第八章 刻蚀
第8章-干刻工艺
第八章干刻工艺8.1 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忠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。
第五章中已经对湿式刻蚀进行了较详细的介绍。
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。
图8.1 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LCD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LCD 前段制程。
在本章节中，将针对干刻蚀技术加以说明。
8.2 Dry Etch 的分类及工艺的基本原理8.2.1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。
如图8.2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。
半导体工艺教案第八章
第九章掺杂【教学内容及教学过程】8.1引言8.1.1刻蚀的概念刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图8⁃1所示。
图8-1刻蚀图形转移示意图1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。
2)干法刻蚀是利用辉光(Glow Discharge)的方法产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。
8.1.2刻蚀的要求1.图形转换的保真度高2.选择比3.均匀性4.刻蚀的清洁8.2刻蚀工艺8.2.1湿法刻蚀最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。
这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。
湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。
由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。
刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。
1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应生成物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。
2)湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。
3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。
1)反应物扩散到被刻蚀材料的表面。
2)反应物与被刻蚀材料反应。
3)反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排除。
8.2.2干法刻蚀干法刻蚀是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。
在干法刻蚀过程中，不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。
1)物理刻蚀是利用辉光放电将气体(比如氩气)解离成带正电的离子，再利用偏压将带正电的离子加速，轰击在被刻蚀薄膜的表面，从而将被刻蚀物质的原子轰击出去。
2)化学刻蚀又叫做等离子刻蚀，它与物理刻蚀完全不同，它是利用等离子体，将反应气体解离，然后借助离子与薄膜之间的化学反应，把裸露在等离子体中的薄膜，反应生成挥发性的物质而被真空系统抽离。
第八章 刻蚀
刻蚀分类
1. 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。 反应机理是一个纯粹的化学反应过程。 反应机理是一个纯粹的化学反应过程。 2. 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态”情 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态” 况下， 况下，与被腐蚀的样品表面接触来实现腐 主要包括：高压等离子刻蚀、离子铣、 蚀。主要包括：高压等离子刻蚀、离子铣、 反应离子刻蚀。反应机理既包括物理过程， 反应离子刻蚀。反应机理既包括物理过程， 又包括化学反应过程。 又包括化学反应过程。
在射频功率激发下， 激发成： 在射频功率激发下，CF4激发成： CF3，CF2，C，F ， 其中活性最大的是F，F与硅片表面的硅原子 其中活性最大的是 ， 与硅片表面的硅原子 成键，形成挥发性的SiF 逃逸。 成键，形成挥发性的 2和SiF4逃逸。 为了增大F的浓度，可在CF 为了增大 的浓度，可在 4气体中加入 的浓度 适量的O 原子反应， 适量的 2与C原子反应，从而解放出一部分 。 原子反应 从而解放出一部分F。
影响CMP工艺的因素 工艺的因素 影响
1. 抛光板之间的压力。抛光速率随压力线性 抛光板之间的压力。 增加； 增加； 2. 抛光板之间的相对转速。 抛光板之间的相对转速。 3. 浆液成分。 浆液成分。 4. 被研磨物质的材质。 被研磨物质的材质。
8.2 干法刻蚀
1. 高压等离子刻蚀（化学反应过程） 高压等离子刻蚀（化学反应过程） 2. 离子铣（物理过程） 离子铣（物理过程） 3. 反应离子刻蚀（物理＋化学过程） 反应离子刻蚀（物理＋化学过程）
一般来说， 一般来说，湿法刻蚀的特征尺寸不小于 3微米 微米
常见材料的湿法刻蚀： 常见材料的湿法刻蚀： SiO2, Si3N4, Si, GaAs, Al
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺
任意粒子曝光的最高的分辨率
关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即 德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为
其动量p 粒子束的波长
E 1 mV 2 2
phmV 2mE
由此，用粒子束可得到的 最 细线h 条为
、对比度
为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然 后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行 计算就可以得到对比度。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。
Y2 Y1
X2 X1 光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。
根据对比度定义， Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。
正胶的对比度
p
1 log10 (Dc
Do )
Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
光刻胶的侧墙倾斜
在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该 等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能 量。
显影方式与检测
目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。 可分为三个阶段： ①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液； ②然后硅片将在静止的状态下进行显影； ③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的 尺寸是否满足要求。
8.3、光刻胶的基本属性
光学光刻胶通常包含有三种成份： ①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性 ②感光材料：感光剂 ③溶剂：使光刻胶保持为液态
第八章 (2)刻蚀
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
等离子体刻蚀设备
(a)筒式(Barrel Etchers)
• 纯化学反应 • 多孔屏蔽罩 使等离子体区域在罩和器壁 之间发生，靠 长寿命活性基扩散进入内层 与样品进行反应 • 优点：产量大，选择性好，没有辐照损伤 • 缺点：各向同性腐蚀，只适用于5um以上工艺，工艺参 数难控制，均匀性，重复性差 • 常用于光刻胶去胶和对Si3N4钝化层开窗口 第八章 刻蚀 集成电路工艺原理
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
§8.2 湿法腐蚀
优点: 高选择性
缺点:
异性度差 工艺控制困难 有颗粒物
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
举例1 : SiO2的湿法腐蚀
通常腐蚀SiO2在HF中加入NH4F, 称为“Buffered HF”
举例2 : Si 的湿法腐蚀
各向同性
常采用称为“HNA”,即HF, HNO3, (CH3COOH) 的混合物
集成电路工艺原理
ULSI对腐蚀的要求
得到满意的剖面(desired profile) 最小的过腐蚀(undercut)
或偏差 (bias)
选择性好（Selectivity)
均匀性好，可重复性好 (Uniform and reproducible) 对表面和电路损伤最小(Minimal damage to surface
R high R low R high R low
Rhigh: 最大刻蚀速率; Rlow: 最小刻蚀速率
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
刻蚀的方向性(directionality)
刻蚀的方向性(etch directionality)
各项同性腐蚀 (Isotropic etch) 各项异性腐蚀 (Anisotropic etch)
Chap08 刻蚀
1. 蚀刻轮廓系为一具可对侧壁轮廓优良控制的异 向性。
2. 临界尺寸 CD 的良好控制。 3. 较少的光刻胶剥离或附着性问题。 4. 从晶圆到晶圆以及从批次到批次，晶圆区内均
具良好的均一性。 5. 较低的化学使用及后处理成本。
2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿
• 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)： 通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作 用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点， 同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已 成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术
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用于干法刻蚀的等离子体内的电子浓度比较低，一般为 10cm-3至1012cm-3数量级，在1Torr压强下，气体分子浓度比 电子浓度大104至I07倍，气体的平均温度在50-100℃记之 间，因此，等离子辅助干法刻蚀是一种低温工艺过程。
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2.2刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制
WCE包括三种主要步骤： 1、反应物通过扩散方式到达反应表面； 2、化学反应在表面发生； 3、反应生成物通过扩散离开表面。
搅动、腐蚀液的温度都会影响腐蚀速率。IC工艺中，大多数WCE是将晶 片浸入化学溶液中，或是喷射腐蚀液在晶片表面。
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腐蚀速率均匀度可用腐蚀速率的百分比均匀度来表示： 腐蚀速率均匀度（%）＝最 最大 大腐 腐蚀 蚀速 速率 率-+最最小 小腐 腐蚀 蚀速 速率 率 ×100%
干法刻蚀：各向异性刻蚀
各向异性刻蚀⎯⎯仅在某一方向进行刻蚀
基板
第八章光刻与刻蚀工艺模板
第八章光刻与刻蚀工艺模板光刻与刻蚀工艺是现代集成电路制造中的重要工艺环节之一、光刻技术用于在硅片上制作电路图形，而刻蚀技术则用于去除不需要的材料，以形成所需的电路结构。
本章将介绍光刻与刻蚀工艺的基本原理及常见的工艺模板。
一、光刻工艺模板在光刻工艺中，需要使用光刻胶作为图形保护层，以及光罩作为图形的模板。
光刻模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板是一种常见的光刻工艺模板，它的制作过程相对简单。
首先，将一块纯净的硅片进行氧化处理，形成硅的氧化层。
然后，在氧化层上通过光刻技术制作所需的图形。
最后，使用化学刻蚀方法去除不需要的硅的氧化层，就可以得到所需的硅片模板。
硅片模板具有较好的精度和可靠性，能够满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板是利用光刻胶作为模板材料的一种工艺模板。
光刻胶是一种感光性的聚合物材料，可以在光照的作用下发生化学反应。
在光刻工艺中，首先将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
接下来，使用化学方法或溶剂去除不需要的光刻胶，就可以得到所需的光刻胶模板。
光刻胶模板制作过程简单，成本较低。
同时，光刻胶模板的精度较高，可以满足微纳加工的要求。
然而，光刻胶模板的使用寿命较短，通常只能使用几次。
在刻蚀工艺中，需要使用刻蚀胶作为图形保护层，以及刻蚀模板作为图形的模板。
刻蚀模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，在硅片上通过光刻技术制作所需的图形，然后使用化学刻蚀方法去除不需要的硅材料，就可以得到所需的刻蚀模板。
硅片模板具有较高的精度和可靠性，可以满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1 光刻工艺流程
2.涂胶Spin Coating ①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
8.6.6 投影式曝光
利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。
8.6.6 投影式曝光
优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。 缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。 用于3μm以下光刻。
分步重复投影光刻机--Stepper
采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。 光刻版： 4X~5X； 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步对准聚焦技术。
h 2 2m E
a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子 b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑
8.3 光刻胶的 基本属性
1）光刻胶类型：正胶和负胶 ①正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解； ②负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。
正胶（重氮萘醌）的光分解机理
负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理
8.1 光刻工艺流程
③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 →图形边缘破坏。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 掩膜版尺寸：①接触式和接近式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）： 4∶1；5∶1；10∶1
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3. 刻蚀速率的各向异性：刻蚀速率随方向的不同而变化。 4. 选择比：不同材料刻蚀速率的比率。 5. 刻蚀损伤：刻蚀对衬底带来结构缺陷。 6. 工艺安全性：刻蚀过程所涉及到的工艺安全问题。
刻蚀分类
1. 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。反 应机理是一个纯粹的化学反应过程。
2. 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态”情况下， 与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀。主要包 括：等离子刻蚀、离子铣、反应离子刻蚀。反 应机理既包括物理过程，又包括化学反应过程。
8.1 湿法刻蚀
1. 缺点：各向异性差（特别是对金属和氧化物），易受到 污染。
2. 优点：高选择比，损伤少，设备简单，产量高。
其中活性最大的是F，F与硅片表面的硅原子 成键，形成挥发性的SiF2和SiF4逃逸。
为了增大F的浓度，可在CF4气体中加入 适量的O2与C原子反应，从而解放出一部分F。
离子铣
刻蚀机理：与离子溅射 相同，离子高速轰击晶 片表面，晶片表面原子 被发射出来并被抽离真 空室。
优点：1、各向异性好；2、能刻蚀很多种材料。 缺点：1、选择性差；2、产量低。
2 Al 6H3PO4 2 Al(H2PO4 )3 3H2
硅（Si）的腐蚀溶液有好几种，其一是采用 强氧化剂对硅氧化，然后用HF腐蚀掉SiO2； 其二是采用KOH溶液。反应分别如下：
Si HNO3 6HF H2SiF6 HNO2 H2 H2O Si KOH H2O KSiO3 2H2
腐蚀剂：HF溶液。 3. 对于钨CMP工艺，研磨料：氧化铝颗粒；腐蚀
剂：酸性溶液。
影响CMP工艺的因素
1. 抛光板之间的压力。抛光速率随压力线性 增加；
2. 抛光板之间的相对转速。 3. 浆液成分。 4. 被研磨物质的材质。
8.2 干法刻蚀
1. 等离子刻蚀（化学反应过程） 2. 离子铣（物理过程） 3. 反应离子刻蚀（物理＋化学过程）
统抽出腔体。
典型的等离子刻蚀用气体
Si Si3N4 SiO2
Al GaAs
氟化物或氯化物，如CF4/O2， CF2Cl2 氟化物，如CF4/H2/O2
氟化物，如CF4/H2
氯化物，如BCl3/Cl2
氯化物，如BCl3/Ar
举例：用CF4刻蚀Si（光刻胶遮蔽）
在射频功率激发下，CF4激发成： CF3，CF2，C，F
2. CMP工艺包括机械研磨和化学腐蚀两部分。 3. CMP工艺可以对不同表面进行抛光，如Si，
金属等。区别主要在于不同的研磨浆液。
化学机械抛光（CMP）示意图
浆液组成
• 浆液包括研磨料悬浮液和腐蚀剂。 1. 对于硅CMP工艺，研磨料：硅土颗粒，腐蚀剂：
NaOH溶液。 2. 对于SiO2表面CMP工艺，研磨料：SiO2颗粒，
3. 利用湿法腐蚀对缺陷进行染色。
硅片中，（111）面方向的键密度最大，所以腐蚀 速率最慢。硅的定向腐蚀液为：KOH、异丙醇和水 的混合液（23.4:13.5:63），在（100）方向腐蚀速 率是（111）方向的100倍。
化学机械抛光（CMP）
1. CMP工艺用来产生一个平坦而又缺陷少的表 面。
砷化镓（GaAs）的腐蚀液通常为：
H2SO4－H2O2－H2O Br2－CH3OH NaOH－H2O2
NH4OH－H2O2－H2O
湿法腐蚀中的定向腐蚀
1. 利用不同晶面的原子键密度不一样，导致腐蚀 速率也不一样。
2. 利用掺杂浓度不一样，导致腐蚀速率不一样。 一个常用的掺杂选择腐蚀液配方是： HF/HNO3/CH3COOH（1:3:8）。它对于重掺杂 硅的腐蚀速率是轻掺杂腐蚀速率的15倍。
反应离子刻蚀
既有离子的轰击，又有活性基团的腐蚀，因此刻蚀 速率很快，各向异性好，选择性较高。
习题
1. 干法蚀中的工艺分类及其特点。 2. 湿法刻蚀中，刻蚀Si，SiO2，Si3N4的腐
蚀液分别是什么？
主要步骤： 1. 刻蚀剂移动到晶片表面； 2. 与暴露的表面发生化学反应生成可溶解的产物； 3. 从晶片表面移去反应生成物。
一般来说，湿法刻蚀的特征尺寸不小于3微米
常见材料的湿法刻蚀： SiO2, Si3N4, Si, GaAs, Al
氧化硅（SiO2）的腐蚀溶液一般是HF溶液。为了保 持溶液中HF浓度的稳定性，通常加入NH4F进行缓 冲。反应如下：
SiO2 6HF H2 SiF6 2H2O
氮 化 硅 （ Si3N4 ） 的 腐 蚀 溶 液 是 磷 酸 （ H3PO4 ） ， 但 由 于 光 刻 胶 不 耐 磷 酸 腐 蚀 ， 所以通常用SiO2作为Si3N4的掩蔽膜，反应如 下：
铝（Al）的腐蚀溶液是磷酸（H3PO4），由 于腐蚀的过程中会有气体生成，并影响腐蚀 的均匀性，通常在腐蚀液中加入少量的醋酸 和乙醇，反应如下：
➢ 优点：工艺易控制；各向异性高；污染少。 ➢ 缺点：产量较低；选择性较低。
等离子刻蚀
等离子刻蚀的步骤
1. 反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形 成大量的活性基团(自由基)；
2. 活性基团穿过附面层吸附在晶片表面； 3. 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应
并形成挥发性的反应生成物； 4. 反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系
微电子工艺学
第八章 刻 蚀（Etching）
刻 蚀：是通过腐蚀的办法，把掩膜版
上的图形转移到衬底表面。腐蚀的方法 分为干法腐蚀和湿法腐蚀。
示例：n沟道MOS管制程
栅掩膜版对准
曝光
显影
腐蚀多晶硅
腐蚀多晶硅
去除光刻胶
离子注入（掺杂）
热处理后，得到n沟道MOS管
刻蚀的品质因素
1. 刻蚀速率：单位时间刻蚀的厚度，通常的刻蚀速率为每分钟 几百至几千埃。