光刻及刻蚀工艺

1、微电子工艺学Microelectronic Processing第六章 光刻与刻蚀工艺张道礼张道礼 教授教授Email: Email: zhang-zhang-Voice: 87542894Voice: 87542894图形转移光 刻刻 蚀薄膜制备掺 杂 扩散掺杂离子注入掺杂物理气相淀积化学气相淀积外 延微电子单项工艺6.1 6.1 概述概述 基本工艺步骤：平面工艺技术已广泛应用于现今的集成电路(IC)工艺。显示平面工艺的几个主要步骤包含氧化(oxidation)、光刻(1ithography)、离子注入(ion implant)和金属化(metallization)。6.1 6.1 概述概述

2、氧化：氧化：高品质SiO2的成功开发，是推动硅(Si)集成电路成为商用产品主流的一大动力。一般说来， SiO2可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在p-n结的制造过程中， SiO2薄膜可用来定义结的区域。图 (a)显示一无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤。在氧化步骤结束后，一层SiO2就会均匀地形成在晶片表面。为简化讨论，图 (b)只显示被氧化晶片的上表层。6.1 6.1 概述概述光刻光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。在形成SiO2之后。利用高速旋转机，将晶片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机拿下

3、之后图 (c)，在80C100C之间烘烤。以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。如图 (d)所示，下一个步骤使用UV光源，通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的型态进行化学反应。而被暴露在光线中的光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中不易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂(developer)后仍然存在，而未被曝光区域(在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。6.1 6.1 概述概述图 (a)为显影后的晶片。晶片再次于120180 之间烘烤20min，以加强对衬底的附着力和即将进行的刻蚀步骤的抗蚀能力。然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀

4、液来移除没有被光刻胶保护的一。氧化硅表面，如图4(b)所示。最后，使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。图 (c)显示光刻步骤之后，没有氧化层区域(一个窗户)的最终结果。晶片此时已经完成准备工作，可接着用扩散或离子注入步骤形成p-n结。6.1 6.1 概述概述在扩散扩散方法中，没有被SiO2保护的半导体表面暴露在相反型态的高浓度杂质中。杂质利用固态扩散的方式，进入半导体晶格。在离子注入时，将欲掺杂的杂质离子加速到一高能级，然后注入半导体内。 SiO2可作为阻挡杂质扩散或离子注入的阻挡层。在扩散或离子注入步骤之后，p-n结已经形成，如图(d)所示。由于被注入的离子横向扩散

5、或横向散开(lateral straggle，又译横向游走)的关系，P型区域会比所开的窗户稍微宽些。6.1 6.1 概述概述在扩散或离子注入步骤之后，欧姆接触和连线在接着的金属化金属化步骤完成图 (e)。金属薄膜可以用物理气相淀积和化学气相淀积来形成。光刻步骤再度用来定义正面接触点，如图 (f)所示。一相似的金属化步骤可用来定义背面接触点，而不用光刻工艺。一般而言，低温(500。C)的退火步骤用来促进金属层和半导体之间的低电阻接触点。随着金属化的完成，p-n结已经可以工作了。6.1 6.1 概述概述 图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础，其作用是使器件和电路的设计

6、从图纸或工作站转移到基片上得以实现，我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻和刻蚀两个步骤。 光刻 (lithography，又译图形曝光 )：使用带有某一层设计几何图形的掩模版(mask)，通过光化学反应，经过曝光和显影，使光敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，resist，简称光刻胶)的一种工艺步骤。 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所形成的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形

7、的印模。 6.1 6.1 概述概述 在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(0.20.4m)的光学仪器。 刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。 这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。6.1 6.1 概述概述光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今，电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技术的进步。非光学曝光光学曝光 遮蔽式曝光投影式曝

8、光曝光方式电子束曝光X 射线曝光超紫外光曝光离子束曝光8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺光刻工艺的重要性源于两个方面： a. 微电子制造需进行多次光刻，耗费总成本的30。因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的工艺； b. 随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。 在目前基础上进一步缩小光刻图形尺寸会遇到一系列技术上甚至理论上的难题，因此大批科学家和工程师正在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。 8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺以ULSI为例，对光刻技术的基本要求包括几个方面：a. 高分辨

9、率：以线宽作为光刻水平的标志；b. 高灵敏度光刻胶：为提高产量，希望曝光时间尽量短；c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重；d. 精密的套刻对准：一般器件结构允许套刻误差为线宽的10；e. 对大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻难度更大。层次索引接触孔（14层）第一层金属（15层）有源区（3层）栅（10层）1m 1m1.2m1.2m0.8 - 1.5m8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺光刻胶 光刻胶（photoresist，又称光致抗蚀剂）是一类对辐照敏感的、由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物，这类化合物中均含有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂（PAC: pho

10、toactive compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶与负性光刻胶。 在一定外界条件（如曝光）的作用下，光刻胶的分子结构由于光化学反应而发生变化，进而引起其化学、物理或机械性质发生相应变化，例如在显影液中的溶解度发生变化，由可溶性变为不可溶性或者相反。这样，光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶解速度就出现差异。在微电子工艺中，就是利用光刻胶的这一特性来进行光刻的。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺正胶和负胶图形转移 光刻胶通常可分为正性胶和负性胶两类，两者经曝光和显影后得到的图形正好相反。显影时，正胶的感光区较易溶解而未感光区不溶解，所形成的光刻胶图形是掩模版图形的正映象。负胶

11、的情况正相反，显影时感光区较难溶解而未感光区溶解，形成的光刻胶图形是掩模版图形的负映象。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺光学光刻使用的正胶通常含有三种主要成分：酚醛树脂、感光剂和有机溶剂。曝光前的光刻胶基本上不溶于显影液。曝光时，感光剂 如 g 线（436 nm）和 i 线（365 nm）光刻时正胶中的重氮醌（DNQ），因吸收光能而导致化学结构发生变化，在显影液中的溶解度比曝光前高出很多（约100倍）。显影后，感光部分光刻胶被溶解去除。正胶 断链交联负胶8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺邻近效应邻近效应在光学图形曝光中，分辨率的好坏是由衍射来决定的。在电子束图形曝光中。分辨率并非由衍射光决定(因

12、为具有数个千电子伏或是更高的能量的电子，其对应的波长比0.1nm更短)而是由电子散射决定。当电子穿过光刻胶与下层的基材时，这些电子将经历碰撞而造成能量损失与路径的改变因此这些入射电子在行进中会散开，直到它们的能量完全损失或是因背散射而离开为止。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺图(a)为用计算机计算的初始能量为20keV的100个电子轨迹，射入厚硅衬底上一个厚度为0.4m的PMMA薄膜层。此电子束沿z轴方向入射，所有的电子轨迹都投影在xz平面上。此图定性显示电子分布在一个椭圆形的梨状区域内。而其直径大小与电子的穿透深度约为同一数量级(约3.5m)。另外，许多电子也

13、因经历背散射碰撞而从硅衬底反向行进进入PMMA光刻胶再离开。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺图(b)显示在光刻胶与衬底界面中，正散射与背散射电子的归一化分布。由于背散射的关系，这些散射电子可以有效地辐照到距曝光束中心点几微米的区域。将这些环绕区域光照的剂量加起来，可知当电子束曝光某一个区域，将会影响到附近区的曝光，此现象称为邻近效应邻近效应。邻近效应的限制会发生在图案间的空间很小时，而修正邻近效应的方法是将图案分割成更小的区域。将每一个小区域的入射电子剂量作一些调整，使其与周围其他小区域散射的电子剂量合起来，恰为正确的曝光剂量。真空氦气环境二、X 射线曝光 X射线曝光（XRL）有望取代光学曝光

14、进行100nm 超微细加工。它采用类似于接近式光学曝光的遮蔽式曝光方法， X 射线通过1:1的掩模进行曝光，掩模位置距衬底1040m。 X 射线曝光有效利用了电子束曝光高分辨率的特点（理论分辨率高于 50nm），且比电子束曝光更适于大规模生产。但 X射线曝光也存在一些问题尚待解决，如X 射线不易聚焦，易导致图形畸变；掩模版制备比较困难等等。接近式X射线曝光系统示意8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺 XRL图形曝光极有潜力继承光学图形曝光来制作100nm的集成电路。当利用同步辐射光储存环进行批量生产时，一般选择X射线源。它提供一个大的聚光通量，且可轻易容纳10-20台光刻机。 XRL是利用类似光学

15、遮蔽接近式曝光的一种遮蔽式曝光。掩模版为XRL系统中最困难且关键的部分，而且X射线掩模版的制作比光学掩模版来得复杂。为了避免X射线在光源与掩模版间被吸收，通常曝光都在氦的环境下完成。可以利用电子束光刻胶来作为X射线光刻胶，因为当X射线被原子吸收，原子会进入激发态而射出电子。激发态原子回到基态时，会释放出X射线，此X射线被原子吸收，故此过程一直持续进行。所有这些过程都会造成电子射出，所以光刻胶在X射线照射下，就相当于被大量的二次电子照射。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺 X 射线曝光时，波长一般选择在 0.24 nm 之间。掩模是X射线曝光系统中最困难和最关键的部分，X 射线掩模版的材料组成、结

16、构形式和制作工艺比光学掩模复杂得多。掩模衬底：低原子序数材料（如碳化硅、氮化硼、硅、铍等），用 LPCVD 制成薄膜片（1-2 m）。吸收体薄膜：高原子序数材料（如钽、钨、金及其合金），蒸发、射频溅射或电镀法制成薄膜（约0.5 m）。掩模图形：电子束扫描光刻和干法刻蚀、精细电镀等图形转移技术实现。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺X 射线空白掩模版基板制备工艺 由于X 射线有很强的穿透力，通常用于深紫外曝光的光刻胶在 X射线波段灵敏度非常低，曝光效率通常会下降12个数量级。针对特定波长的X 射线，可以通过在光刻胶合成时掺入特定杂质来大幅提高灵敏度。此外，可以使用电子束光刻胶作为X 射线光刻胶。8

17、.2 8.2 光刻工艺光刻工艺三、超紫外光曝光 超紫外光曝光（EUV）是很有希望的下一代曝光技术。超紫外光波长1014 nm，在不降低产出率情况下，最小线宽可达30nm （以PMMA为光刻胶）。但曝光系统制造难度很大，且光刻工艺需在真空中进行。EUV 曝光系统示意8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺激光产生的等离子体或是同步辐射(synchrotron radiation)可提供波长为10nm14nm的极远紫外光光源给EUV系统。EUV的曝光是利用掩模版的反射，而掩模版图案做在吸收膜上，此吸收膜则淀积在多层覆盖的平硅衬底或玻璃衬底做成的掩模版空片(mask blank)上。EUV反射光是由掩模版上

18、的非图案区(无吸收层区)，通过四倍的微缩照相将图案转移至晶片上的薄光刻胶层。EUV图形曝光已经证实可利用波长为13nm的光源，在PMMA光刻胶上制作出50nm的图案。然而，制造EUV曝光系统将面临几项挑战，因为所有的材料对EUV光都有强的吸收能力，所以曝光过程必须在真空下进行。照相机必须使用反射透镜器件，而这些镜子必须覆盖多层的覆盖层，如此才可以产生四分之一波长的布喇格反射分布。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺另外，掩模版空片必须要覆盖多层膜，以便在波长为10nm14nm得到最大的反射率。四、离子束曝光 像电子束一样，当具有一定能量的离子束照射光刻胶时，可使光刻胶的溶解特性发生变化，它本质上是

19、离子注入技术的另一种应用。注入光刻胶中的离子通过弹性和非弹性碰撞，使光刻胶分子量或结构发生变化，从而导致溶解特性发生变化。 由于离子的质量较大，散射作用比电子弱，几乎不存在邻近效应，因此离子束曝光比光学、X 射线或电子束曝光技术具有更高的分辨率。离子束曝光的另一个特点是，许多光刻胶（如PMMA）对离子比对电子更为灵敏，因此可缩短曝光时间。 离子束曝光系统有两种：扫描聚焦束系统和掩模束系统。前者类似电子束的装置，离子源来源于 Ga+ 或 H+。后者类似于5倍微缩光学分步重复投影系统，通过图形掩模将100eV 的氢离子进行投影。 离子束曝光的主要问题是对掩模版要求高。为提高分辨率，掩模衬底材料要尽

20、量薄（0.1m ），制备难度很大。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺离子束曝光比光学、X射线与电子束图形曝光技术有更高的分辨率，因为离子有较高的质量而且比电子有较小的散射。它最主要的应用为修补光学图形曝光用的掩模版，因此市面上有专门针对此用途而设计的系统问世。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺下图为能量60keV的50个氢离子注入PMMA及不同衬底中的电脑模拟轨迹。在深度为0.4m时，所有离子散开的范围为0.1m请与电子束情况作比较。在硅衬底中，背散射几乎完全消失，只有以金为衬底时有少量的背散射。然而，离子束图形曝光可能遭受到随机(或离散)空间电荷的影响而使离子束变宽。8.2 8.2 光刻工艺光刻

21、工艺不同光刻技术比较先前讨论的图形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每种都有其限制：光学法的衍射现象、电子束的邻近效应、X射线的掩模版制作复杂、EUV的掩模版空片的制作困难、离子束的随机空间电荷效应。对于IC的制造，多层掩模版是必需的，然而，所有的掩模版层并不需要都用相同的图形曝光方法。采用混合与配合的方法，可利用每一种图形曝光工艺的优点来改善分辨率与提供产率。根据半导体工业协会的设想，IC制作技术将在2010年时会达到50nm。对于每一代新技术，由于要求更小的特征尺寸与更严格的套准容差，图形曝光技术更成为推动半导体工业的关键性技术。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺 微电子工业之所以能够

22、持续发展，是因为可以将越来越小的图形转移到衬底上的技术一直在不断提高。目前，主要的光刻设备仍是光学曝光系统。限制光学曝光分辨率的主要因素是衍射。由于准分子激光器、光刻胶化学、分辨率增强技术（如 PSM、OAI 和 OPC）和高数值孔径技术的发展，光学曝光在100nm 线宽以下仍是主流技术。 电子束曝光是纳米工艺中制作掩模和探索新器件的较好技术选择。其他的曝光技术有超紫外光（EUV）、X 射线和离子束曝光等。虽然各种方法都具有 100 nm 或更高的分辨率，但每种方法都有自己的局限。目前还没有一种方法可以明显地取代光学曝光，但是混合匹配法可以利用每一种曝光方法的优点来提高分辨率，同时使产出率达到

23、最大。8.2 8.2 光刻工艺光刻工艺各种 曝光系统的比较光学电子束超紫外光X 射线离子束曝光机源激光灯丝激光等离子体同步加速器离子束衍射限制有没有有有没有曝光法折射折射折射直接光照全区折射分布扫描是是是是步进最高分辨率（m）0.10 R（110） R（111）。 (100)、(110)与(111)的腐蚀速率比为100：16：1。一些刻蚀剂，如联氨（H2N-NH2）、乙二胺-邻苯二酚 -水三元混合液（EPW，H2N(CH2)2NH2-C6H4(OH)2-H2O）、氢氧化钾（KOH）和四甲基氢氧化铵水溶液（TMAH，(CH3)4NOH）等，可以对单晶硅进行各向异性刻蚀。这种湿法刻蚀方法在MEMS

24、器件制备上应用较多。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺利用二氧化硅当掩蔽层，对晶向(oriented)的硅做各向异性腐蚀，会产生清晰的V型沟槽，沟槽的边缘为(111)晶面，且与(100)的表面有54.7o的夹角，如图(a)左边的图。如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的沟槽，如图(a)右边的图。 如果使用的是晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为(111)的晶面，如图(b)所示。我们可以用大的各向异性腐蚀速率来制作亚微米线宽的器件结构。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的沟槽，底部面积的宽度为：02

25、 cot54.7bWWl或02bWWl8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺（100）晶向硅片刻蚀后的SEM照片8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺如果使用的是 晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为(111)的晶面。1108.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺二、二、 二氧化硅的刻蚀二氧化硅的刻蚀 二氧化硅的湿法刻蚀通常采用添加或不添加氟化铵（NH4F）的氢氟酸（HF）稀释溶液，化学反应式为： 在HF中加入 NH4F 可以控制溶液的 pH 值，并且补充氟离子在反应过程中的损耗，保持稳定的刻蚀速率： 加入氟化铵的氢氟酸溶液称为氢氟酸缓冲溶液（BHF: buffered HF solutio

26、n）或氧化层缓冲刻蚀液（BOE: buffered oxide etch）。二氧化硅的刻蚀速率取决于刻蚀溶液浓度、温度和搅拌情况等因素。此外，氧化层的化学计量比、密度、孔隙率、微结构以及杂质浓度和类型等都对刻蚀速率有一定影响。 2622SiO + 6HF = SiF + 2H O + H43NH F = NH + HF8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺三、氮化硅和多晶硅的刻蚀三、氮化硅和多晶硅的刻蚀 加热的磷酸（H3PO4）或常温下的浓HF溶液和BOE，可以对硅的氮化物进行刻蚀。温度为180C时，85的磷酸溶液可以以二氧化硅为掩模对硅的氮化物进行选择性刻蚀，典型刻蚀速率为10 nm/min。 煮

27、沸的磷酸会使光刻胶黏附力降低，因此在涂覆光刻胶前，在氮化物上淀积一层氧化物。图形先转移到二氧化硅层上，然后以其为掩蔽刻蚀氮化硅。 多晶硅的刻蚀与单晶硅类似，但大量晶界的存在使刻蚀速率明显增大，因此通常需要调整刻蚀液以避免多晶硅下面的栅氧化层受到腐蚀。此外，掺杂浓度和温度对多晶硅的刻蚀速率也有一定影响。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺四、铝的刻蚀四、铝的刻蚀 铝和铝合金薄膜通常用加热的磷酸（H3PO4）、硝酸（HNO3）、醋酸（CH3COOH）和去离子水的混合溶液（73：4% : 3.5% : 19.5%）进行刻蚀，刻蚀温度为 3080C，可用二氧化硅进行掩蔽。 铝的湿法刻蚀过程：硝酸先使铝氧化

28、，然后磷酸分解氧化铝，由于铝刻蚀过程中生成的气体（氢气）会影响刻蚀的均匀性，通常在刻蚀液中加入少量的醋酸。 铝的湿法刻蚀速率取决于刻蚀液浓度、温度、搅拌情况、铝薄膜中的杂质和合金类型等因素，如铝中掺入铜时刻蚀速率会降低。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺四、铝的刻蚀四、铝的刻蚀 介质与金属薄膜的湿法腐蚀通常利用化学溶液来完成，这些化学溶液会把整块材料溶解，然后转变成可溶的盐类或复合物。通常薄膜比块状材料的腐蚀速率更快。此外，微结构差、内建应力、变更化学组成比或光照等，都将使薄膜的腐蚀速率变快。右表为一些有用的介质与金属薄膜的腐蚀剂。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺五、五、 砷化镓的刻蚀砷化镓的刻

29、蚀 最常用的砷化镓湿法刻蚀液是H2SO4-H2O2-H2O、Br2-CH3OH、NaOH-H2O2、NH4OH-H2O2-H2O 以及 H3PO4-H2O2-H2O体系。 砷化镓的多种湿法刻蚀液中，只有极少数是各向同性的。这是因为（111）镓面与（111）砷面的表面活性差异太大。大部分刻蚀液都能使砷面成为抛光面，但是对镓面容易显示出晶体缺陷，且刻蚀速率很慢。例如 H2SO4 : H2O2 : H2O8 : 1 : 1的刻蚀液，对（111）镓面的刻蚀速率是0.8 m/min，对其它各面是0.4 m/min。H3PO4 : H2O2 : H2O3 : 1 : 50 的刻蚀液，对（111）镓面的刻蚀

30、速率是0.4 m/min，对其它各面则是0.8 m/min。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺材料刻蚀液刻蚀速率（nm/min）SiO2HFNH4F（BOE）100HFHNO3H2O（P刻蚀液）12Si3N4HFNH4F（BOE）0.5H3PO410AlH3PO4HNO310HAc H3PO4 H2O30AuKII21000MoH3PO4HNO3 HAc H2O500PtHNO3 HCl H2O50WKH2PO4K3Fe(CN)6 KOH160部分绝缘体和导体的湿法化学刻蚀剂部分绝缘体和导体的湿法化学刻蚀剂8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺干法刻蚀：干法刻蚀：在图案转移的操作过程中，由图形曝光工艺

31、所形成的光刻胶图案，用来当作刻蚀下层材料的掩蔽层图(a)。这些下层材料大多是非晶系或多晶系的薄膜(如二氧化硅、氮化硅与淀积金属)。当使用湿法化学腐蚀剂时，腐蚀速率一般为各向同性(isotropic，亦即水平方向与垂直方向的腐蚀速率一样)，如图(b)的例子所示。假设hf为下层材料的厚度，l为光刻胶底下的侧面钻蚀距离，我们可以定义各向异性的比值Af为11,10lffvlRAAhR 各向异性度：8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺湿法化学腐蚀的主要缺点是：掩蔽层下面的横向钻蚀(undercut)现象，这个结果会使腐蚀图案的分辨率降低。实际上，各向同性腐蚀薄膜的厚度应该是我们预期分辨率的三分之一或是更小，

32、如果图案要求的分辨率远小于薄膜的厚度，就必须使用各向异性腐蚀(anisotropic etching，即1Af0)。实际上，Af的值尽量选择靠近1。图(c)显示当Af=1时的极限情形，此时l一0(或Rl一0)。在甚大规模集成电路中，为了从光刻胶图案上得到高准确度的图案转移，发展了干法刻蚀方法(Af=1)。干法刻蚀与等离子体辅助刻蚀其实是同义词。许多等离子体辅助刻蚀技术是利用低压放电形式的等离子体操作。干法刻蚀包含了等离子体刻蚀、反应离子刻蚀(reactive ion etching，RIE)、溅射刻蚀、磁场增强反应离子刻蚀(magnetically enhanced RIE，MERIE)、反应

33、离子束刻蚀与高密度等离子体(highdensity plasma，HDP)刻蚀。光刻胶绝缘层衬底hAf0lAf18.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺干法刻蚀原理：利用等离子体激活的化学反应或者利用高能离子束轰击完成去除物质的刻蚀方法。因为在刻蚀中不使用化学溶液，所以称为干法刻蚀。 干法刻蚀分 类等离子刻蚀溅射刻蚀离子铣反应离子刻蚀刻蚀原理辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生反应形成挥发性产物高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使其产生损伤并去除损伤两种方法结合刻蚀过程化学（物理效应很弱）物理化学物理主要参数刻蚀系统压力、功率、温度、气流以及相关可控参数优 点各向异性好、工艺控制较易且污染少缺 点

34、刻蚀选择性相对较差、存在刻蚀损伤、产量小8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺2022-1-14149常用干法刻蚀技术： 干法刻蚀的反应装置通常包括真空腔、泵系统、电源供应产生装置、压力传感器、气流控制单元以及端点检测器等组成部份。每种刻蚀系统通过特定的压强组合、电极类型以及等离子体源频率来控制两种基本的刻蚀机制 化学刻蚀与物理刻蚀。刻蚀装置结构刻蚀机制压强范围（Torr）圆筒等离子体刻蚀化学0.110顺流等离子体刻蚀化学0.110反应离子刻蚀（RIE）化学物理0.011磁增强反应离子刻蚀化学物理0.011磁约束三极型反应离子刻蚀化学物理0.0010.1电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀化学物理0.

35、0010.1感应变压器耦合等离子体刻蚀（ICP/ TCP）化学物理0.0010.1表面波耦合等离子体刻蚀（SWP）化学物理0.0010.18.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺不同类型干法刻蚀系统的离子能量和压力范围比较11101001000101001000低压间歇式RIE单硅片RIE低压高密度ECR、ICP圆筒等离子体刻蚀压强（mTorr）离子能量（eV）8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺干法刻蚀与湿法刻蚀的不同之处在于对下层材料的刻蚀选择性较差。因此，干法刻蚀系统 通常装配监视系统来指示刻蚀工艺结束的时间，称为终点检测系统（end-point detection system）。对衬底表面的激光

36、干涉测量可以连续地监视刻蚀速率并且确定终点位置。在刻蚀过程中，薄膜表面反射激光造成光硅化物多晶硅层刻蚀表面的相对反射率（氦氖激光：632.8nm）2dn8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺强度的振荡，振荡周期与薄膜厚度的变化相关： ，刻蚀终点由干涉振幅的停止来指示。1、等离子体刻蚀 ：等离子体刻蚀是利用基态或中性激发态物质的化学反应，将固态薄膜去除。等离子体刻蚀通常被气体放电所形成的带能量离子所增强或引发。等离子体刻蚀工艺过程包括五个基本步骤：化学活性物质（反应剂）在等离子体中产生；反应剂以扩散方式通过气体边界层到达衬底表面；在衬底表面发生化学反应，生成挥发性化合物；挥发性化合物从衬底表面解吸，通

37、过扩散回到等离子体中，由真空装置抽出。 优点：有较高刻蚀速率、较好刻蚀选择性和较低刻蚀损伤。 缺点：存在各向同性倾向。等离子体刻蚀的基本步骤等离子体气流（1）产生各种刻蚀剂（2）向衬底表面扩散 （3）吸附（4）反应（5）解吸、扩散回到等离子体气流气体边界层8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺基本等离子体理论基本等离子体理论等离子体是部分或完全电离的气体，包含正离子、负离子与一些未被电离的分子。当电场强度加到足够大时，使气体击穿电离就产生了等离子体。等离子体由某些方式释放出的自由电子所引发，例如负偏压电极的场发射所释放的自由电子。这些自由电子从电场中获得动能，在穿越气体的过程中与气体分子碰撞而损失能

38、量。碰撞过程中的能量转移使得气体分子电离（也就是释放出电子）。这些释放出来的自由电子再从电场获得动能，此步骤一直重复产生。因此，当外加的电压大于击穿电压时，在反应腔体中就会形成持续地等离子体。在干法刻蚀时，等离子体中的电子浓度相当低，大概的数值为109cm-31012cm-3。在压强为1Torr时，气体分子的浓度为电子浓度的104107倍，因此导致气体的平均温度为50100，所以等离子体辅助干法刻蚀是一种低温工艺。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺基本刻蚀方式基本刻蚀方式物理方式：物理方式：溅射刻蚀。正离子高速轰击表面后在等离子体中产生的少量负离子无法到达晶片表面，因此在等离子体刻蚀中并未扮演任

39、何直接的角色。化学方式：化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，即可得到各向异性轮廓、合理的选择比与适度降低离子轰击所导致的缺陷。如反应离子刻蚀（RIE），它利用物理机制辅助化学刻蚀或产生反应离子参与化学刻蚀 。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺二、等离子体探测等离子体探测等离子体探测大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一个简单的分析方法是利用光学发

40、射光谱仪(optical emission spectroscopy，OES)来测量这些发射光谱的强度与波长的关系。利用观察到的光谱波峰与已知的发射光谱比较，通常可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的浓度，也可以通过观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺终点控制终点控制干法刻蚀与湿法化学腐蚀的不同点在于干法刻蚀对下层材料无法呈现足够的选择比。因此，等离子体反应器必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，也就是终点探测(end point detection)系统。激光干涉度量法(1ase

41、r interferometry)用来持续监控晶片表面的刻蚀速率与终止点。在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材料必须透光或半透光才能观察到振荡现象。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺下图为硅化物/多晶硅栅剂蚀时的典型信号。振荡周期与薄膜厚度的变化关系为其中d为一个反射光周期对应的薄膜厚度的变化，为激光的光波长，n为刻蚀层的折射率。例如，对多晶硅而言，利用波长 =632.8nm的氦氖激光光源，所测得的d=80nm。2dn8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺等离子体刻蚀系统示意等离子体刻蚀系统示意8.3 8.3 刻蚀

42、工艺刻蚀工艺2、溅射刻蚀 溅射刻蚀过程中，衬底在真空反应室内被置于负电位的固定器上。导入的氩气在反应室内离化成带正电荷的高能（500eV）氩离子。氩离子在电场中加速轰击位于阴极固定器上的衬底薄膜表面，如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原子的结合能（几到几十eV）大，就会使被撞原子脱离原来位置飞溅出来，形成溅射刻蚀。 优点：具有较好的各向异性。 缺点：刻蚀选择性较差、刻蚀速率较小且会造成一定的刻蚀损伤。溅射刻蚀系统示意8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺3、反应离子刻蚀 反应离子刻蚀是一种介于溅射刻蚀和等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。在这种刻蚀方法中，同时利用了物理溅射和化学反应的刻蚀机制。 与溅射

43、刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀相同的活性气体。由于在反应离子刻蚀中化学和物理作用都有助于实现刻蚀，因此可以灵活地选取工作条件以获得最佳刻蚀效果。 优点：具有较高刻蚀速率、较好各向异性效果、较好刻蚀选择性和较低刻蚀损伤，是目前微电子工艺中应用最广泛的干法刻蚀技术。 缺点：刻蚀终点难以检测。 随着微电子器件特征尺寸的不断减小，传统RIE 系统刻蚀的极限正在逼近。目前，高密度等离子体源（如ECR、ICP、TCP以及SWP等）发展迅速，它们可以提供较高的等离子体浓度（10111012cm-3）和较低的工作压强（ 20 mTorr），具有更高的刻蚀速率和更好的刻蚀选

44、择性。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺一、反应离子刻蚀反应离子刻蚀已被广泛应用于微电子工业。在平行板系统中，晶片被rf电容耦合的下电极托住，这样可使接地电极具有大出许多的面积，因为事实上腔体本身即为接地电极。较大的接地区域结合较低的工作压强(500mTorr)，使晶片表面具有大而且为负的偏压，导致晶片受到能量充沛的离子轰击。 此刻蚀系统的选择比比传统的桶状(barrel)刻蚀系统选择比要低，这是由于强烈物理溅射的关系。然而，选择比可通过选择适当的化学刻蚀来改善。例如，另外也可以用三极组态的RIE系统来代替，如图所示8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺4.电子回旋共振

45、大部分的平行板等离子体刻蚀机，除了三极RIE例外，都无法提供独立控制等离子体参数(如电子能量、等离子体密度与反应物密度)的能力，因此离子轰击导致损伤成为一个严重的问题。ECR反应器结合微波电源与一静磁场来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺当此频率等于外加微波的频率时，电子能量与外加电场产生共振耦合，造成大量的分解与电离(ECR为10-2，相对于RIE的10-6)。右图显示ECR反应腔组成，微波功率通过微波窗耦合进入ECR等离子体源区域。磁场由磁场线圈提供，ECR等离子体系统也可用于薄膜淀积。ECR等离子体可高效率地将反应物激活，并使得薄膜淀积在室温下即可完成而

46、不需要热激活。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺5、其他高密度等离子体刻蚀机由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限。除了ECR系统外，其他形式的高密度等离子体源(HDP)，如电感耦合等离子体源(inductively coupled plasma，ICP)、变压器耦合等离子体源(transformer coupled plasma，TCP)与表面波耦合等离子体源(surfacewave coupled plasma，SWP)也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度(1011cm-31012cm-3)与低工艺压强(20 mTorr)，另外它们允许晶片底部平板可独立接上电源，如此可以降

47、低离子能量(晶片偏压)与离子通量(主电源供应的等离子体密度)的耦合。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺集成等离子体工艺：半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘粒污染。当器件尺寸缩小，尘粒的污染成为一严重的问题。为了减少尘粒的污染，集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于真空环境中从一个反应腔移到另一个反应腔。集成等离子体加工设备同时也可以增加产率。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺下图显示了一使用集成设备对多层(Tiw/AlCu/TiW)金属互连导线的刻蚀工艺过程。集成设备它将AlCu刻蚀反应腔、TiW刻蚀反应腔与钝化层剥蚀(strip passivation)反应腔组合在一起。集成设

48、备有经济上的优势，因为晶片较少暴露于污染的环境中且只需较少的操作，从而有较高的成品率。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺被刻蚀材料刻蚀剂硅深沟槽HBr / NF3 / O2 / SF6硅浅沟槽HBr / Cl2 / O2多晶硅HBr / Cl2 / O2, HBr / O2, BCl3 / Cl2, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4 / Cl2, HBr / Cl2 AlSiCuBCl3 / Cl2 / N2WSF6, NF3 / Cl2 TiWSF6WSi, TiSi2, CoSi2CF4 / Cl2, CF2Cl2 / NF3, Cl2 / N2 / C2F6Si3N4CHF3 /

49、O2, CH2F2, CH2CHFSiO2CF4 / CHF3 / Ar, C2F6, CH2F2, C5F8GaAsBCl3/Ar不同刻蚀工艺中的刻蚀剂8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺反应等离子体刻蚀的应用反应等离子体刻蚀的应用等离子体刻蚀系统已由应用于简单的、整批的光刻胶剥蚀快速发展到大的单片晶片加工。刻蚀系统为符合深亚微米器件的图案转移，从传统的反应离子刻蚀机持续改进到高密度等离子体刻蚀机。除了刻蚀设备外，刻蚀中的化学剂也是影响刻蚀工艺性能的关键角色。发展一套刻蚀工艺通常要通过调整大量的工艺参数来将刻蚀速率、选择比、轮廓控制、临界尺寸、工艺导致损伤等最佳化。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工

50、艺被刻蚀材料被刻蚀材料刻蚀用的化学药品刻蚀用的化学药品深Si沟槽HBr/NF3/O2/SF6浅Si沟槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2, HBr/O2, BCl3/Cl2, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4/Cl2, HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有SF6, NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3, CF4/Cl2, Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar, C2F6, C3F8/CO, C5F8,CH2F2Si3N4CHF3/O2, CH2F2, CH2CHF28.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺

51、硅沟槽刻蚀当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM存储单元的储存电容与电路器件间的区域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽深度通常超过5m，主要是用于形成储存电容。浅的沟槽其深度通常不会超过1m，一般用于器件间的隔离。氯基或溴基的化学剂对硅有高刻蚀速率，且对以二氧化硅为掩蔽层的硅刻蚀有高选择比。HBr+NF3+SF6+O2混合气体可用于形成深度约为7m的沟槽电容，此混合气体也用于浅沟槽的刻蚀。亚微米的深硅沟槽刻蚀时，常可观察到与高宽比有关的刻蚀(亦即刻蚀速率随高宽比改变)，这是因深窄沟槽中的离子与中性原子的输运会受到限

52、制。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺下图显示硅沟槽的平均刻蚀速率与高宽比有关，有大高宽比的沟槽比小高宽比的沟槽的刻蚀速率要慢。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺多晶硅与多晶硅化物栅极刻蚀多晶硅与多晶硅化物栅极刻蚀多晶硅与多晶硅化物(即多晶硅上覆盖有低电阻金属硅化物，称为polycide)常用作MOS器件的栅极材料。各向异性刻蚀及对栅极氧化层的高选择比是栅极刻蚀时最重要的需求，例如，对1G DRAM而言，其选择比需超过150(即多晶硅化物与栅氧化层的刻蚀速率比为150：1)。要同时得到高选择比与各向异性刻蚀，对大部分的离子增强刻蚀工艺是困难的，因此可使用多重步骤的工艺，其中各个不同的刻蚀步骤可分别

53、针对各向异性和选择比来最佳化。另一方面，为符合各向异性刻蚀与高选择比的要求，等离子体技术的趋势是利用一相对低的功率产生低压与高密度的等离子体。大多数氯基与溴基化合物可用于栅极刻蚀而得到所需要的各向异性与选择比。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺介质刻蚀介质刻蚀定义介电层(尤其是二氧化硅与氮化硅)的图案是先进半导体制造技术中的关键工艺。因为具有较高的键结合能量，介质的刻蚀必须利用氟基增强等离子体。垂直的图案轮廓可通过侧壁钝化(sidewall passivation)来实现，通常将含碳的氟化物加入等离子体中(如CF4、CHF3、C4F8)。必须使用轰击能量较高的离子才能将此聚合物形成的钝化层从氧化

54、层上去除，以及将反应物质与氧化物表面混合形成SiF，的产物。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺金属导线刻蚀IC制造中，金属层的刻蚀是一个相当重要的步骤。铝、铜与钨是金属导线常用的材料。这些材料通常需要各向异性刻蚀。氟与铝反应产生非挥发性的AlF3，AlF3在1 240时，其蒸气压只有1Torr。氯基(如Cl2/BCl3的混合物)化学剂常用于铝的刻蚀。氯对铝有极高的化学刻蚀速率并且在刻蚀时会有横向钻蚀(undercut)现象。将含碳气体(如CHF3)或是氮气加入反应中，可在侧壁产生钝化层而得到各向异性刻蚀。暴露于大气环境中是铝刻蚀的另一问题。Al侧壁上残留的氯与光刻胶容易与常压下的水气形成HCl，

55、此HCl会腐蚀铝。在晶片暴露于大气环境之前，先临场(in-situ，或译同次)通入CF4等离子体，用F取代Cl；然后再通入氧等离子体来去除光刻胶；紧接着立刻将晶片浸入去离子水中，如此即可避免Al的腐蚀。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺下图为晶片上0.35m的TiN/Al/Ti线与间隔，置于外环境下72h。可见即使长期暴露于大气环境中，铝金属并没有产生腐蚀现象。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺在ULSI电路中，铜金属材料是广受瞩目的后起之秀。铜有较小的电阻率(约1.7cm)，而且铜比铝或铝合金有较佳的抗电迁移的能力。然而由于铜的卤化物挥发性较低，室温下的等离子体刻蚀并不容易。刻蚀铜膜的工艺温度需

56、要高于200。因此，铜的金属导线制作使用嵌入式(damascence)工艺而不用干法刻蚀。嵌入式工艺包含几个步骤：先在平坦的介电层上刻蚀出沟槽或渠道，然后将金属(如铜或铝)填入沟槽中来作为连接导线。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺在两层嵌入式(dual damascence)工艺中，如右图所示，牵涉了另一层，即除了上述沟槽外，还需将一系列的洞(亦即接触孔或通孔)刻蚀出来并以金属填入。填完后。再以化学机械抛光(CMP)将金属与介质的表面平坦化。嵌入式工艺的优点是免掉了金属刻蚀的步骤，而铜刻蚀正是IC工业从铝改成铜导线时最担心的技术问题。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺LPCVD钨(W)已广泛用于

57、接触孔填塞与第一层金属层，这是因为钨有完美的淀积均匀覆盖性。氟基与氯基化合物均可刻蚀钨，且生成挥发性产物。利用钨全面回蚀(blanket W etchback)得到钨插栓(W plug)是钨刻蚀的一项重要应用。下图所示为以LPCVD全面性地将钨淀积在TiN的阻挡层上。此工艺常使用两段式步骤：首先90的钨以高刻蚀速率来刻蚀，然后选用W对TiN有高选择比的刻蚀剂以较低的刻蚀速率将其余的钨去除。8.3 8.3 刻蚀工艺刻蚀工艺自从80年代后期用多晶硅成功制作旋转式微马达于硅芯片上以来，微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)迅速引起人们的注意。硅材料的微机

58、电系统，采用许多成熟的硅基集成电路技术。这种方式使得微机电系统产品类似于集成电路，可整批制造，廉价推广。除了利用集成电路技术之外，微机电系统本身亦发展出一些特殊的新技术，我们将探讨三种特殊的刻蚀技术：本体微细加工、表面微细加工和LIGA工艺。8.4 8.4 微机电系统微机电系统本体微细加工技术本体微细加工技术：通过刻蚀单晶硅的衬底而形成器件(如传感器与制动器)，在衬底上的薄膜上形成图案来定义隔离区与功能转换器件。各向异性的湿法化学腐蚀技术具有高分辨率并能精确地控制尺寸。8.4 8.4 微机电系统微机电系统通常本体微细加工器件使用双面工艺形成自隔离的结构，其一面封闭在于净的封装下，而另一面则暴露

59、于所欲测量的机械或化学等环境中接受信号。双面结构即使工作在对于微电子器件不利的环境中亦非常坚固。一些简单的机械器件，如膈膜(diaphragm)式压力传感器、薄膜(membrane)和悬梁压阻式加速度传感器(cantilever-beam piezoresistive acceleration sensor)在商业上多以此技术制造。右图描述一简单硅胶薄膜的制作过程8.4 8.4 微机电系统微机电系统表面微细加工技术表面微细加工技术：单纯以薄膜制作整个器件。在本体和薄膜材料制作的结构之间有一些不同。本体微细加工器件的尺寸为毫米范围，但表面微细加工器件的尺寸则为微米范围。表面微细加工技术可通过薄膜

60、的层层堆叠构成结构复杂的器件，而多层的本体器件却难以构成。自由悬空与可移动的部分可以通过牺牲层来制作。右图为静电马达的牺牲层刻蚀流程。8.4 8.4 微机电系统微机电系统8.4 8.4 微机电系统微机电系统LIGALIGA工艺：工艺：LIGA为德文图形曝光、电铸、制模的缩写(Lithographic，GaIvanoformung，Abformung)它包含三个基本工艺步骤：图形曝光、电铸(electroplating)与制模(molding)。LIGA工艺以同步加速器产生的X射线为光源基础。LIGA工艺可以用各种材料制作侧面尺寸为微米大小与高度为数百微米的微结构。它的可能应用范围涵盖微电子、传