半导体 | 光刻工艺(下)：刻蚀、去胶、最终检查

光刻工艺:从刻蚀到最终检查↓↓↓

八、刻蚀

1. 湿法刻蚀

刻蚀的目的和问题

图形复制的精度依靠几个工艺参数。它们包括:不完全刻蚀、过刻蚀、钻蚀、选择比和侧边的各向异性/各向同性刻蚀。

不完全刻蚀

不完全刻蚀是指表面层还留在图形孔中或表面上的情况。不完全刻蚀的原因是刻蚀时间太短，出现可减慢刻蚀时间的表面层，或是一个薄厚不均匀的表层也可导致在厚的部分产生不完全刻蚀。如果使用化学湿法刻蚀，过低的温度或弱的刻蚀液会导致不完全刻蚀。如果是干法等离子刻蚀，不正确的混合气体或不当的系统运行可导致相同的影响。

不完全刻蚀

过刻蚀

与不完全刻蚀相反的是过刻蚀(overeteh)。在任何的刻蚀工艺中，总会有一定程度的有计划的过刻蚀，以便允许表层厚度的变化。有计划的过刻蚀还可用以突破最外表层的缓慢刻蚀层。

各向异性/同性刻蚀

理想的刻蚀应在表层中形成垂直的侧边。产生这种理想结果的刻蚀技术称为各向异性刻蚀(anisotropic)。然而,刻蚀剂会从各个方向去掉材料,这种现象称为各向同性(isotropic)。

钻蚀

在从最外表面刻蚀到表层底部的过程中刻蚀也会在最外表面进行。结果会在侧边形成一个斜面。这种作用因在光刻胶边缘下被刻蚀，所以称为钻蚀(undercutting）一个持续的刻蚀目标是把钻蚀水平控制在一个可接受的范围内。电路版图的设计者在计划电路时会把钻蚀考虑在内。相邻的图形必须要分开一定的距离以防止短路。在图形设计时必须计算钻蚀量。各向异性刻蚀可用等离子体刻蚀的方法来得到，它用于刻蚀高级电路时受到青睐。钻蚀的减少可允许制作更密的电路。

当刻蚀时间过长,刻蚀温度太高，或是刻蚀剂混合物太强便会发生严重的钻蚀(或过刻蚀)。当光刻胶和晶圆表面黏结力较弱时也会发生钻蚀。这是一个持续令人担心的问题。干燥脱水、底胶、软烘焙和硬烘焙的目的就是用来防止这种问题的。在刻蚀开孔的边缘光刻胶黏附力的失效会导致严重的钻蚀。如果黏结力非常弱，光刻胶会翘起而导致极为严重的钻蚀。

选择比

刻蚀工序的另一个目标是保护被刻蚀层下的表面。如果晶圆的下层表面被部分刻蚀掉则器件的物理尺寸和电性能会发生改变。与保护表面相关的刻蚀工艺的性质是选择比(selec-tivity)。它由被刻蚀层的刻蚀速率与被刻蚀层下面表层的刻蚀速率的比来表示。以不同的刻蚀方法氧化硅/硅的选择比为20~40。高选择性意味着下表层很少或没有被刻蚀。在刻蚀深宽比大于3:1的小接触孔时，良好的选择性也会成为一个问题。选择比还适用于光刻胶去除。这在干法刻蚀中考虑较多。在表层被刻蚀的同时,一些光刻胶也会被同时去除。选择比必须要足够高，以保证刻蚀完成前光刻胶不会在被刻蚀层之前被去除掉。

湿法喷射刻蚀相对沉浸刻蚀有几个优点。其主要优点是喷射的机械压力而增加的精确度!7。湿法喷射刻蚀可以将来自刻蚀剂的污染降到最低程度。从工艺控制的观点来看，喷射刻蚀因刻蚀剂可被水冲洗从而可以及时地从表面去掉而更加可控。单晶圆旋转喷射系统有显著的工艺一致性的优点。

喷射刻蚀的缺点在于设备系统的成本，对于压力系统中有毒刻蚀剂的安全考虑以及对用于防止机器老化的防刻蚀材料的要求方面。其优点为，喷射刻蚀系统通常是封闭的，这增加了操作人员的安全性。

对于小特征尺寸和/或更大直径品圆,批浸没式刻蚀虽然有生产效率高的特点，也不能满足均匀性的要求。具有机械手自动装卸系统的单片品圆模块喷雾设备克服了批浸没式刻蚀的局限性。它们提供了需要的化学组分的控制、定时和刻蚀的均匀性。在硅工艺技术中用于刻蚀不同层的常用化学品将在下面章节讨论。下图是一些常用的半导体膜及其刻蚀剂的列表。

1.2 硅湿法刻蚀

典型的硅刻蚀是用含氮的物质与氢氟酸(HF)的混合水溶液。这一配比规则在控制刻蚀中成为一个重要的因素。在一些比率上，刻蚀硅会有放热反应。放热反应所产生的热可加速刻蚀反应，接下来又产生更多的热，这样进行下去会导致工艺无法控制。有时醋酸和其他成分被混合进来控制放热反应。

一些器件要求在晶圆上刻蚀出槽或沟。刻蚀配方要进行调整以使刻蚀速率依靠晶圆的取向。(111)取向的晶圆以45°角刻蚀,(100)取向的晶圆以“平”底刻蚀!。其他取向的晶圆可以得到不同形状的沟槽。多品硅刻蚀也用基本相同的规则。

1.3 二氧化硅湿法刻蚀

最普通的刻蚀层是热氧化形成的二氧化硅。基本的刻蚀剂是氢氟酸(HF)，它有刻蚀二氧化硅而不伤及硅的优点。然而，饱和浓度的氢氟酸在室温下的刻蚀速率约为300Å/s这个速率对于一个要求控制的工艺来说太快了(3000薄膜层刻蚀仅用10s）。在实际中，氢氟酸(49%)与水或氟化铵及水混合。以氟化铵(NHF)来缓冲会加速刻蚀速率的氢离子的产生。这种刻蚀溶液称为缓冲氧化物刻蚀(bueredoxideetch)或BOE。针对特定的氧化层厚度，它们以不同的浓度混合来达到合理的刻蚀时间。一些BOE公式包括一个湿化剂(表面活化剂如TritonX-100或同类物质)用以减小刻蚀表面的张力，以使其均匀地进入更小的开孔区。暴露硅晶圆表面的过刻蚀可以引起表面的粗糙。在氢氟酸工艺期间，当暴露于OH离子时，在刻蚀中硅表面会变粗糙。

刻蚀率和温度对BOE的关系

1.4 铝膜湿法刻蚀

对于铝和铝合金层有选择性的刻蚀溶液是基于磷酸的。遗憾的是，铝与磷酸反应的副产物是微小的氢气泡。这些气泡附着在晶圆表面，并阻碍刻蚀反应。结果既可能产生导致相邻引线短路的铝桥连，又可能在表面形成不希望出现的称为雪球(snowball)的铝点。特殊配方铝刻蚀溶液的使用缓解了这个问题(含有磷酸、硝酸、醋酸、水和湿化剂)。典型的活性溶液成分(湿化剂较少)配比是16:1:1:2。除了特殊配方外，典型的铝刻蚀工艺还会包含以搅拌或上下移动晶圆舟的搅动。有时超声波或兆频超声波也用来去除气泡。

氢气泡阻挡刻蚀剂

1.5 淀积氧化物湿法刻蚀

晶圆上的最终膜层之一是一层在铝膜上的二氧化硅钝化膜。这些膜是蒸气氧化或硅氧化膜。膜的化学成分是硅氧化物(与热生长二氧化硅相同)，它要求不同的刻蚀溶液。不同之处是所要求的刻蚀剂的选择性不同。

通常刻蚀二氧化硅的刻蚀剂是缓冲氧化物刻蚀溶液。但是缓冲氧化物刻蚀会腐蚀下层的铝压点，导致在封装工艺中产生压焊问题。这种情况会使压点变成褐色(Brown)，或压点上出现污渍(s4ain)。受青睐的刻蚀剂是氟化胺和醋酸1:2的混合水溶液。

1.6  氮化硅湿法刻蚀

对于钝化层，另外一种受青睐的化合物是氮化硅。可以用液体化学的方法来刻蚀，但是不像其他层那样容易。使用的化学品是热磷酸(I80℃)。因酸液在此温度下会迅速蒸发，所以刻蚀要在一个装有冷却盖的密封回流容器中进行。主要问题是光刻胶层经不起刻蚀剂的温度和高刻蚀速率。因此，需要一层二氧化硅或其他材料来阻挡刻蚀剂。这两个因素已导致对于氨化硅使用干法刻蚀技术。

1.7 蒸气刻蚀

蒸气刻蚀是把晶圆暴露于刻蚀剂蒸气中。氢氟酸是最常用到的。其优点是有持续新鲜的刻蚀剂补充到晶圆表面并可以及时停止刻蚀。出于安全考虑，有毒蒸气需要密封保存在系统内。

2.干法刻蚀

• 湿法刻蚀局限于2μm 以上的图形尺寸；
• 湿法刻蚀为各向同性刻蚀，导致边侧形成斜坡；
• 湿法刻蚀工艺要求冲洗和干燥步骤；
• 液体化学品有毒害；
• 法工艺有潜在的污染；
• 光刻胶黏结力的失效导致钻蚀。

干法刻蚀(dryetehing)是一个通称术语,是指以气体为主要媒体的刻蚀技术,晶圆不需要液体化学品或冲洗。晶圆在干燥的状态进出系统。三种干法刻蚀技术分别为:等离子体、离子铣(刻蚀)和反应离子刻蚀(RIE)。

2.1 等离子体刻蚀

等离子体刻蚀像湿法刻蚀一样是一种化学工艺,它使用气体和等离子体能量来进行化学反应。二氧化硅刻蚀在两个系统中的比较说明了区别所在。在湿法刻蚀二氧化硅中，在缓冲氧化物刻蚀剂中是溶解二氧化硅的成分,并转化为可用水冲洗的成分。形成反应的能量来自缓冲氧化物刻蚀溶液的内部或外部加热器。等离子体刻蚀机要求相同的元素:化学刻蚀剂和能量源。物理上，等离子体刻蚀机由反应室、真空系统、气体供应、终点探测和电源组成。晶圆被送入反应室，并由真空系统把内部压力降低。在真空建立起来后，将反应室内充入反应气体。对于二氧化硅刻蚀，气体一般使用CF,和氧的混合剂。电源通过在反应室中的电极创造了一个射频(RF)电场。能量场将混合气体激发成等离子体状态。在激发状态，氟刻蚀二氧化硅，并将其转化为挥发性成分由真空系统排出。

桶形等离子刻蚀

平面等离子体刻蚀:对于更精确的刻蚀，平板式等离子体系统受到青睐。这种系统含有桶式系统的基本构成，但晶圆被放置在一个有接地的，在射频(RF)电极下的盘上。刻蚀实际上发生在等离子体中。刻蚀离子相比在桶式系统中是有方向性的，这将导致更加各向异性刻蚀。用等离子体刻蚀可以得到几乎垂直的侧边。在该系统中，旋转晶圆盘可以增加刻蚀均匀性。

平面等离子体刻蚀

平面等离子体系统被设计成批量和单片品圆反应室配置。单片品圆系统因其可对刻蚀参数紧密控制，并得到均匀刻蚀而受到欢迎。此外，带有加载室的单片晶圆系统可以保持高产量并可与在线自动化配合。

产生射频的平板式等离子体源在0.35um工艺中正在被新形式等离子体源所取代。在考虑中的高密度、低压的等离子体源是电子回旋加速器共振(ECR)、高密度反射电子、海利康(Helicon)波、感应耦合等离子体(ICP)和变压器耦合等离子体(TCP)等。

第二种类型的干法刻蚀系统是离子束刻蚀系统。与化学等离子体刻蚀系统不同,离子束刻蚀是一个物理过程。晶圆在真空反应室内被置于固定器上,并且向反应室导入氙气流。当进入反应室，氩气便受到从一对阴(-)阳(+)电极来的高能电子束流的影响。电子将氩原子离子化成为带正电荷的高能状态。由于晶圆位于接负极的固定器上,从而氩离子便被吸向固定器。当氩原子向晶圆固定器移动时，它们会加速，提高能量。在晶圆表面，它们轰击进入暴露的晶圆层,并从晶圆表面炸掉一小部分。科学家称这种物理过程为动量传输(momentumtransfer)。在原子与晶圆材料间不发生化学反应。离子束刻蚀也称溅射刻蚀(sputteretehing)或离子铣(ion milling)材料的去除(刻蚀)有高度的方向性(各向异性)，导致良好的小开口区域的精密度。因为是物理过程离子铣的选择性很差，特别对于光刻胶层。

2.3 反应离子刻蚀

反应离子刻蚀(RIE)系统结合等离子体刻蚀和离子束刻蚀原理。系统在结构上与等离子体刻蚀系统相似，但具有离子铣的能力。两种原理的结合突出了它们各自的优点，化学等离子刻蚀和离子铣的方向性RIE系统的一个主要优点是在刻蚀硅层上的二氧化硅层。它们的结合使得选择比提高到35:1，而在只有等离子体刻蚀时为10:1。RE系统已成为用于最先进生产线中的刻蚀系统。

有许多不同的化学品被用于去除工艺。对它们的选择依据晶圆表层(在光刻胶层下)、产品考虑、光刻胶极性和光刻胶状态。一系列不同的工艺:湿法刻蚀、干法刻蚀和离子注入之后，品圆表层的光刻胶都需要去掉。根据先前工艺的不同会有不同程度的困难。高温硬烘焙、等离子体刻蚀的残留物和侧壁聚合物,以及由离子注入导致的硬壳都会对光刻胶去除工艺带来挑战。

一般地，光刻胶去除剂被分成综合去除剂和专用于正光刻胶及负光刻胶的去除剂。它们也根据晶圆表层类型被分为有金属的和无金属的。

由于以下原因，湿法去除受到青睐:

• 有很长的工艺历史
• 成本有效性好
• 可有效去除金属离子
• 低温度工艺，并且不会将晶圆暴露于可能的损伤性辐射

硫酸和氧化剂溶液:硫酸和氧化剂溶液(过氧化氢或过硫酸铵)是最常用的去除无金属表面( nonmetallic suraces)光刻胶层的去除剂。无金属表面是二氧化硅、氮化硅或多晶硅。这种溶液可去除负光刻胶和正光刻胶。相同的化学溶液和工艺用于在后面内容描述的预炉管清洗晶圆中。

硝酸有时作为在硫酸清洗池中的添加氧化剂。典型的混合比为10:1。硝酸有一个缺点是会把清洗池变成淡橘黄色而遮盖住池中碳的积累。所有这些溶液都以氧化机理来溶解光刻胶。

2）有金属表面的湿法化学去除

从有金属表面去除光刻胶是一个比较困难的工作，因为金属会受到侵蚀或氧化。有4种类型的液体化学品用于去除有金属表面的光刻胶:

• 有机去除剂

• 溶剂去除剂

• 溶剂/胺去除剂

• 特殊去除剂

酚有机去除剂:有机去除剂包含磺酸(有机酸)和氯化碳氢溶剂的组合，例如duodexabenzene。配方要求苯酚形成可冲洗的溶液。在20世纪70年代，由于对这些配方中有毒成分的担心而导致了磺酸、非酚的、非氯化的”去除剂的开发。去除光刻胶要求将溶液加热到90℃~120℃的范围。工艺中常使用2个或3个加热的去除池。清洗以两步进行，第一步是溶剂，然后用水清洗，其后是干燥工序。

溶剂/胺去除剂:正光刻胶的优点之一是它们易于从晶圆表面去除。未经硬烘焙过的正光刻胶层可以很容易地用丙酮浸泡的方法从晶圆表面去除掉。遗憾的是，丙酮容易发生火不建议使用。

一些制造商供应基于溶剂和有机胺溶液仅用于正光刻胶去除剂。N-甲基吡咯烷(NMP)是使用最多的溶剂。其他的还有二甲亚砜(DMS0)、环丁砜(sulfolane)、二甲基甲酰胺( DiMethylForamide,DMF)或二甲基乙酰胺(DMAC)。这些去除剂是有效的，用水清洗并可排泄掉。去除剂可能被加热来增加去除速率和/或去除经高温硬烘焙过的光刻胶层。溶剂和溶剂-胺去除剂以化学溶解的机理来去除光刻胶。特殊湿法去除剂:一系列的液体化学去除剂被开发，以解决特殊问题。其中之一是一种基于羟胺(HDA)的正胶去除剂。另一种化学品依赖于螯合中介来化学地约束溶液中的金属污染。去除剂会去掉等离子体刻蚀的残留物和未被溶剂-胺去除剂去掉的聚酰亚胺。其他的去除剂包括腐蚀抑制剂。

下图是最通用的湿法去除剂及其用途的一个列表。具有过渡金属连接塞的多层金属化系统的出现要求湿法去胶剂不伤及这些金属。

3）干法去胶

同刻蚀一样，干法等离子体工艺也可用于光刻胶去除。将晶圆放置于反应室中，并通入氧气。等离子体场把氧气激发到高能状态,因而将光刻胶成分氧化为气体由真空泵从反应室吸走。术语灰化(ashing)用来说明那些设计成用来只去除有机残留物的等离子体工艺。等离子去胶需要去除有机和无机两种残留物的工艺。在干法去除机中,等离子体由微波、射频(RF)和紫外(UV)-臭氧源共同作用产生。

等离子体光刻胶去除的主要优点是消除了液体槽和对化学品的操作。缺点是对于金属离子的去除没有效果。在等离子体场中没有足够的能量使金属离子挥发。需要对等离子体去胶的另一个考虑是高能等离子体场对电路的辐射损伤。采用将等离子体发生室从去除反应室移开的系统设计来减少这个问题的影响。因而被称为下游去胶机(downstreamstripper)，这是因为等离子体在品圆的下游产生。MOS晶圆在去胶中对辐射影响更加敏感。

工业对干法等离子体工艺取代湿法去除期待已久。然而,氧等离子体不能去除移动离子的金属污染，并且有一定程度的金属残留和辐射损伤，这使得湿法去除或湿法-干法结合继续保持着光刻胶去除工艺的主流地位。等离子体去除被用于硬化的光刻胶层，然后以湿法来去除未被等离子体去掉的残留物。有专门的湿法去胶机处理这些硬化的光刻胶层。

4） 离子注入后和等离子体去胶

两个有问题的地方是离子注人后光刻胶的去除和等离子体去除之后，离子注人导致强烈的光刻胶聚合并使表层硬化。一般地，用干法工艺来去除或减少光刻胶，然后再加以湿法工艺。等离子体刻蚀后的光刻胶层同样难以去除。另外，刻蚀可留下残留物，如ACl₃和/或AIBr₃，它们与水或空气反应形成混合物腐蚀金属连线。低温等离子体可在这些有害混合物生成腐蚀性化学物前将其去除。另一种途径是在等离子体环境中加入卤族元素把不可溶解的金属氧化物降至最低。这是设置工艺参数来完成高效处理(光刻胶去除)而又不引入品圆表面损伤或金属腐蚀的另一种情况。

去胶的新挑战

从技术观点看，讲述去胶过程及其化学原理是传统式的且相当简单的。进一步缩小尺度、更大和更密集的芯片、Ⅲ-V族和 SiGe 衬底、浅结、具有深通孔的多层堆叠、铜双大马士革工艺和其他发展正在推动了去胶工艺的改变。去胶效果与它经历的曝光、显影和烘焙工艺有很大关系。它们对去胶表现出不同的挑战。因此，传统化学已经演化为专门的配方。有对于等离子固化的光刻胶、刻蚀残留物、与低k技术相结合的去胶方法等。具有浅结和窄栅宽的新器件结构要求去胶工艺不要刻蚀暴露的晶圆表面或留下电活性的残留物。

晶圆在入射白光或紫外线下首先接受表面目检，以检查污点和大的微粒污染。之后是显微镜检验或自动检验来检验缺陷和图形畸变。对于特定层掩模版的关键尺寸的测量也是最终目检的一部分。主要针对的是刻蚀过的图形质量，欠刻蚀和钻蚀是两个核心参数。

参考文献：

爱蛙科技(客服电话4001021226)

销售 | 租赁 | 定制

爱蛙帮您找到最合适的光传感解决方案