制及刻蚀方向性等多方面的局限，3μm之后的工艺大多采用干法刻蚀。湿法刻蚀仅用于某些特殊材料层的去除和残留物的清洗。

干法刻蚀是指使用气态的化学刻蚀剂与晶圆片上的材料发生反应，以刻蚀掉需去除的部分材料并形成可挥发性的反应生成物，然后将其抽离反应腔的过程。刻蚀剂通常直接或间接地产生于刻蚀气体的等离子体，所以干法刻蚀也称为等离子体刻蚀。

1.1 等离子体

等离子体是刻蚀气体在外加电磁场（如产生于射频电源）的作用下通过辉光放电而形成的一种处于弱电离状态的气体，它包括电子、离子和中性的活性粒子。其中，活性粒子可以与被刻蚀材料直接发生化学反应而达成刻蚀，但这种纯化学反应通常仅发生在极少数材料且不具有方向性；当离子具有一定的能量时，可以通过直接的物理溅射达成刻蚀，但这种纯物理反应的刻蚀率极低，并且选择性很差。绝大多数的等离子体刻蚀是在活性粒子和离子同时参与下完成的。在此过程中，离子轰击具有两个功能，一是破坏被刻蚀材料表面的原子键，从而加大中性粒子与其反应的速率；二是将沉积于反应界面的反应生成物打掉，以利于刻蚀剂与被刻蚀材料表面充分接触，从而使刻蚀持续进行。而沉积于刻蚀结构侧壁的反应生成物则不能有效地被具有方向性的离子轰击所去除，从而阻断了侧壁的刻蚀并形成了各向异性刻蚀。

 

二 刻蚀工艺

2.1 湿法刻蚀和清洗

湿法刻蚀是集成电路制造工艺中最早采用的技术之一。虽然由于受其刻蚀的各向同性的限制，使得大部分的湿法刻蚀工艺被具有各向异性的干法刻蚀替代，但是它在尺寸较大的非关键层清洗中依然发挥着重要的作用。尤其是在对氧化物去除残留与表皮剥离的刻蚀中，比干法刻蚀更为有效和经济。

湿法刻蚀的对象主要有氧化硅、氮化硅、单晶硅和多晶硅等。湿法刻蚀氧化硅通常采用氢氟酸（HF）为主要化学载体。为了提高选择性，工艺中采用氟化铵缓冲的稀氢氟酸。为了保持pH值的稳定，可以加入少量的强酸或其他元素。掺杂的氧化硅比纯氧化硅更容易腐蚀。湿法化学剥离主要是为了去除光刻胶和硬掩模（氮化硅）。热磷酸（H3PO4）是用于湿法化学剥离去除氮化硅的主要化学液，对于氧化硅有较好的选择比。

湿法清洗与湿法刻蚀类似，主要是通过化学反应去除硅片表面的污染物，包括颗粒、有机物、金属和氧化物。主流的湿法清洗就是湿化学法。虽然干法清洗可以替代很多湿法清洗，但是目前尚未找到可以完全取代湿法清洗的方法。湿法清洗常用的化学品有硫酸、盐酸、氢氟酸、磷酸、过氧化氢、氢氧化铵、氟化铵等，在实际应用中视需要以一种或多种化学品按照一定比例与去离子水调配组成清洗液，如SC1、SC2、DHF、BHF等。

清洗常用于氧化膜沉积前工艺，因为氧化膜的制备必须在绝对清洁的硅片表面上进行。常见的硅片清洗流程如下：

2.2 干法刻蚀和清洗

2.2.1 干法刻蚀

产业中的干法刻蚀主要是指等离子体刻蚀，即利用增强活性的等离子体对特定物质进行刻蚀。大规模生产工艺中的设备系统采用的是低温非平衡态等离子体。

等离子体刻蚀主要采用两种放电模式：电容耦合放电和电感耦合放电。

在电容耦合放电模式中：等离子体在两块平行板电容中通过外加射频（RF）电源产生和维持放电，通常的气压在数毫托至数十毫托，电离率小于10-5。在在电感耦合放电模式中：一般在较低气压下（数十毫托），通过电感耦合输入能量来产生和维持等离子体，通常电离率大于10-5，故又称为高密度等离子体。高密度等离子体源也可以通过电子回旋共振和回旋波放电得到。高密度等离子体通过外加射频或微波电源和基片上的射频偏压电源，独立控制离子流量和离子轰击能量，可以优化刻蚀工艺的刻蚀率和选择比，同时降低刻蚀损伤。

干法刻蚀工艺流程为：将刻蚀气体注入真空反应腔，待反应腔内压力稳定后，利用射频辉光放电产生等离子体；受高速电子撞击后分解产生自由基，扩散到衬底表面并被吸附。在离子轰击作用下，被吸附的自由基与衬底表面的原子或分子发生反应，从而形成气态副产物，该副产物从反应室中被排出，其过程如下图：

 

干法刻蚀工艺可以分为如下4类：

（1）物理溅射刻蚀：主要依靠等离子体中的载能离子轰击被刻蚀材料的表面，溅射出的原子数量取决于入射粒子的能量和角度。当能量和角度不变时，不同材料的溅射率通常只有2～3倍的差异，因此没有选择性特征。反应过程以各向异性为主。

（2）化学刻蚀：等离子体提供气相的刻蚀原子和分子，与物质表面产生化学反应后产生挥发性气体，这种纯化学的反应具有良好的选择性，在不考虑晶格结构时，呈现各向同性特征。

　　例如：Si（固态）+ 4F → SiF4（气态），光刻胶 + O（气态）→ CO2（气态）+ H2O（气态）

（3）离子能量驱动刻蚀：离子既是产生刻蚀的粒子，又是载能粒子。这种载能粒子的刻蚀效率比单纯的物理或化学刻蚀要高一个量级以上。其中，工艺的物理和化学参数的优化是控制刻蚀过程的核心。

（4）离子-阻挡层复合刻蚀：主要是指在刻蚀过程中有复合粒子产生聚合物类的阻挡保护层。等离子体在刻蚀工艺过程中需要有这样的保护层来阻止侧壁的刻蚀反应。例如，在Cl和Cl2刻蚀中加入C，可以在刻蚀中产生氯碳化合物层来保护侧壁不被刻蚀。

2.2.1 干法清洗

干法清洗主要是指等离子体清洗。利用等离子体中的离子轰击被清洗表面，加上激活状态的原子、分子与被清洗表面相互作用，从而实现去除和灰化光刻胶。与干法刻蚀不同的是，干法清洗工艺参数中通常不包括方向的选择性，因此工艺设计相对较为简单。在大生产工艺中，主要采用氟基气体、氧或氢作为反应等离子体的主体，此外加入含有一定数量的氩等离子体，可以增强离子轰击效果，从而提高清洗效率。

在等离子干法清洗工艺中，通常采用远程等离子体的方法。这是因为清洗工艺中希望降低等离子体中离子的轰击效果，以控制离子轰击引起的损伤；而化学自由基的反应得到增强，则可以提高清洗的效率。远程等离子体可以利用微波在反应腔室外生成稳定且高密度的等离子体，产生大量的自由基进入反应腔体实现清洗需要的反应。产业中干法清洗气源大多采用氟基气体，如NF3等，在微波等离子体中有99%以上的NF3被分解。干法清洗工艺中几乎没有离子轰击效应，故有利于保护硅片免受损伤并延长反应腔体寿命。

 

三 湿法刻蚀与清洗设备

3.1 槽式晶圆片清洗机

槽式晶圆片清洗机主要由前开式晶圆片传送盒传输模块、晶圆片装载/卸载传输模块、排风进气模块、化学药液槽体模块、去离子水槽体模块、干燥槽体模块和控制模块构成，它可以同时对多盒晶圆片进行清洗，可以做到晶圆片干进干出。

3.2 槽式晶圆片刻蚀机

3.3 单晶圆片湿法设备

根据不同的工艺目的，单晶圆片湿法设备可分为三大类。第一类为单晶圆片清洗设备，其清洗目标物包括颗粒、有机物、自然氧化层、金属杂质等污染物；第二类为单晶圆片刷洗设备，其主要工艺目的是去除晶圆片表面颗粒；第三类为单晶圆片刻蚀设备，主要用于去除薄膜。按照工艺用途的不同，单晶圆片刻蚀设备又可以分为两种，第一种是轻度刻蚀设备，主要用于去除由高能离子注入所引起的表层薄膜损伤层；第二种是牺牲层去除设备，主要用于晶圆片减薄或化学机械抛光后的阻挡层去除。

从机台总体架构来看，所有种类的单晶圆片湿法设备基本架构都类似，一般由主体框架、晶圆片传输系统、腔体模块、化学药液供给传输模块、软件系统和电控模块6部分组成。

3.4 单晶圆片清洗设备

单晶圆片清洗设备是基于传统的RCA清洗方法设计的，其工艺目的是清洗颗粒、有机物、自然氧化层、金属杂质等污染物。从工艺应用上来说，单晶圆片清洗设备目前已广泛应用于集成电路制造前道和后道工艺过程，包括成膜前与成膜后的清洗、等离子体刻蚀后清洗、离子注入后清洗、化学机械抛光后清洗和金属沉积后清洗等。除高温磷酸工艺之外，单晶圆片清洗设备已经基本上可以兼容所有的清洗工艺。

3.5 单晶圆片刻蚀设备

单晶圆片刻蚀设备的工艺目的主要为薄膜刻蚀，按照工艺用途可以将其分为两类，即轻度刻蚀设备（用于去除高能离子注入所引起的表层薄膜损伤层）和牺牲层去除设备（用于晶圆片减薄或化学机械抛光后的阻挡层去除）。在工艺中需要去除的材料一般包括硅、氧化硅、氮化硅及金属膜层。

 

四 干法刻蚀与清洗设备

4.1 等离子体刻蚀设备的分类

除接近纯物理反应的离子溅射刻蚀设备和接近纯化学反应的去胶设备以外，等离子体刻蚀可以根据等离子体产生和控制技术的不同而大致分为两大类：

• 电容耦合等离子体（Capacitively Coupled Plasma，CCP）刻蚀；
• 电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀。

4.1.1 CCP

电容耦合等离子体刻蚀是将射频电源接在反应腔上、下电极中的一个或两个上，两个极板之间的等离子体形成简化等效电路中的电容。

最早出现的此类技术有两种:

一种是早期的等离子体刻蚀，即将射频电源接到上电极，而晶圆片所在的下电极接地，因为这样产生的等离子体不会在晶圆片表面形成足够厚的离子鞘层，离子轰击的能量较低，通常用于硅刻蚀等以活性粒子为主要刻蚀剂的工艺.

另一种是早期的反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE），即将射频电源接在晶圆片所在的下电极，而将具有较大面积的上电极接地。这种技术能形成较厚的离子鞘层，适用于需要较高离子能量参与反应的电介质刻蚀工艺。在早期的反应离子刻蚀的基础上，加上一个与射频电场垂直的直流磁场，形成ExB漂移，可以增加电子与气体粒子的碰撞机会，从而有效地提高等离子体浓度和刻蚀率，这种刻蚀称为磁场增强型反应离子刻蚀（Magnetron En-hanced Reactive Ion Etching，MERIE）。以上3种技术存在一个相同的缺点，即等离子体浓度及其能量无法分别控制。例如，为了提高刻蚀率，可以采用加大射频功率的方法来提高等离子体浓度，但加大的射频功率必然会导致离子能量升高，从而会造成对晶圆片上器件的损伤。近十年来，电容耦合技术都采用多个射频源设计，将其分别接在上、下电极或都接在下电极，通过对不同射频频率的选择和搭配，电极面积、间距、材料及其他关键参数相互配合，可以尽量将等离子体浓度和离子能量去耦合。

4.1.2 ICP

电感耦合等离子体刻蚀是将一组或多组连接射频电源的线圈置于反应腔上部或周围，线圈中的射频电流所产生的交变磁场透过介质窗口进入反应腔，实现对电子的加速，从而产生等离子体。在简化的等效电路（变压器）中，线圈为一次绕组电感，而等离子体则为二次绕组电感。

这种耦合方式能够在低气压下获得比电容耦合高一个数量级以上的等离子体浓度。此外，第2个射频电源接在晶圆片所在位置作为偏压电源，提供离子轰击能量，因此离子浓度取决于线圈的源电源而离子能量取决于偏压电源，从而达到比较彻底的浓度与能量的去耦合。

4.2 等离子体刻蚀设备

几乎所有干法刻蚀中的刻蚀剂都是直接或间接地产生于等离子体，因此常将干法刻蚀称为等离子体刻蚀。等离子刻蚀是广义的等离子体刻蚀中的一种。在早期的两种平板式反应腔设计中，一种是将晶圆片所在极板接地而另一极板接射频源；另一种则与之相反。在前一种设计方案中，接地极板面积通常大于接射频源极板的面积，而且反应腔内的气体压力偏高，在晶圆片表面形成的离子鞘层很薄，晶圆片仿佛“浸泡”在等离子体中，刻蚀主要是由等离子体中的活性粒子与被刻蚀材料表面的化学反应来完成的，离子轰击的能量很小，其参与刻蚀的程度很低，这种设计称为等离子刻蚀模式。而在另一种设计方案中，因为离子轰击的参与程度较大，所以称为反应离子刻蚀模式。

4.3 反应离子刻蚀设备

反应离子刻蚀（RIE）是指由活性粒子和带电离子同时参与完成的刻蚀过程。其中，活性粒子主要是中性粒子（又称自由基），浓度较高（约为气体浓度的1%～10%），是刻蚀剂的主要成分，它与被刻蚀材料发生化学反应所产生的生成物，或者挥发并被直接抽离反应腔，或者堆积在刻蚀表面；而带电离子则浓度较低（为气体浓度的10-4～10-3），它被形成于晶圆片表面的离子鞘的电场加速而轰击刻蚀表面。带电粒子的主要功能有两个，一是破坏被刻蚀材料的原子结构，从而加快活性粒子与之反应的速率；二是轰击、去除堆积的反应生成物，以使被刻蚀材料与活性粒子充分接触，从而使刻蚀持续进行。

因为离子不直接参与刻蚀反应（或占比很小，如物理性的轰击去除和活性离子的直接化学刻蚀），严格地说，上述刻蚀过程应该称为离子辅助刻蚀，反应离子刻蚀这个名称并不准确，但约定俗成而沿用至今。最早的RIE设备于20世纪80年代投入使用，由于采用单一的射频电源和比较简单的反应腔设计，所以在刻蚀率、均匀度和选择比等方面均存在局限性。

4.4 磁场增强反应离子刻蚀设备

磁场增强反应离子刻蚀（Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching，MERIE）设备是一种在平板式RIE设备的基础上外加一个直流磁场而构成的旨在提高刻蚀速率的刻蚀设备。

MERIE设备于20世纪90年代大规模投入使用，当时单片式刻蚀设备已经成为行业主流设备。MERIE设备的最大缺点是磁场所造成的等离子体浓度的空间分布不均匀性会导致集成电路器件内的电流差或电压差，从而产生器件损伤，由于此种损伤是由瞬时不均匀性造成的，因此磁场的旋转并不能对其加以消除。随着集成电路尺寸的不断缩小，其器件损伤对等离子体的不均匀性越来越敏感，以磁场增强来达到增加刻蚀速率的技术逐渐被多射频电源平板式反应离子刻蚀技术，即电容耦合等离子体刻蚀技术所取代。

4.4 电容耦合等离子体刻蚀设备

电容耦合等离子体（CCP）刻蚀设备是一种由施加在极板上的射频（或直流）电源通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体并用于刻蚀的设备。其刻蚀原理与反应离子刻蚀设备类似。

CCP刻蚀设备的简化示意图如下所示。它一般采用两个或三个不同频率的射频源，也有配合采用直流电源的。射频电源的频率为800kHz～162MHz，常用的有2MHz、4MHz、13MHz、27MHz、40MHz和60MHz。通常将频率为2MHz或4MHz的射频电源称为低频射频源，一般接在晶圆片所在的下电极，对控制离子能量比较有效，因此也称为偏压电源；频率在27MHz以上的射频电源称为高频射频源，它既可以接在上电极，也可以接在下电极，对控制等离子体浓度比较有效，因此也称为源电源。13MHz射频电源处于中间，一般被认为兼具上述两个功能但都相对弱一些。注意，尽管等离子体浓度和能量可以在一定的范围内分别通过不同频率的射频源的功率加以调节（即所谓的去耦合效应），但是由于电容耦合的特点，它们无法得到完全独立的调节和控制。

离子的能量分布对刻蚀的细部表现及器件损伤有着明显的影响，所以对优化离子能量分布的技术的开发成为先进刻蚀设备的重点之一。目前已成功运用于生产的技术有多射频混合驱动、直流叠加、射频配合直流脉冲偏压，以及偏压电源和源电源同步脉冲式射频输出等。

CCP刻蚀设备是各类等离子体刻蚀设备中应用最广泛的两类设备之一，主要用于电介质材料的刻蚀工艺，如逻辑芯片工艺前段的栅侧墙和硬掩模刻蚀，中段的接触孔刻蚀，后段的镶嵌式和铝垫刻蚀等，以及在3D闪存芯片工艺（以氮化硅/氧化硅结构为例）中的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。

CCP刻蚀设备所面临的挑战和改进方向主要有两个方面，一是在极高离子能量的应用方面，对高深宽比结构的刻蚀能力（如3D闪存的孔槽刻蚀要求高于50:1），目前采用的加大偏压功率以提高离子能量的方法已经使用高达万瓦的射频电源，针对其产生的大量热量，反应腔的冷却和温控技术需要不断改进；二是需要在新型刻蚀气体的开发上有所突破，从根本上解决刻蚀能力的问题。

4.4 电感耦合等离子体刻蚀设备

电感耦合等离子体（ICP）刻蚀设备是一种将射频电源的能量经由电感线圈，以磁场耦合的形式进入反应腔内部，从而产生等离子体并用于刻蚀的设备。其刻蚀原理也属于广义的反应离子刻蚀。

ICP刻蚀设备的等离子体源设计主要分为两种，一种是由美国泛林公司开发生产的变压器耦合型等离子体（Transformer Coupled Plasma，TCP）技术。其电感线圈置于反应腔上方的介质窗平面上，13.56MHz的射频信号在线圈中产生一个垂直于介质窗并以线圈轴为中心径向发散的交变磁场，该磁场透过介质窗进入反应腔，而交变磁场又在反应腔中产生平行于介质窗的交变电场，从而实现对刻蚀气体的解离并产生等离子体。由于可以将此原理理解成一个以电感线圈为一次绕组而反应腔中的等离子体为二次绕组的变压器，ICP刻蚀因此而得名。TCP技术的主要优势是结构易于放大，比如从200mm晶圆片放大到300mm晶圆片，TCP可以通过简单地将线圈的尺寸增大而保持同样的刻蚀效果。

 

另一种等离子体源设计是由美国应用材料公司开发生产的去耦合型等离子体源（Decoupled Plasma Source，DPS）技术。其电感线圈立体地绕在一个半球形的介质窗上，产生等离子体的原理与前述TCP技术类似但气体的解离效率比较高，有利于获取较高的等离子体浓度。由于电感耦合产生等离子体的效率比电容耦合的高，且等离子体主要产生于接近介质窗的区域，其等离子体浓度基本上由连接电感线圈的源电源的功率决定，而晶圆片表面离子鞘中的离子能量则基本上由偏压电源的功率决定，所以离子的浓度和能量能够独立控制，从而实现去耦合。

 

ICP刻蚀设备是各类等离子体刻蚀设备中应用最广泛的两类设备之一，它主要用于对硅浅沟槽、锗（Ge）、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅（Strained-Si）、金属导线、金属焊垫（Pad）、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像技术中的多道工序的刻蚀。另外，随着三维集成电路、CMOS图像传感器和微机电系统（Micro-electro-mechanical System，MEMS）的兴起，以及硅通孔（Through Si Via，TSV）、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蚀应用的快速增加，多个厂商推出了专为这些应用而开发的刻蚀设备，其特点是刻蚀深度大（数十甚至数百微米），所以多工作在高气流量、高气压和高功率条件下。