硅的干法刻蚀简介

应用材料中国，葛强著

随着硅珊MOS器件的出现，多晶硅渐渐成为先进器件材料的主力军。除了用作MOS栅极之外多晶硅还广泛应用于DRAM的深沟槽电容极扳填充，闪存工艺中的位线和字线。这些工艺的实现都离不开硅的干法刻蚀技术其中还包括浅槽隔离的单晶硅刻蚀和金属硅化物的刻蚀。为了满足越来越苛刻的要求，业界趋向于采用较低的射频能量并能产生低压和高密度的等离子体来实现硅的干法刻蚀。感应耦合等离子刻蚀技术（ICP）被广泛应用于硅及金属硅化物刻蚀，具有极大技术优势和前景。它能够工作在0.13~2.66Pa的低压下产生高达 1x1011~1x1012离子?cm3的等离子密度，比典型的电容耦合(CCP)等离子刻蚀技术高出10~20倍。此外，其对离子浓度和能量的独立控制扩大了刻蚀工艺窗口及性能。

　图1 所示是应用材料公司的200mm硅刻蚀和金属刻蚀的腔体示意图。它采用双射频耦合技术，顶部射频采用电感耦合(ICP) 原理把射频能量通过顶部线圈（Source Coil）感应产生的磁场耦合到腔体内，交变磁场在真空环境中使气体电离而形成等离子。底部射频产生直流偏压(DC Bias) 加速离子到达硅片表面产生物理和化学的刻蚀反应。顶部射频可控制离子浓度而底部射频可控制离子的能量。这种独立的控制方式能更有效的控制化学刻蚀和物理刻蚀，提高刻蚀的选择比并有效的减少对栅极氧化层的损伤。本文将简单介绍刻蚀在硅栅刻蚀和浅槽隔离刻蚀中的应用。

硅栅（Poly Gate）的干法刻蚀：

　随着晶体管尺寸的不断缩小对硅栅的刻蚀就越具有挑战性。这种挑战体现在对关键尺寸（CD）及其均匀性的控制，即对栅氧化层选择比的提高，对剖面轮廓的一致性控制以及减少等离子导致的损伤。

　图2 所示是典型的硅栅刻蚀的步骤。 因为受到光刻线宽的限制，为达到最后的CD 线宽要求往往需要先对光阻进行缩小处理，然后进一步往下刻蚀。BARC打开后，再以光阻为阻挡层将TEOS 打开。接着把剩余的光阻去除，再以TEOS作为阻挡层对硅栅进性刻蚀。为了保护栅极氧化层不被损伤，通常要把硅栅的刻蚀分成几个步骤：主刻蚀、着陆刻蚀和过刻蚀。主刻蚀通常有比较高的刻蚀率但对氧化硅的选择比较小。通过主刻蚀可基本决定硅栅的剖面轮廓和关键尺寸。着陆刻蚀通常对栅极氧化层有比较高的选择比以确保栅极氧化层不被损伤。一旦触及到栅极氧化层后就必须转成对氧化硅选择比更高的过刻蚀步骤以确保把残余的硅清除干净而不损伤到栅极氧化层。

　　CL2，HBr，HCL是硅栅刻蚀的主要气体，CL2和硅反应生成挥发性的SiCl4而HBr和硅反应生成的SiBr4 同样具有挥发性。通常会在这些主刻蚀气体中加入小流量的氧气，一方面是为了在侧壁生成氧化硅从而增加对侧壁的保护；另一方面也提高了对栅极氧化层的选择比。在标准的ICP双耦合刻蚀腔体中，HBr-O2的组合通常能达到大于100:1的选择比。为了避免伤及栅极氧化层，任何带F基的气体如 CF4,SF6,NF3都不能在过刻蚀的步骤中使用。

　　浅沟槽（STI）的干法刻蚀：

　　在0.25um和以下的技术节点中，浅沟槽隔离技术被广泛应用。因为它在减小表面积的同时提供更加有效的隔离。作为沟槽硅刻蚀的阻挡层可以直接用光阻但更多是采用氮化硅作为硅刻蚀的阻挡层。如下图所示，先用光阻作为氮化硅刻蚀的阻挡层，然后用氧等离子体将剩余的光阻除去，最后以氮化硅为阻挡层完成浅沟槽的刻蚀。

浅沟槽刻蚀的难点在于沟槽深度的均匀性控制。如果在4000A槽深要求均匀度小于100A，这就相当于小于1.25%的均匀性。随着硅片尺寸的增加要达到这样的要求就必须严格控制氮化过刻蚀、BT刻蚀和浅槽刻蚀的均匀性，每一步都会对最后的结果产生影响。其次为了满足沟槽隔离氧化物的填充要求，剖面轮廓的控制也是非常重要的环节。因为太垂直的轮廓不利于HDPCVD的沉积，所以通常会要求适当的倾斜度。另外随着工艺尺寸的缩小，要求达到更高的深宽比使得剖面轮廓控制和深度均匀性控制受到更大的挑战.。当然CD 的均匀性和剩余氮化硅的均匀性也是重要的技术指标。

　　CL2和HBr依然是浅沟槽的刻蚀的主要气体，再配合小流量的氧气和氮气来产生氮氧化硅形成侧壁钝化层从而达到理想的刻蚀剖面轮廓。氦气和氩气通常用作辅助稀释的作用。

　　另外浅槽底部轮廓同样影响到氧化物的填充。采用CL2 做为主刻蚀的气体容易形成比较直的剖面轮廓和凸型的底部轮廓。采用HBr 作为主刻蚀气体能得到比较斜的剖面轮廓和凹形的底部轮廓。


      在实际生产中经常会遇到硅刻蚀的反应物没有被及时的清洗从而导致产品被污染的现象。这是因为硅片完成刻蚀离开反应腔时，在硅片的表面还有大量的Cl 和Br 残留。 它们具有较强的挥发性。当硅片暴露在空气中，空气中的水汽和CL，Br形成HCL和 HBr。这些酸性物质会腐蚀和它们接触的表面形成一定程度的污染。为了防止这样的现象发生可以采用O2等离子清除表面的残留，或者利用腔体净化功能减少污染源。另外还应尽量减少硅片暴露在空气中的时间，尽快洗去表面污染物。

　　随着关键尺寸的不断缩小和硅片尺寸的扩大。先进的300mm 硅刻蚀工艺腔体的气体和温度多采用内圈和外圈独立的控制以满足苛刻的工艺要求。可变的腔体尺寸也是业界的方向之一。腔体内环境的控制和不同硅片的一致性控制也是生产中最常遇到的问题。应用材料中国，葛强著

随着硅珊MOS器件的出现，多晶硅渐渐成为先进器件材料的主力军。除了用作MOS栅极之外多晶硅还广泛应用于DRAM的深沟槽电容极扳填充，闪存工艺中的位线和字线。这些工艺的实现都离不开硅的干法刻蚀技术其中还包括浅槽隔离的单晶硅刻蚀和金属硅化物的刻蚀。为了满足越来越苛刻的要求，业界趋向于采用较低的射频能量并能产生低压和高密度的等离子体来实现硅的干法刻蚀。感应耦合等离子刻蚀技术（ICP）被广泛应用于硅及金属硅化物刻蚀，具有极大技术优势和前景。它能够工作在0.13~2.66Pa的低压下产生高达 1x1011~1x1012离子?cm3的等离子密度，比典型的电容耦合(CCP)等离子刻蚀技术高出10~20倍。此外，其对离子浓度和能量的独立控制扩大了刻蚀工艺窗口及性能。

　图1 所示是应用材料公司的200mm硅刻蚀和金属刻蚀的腔体示意图。它采用双射频耦合技术，顶部射频采用电感耦合(ICP) 原理把射频能量通过顶部线圈（Source Coil）感应产生的磁场耦合到腔体内，交变磁场在真空环境中使气体电离而形成等离子。底部射频产生直流偏压(DC Bias) 加速离子到达硅片表面产生物理和化学的刻蚀反应。顶部射频可控制离子浓度而底部射频可控制离子的能量。这种独立的控制方式能更有效的控制化学刻蚀和物理刻蚀，提高刻蚀的选择比并有效的减少对栅极氧化层的损伤。本文将简单介绍刻蚀在硅栅刻蚀和浅槽隔离刻蚀中的应用。

硅栅（Poly Gate）的干法刻蚀：

　随着晶体管尺寸的不断缩小对硅栅的刻蚀就越具有挑战性。这种挑战体现在对关键尺寸（CD）及其均匀性的控制，即对栅氧化层选择比的提高，对剖面轮廓的一致性控制以及减少等离子导致的损伤。

　图2 所示是典型的硅栅刻蚀的步骤。 因为受到光刻线宽的限制，为达到最后的CD 线宽要求往往需要先对光阻进行缩小处理，然后进一步往下刻蚀。BARC打开后，再以光阻为阻挡层将TEOS 打开。接着把剩余的光阻去除，再以TEOS作为阻挡层对硅栅进性刻蚀。为了保护栅极氧化层不被损伤，通常要把硅栅的刻蚀分成几个步骤：主刻蚀、着陆刻蚀和过刻蚀。主刻蚀通常有比较高的刻蚀率但对氧化硅的选择比较小。通过主刻蚀可基本决定硅栅的剖面轮廓和关键尺寸。着陆刻蚀通常对栅极氧化层有比较高的选择比以确保栅极氧化层不被损伤。一旦触及到栅极氧化层后就必须转成对氧化硅选择比更高的过刻蚀步骤以确保把残余的硅清除干净而不损伤到栅极氧化层。

　　CL2，HBr，HCL是硅栅刻蚀的主要气体，CL2和硅反应生成挥发性的SiCl4而HBr和硅反应生成的SiBr4 同样具有挥发性。通常会在这些主刻蚀气体中加入小流量的氧气，一方面是为了在侧壁生成氧化硅从而增加对侧壁的保护；另一方面也提高了对栅极氧化层的选择比。在标准的ICP双耦合刻蚀腔体中，HBr-O2的组合通常能达到大于100:1的选择比。为了避免伤及栅极氧化层，任何带F基的气体如 CF4,SF6,NF3都不能在过刻蚀的步骤中使用。

　　浅沟槽（STI）的干法刻蚀：

　　在0.25um和以下的技术节点中，浅沟槽隔离技术被广泛应用。因为它在减小表面积的同时提供更加有效的隔离。作为沟槽硅刻蚀的阻挡层可以直接用光阻但更多是采用氮化硅作为硅刻蚀的阻挡层。如下图所示，先用光阻作为氮化硅刻蚀的阻挡层，然后用氧等离子体将剩余的光阻除去，最后以氮化硅为阻挡层完成浅沟槽的刻蚀。

浅沟槽刻蚀的难点在于沟槽深度的均匀性控制。如果在4000A槽深要求均匀度小于100A，这就相当于小于1.25%的均匀性。随着硅片尺寸的增加要达到这样的要求就必须严格控制氮化过刻蚀、BT刻蚀和浅槽刻蚀的均匀性，每一步都会对最后的结果产生影响。其次为了满足沟槽隔离氧化物的填充要求，剖面轮廓的控制也是非常重要的环节。因为太垂直的轮廓不利于HDPCVD的沉积，所以通常会要求适当的倾斜度。另外随着工艺尺寸的缩小，要求达到更高的深宽比使得剖面轮廓控制和深度均匀性控制受到更大的挑战.。当然CD 的均匀性和剩余氮化硅的均匀性也是重要的技术指标。

　　CL2和HBr依然是浅沟槽的刻蚀的主要气体，再配合小流量的氧气和氮气来产生氮氧化硅形成侧壁钝化层从而达到理想的刻蚀剖面轮廓。氦气和氩气通常用作辅助稀释的作用。

　　另外浅槽底部轮廓同样影响到氧化物的填充。采用CL2 做为主刻蚀的气体容易形成比较直的剖面轮廓和凸型的底部轮廓。采用HBr 作为主刻蚀气体能得到比较斜的剖面轮廓和凹形的底部轮廓。


      在实际生产中经常会遇到硅刻蚀的反应物没有被及时的清洗从而导致产品被污染的现象。这是因为硅片完成刻蚀离开反应腔时，在硅片的表面还有大量的Cl 和Br 残留。 它们具有较强的挥发性。当硅片暴露在空气中，空气中的水汽和CL，Br形成HCL和 HBr。这些酸性物质会腐蚀和它们接触的表面形成一定程度的污染。为了防止这样的现象发生可以采用O2等离子清除表面的残留，或者利用腔体净化功能减少污染源。另外还应尽量减少硅片暴露在空气中的时间，尽快洗去表面污染物。

　　随着关键尺寸的不断缩小和硅片尺寸的扩大。先进的300mm 硅刻蚀工艺腔体的气体和温度多采用内圈和外圈独立的控制以满足苛刻的工艺要求。可变的腔体尺寸也是业界的方向之一。腔体内环境的控制和不同硅片的一致性控制也是生产中最常遇到的问题。