第七讲：刻蚀工艺

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面反应 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 极上。 反 应气体 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。 反应 气体 射频 电极 等 离子 体场 晶圆 接地 平板等离子体刻蚀 粒子束刻蚀 粒子束刻蚀也是干法刻蚀的一种，与化学等 离子体刻蚀不同的是粒 子束刻蚀是一个物理工艺。 如图所示，晶圆在真空反应室内被置于固定器上， 并且 向反应室导入氩气流。氩气进入反应室便受 到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响 。电子 将氩原子离子化成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。在移动的同时被加速以提高能量。在晶 圆表面上它们 轰击进入暴露的晶圆层并从晶圆表 面炸掉一小部分从而达到刻蚀的目的。 优点：刻蚀的方向 优点 性非常好（属于各 向异性），非常适 合高精度的小开 口 区域刻蚀 缺点： 缺点：选择性差， 存在离子化形成的 辐射损害。 粒子束轰击示意图 干法刻蚀中光刻胶的影响 对于湿法和干法刻蚀两种工艺，图形保护 层是光刻胶 层。在湿法刻蚀中对光刻胶层几乎 没有来自刻蚀剂的刻蚀。然而在干法刻蚀中， 残 余的氧气会刻蚀光刻胶层。因此光刻胶层必 须保证足够的厚度以应付刻蚀剂的刻蚀而 不至 于变薄出现空洞。 另一个与光刻胶相关的干法刻蚀问题是光刻 胶烘焙。在干法 刻蚀反应室内，温度可升到 ２００℃，这样的温度可把光刻胶烘焙到一个难于 从晶圆表 面去除的状态，还有就是高温下光刻 胶的流动倾向会使图形变差。 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）。 湿法去除有许多不同的化学品被由 于去除工 艺，其选择依据是晶圆表层、产品硫酸 ＋ 氧化 剂 有机 酸 铬 ／ 硫 酸溶 液 溶液 ： Ｎ ＭＰ ／Ａｌｋ ａｎｏｌ ａｍｉｎ ｅ ＤＭＳ Ｏ／Ｍｏ ｎｏｔｈ ａｎｏｌ ａｍｉｎ ｅ ＤＭＡ Ｃ／Ｄｉ ｅｔｈａ ｎｏｌａ ｍｉｎｅ Ｈｙｄ ｒｏｘｙ ｌａｍｉ ｎｅ （ ＨＤＡ） 去 胶温度 （ Ｃ １２５ ９ ０￣１１０ ２０ ９５ ９５ １００ ６５ 表面 氧 化物 Ｘ Ｘ Ｘ 金属 化 光刻 胶 极性 ＋／＋／＋／＋ ＋ ＋ ＋
本文由ｐｉｐｉｔｕｚｉ１９８９贡献 ｐｐｔ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 光刻版制作 这一节简单介绍光刻版的 制作过程。最初的光刻版是 由涂上感光 乳剂的玻璃板制 成，但由于感光乳剂容易划 伤，在使用中变质且不能分 辩３μｍ以下 的图形，现在最 常用的感光版使用玻璃涂敷 铬技术。制做过程如图所示。 最受欢迎 的光刻版制 作材料是硼硅酸盐玻璃或石 英，它们有良好的尺寸稳定 性和曝光波长的 传输性能。 玻璃 ／ 石 英板 的形 成 沉积 铬涂 层 光刻 胶涂 层 涂层 曝光 图案 显影 图案 刻蚀 光刻 胶去 除 图形刻蚀技术 选择曝光 显影（ 次图形转移） 显影（第 １ 次图形转移） 刻蚀（ 次图形转移） 刻蚀（第 ２ 次图形转移） 去胶 刻蚀 在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜 上并准备刻蚀。经过刻 蚀图形就永久留在晶圆的表层。 湿法和 刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法 湿法 干 法刻蚀。 无论那一种方法，其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确 地转移到晶圆表 面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、 洁净度都符合要求。 光刻胶 被刻蚀材料 光刻胶 被保护层 （ａ） 有光刻胶图形的衬底 （ｂ） 刻蚀后的衬底 化学刻蚀 湿法 电解刻蚀 刻蚀技术 干法 离子束溅射刻蚀（物理作用） 离子束 溅射刻蚀（物理作用） 等离子体刻蚀（化学作用） 等离子体刻蚀（化学作用） 反应 离子刻蚀（物理化学作用） 反应离子刻蚀（物理化学作用） 刻蚀参数 刻蚀剂浓度、 刻蚀剂浓度、表面几何形貌 刻蚀剖面 刻蚀偏差 刻蚀选择比 干法刻蚀原理 干法刻蚀机理 带电粒子 自由基、 自由基、 反应原子 § ６－１ 湿法化学刻蚀 一、湿法刻蚀 优点： 优点： １、应用范围广，适用于几乎所有材料。 、应用 范围广，适用于几乎所有材料。 ２、选择性强，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制 。 、选择性强，易于光刻胶的掩蔽和刻蚀终点的控制。 ３、简单易行，成本低，适宜 于大批量加工。 、简单易行，成本低，适宜于大批量加工。 缺点： 缺点： １、一般 为各向同性腐蚀，容易出现侧向钻蚀。 、一般为各向同性腐蚀，容易出现侧向钻蚀。 ２、由于液体存在表面张力，不适宜于腐蚀极细的线条。 、由于液体存在表面张力， 不适宜于腐蚀极细的线条。 ３、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。 、化学反应时往往伴随放热与放气，导致腐蚀不均匀。 常用的腐蚀液举例： 常用的腐蚀液举例： １、ＳｉＯ２ 腐蚀液： 、 腐蚀液： ＢＨ Ｆ ：２８ｍｌ ＨＦ ＋ １７０ ｍｌ Ｈ２Ｏ ＋ １１３ｇ ＮＨ４Ｆ ２、Ｓｉ 腐蚀液： 、 腐蚀液： Ｄａｓｈ ｅｔｃｈ： １ｍｌ ＨＦ ＋ ３ｍｌ ＨＮＯ３ ＋ １０ｍｌ ＣＨ３ＣＯＯＨ Ｓｉｒｔｌ ｅｔｃｈ： １ｍｌ ＨＦ ＋ １ｍｌ ＣｒＯ３ （ ５Ｍ水溶液
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刻蚀均匀性； 较低的化学制品使用和处理费用。 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。 等离子体刻蚀 具有质子（＋９）和电子（－９） 数目相等地中性粒子是原子 内层电子（－） 价层电子 （－） Ｆ ＋９ 离子是质子（＋）与电子（－ ）数不等的原子 到原子失去一个 电子时产生一 个 正离子 价层环最多能 有８个电子 在原子核中的 质子（未显示 电子） 电子从主原子 中分离出来． Ｆ ＋９ 氟原子总共有７个价电子 少一个电子的氟原子 离子的形成 选择离子的原则： 选择离子的原则： １、质量 、 质量为 Ｍ２ 的靶原子从质量 为 Ｍ１ 的入射离子所获得的能量 为： ４Ｍ１Ｍ２ Ｅ＝ Ｅ０ ２ （Ｍ１ ＋ Ｍ２ ） ｄ ２Ｅ ｄＥ 令 ， ＜ ０ ，这时靶原子 ＝ ０ 可得 Ｍ１ ＝ Ｍ２ ，且 ２ ｄＭ１ ｄＭ１ 所以为获得最好的溅射效果， 可获得最大能量， 可获得最大能量，即：Ｅｍａｘ ＝ Ｅ０ 。所以为获得最好的溅射效果， 应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。 应选择入射离子使其质量尽可能接近靶原子。 ２、要求入射离子对被刻蚀材料的影响尽量小。 、要求入射离子对被刻蚀材料的 影响尽量小。 ３、容易获得。 、容易获得。 例如， 进行溅射加工， 例如，若要对 ＳｉＯ２ 进行溅射加工，根据要求 ２ 与要求 ３ ， 入射离子应在较为容易获得的惰性气 体离子 Ａｒ＋ 、Ｋｒ＋ 和 Ｘｅ＋ 中选择， 中选择，又因 Ｓｉ 原子和 Ｏ２ 分子的原子量分别 是 ２８ 和 ３２ ，而 Ａｒ＋ 、Ｋｒ＋ 和 Ｘｅ＋ 的原子量分别是 ４０、８４ 和 １３１，所以采用 、 ， Ａｒ＋ 离子的效果是最好的。 离子的效果是最好的。 二、溅射率与入射角的关系 入射角：靶平面法线与入射离子束的夹角， 入射角 ：靶平面法线与入射离子束的夹角，记为 θ 。 溅射率：由一个入射离子所溅射出来 的原子或分子的数目， 溅射率：由一个入射离子所溅射出来的原子或分子的数目， 也称为溅射产率， 的函数。 也称为溅射产率，记为 Ｓ 。溅射率 Ｓ 是入射角 θ 的 函数。 θ 相对溅射率： 相对溅射率：在单位离子 束电流密度下， 束电流密度下， 单位时间内加 工表面的减薄量， 工表面的减薄量，记为 Ｕ （θ ） Ｓ １０１９ ｃｍ／ｓ ＵＳ （θ） ＝ Ｓ（θ）ｃｏｓθ （ ） ２ １．６ｎ Ａ／ｃｍ 式中， 式中，ｎ 为被溅射材料的 原子密度。 原子密度。 ＲＦ 发生器 阳极 １） 刻蚀气体进入 反应室 气体传送 ２） 电场使反应 电场 刻蚀反应室 λ ３） 电子和原子结合 产生等离子体 λ 副产物 ８） 副产物去 物分解 除 排气 ４） 反应正离子轰 击表面 ５） 反应离子吸 附在表面 ６） 原子团和表面膜的表 ７） 副产物解吸
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） 水溶液 Ｓｉｌｖｅｒ ｅｔｃｈ： ２ｍｌ ＨＦ ＋ １ｍｌ ＨＮＯ３ ＋ ２ｍｌ ＡｇＮＯ３（０．６５Ｍ水 水 溶液），（ 用于检测外延层缺陷） ），（用于检测外延层缺陷 溶液），（用于检测外延层缺陷 ） Ｗｒｉｇｈｔ ｅｔｃｈ： ６０ｍｌ ＨＦ ＋ ３０ｍｌ ＨＮＯ３ ＋ ６０ｍｌ ＣＨ３ＣＯＯＨ ＋ ６０ｍｌ Ｈ２Ｏ ＋ ３０ｍｌ ＣｒＯ３（ １ｇ ｉｎ ２ｍｌ Ｈ２Ｏ） ＋ ２ｇ （ＣｕＮＯ３）２３Ｈ２Ｏ ， 此腐蚀液可长期保存） （此腐蚀液可长期保 存） ３、Ｓｉ３Ｎ４ 腐蚀液： 、 腐蚀液： ＨＦ、 Ｈ３ＰＯ４ （ １８０ｏＣ ） 、 ４、ＧａＡｓ 腐蚀液： 、 腐蚀液： １ｍｌ ＨＦ ＋ ２ｍｌ Ｈ２Ｏ ＋ ８ｍｇ ＡｇＮＯ３ ＋ １ｇ ＣｒＯ３ Ｈ ２ＳＯ４ ＋ Ｈ２Ｏ２ ＋ Ｈ２Ｏ ＮＨ４ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ２ ＋ Ｈ２Ｏ ５、Ａｌ 腐蚀液： 、 腐蚀液： ４ｍｌ Ｈ３ＰＯ４ ＋ １ｍｌ ＨＮＯ３ ＋ ４ｍｌ ＣＨ３ＣＯＯＨ ＋ １ｍｌ Ｈ ２Ｏ ， （３５ ｎｍ／ｍｉｎ） ） ０．１Ｍ Ｋ２Ｂｒ４Ｏ７ ＋ ０．５１Ｍ ＫＯＨ ＋ ０．６Ｍ Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６ ， 腐蚀时 不产生气泡） （１ μｍ／ｍｉｎ ，腐蚀时不产生气泡） ６、Ａｕ 腐蚀液： 、 腐蚀液： 王水： ，（２５ 王水：３ｍｌ ＨＣｌ ＋ １ｍｌ ＨＮＯ３ ，（ ￣ ５０ μｍ／ｍｉｎ） ／ ） ４ｇ ＫＩ ＋１ｇ Ｉ ＋ ４０ｍｌ Ｈ２Ｏ（０．５ ￣ １ μｍ／ｍｉｎ ，不损伤光刻胶 ） 不损伤光刻胶） （ ／ 湿法刻蚀 湿法 胶 膜 衬底 湿法各向同性化 学腐蚀层 （各向同性刻蚀 是在各个方向上 以同样的速度进 行刻蚀） 湿法刻蚀 最原始的刻蚀工艺，就是将晶圆沉浸于装有刻蚀液的槽中经过一定的 时间，再 传送到冲洗设备中除去残余的酸（刻蚀液）在进行最终的冲洗和甩干。此工 艺只能 用于特征尺寸大于３μｍ的产品，小于３μｍ的产品由于控制和精度的需要一般使 用干 法刻蚀了。 刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅动设备来提高，常用的 是带有超声波 的刻蚀槽。 刻蚀液的选择要求具有良好的选择性，即在刻蚀时要有均 匀去掉晶圆表层而又不 伤及下一层的材料。 刻蚀时间是一个重要的工艺参数，最短 时间是保证彻底、干净的均匀刻蚀；而最 长时间受限于光刻胶在晶圆表面的粘结时间 。 刻蚀工艺中容易出现的问题：过刻蚀、内切、选择性和侧边的 各向异性／各向同 性刻蚀。 不完全刻蚀 是指表面层刻蚀不 彻底，如图所示。 产生的原因：太短的刻 蚀时间；薄厚 不均匀的待刻蚀层；过低的刻蚀温度。 过刻蚀和底切 与不完全刻蚀相反，不过通常是有意识的过刻蚀， 因为恰到好处是很难做到的 。理想的刻蚀应该是形成垂 直的侧边，产生这种理想结果的刻蚀技术叫做各向异性 刻蚀。然而，刻蚀总是在各个方向同时进行的，这样就 避免不了在侧面形成一个斜面 ，这种现象称为底切。刻 蚀的目标是把这种底切控制在一个可以接受的范围内。 由 于这种底切的存在，在电路设计时必须考虑（即各器 件之间留有余量以防止电路短路 ）。彻底解决底切的方 法是采用等离子体刻蚀。 正常 过刻蚀 过刻蚀和光刻胶翘起 干法刻蚀 干法 干法刻蚀 对于小尺寸湿法刻蚀的局限 性前面已经提到，主要包括：局 限于３μｍ以上的图 形尺寸；各向同 性刻蚀导致边侧形成斜坡；要求 冲洗和干燥步骤；潜在地污染； 光 刻胶粘结力失效导致底切。 基于这些原因，干法刻蚀主 要用于先进电路的小尺寸精 细刻 蚀中。 干法刻蚀是指以气体为主要 媒体的刻蚀技术，晶圆不需要液 体化学品 或冲洗，刻蚀过程在干 燥的状态进出系统。 刻蚀 湿法 沉浸 喷射 等离 子体 干法 离子 轰击 反 应离子 刻 蚀（ Ｒ．Ｉ ．Ｅ ） 桶形 平面 干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点： 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖 面控制； 好的ＣＤ控制； 最小的光刻胶脱落或黏附问题； 好的片内、片间、批次间的