半导体刻蚀PE、RIE、ICP示意图
第09章-刻蚀工艺
微观负载效应
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢 – 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
微观负载效应刻蚀轮廓
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过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
15
CF4, CHF3 CF4, CHF3 SF6
4835 6156 2535 7037
半导体制造技术导论（第二版）
第九章
刻蚀工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介
• 刻蚀工艺基础
• 湿法刻蚀工艺 • 干法刻蚀工艺 • 等离子体刻蚀工艺
• 刻蚀工艺制程趋势
• 刻蚀工艺发展趋势
2
简
介
先进的集成电路工艺流程
先进的集成电路工艺流程
4
刻蚀工艺简介
• 刻蚀工艺
– 移除晶圆表面材料 – 图形化刻蚀：去除指定区域的材料，将图形转移到衬底薄膜上 – 整面全区刻蚀：去除整个表面薄膜达到所需工艺要求
34
离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
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刻蚀工艺的比较
纯化学刻蚀 应用 刻蚀速率 湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀 可以从高到低
反应式离子刻蚀 等离子体图形化刻蚀 高，可控
纯物理刻蚀 氩轰击 低
选择性
刻蚀轮廓 工艺终点
非常好
等向性 计时或目测
可以接受，可控
������ =
������1 − ������
2
+ ������2 − ������
ICP刻蚀原理：气体、功率的选择--ICP操作流程
一、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原理 3二、刻蚀的基本要求9 （负载效应、图形的保真度、均匀性、表面形貌、刻蚀的清洁）三、等离子体刻蚀的基本过程11 （物理溅射刻蚀、纯化学刻蚀、离子增强刻蚀、侧壁抑制刻蚀）四、影响刻蚀效果的因素14 掩膜的影响、工艺参数的影响（ICP Power源功率、RF Power偏压功率、工作气压气体成分和流量、温度）五、附加气体的影响16六、多种条件刻蚀技术18 高速率刻蚀、高选择比刻蚀、特定剖面刻蚀一、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原理包括两套通过自动匹配网络控制的13.56MHz射频电源一套连接缠绕在腔室外的螺线圈，使线圈产生感应耦合的电场，在电场作用下，刻蚀气体辉光放电产生高密度等离子体。
功率的大小直接影响等离子体的电离率，从而影响等离子体的密度。
第二套射频电源连接在腔室内下方的电极上，此电极为直径205mm的圆形平台，机械手送来的石英盘和样品放在此台上进行刻蚀。
激光干涉仪端口ICP功率源水冷却的射频线圈静电屏蔽晶片夹/氦气冷却机制平板功率源实验中刻蚀三五族材料使用的是英国Oxford仪器（Oxford instruments plasma technology）公司的plasma180系统中的plasmalab system100型ICP。
可以刻蚀GaN、AlGaN、GaAs、InP、InGaAs、InGaP/AlGaInP 、InGaAs/InGaAsP等多种化合物材料。
苏州纳米所材料ICP功率：0-3000wRF功率：0-1000w压力范围：1-100mT加工范围：6寸工艺气体：Cl2,BCl3,HBr,CH4,He,O2,H2,N2氦气冷却由氦气良好的热传导性，能将芯片上的温度均匀化1torr=1.333mbarGaN刻蚀ProfileICP操作流程装片1.在Pump界面点击左边Pump图标下Stop，切换至Vent，120s后打开Loadlock2.涂抹真空油脂：根据片子尺寸大小，在托盘上涂抹均匀一层油脂3.放片：放片的时候要用镊子轻轻夹住样片，将样片一边贴在油脂上，慢慢地放下另一边，用镊子按住样片一端，在油脂上稍稍一动样片，以便赶走样片与油脂之间的气泡，使得样片与油脂紧密粘在一起。
干法刻蚀PPT课件
PE mode（Plasma Etching mode等离子刻 蚀模式 ）
• 化学性蚀刻 • 射频电源接在上电极,基板位于
下电极上
• 在蚀刻中利用自由基与基板的 的化学反应进行蚀刻，是等向 性蚀刻
• 低蚀刻速率 • 低均一性 • 对面板造成的损害很少
RF(13.56MHz) F* F* plasma F*
A＊→ A + hν
激发
松弛
hν 电子
二、干蚀刻的原理
干蚀刻的方式
干蚀刻中起作用的主要是自由基和正离子。自由基化学性质很活泼，很容 易和膜表面分子发生反应，可达到膜层去除的作用。反应生成物作为废气 被排出。
带正电的离子在电场的作用下几乎垂直撞向基板，轰击膜层表面的分子键 合，促进自由基的化学反应，并使表面产生的反应物脱落。
PE mode
三、干蚀刻的模式
RIE mode (Reactive Ion Etching mode反应离子 刻蚀模式 )
• 物理性蚀刻+化学性蚀刻 • RF接到放置基板的下电极 • 带正电的粒子在电场的作用
下加速，垂直对基板进行粒 子轰击，促进自由基的化学 反应
• 非等向性蚀刻
SF5+ F* plasm制程气体
射频电源
电浆
光阻
光阻
光阻
非金属薄膜
基板
反应气体在高频电场作用下产生电浆（Plasma）。 电浆与基板发生作用将没有被光刻胶掩蔽的非金属薄膜蚀刻掉。
三、干蚀刻的模式
干蚀刻模式
PE mode
RIE mode
ICP mode
ECCP mode
三、干蚀刻的模式
显影(Developer)
一、干蚀刻的定义
CMOS工艺流程版图剖面
P sub. 〈100〉
形成N阱
– 初始氧化，形成缓冲层，淀积氮化硅层
– 光刻1，定义出N阱
– 反应离子刻蚀氮化硅层 – N阱离子注入，先注磷31P+ ，后注砷75As+
41
N阱 P sub. 〈100〉
形成P阱
– 在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层 保护而不会被氧化 – 去掉光刻胶及氮化硅层 – P阱离子注入，注硼
70
71
2. 典型P阱CMOS工艺的剖面图
硅栅 漏 薄氧化层
源
金属 低氧
场氧化层 （FOX）
n-衬底
p-阱
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CMOS process
p+
p+
p-
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Process (Inverter)p-sub
In
GND
S G D
VDD
D G S
图例
Legend of each layer
N-well P-diffusion N-diffusion
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形成第一层金属
– 淀积金属钨(W)，形成钨塞
50
形成第一层金属
– 淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 – 光刻9，第一层金属版，定义出连线图形 – 反应离子刻蚀金属层，形成互连图形
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正硅酸乙脂（TEOS）分解 650～750℃
形成穿通接触孔 – 化学气相淀积PETEOS, 等离子增强正硅酸四乙酯热分解 Plasma Enhanced TEOS ：tetraethylorthosilicate [Si(OC2H5)4] -- 通过化学机械抛光进行平坦化 – 光刻穿通接触孔版 – 反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔 形成第二层金属 – 淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 52 – 光刻10，第二层金属版，定义出连线图形
08工艺-刻蚀
Si
氮化硅和垫层氧化剥离
(c)
(e)
RCA 清洗
• 1960年， 年 Kern and Puotinen 在RCA开发 • IC fabs中最常用的清洗工艺 • SC-1溶液：NH4OH:H2O2:H2O按1:1:5到1:2:7 的比例配制并且温度在7 70 - 80 °C，用于去除 颗粒沾污. • SC-2 SC 2 溶液： 溶液 HCl:H2O2:H2O 按 1:1:6 到 1:2:8 比 例配制并且温度在 70-80 ° C ，用于去除无机 沾污。 沾污 • 去离子水冲洗 • HF 浸洗或 HF 蒸汽腐蚀去除自然氧化层
– – – – 硅片的清洗 无图形的薄膜去除 如氮化硅和钛的去除 无图形的薄膜去除，如氮化硅和钛的去除。 测试硅片的薄膜去除和清洗。 应用于 CVD膜质量的控制 (缓冲氧化层刻蚀 剂或BOE)
旋转甩干
SiO2的湿法刻蚀
• 氢氟酸溶液 (HF)，极高的选择比。 • 通常用缓冲剂或去离子水稀释减少刻 蚀速率
垫层氧化 氮化硅 P-型衬底 垫层氧化,氮化硅淀积和图案形成
Si Si 生长SiO2/SiN 刻蚀 SiN/SiO2/Si
氮化硅 p+ P-型衬底
SiO2 p+
+ p 隔离掺杂
(a)
氧化 + CVD USG
(b)
去掉 SiN/SiO2 USG
LOCOS 局部氧化 SiO2 p+ P-型衬底 p+ 鸟嘴
硅化物退火
湿法去除钛
湿法刻蚀优缺点
• 高选择比 • 相对便宜的设备 • 批处理，高产出 批处理 高产出 • • • • 各向同性的形貌 不能形成3微米以下的图形 化学剂用量大 化学剂的危害性
半导体刻蚀工艺简介PPT
除了Cl和F的气体外，溴化氢(HBr)也是一种常用的气 体，因为在小于0.5µm的制程中，栅极氧化层的厚度将小 于10 nm，用HBr等离子体时多晶硅/ SiO2的刻蚀选择比 高于以Cl为主的等离子体。
在本作业中，将介绍现今较为常用的刻蚀设备。
1.反应离子刻蚀机
反应离子刻蚀机系统中包含了一个高真空的反应腔， 腔内有两个呈平行板状的电极，一个电极与腔壁接地，另 一个电极则接在射频产生器上，如图7-2(a)所示。这种刻 蚀系统对离子有加速作用，使离子以一定的速度撞击待刻 薄膜，因此刻蚀过程是物理与化学反应的共同进行。
刻蚀分三步进行：
①刻蚀剂扩散至待刻材料的表面；
②刻蚀剂与待刻材料反应；
③反应产物离开刻蚀表面扩散至溶液当中，随溶液排出。 缺点：湿法刻蚀多是各向同性的，在将图形转移到硅片上 时，刻蚀后会向横向发展，这会造成图形失真，不适合得 到3µm以下的线宽。
要控制湿法刻蚀的速率，通常可通过改变溶液浓度和 反应温度等方法实现。溶液浓度增加会加快湿法刻蚀时反 应物到达及离开被刻蚀薄膜表面的速率，反应温度可以控 制化学反应速率的大小。选择一个湿法刻蚀的工艺，除了 刻蚀溶液的选择外，也应注意掩膜是否适用。
化学性刻蚀
又称等离子体刻蚀，是利用等离子体将刻蚀气体电离 并形成带电离子、分子及反应性很强的原子团，它们扩散 到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具 有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种 反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。
Dry Etch 工艺基本原理及良率剖析(经典讲解)
【面板制程刻蚀篇】史上最全Dry Etch 分类、工艺Dry Etch工序的目的广义而言，所谓的刻蚀技术，是将显影后所产生的光阻图案真实地转印到光阻下的材质上，形成由光刻技术定义的图形。
它包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除，可分为湿式刻蚀(wet etching)和干式刻蚀(dry etching)两种技术。
湿式刻蚀具有待刻蚀材料与光阻及下层材质良好的刻蚀选择比（selectivity）。
然而，由于化学反应没有方向性，因而湿式刻蚀是各向同性刻蚀。
当刻蚀溶液做纵向刻蚀时，侧向的刻蚀将同时发生，进而造成底切（Undercut）现象，导致图案线宽失真，如下图所示。
底切现象自1970年以来，元件制造首先开始采用电浆刻蚀技术（也叫等离子体刻蚀技术），人们对于电浆化学性的了解与认识也就越来越深。
在现今的半导体集成电路或面板制造过程中，要求精确地控制各种材料尺寸至次微米大小，而且还必须具有极高的再现性，电浆刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地将此工作在高良率下完成的技术，因此电浆刻蚀便成为半导体制造以及TFT LCD Array制造中的主要技术之一。
干式刻蚀通常指利用辉光放电（glow discharge）方式，产生包含离子、电子等带电粒子以及具有高度化学活性的中性原子、分子及自由基的电浆，来进行图案转印（pattern transfer）的刻蚀技术。
干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法，广泛应用于半导体或面板前段制程。
Dry Etch 的分类及工艺的基本原理蚀刻技术中的术语1.各向同性与各向异性蚀刻( Isotropic and Anisotropic Etching)不同的蚀刻机制将对蚀刻后的轮廓(Profile)产生直接的影响。
如下图所示，纯粹的化学蚀刻通常没有方向选择性，上下左右刻蚀速度相同，蚀刻后将形成圆弧的轮廓，并在遮罩(Mask)下形成底切(Undercut)，这种刻蚀被称为各向同性蚀刻。
半导体刻蚀工艺技术——ICP.
半导体刻蚀工艺技术——ICP摘要：ICP技术是微纳加工中的常用技术之一，本文简单介绍了ICP刻蚀技术(inductively coupled plasma)的基本原理和刻蚀设备的结构，对ICP工艺所涉及的化学、物理过程做了简要分析。
阐述了ICP刻蚀参数对刻蚀结果的影响以及干法刻蚀的生成物。
由于ICP技术在加工过程中可控性高，具有越来越重要的地位。
以在硅基MEMS器件的ICP刻蚀为例，详细的介绍了在硅基MEMS制作过程中ICP刻蚀的反应过程，说明了在ICP刻蚀过程中如何实现控制加工深度和角度。
据近年来国内外ICP技术的发展现状和发展趋势,对其在光电子器件、半导体氧化物、Ⅲ一V族化合物等方面的应用作了一些简要介绍。
关键词：ICP、刻蚀、参数、模型、等离子体Process technology of semiconductor etching——ICPLIU Zhi Wei（Xi'an Electronic and Science University, School of Microelectronics.1411122908）Abstract：ICP technology is one of the commonly used in micro nano processing technology，This paper simply introduces ICP etching technology (inductively coupled plasma) structure and the basic principles of etching equipment,To do a brief analysis on the ICP process involved in chemical, physical process.Describes the effects of ICP etching parameters on the etching results and the resultant dry etching. Because the ICP technology in the process of processing high controllability, plays a more and more important role. Using ICP etching in silicon MEMS device as an example, describes in detail in the reaction process of silicon based MEMS in the production process of ICP etching, explains how to realize the control of machining depth and angle in the ICP etching process. According to the development status and development trend at home and abroad in recent years of ICP technology, its application in optoelectronic devices and semiconductor oxide, III a group V compound as well as some brief introduction.Key words：ICP、etching, parameter, model, plasma1引言刻蚀是微细加工技术的一个重要组成部分,微电子学的快速发展推动其不断向前。