第七章刻蚀工艺
第七章 光刻刻蚀

正胶:曝光前不可溶,曝光后 负胶:曝光前
可溶
可溶,曝光后不可溶
光刻胶对大部分可见光敏感,对黄光不敏感。 因此光刻通常在黄光室(Yellow Room))内进行。
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正光阻
負光阻
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负胶
正胶
IC主导
正胶分辨率高于负胶
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光刻胶的组成材料
光刻胶由4种成分组成: 树脂(聚合物材料) 感光剂 溶剂 添加剂(备选)
7.2 光刻工艺
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1 气相成底膜处理
为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结,必须 进行表面处理,包括三个阶段:微粒清除、 脱水和涂底胶。
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第一步:微粒清除 目的:清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸
附到的一些颗粒状污染物。
清除方法:
1)高压氮气吹除 2)化学湿法清洗:酸清洗和烘干。
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正胶和负胶的显影
负光刻胶(Negative PR)显影 1)显影剂(developer solution):二甲苯 2)冲洗化学品(rinse):n-丁基醋酸盐 作用:快速稀释显影液,冲洗光刻胶 正光刻胶(Positive PR)显影 1)显影剂:碱水溶液,氢氧化钠或氢氧化钾; 2)冲洗剂:水 正胶的显影工艺更加敏感,分辨率更高。
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图形检查
• 不合格的硅片将被去除光刻胶返工 – 光刻胶的图形是临时性的 – 刻蚀和注入后的图形是永久的. • 光刻是可以返工的 • 刻蚀和注入后不能返工
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光刻机
光刻技术的主体是光刻机(曝光机、对准机),它是 将掩模版上的图形与前道工序中已刻在硅片上的图形 对准后,再对硅片表面的光刻胶进行曝光实现图形复 制的设备。 光刻机的三个主要性能指标: 1.分辨率:是可以曝光出来的最小特征尺寸。通常指 能分辨的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸物理 上的极限分辨率为λ/2。 2.套刻精度:是层间图形对准偏差的统计性度量,主 要取决于光刻系统的图形定位和(掩模版和硅片的) 支撑平台的移动控制精度。要求套刻精度的上限不超 过分辨率的1/5~1/3。 3.产率:指每小时可加工的硅片数,是判断光刻系统 性能的一个重要的指标,直接决定了集成电路芯片的 制造成本。
第七章 集成电路制造工艺概况

第七章集成电路制造工艺概况7.1器件技术用于芯片的电子器件是在衬底上构建的。
通用的芯片器件包括电阻、电容、熔丝、二极管和晶体管。
他们在衬底上的集成是集成电路硅片制造技术的基础。
由电子器件组成的电路可以分成两种基本类型:数字电路和模拟电路。
模拟电路是指其电参数在一定电压、电流、功耗值范围内变化的一种电路。
数字电路在高电平和低点平下工作。
电阻、电容被称为无源元件,即无论这些元件怎样和电源相连,它们都能传输电流。
二极管和晶体管被称为有源元件,也即它们可用于控制电流方向,能放大小的信号。
硅片上电子器件的形成方式称为结构,半导体器件结构有成千上万种,我们列举其中一小部分。
一.集成电路电阻结构集成电路电阻可以通过金属膜、掺杂的多晶硅、或者通过杂质扩散到衬底的特定区域中产生(见图7.1)。
这些电阻是微结构,因此他们只占用衬底很小的区域。
电阻和芯片的连接是通过与导电金属形成接触实现的。
但是在芯片结构中会产生寄生电阻(见图7.2),这是因为器件的尺寸、形状、材料类型、掺杂种类以及掺杂数量而存在的。
寄生电阻并不是我们需要的,因为它会降低集成电路器件的性能。
寄生电阻的影响成为能否降低特征尺寸的关键因素,在设计中要考虑减小电阻,可选用低电阻金属和特别工艺设计降低电阻。
二.集成电路电容器结构电容器由两个分立的导电层被介质材料隔离而形成。
芯片制造中介质材料通常是二氧化硅(也称氧化层)。
平面型电容器可由金属薄层、掺杂的多晶硅、或者衬底的扩散区形成。
图7.3是电容器的几种结构。
在器件结构中也会产生寄生电容(图7.4)。
这些寄生电容将影响电路的速度,引起电路的不稳定性,产生寄生振荡,甚至产生交流信号短路。
三. pn结二极管pn结二极管总是由n型半导体和邻近的p型半导体相连形成的。
pn结可以有意地设计为一块集成电路的某一功能部件,例如稳压、整流,也可以在其他集成电路中作为非功能二极管存在,如开关。
pn结二极管由单晶半导体材料构成,如图7.5所示,衬底上的一块区域是施主杂质的重掺杂,以形成n型硅区。
刻蚀工艺介绍

刻蚀工艺介绍一、概述刻蚀工艺是一种常用的微纳加工技术,用于在半导体材料表面上制造微米级或纳米级的结构。
该工艺通过使用化学或物理方法,将材料表面的一部分物质移除,从而实现对材料形貌、形状和尺寸的精确控制。
刻蚀工艺在半导体、光学、生物医学、纳米科技等领域具有广泛的应用。
二、刻蚀分类根据刻蚀介质的不同,刻蚀工艺可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。
湿法刻蚀是指将样品浸泡在特定溶液中,通过溶液中的化学反应来刻蚀样品表面;干法刻蚀则是在真空或气氛下,通过离子轰击或物理气相反应来刻蚀样品表面。
根据刻蚀模式的不同,刻蚀工艺又可分为均匀刻蚀和选择性刻蚀两种。
均匀刻蚀是指样品表面的物质均匀地被移除,形成平整的表面;选择性刻蚀则是指只有特定的材料被刻蚀,而其他材料不受影响。
三、湿法刻蚀湿法刻蚀是一种利用化学反应来刻蚀样品表面的方法。
常用的刻蚀液包括酸性、碱性和氧化性溶液。
酸性溶液可以刻蚀碱金属、半导体和金属材料,常见的有HF、HCl、H2SO4等;碱性溶液则可以刻蚀硅、氮化硅等材料,常见的有KOH、NaOH等;氧化性溶液则可以刻蚀金属和半导体,常见的有HNO3、H2O2等。
湿法刻蚀的优点是刻蚀速度快,刻蚀深度可控制,适用于大面积的刻蚀加工。
然而,湿法刻蚀的缺点是刻蚀剂对环境有一定的污染,并且刻蚀后需要进行清洗和处理。
四、干法刻蚀干法刻蚀是一种在真空或气氛中进行的刻蚀工艺,常用的刻蚀方式包括物理刻蚀和化学气相刻蚀。
物理刻蚀是利用离子轰击的方式来刻蚀样品表面,常用的设备有离子束刻蚀机和反应离子刻蚀机。
离子束刻蚀机通过加速和聚焦离子束,使其撞击样品表面,将表面物质溢出,从而实现刻蚀效果;反应离子刻蚀机则是将离子束与气体反应,生成化学反应产物,再通过气体流动将产物带走。
化学气相刻蚀是通过将刻蚀气体引入到反应室中,使其与样品表面发生化学反应,从而刻蚀样品表面。
干法刻蚀的优点是刻蚀速度快,刻蚀深度可控制,适用于高精度的刻蚀加工。
然而,干法刻蚀的缺点是设备复杂、昂贵,需要对真空系统进行维护和操作。
集成电路工艺:刻蚀

1. 引 言
1.1刻蚀的概念
刻蚀:它是半导体制造工艺,微电子IC制造工 艺以及微纳制造工艺中的一种相当重要的步骤。 是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一 种主要工艺。所谓刻蚀,实际上狭义理解就是 光刻腐蚀,先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光 处理,然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需 除去的部分。随着微制造工艺的发展;广义上 来讲,刻蚀成了通过溶液、反应离子其它机 械方式来剥离、去除材料的一种统称,成为微 加工制造的一种普适叫法。
4.2常用材料的湿法刻蚀
1.二氧化硅湿法刻蚀 采用氢氟酸溶液加以进行。因为二氧化硅可与室
温的氢氟酸溶液进行反应,但却不会蚀刻硅基材 及多晶硅。反应式如下:
SiO2 + 6HF= H2[SiF6] + 2H2O 由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高,在制
程上很难控制,因此在实际应用上都是使用稀释 后的氢氟酸溶液,或是添加氟化铵(NH4F)作 为缓冲剂的混合液,来进行二氧化硅的蚀刻。
下层的Ti ➢ 金属铝的刻蚀步骤多,工艺复杂
4. 湿法刻蚀
4.1 湿法刻蚀的原理
湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀 的技术
这是各向同性的刻蚀方法,利用化学反应过程去除 待刻蚀区域的薄膜材料
湿法刻蚀,又称湿化学腐蚀法。半导体制造业一开 始,湿法腐蚀就与硅片制造联系在一起。现在湿法 腐蚀大部分被干法刻蚀代替,但在漂去氧化硅、除 去残留物、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀应用方 面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮 化物、金属与Ⅲ-Ⅴ族化合物等作整片的腐蚀。
干法刻蚀是各向异性刻蚀,用物理和化学方法, 能实现图形的精确转移,是集成电路刻蚀工艺的 主流技术。
各向同性刻蚀:侧向与纵向腐蚀速度相同 各向异性刻蚀:侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀
第七讲 刻蚀

光刻胶的去除 刻蚀工艺完成后,作为刻蚀阻挡层的光刻胶 已经完成任务,必须从表面去掉。传统的方法 是用湿法化学工艺去除,尽管有一些问题,湿 法去除在前线工艺还是经常采用的一种方法 (特别是硅片表面和MOS栅极暴露并易于受到等 离子体中氧气离子的损伤)。 另一种是干法的等离子体去除,在后线工 艺中经常采用(此时硅片和MOS栅极已经被绝缘 和金属层覆盖)。
• 等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气 体,包括中性原子或分子、带电离子和自由电子。 当从中性原子中去除一个价电子时,形成正离子 和自由电子。例如,当原子结构内的原子和电子 数目相等时氟是中性的,当一个电子从它的核内 分离出去后氟就离子化了(见下图)。在一个有 限的工艺腔内,利用强直流或交流磁场或用某些 电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。
(35 nm/min)
0.1M K2Br4O7 + 0.51M KOH + 0.6M K3Fe(CN)6 , (1 μm/min ,腐蚀时不产生气泡)
6、Au 腐蚀液: 王水:3ml HCl + 1ml HNO3 ,(25 ~ 50 μm/min) 4g KI +1g I + 40ml H2O(0.5 ~ 1 μm/min ,不损伤光刻胶)
附
各向异性 刻蚀
衬底 阴极
各向同性刻蚀
硅片的等离子体刻蚀过程
• 圆桶式等离子体刻蚀机 早期的离子体系统被设计成圆柱形的 (如图),在0.1~1托的压力下具有几乎完全 的化学各向同性刻蚀,硅片垂直、小间距地装 在一个石英舟上。射频功率加在圆柱两边的电 反 应气体 极上。
真 空
产 生射 频的 线圈
• 平板(平面)等离子体刻蚀机 平板(平面)等离子体刻蚀机有两个大小 和位置对称的平行金属板,一个硅片背面朝下 放置于接地的阴极上面,RF信号加在反应器的 上电极。由于等离子体电势总是高于地电势, 因而是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀 模式。相对于桶形刻蚀系统,具有各向异性刻 蚀的特点,从而可得几乎垂直的侧边。另外, 旋转晶圆盘可增加刻蚀的均匀性。该系统可设 计成批量和单个晶圆反应室设置。单个晶圆系 统因其可对刻蚀参数精密控制,以得到均匀刻 蚀而受到欢迎。
刻蚀工艺介绍ppt

在出现紧急情况时,如设备故障、人员受伤等,应立即采取应急措施,如停机、救援等。
要点三
环保要求与对策
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干燥
对表面进行涂层或封装,以保护表面不受外界环境的影响,提高表面的稳定性和耐久性。
保护
刻蚀工艺应用与案例
04
刻蚀工艺在芯片制造中占据重要地位,可对硅片进行精细雕刻,制作出微米级别的芯片结构。
芯片制造
通过刻蚀工艺,可以制作出各种复杂的集成电路,包括模拟电路和数字电路等。
集成电路
利用刻蚀工艺,可以制作出超大规模的集成电路,提高电子设备的性能和功能。
激光器制造
光学制造行业应用
刻蚀工艺发展趋势与挑战
05
高精度刻蚀
随着半导体工艺的不断发展,对刻蚀精度的要求越来越高,高精度刻蚀技术成为发展趋势。
技术发展趋势
等离子体刻蚀
等离子体刻蚀技术以其高刻蚀速率、高选择比、低损伤等优点,逐渐成为主流的刻蚀技术。
反应离子刻蚀
反应离子刻蚀技术以其能够实现各向异性刻蚀的优点,广泛应用于深槽、窄缝的刻蚀。
刻蚀工艺吸附剂对固体表面的吸附作用,将固体表面原子吸附到吸附剂上,从而实现表面刻蚀。
物理刻蚀原理
01
物理撞击
利用高能粒子或激光等物理能量,将固体表面原子撞击,使其脱离固体表面。
02
原子碰撞
通过控制物理能量,使得固体表面原子获得足够的能量,发生跳跃并脱离表面。
化学刻蚀原理
混合刻蚀原理
刻蚀工艺流程
03
工艺说明
化学清洗
机械处理
前处理
工艺说明
刻蚀处理是整个刻蚀工艺的核心部分,主要是通过化学或物理手段,对材料表面进行选择性或非选择性腐蚀,以达到预期的形状和尺寸。
刻蚀工艺

硅片工艺程集成电路工艺之MaterialsIC Fab Metallization CMP Dielectric deposition TestWafers刻蚀Thermal Processes MasksImplantEtch PR stripPackagingPhotolithography DesignFinal Test刻蚀1、基本介绍 2、湿法刻蚀 3、干法刻蚀 4、刻蚀工艺刻蚀的定义 基于光刻技术的腐蚀:刻蚀 湿法称腐蚀?干法称刻蚀? 将光刻胶上的IC设计图形转移到硅片 表面 腐蚀未被光刻胶覆盖的硅片表面,实 现最终的图形转移 化学的,物的或者两者的结合栅极光刻对准栅极光刻掩膜光刻胶 多晶硅STI P-WellUSG栅极光刻曝光Gate Mask显影/后烘/检验Photoresist Polysilicon STI P-Well USG STIPR Polysilicon USG P-Well多晶硅刻蚀(1)Polysilicon多晶硅刻蚀(2)Gate Oxide PolysiliconPR STI P-Well USG STIPR USG P-Well去除光刻胶Gate Oxide Polysilicon离子注入Gate Oxide Dopant Ions, As Polysilicon+STI P-WellUSGSTIn+ P-Welln+USG Source/Drain快速热退火Gate Oxide Polysilicon Gate 刻蚀术语Etch rate 刻蚀速 Selectivity选择比 Etch uniformity均匀性 Etch profile侧墙轮 Wet etch湿法刻蚀 Dry etch干法刻蚀 Endpoint 终点检测STIn+ P-Welln+USG Source/Drain刻蚀速率刻蚀速是指单位时间内硅片表面被刻蚀的材 去除d0刻蚀速率刻蚀后膜厚的变化 刻蚀速 = 刻蚀时间 PE-TEOS PSG 膜,在 22 °C 6:1 BOE 中湿刻1分钟, 刻蚀前, d = 1.7 μm, 刻蚀后, d = 1.1 μm 17000-11000 ----------------1Δdd1刻蚀前Etch Rate =刻蚀后Δdt (/min)Δd = d0 - d1 () 是材膜厚的变化, t 刻蚀时间 (分)ER == 6000 /min均匀性 刻蚀的均匀性是衡刻蚀工艺 在硅片内和硅 片间的可重复性 刻蚀本身的均匀性和材膜厚的均匀性 特征尺寸的负载效应(loading effect) 通常用标准偏差来定义 同的定义给出同的结果非均匀性标准偏差测N 点σ=( x1 x ) 2 + ( x2 x ) 2 + ( x3 x ) 2 + + ( x N x ) 2 Nx=x1 + x 2 + x3 + + x N N非均匀性表达式刻蚀的非均匀性(NU)可由下 面的公式计算(称为Max-Min uniformity, 适用于超净厂房的作业)NU(%) = (Emax - Emin)/ 2Eave Emax = 测量到的最大刻蚀速率 Emin = 测量到的最小刻蚀速率 Eave = 刻蚀速率平均值选择比 Selectivity 选择比是同的材的刻蚀速的比值 在有图形的刻蚀中是非常重要的 对下层材质和光刻胶的选择性 E1 S= BPSG 对 Poly-Si的选择比: E2PR BPSG Poly-Si Si Gate SiO2 E2 PR BPSG Poly-Si Si E1选择比SelectivityEtch rate 1 Selectivity = Etch rate 2 对于PE-TEOS PSG 膜刻蚀速是 6000 /min, 对于硅的刻蚀速是30 /min, PSG 对 silicon6000 Selectivity = ----------------30刻蚀1、基本介绍 2、湿法刻蚀 3、干法刻蚀 4、刻蚀工艺= 200: 1湿法刻蚀 化学溶液溶解硅片表面的材质 刻蚀后产品是气体,液体或是可溶解在刻 蚀溶液中的材质。
集成电路工艺讲义-刻蚀工艺

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五.等离子刻蚀设备
❖圆筒型 ❖平板型
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(
)
硅 片 接 地
反 应 离 子 刻
蚀
结
构
示
意
图
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反
应
离
子
刻
蚀
结
构
示
意
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图 22
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双 向 等 离 子 刻 蚀 示 意 图
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六.光刻技术的发展
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粗细线条兼顾,折中
洁净度
防止沾污
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§3 刻蚀方法
❖干法刻蚀:横向腐蚀小,钻蚀小,
无化学废液,分辨率高,细线条
操作安全,简便;处理过程未引入污 染:易于实现自动化,表面损伤小
缺点:成本高,设备复杂
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❖湿法刻蚀:操作简单,成本低廉,
用时短
❖湿法干法结合
❖湿法去表层胶,干法去底胶
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一.干法刻蚀原理
基本原理:腐蚀剂气体与被腐蚀样品 表面接触来实现腐蚀。
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两类物质的腐蚀:
反应腔加上射频电场,刻蚀气体放电产生 等离子体,等离子体处于激发态,有很 强的化学活性,撞击在硅片上,发生反 应,腐蚀硅化物。
1.多晶硅、氧化硅、氮化硅,采用CF4刻蚀
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SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O此反应的产物 是气态的 SiF4和水,其反应速率R可用
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干法刻蚀的优点:
各向异性好,选择比高,分辨率高 可控性、灵活性、重复性好 操作安全,易实现自动化 无化学废液,刻蚀过程不引入污染,洁净度高。
干法刻蚀的缺点:
成本高,设备复杂 有“再淀积”现象;某些化学气体具毒性或腐蚀性
光刻胶 多晶硅 光刻胶 多晶硅
SiO2 硅衬底
硅衬底
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VLSI对刻蚀工艺的质量要求
图形转换的保真度高:各向异性度→1,保真度越好 选择比好:被刻蚀薄膜的刻蚀速率高,掩蔽膜和其它衬底 材料的刻蚀速率尽量低 刻蚀均匀性好,重复性高 对硅片表面和器件结构的损伤小 清洁、经济、安全
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湿法刻蚀
湿法刻蚀:液态化学试剂与薄膜之间发生化学反应,生成 可溶性(或气态)生成物 湿法刻蚀过程的三步骤:
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SiO2的湿法刻蚀
氢氟酸可以在室温下与SiO2快速的反应,而不会刻蚀硅: SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O 掩蔽膜:光刻胶、氮化硅、多晶硅 工艺上通常使用加入NH4F的氢氟酸缓冲液(BOE),来维 持有效刻蚀剂浓度。 氢氟酸缓冲液配方为:HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml NH4F → NH3 + HF
设备:高压等离子体刻蚀机(真空度102~10-1 Torr) 特点: 1.纯化学反应进行刻蚀,选择性好; 2.高气压下,离子的能量很小,各向异性差; 3.对基底的损伤小; 4.多片处理模式。 应用:不考虑图形转移精度的场 合,如去胶工艺(O2,CF4等) 重要!!反应产物的挥发性
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物理化学性刻蚀(反应离子刻蚀)
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影响干法刻蚀的因素
刻蚀气体的种类、流量及其配比(刻蚀速率及其均匀性、 选择比、各向异性度) 射频功率(等离子体密度和离子能量→刻蚀速率及其均匀 性、选择比和各向异性度,损伤) 温度(刻蚀速率、各向异性度) 气压(等离子体密度、离子能量→刻蚀速率及其均匀性、 选择比和各向异性度,损伤)
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常见半导体材料的刻蚀工艺(1)
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过刻蚀带来的问题
过刻蚀过程中,横向刻蚀继续,造成刻蚀偏差加大; 过刻蚀过程中,衬底材料被刻蚀,造成衬底结构受损; 过刻蚀延长了刻蚀时间,考验光刻胶的耐蚀能力。
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刻蚀选择比:不同材料之间的(纵向)刻蚀速 率之比
两个最重要的选择比参数:
被刻蚀薄膜与掩蔽膜 —— 决定所需掩蔽膜的厚度 被刻蚀薄膜与其下的薄膜材料 —— 影响下层薄膜结构 和质量
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主要用途 用于尺寸要求 不高的场合
刻蚀接触孔 用于场氧化掩 蔽膜的去除
常见半导体材料的刻蚀工艺(2)
被刻蚀薄膜 刻蚀剂 硝酸+氢氟酸 CF4,SF6,NF3 多晶硅 CF4/H2,CHF3 CF4/O2 HBr,Cl2, Cl2/HBr/O2 磷酸、硝酸、醋 酸、水混合液 Cl2 Cl2/BCl3 光刻胶 硫酸+双氧水 O2 说明 湿法,各向同性刻蚀,对 SiO2选择比低 干法,近似各向同性刻 蚀,对SiO2选择比低 干法,各向异性刻蚀,对 SiO2选择比低 干法,各向同性刻蚀,对 SiO2选择比高 干法,各向异性刻蚀,对 SiO2选择比高 湿法,各向同性刻蚀,对 SiO2选择比高 干法,各向同性刻蚀 干法,各向异性刻蚀 湿法,各向同性刻蚀 干法,各向同性刻蚀 主要用途 早期工艺采用 早期干法刻蚀工艺 早期干法刻蚀工艺 早期干法刻蚀工艺 深亚微米工艺中刻蚀 栅极 早期工艺采用 早期干法刻蚀工艺 刻蚀金属互连线 湿法去胶(铝前) 干法去胶
RIE模式
上电极+腔壁 →接地 下电极(硅片) →RF 下电极-Plasma电压差大,离子轰击强
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RIE刻蚀的不足:
1.各向异性刻蚀与刻蚀速率之间的矛盾: 刻蚀速率 (+) →反应性物质浓度 (+) →气压 (+) →碰撞 (+) → 各向异性度 (-) 2.高各向异性度和刻蚀速率带来的刻蚀损伤问题: 离子能量 (+) →刻蚀速率 (+) →损伤 (+) 3.随着图形深宽比增加,需要更低的气压以保证定向刻蚀 → 等离子体密 度急剧下降→刻蚀速率急剧下降
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干法刻蚀的分类
物理性刻蚀(溅射刻蚀) 化学性刻蚀(等离子体刻蚀) 物理化学性刻蚀(反应离子刻蚀) 高密度等离子体(HDP)刻蚀
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物理性刻蚀
机理:利用等离子体(一般采用惰性气体)中的离子轰击,将 被刻蚀材料的原子击出。 设备:离子铣(真空度10-3~10-5 Torr) 特点:
1.纯粹的物理过程,电场定向,对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀; 2.选择比差,一般不超过2~3; 3.刻出物易再淀积; 4.易对下面结构造成损伤; 5.单片工艺
一般采用加热(180℃)的磷酸(H3PO4)作为氮化硅的腐 蚀液 掩蔽膜不能用光刻胶,一般采用二氧化硅做掩蔽膜
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铝的湿法刻蚀
刻蚀液:磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液。 原理:1. 由硝酸与铝反应生成氧化铝; 2. 磷酸和水分解氧化铝。 掩蔽膜:光刻胶 温度:30∼60 ℃
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干法刻蚀
干法刻蚀:是利用化学气体辉光放电而产生等离子体来进行 薄膜刻蚀的一种技术。
第七章 刻蚀工艺
曾莹
清华大学微电子学研究所
zengying@
1
刻蚀的基本概念
刻蚀:通过物理和/或化学方法将下层材料中没有被上层掩蔽 膜材料掩蔽的部分去掉,从而在下层材料上获得与掩蔽膜图 形完全对应的图形。
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刻蚀工艺的分类
湿法刻蚀与干法刻蚀 湿法刻蚀:采用液态化学试剂进行薄膜刻蚀 干法刻蚀:采用气态的化学气体进行薄膜刻蚀 各向同性刻蚀与各向异性刻蚀 各向同性刻蚀:薄膜在各个方向上都受到同样的刻蚀 各向异性刻蚀:薄膜在各个方向上所受刻蚀不等
机理:物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。 设备:反应离子刻蚀机(RIE)( 真空度10-1~10-2Torr) 传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。通过适当选择反应气体、气 压、流量和射频功率,可以得到较快的刻蚀速率和良好的各向异性。 特点: 1.选择比较高; 2.各向异性较好; 3.刻蚀速度较快 应用:在IC制造中应用广泛
应用:刻蚀复杂的三元 物和四元物,如 InAlGaAs,YBaCuO等
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离子铣过程中可能发生的四个问题
光刻胶斜坡转移
沟槽现象
再淀积现象
“充电”及刻蚀变形
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化学性刻蚀(等离子体刻蚀)
等离子体刻蚀利用高压低功率的等离子体,其能量非常低,起刻 蚀作用的是等离子体中化学活性很高的中性原子、原子团等。
被刻蚀薄膜 刻蚀剂 DHF,BOE SiO2 CF4,SF6,NF3 CF4/H2,CHF3, CHF3/O2,C2F6 磷酸(180℃) CF4/O2 Si3N4 CF4/H2 CHF3/O2,CH2F2 说明 湿法,各向同性刻蚀,对Si选 择比高 干法,近似各向同性刻蚀,对 Si选择比低 干法,各向异性刻蚀,对Si选 择比高 湿法,各向同性刻蚀,对Si, SiO2选择比高 干法,近似各向同性刻蚀,对 Si选择比低,对SiO2选择比高 干法,各向异性刻蚀,对Si选 择比高,对SiO2选择比低 干法,各向异性刻蚀,对Si, SiO2选择比高 刻蚀有源区, 钝化孔
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完全的各向同性刻蚀, 横向刻蚀速率=纵向刻蚀速率 其刻蚀偏差为最大值|BMAX| = 2h 完全的各向异性刻蚀, 横向刻蚀速率 = 0 其刻蚀偏差为最小值BMIN = 0 实际工艺中的刻蚀偏差是介于二者之间
V横向 | B |= (2h) V纵向
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各向异性度
各向异性度的定义:
Af = 1 −
B 2h
溶液中的反应物通过扩散到达将被刻蚀的薄膜表面 反应物与薄膜表面的分子发生化学反应,并生成各种生成物 位于薄膜表面的生成物,扩散到溶液中并被排掉(可溶或气态)
速率控制方法: 刻蚀溶液的种类 溶液的浓度 反应温度 搅拌
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刻蚀液的选用:刻蚀速率;选择比。 掩蔽膜的选用:粘附性;稳定性;抗蚀性。 湿法刻蚀的优点: 设备简单,成本低,产量高,刻蚀选择比好,重复性好。 湿法刻蚀的缺点: 各向同性刻蚀,钻蚀严重,对图形的控制性较差。 安全性、洁净性差。 主要用于对尺寸要求不高的场合
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HDP刻蚀机的优缺点
优点: 刻蚀速率高; 损伤小; 选择比好; 各向异性强 缺点: 高的离子流量容易对浮空结构(尤其是MOS管中的栅)充电, 可能会在栅绝缘中导致过多的漏电。
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不同刻蚀系统的比较
离子铣 HDP刻蚀 物理过程
气 压
能 量
选 择 比
各 向 异 性 度
RIE刻蚀 PE刻蚀 湿法刻蚀 化学过程
钻蚀
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刻蚀工艺的品质因数
刻蚀速率(纵向刻蚀速率V纵向,横向刻蚀速率V横向) V纵向决定了刻蚀工艺的产率 V横向决定了刻蚀后剖面形貌和“钻蚀”程度 各向异性度 刻蚀均匀性 刻蚀选择比
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刻蚀偏差:薄膜图形与掩蔽膜图形之间横向尺寸的差异
刻蚀偏差 B = df- dm
B既可以大于0,也可以小于0。
横向刻蚀速率≠0 时,刻蚀工艺产生“钻蚀”现象, B≠0 。
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ห้องสมุดไป่ตู้
Si和多晶硅的湿法刻蚀
用硝酸与氢氟酸的混合液进行刻蚀: Si + HNO3 + 6HF = H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O 反应原理:1.硝酸将表面的硅氧化成SiO2 ; 2.氢氟酸将生成的SiO2除去 用KOH可实现硅的非各向同性刻蚀:刻蚀速率与硅的晶向有关
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氮化硅的湿法刻蚀
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离子轰击在RIE刻蚀中的作用
1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏,加速化学反应; 2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉,使被刻蚀表面能再与刻蚀 气体接触。