chap8刻蚀工艺

1、1Etch)基本概念基本概念定义：用光刻方法制成的微图定义：用光刻方法制成的微图形，只给出了电路的行貌，并不是形，只给出了电路的行貌，并不是真正的器件结构。因此需将光刻胶真正的器件结构。因此需将光刻胶上的微图形转移到胶下面的各层材上的微图形转移到胶下面的各层材料上去，这个工艺叫做刻蚀料上去，这个工艺叫做刻蚀。2两大关键问题：两大关键问题：选择性选择性方向性：各向同方向性：各向同性性/各向异性各向异性21rrS 待刻材料的刻蚀待刻材料的刻蚀速率速率掩膜或下层材料掩膜或下层材料的刻蚀速率的刻蚀速率vertlatrrA 1横向横向刻蚀刻蚀速率速率纵向刻纵向刻蚀速率蚀速率图形转移过程演示图形转移过程演

2、示图形转移光刻刻蚀图形转移光刻刻蚀3把经过曝光把经过曝光, , 显影后的光显影后的光刻胶微图形中下层材料的裸露部刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉分去掉, , 即在下层材料上重现与即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。光刻胶相同的图形。48.10 VLSI对图形转移的要求对图形转移的要求v保真度保真度v选择比选择比v均匀性均匀性v清洁度清洁度5dmdmdfdfdfdm ：不同不同6选择比选择比：指两种不同材料在腐蚀的过：指两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀的速率比。程中被腐蚀的速率比。如如SiO2的刻蚀中的刻蚀中v对光刻胶和硅的腐蚀速率很低对光刻胶和硅的腐蚀速率很低v对对SiO2的腐蚀速率很很高

3、的腐蚀速率很很高7均匀性均匀性8v刻蚀时间差刻蚀时间差9刻蚀速率刻蚀速率R(etch rate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产率有较大影响率有较大影响刻蚀均匀性刻蚀均匀性(etch uniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化上刻蚀速率的变化选择性选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比不同材料之间的刻蚀速率比各项异性度各项异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性刻蚀的方向性A=0, 各项同性；各项同性；A=1, 各项异性各项异性掩膜层下刻蚀掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量横向单

4、边的过腐蚀量刻蚀的性能参数刻蚀的性能参数10A0 0A1 A=1Uniformity/non-uniformity均匀性均匀性/非均匀性非均匀性 lowhighlowhighRRRRU Rhigh: 最大刻蚀速率最大刻蚀速率Rlow: 最小刻蚀速率最小刻蚀速率方向性：方向性：过腐蚀（钻蚀）：过腐蚀（钻蚀）：假定假定S 时时dbA 111刻蚀要求刻蚀要求:1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形）得到想要的形状（斜面还是垂直图形）2. 过腐蚀最小（一般要求过腐蚀过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10，以保证整片刻蚀完全），以保证整片刻蚀完全）3. 选择性好选择性好4. 均匀性和重复性好均匀性和重复性好5.

5、 表面损伤小表面损伤小6. 清洁、经济、安全清洁、经济、安全两类刻蚀方法：两类刻蚀方法：湿法刻蚀湿法刻蚀化学溶液中进行化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好反应腐蚀，选择性好干法刻蚀干法刻蚀气相化学腐蚀气相化学腐蚀（选择性好选择性好）或物理腐蚀（）或物理腐蚀（方向方向性好性好），或二者兼而有之），或二者兼而有之12 刻蚀过程包括三个步骤：刻蚀过程包括三个步骤： 反应物质量输运（反应物质量输运（Mass transport）到要被刻）到要被刻蚀的表面蚀的表面 在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应 反应产物从表面向外扩散的过程反应产物从表面向外扩散的过程13v湿法刻蚀

6、：湿法刻蚀：利用液态化学试剂利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。方法。14湿法刻蚀湿法刻蚀反应产物必反应产物必须溶于水或须溶于水或是气相是气相15BOE：buffered oxide etching或或BHF: buffered HF加入加入NH4F缓冲液：弥补缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀和降低对胶的刻蚀实际用实际用各各向向同同性性例例1：SiO2采用采用HF腐蚀腐蚀例例2：Si采用采用HNO3和和HF腐蚀（腐蚀（HNA）例例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀采用热磷酸腐蚀16例例4：Si采用采用KOH腐蚀腐蚀各向异性各向异性Si + 2OH- + 4H2

7、O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀17原子密度：原子密度： 腐蚀速度：腐蚀速度：R(100) 100 R(111)18HNA各向同性腐蚀各向同性腐蚀自终止自终止19利用利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanical Systems）结构）结构20v湿法的刻蚀原理湿法的刻蚀原理：湿法是接触型湿法是接触型腐蚀，以腐蚀，以HFHF酸腐蚀酸腐蚀SiOSiO2 2为例：为例：SiOSiO2 2 + 4HF = SiF + 4HF = SiF4 4 + 2

8、H + 2H2 2O O此反应的产此反应的产物是气态的物是气态的 SiFSiF4 4和水和水, ,其反应速率其反应速率R R可可用用ArrheniusArrhenius方程描述：方程描述：R = RR = R0 0exp(-exp(-Ea/kT)Ea/kT)，其中，其中R R0 0是常数，是常数，EaEa是反应的是反应的激活能，激活能，k k是玻耳兹曼常数，是玻耳兹曼常数，T T是温度是温度2122 湿法腐蚀特点：湿法腐蚀特点： 1.其反应物必须是气体或能溶于刻蚀其反应物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物的沉剂的物质，否则会造成反应物的沉淀，从而影响刻蚀正常进行。淀，从而影响刻蚀

9、正常进行。 2.一般湿法腐蚀是各向同性的，刻蚀一般湿法腐蚀是各向同性的，刻蚀中腐蚀液不但侵入到纵向方向，而中腐蚀液不但侵入到纵向方向，而且在侧向也会受到侵蚀。且在侧向也会受到侵蚀。23 3.湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。放热造成刻蚀局部温度升高，引起放热造成刻蚀局部温度升高，引起化学反应速度加快，反过来，又会化学反应速度加快，反过来，又会加剧反应放热，使刻蚀反应处于不加剧反应放热，使刻蚀反应处于不受控制的恶性循环中，使质量极差。受控制的恶性循环中，使质量极差。在加工时采用搅拌或超声波等方法在加工时采用搅拌或超声波等方法来消除局部温度升高。放气会造成来消除局部温

10、度升高。放气会造成局部气泡凝聚，使速率变慢或停止，局部气泡凝聚，使速率变慢或停止，造成缺陷，也可以通过搅拌来赶走造成缺陷，也可以通过搅拌来赶走气泡，有时也可以在腐蚀液中加入气泡，有时也可以在腐蚀液中加入少量氧化剂去除气泡。少量氧化剂去除气泡。24v干法刻蚀：干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基等离子体中的离子或游离基( (处于激发态处于激发态的分子、原子及各种原子基团等的分子、原子及各种原子基团等) )与材料。与材料。发生化学反应或通过轰击等物理作用而发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。达到刻蚀的目的。v横向腐蚀小横向腐蚀小, ,钻蚀

11、小钻蚀小, ,无化学废液无化学废液, ,分辨率分辨率高高, ,细线条细线条v操作安全，简便；处理过程未引入污染：操作安全，简便；处理过程未引入污染：易于实现自动化，表面损伤小易于实现自动化，表面损伤小v缺点缺点: :成本高成本高, ,设备复杂设备复杂25湿法干法结合湿法干法结合 vv湿法去表层胶，干法去底胶湿法去表层胶，干法去底胶26湿法腐蚀的缺点湿法腐蚀的缺点在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：法刻蚀所替代：（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性向异性（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐）干法腐蚀

12、能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差蚀较差（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害对人体和环境有害（4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济蚀剂剩余物，不经济278.128.12干法刻蚀干法刻蚀 一一.干法刻蚀原理干法刻蚀原理 基本原理：腐蚀剂气体与被腐蚀样基本原理：腐蚀剂气体与被腐蚀样品表面接触来实现腐蚀品表面接触来实现腐蚀28化学刻蚀（各项同性，选择性好）化学刻蚀（各项同性，选择性好）等离子体激活的化学反应等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀等离子体刻蚀)物理刻蚀（各向异性，选择性差）物理刻蚀（各向异

13、性，选择性差）高能离子的轰击高能离子的轰击 (溅射刻蚀溅射刻蚀) 离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好）反应离子刻蚀反应离子刻蚀29 溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差较差 等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放电产：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤

14、较小，但各向异性较差向异性较差 反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching，简称，简称为为RIE)RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化：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，好的优点。目前，RIERIE已成为已成为VLSIVLSI工艺中应用工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术最广泛的主流刻蚀技术30 干法刻蚀特点：干法刻蚀特点： 干法刻蚀的优点在于是各向异性的干

15、法刻蚀的优点在于是各向异性的刻蚀。因此，干法刻蚀的主要任务刻蚀。因此，干法刻蚀的主要任务是如何实现在垂直方向上的刻蚀速是如何实现在垂直方向上的刻蚀速率远远大于横向刻蚀速率，以便使率远远大于横向刻蚀速率，以便使光刻在薄膜上的转移图案与掩膜版光刻在薄膜上的转移图案与掩膜版上原图相同。上原图相同。31 反应腔加上射频电场，刻蚀气体放电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，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，发有很强的化学活性，撞击在硅片上，发生反应，腐蚀硅化物。生反应，腐蚀硅化物。1.多晶硅、氧化硅、氮化硅多晶硅、氧化硅、氮化硅，采用采用CF

16、4刻蚀刻蚀两类物质的腐蚀：两类物质的腐蚀：32CF4 CF3+F*CF3 CF2+F*CF2 CF+F*Si+4F* SiF4SiO2+4F* SiF4 +O2Si3N4+4F* 3SiF4 +2N2332.铝及其合金铝及其合金-氯基氯基CCl4,CHCl33.难熔金属氯基或氟基TaSiX+nFTaF5+SiF4TaSiX+nClTaCl5+SiCl44.光刻胶O234二二. 常用材料的腐蚀剂常用材料的腐蚀剂待腐蚀材料腐蚀剂Si (单晶)CF4, CF4+O2Si（多晶）CF4, C2F6+Cl2, CCl6+Cl2,SiO2CF4+H2, C3F8Si3N4CF4, CF4+O2,CF4+H

17、2,AlBCl3+Cl2, CCl4+Cl2,Mo,W,Ta,TiCF4+O2Cr,VCF4+O2, Cl2+O2Au,PtC2 Cl2F4+O2, C2 Cl2F4WSi2, Mo Si2CF4+O2，SF6+O2 ，N F2光刻胶O235v气体压力气体压力v气体流量气体流量v射频功率射频功率v温度温度v负载效应负载效应v腐蚀剂选择比腐蚀剂选择比36刻铝中的问题刻铝中的问题v铝表面的氧化铝难刻铝表面的氧化铝难刻v中间产物中间产物AlCl4,BCl3淀积在表面，阻淀积在表面，阻止刻蚀止刻蚀37去胶去胶v等离子去除胶底膜等离子去除胶底膜v紫外光分解去胶原理紫外光分解去胶原理:光刻胶薄膜在光刻胶薄

18、膜在强紫外光照射下强紫外光照射下, 分解为可挥发性气分解为可挥发性气体（如体（如CO2、H2O），被侧向空气带），被侧向空气带走。走。383940反应离子刻蚀结构示意图(硅片接地)41反应离子刻蚀结构示意图42双向等离子刻蚀示意图438.13 光刻质量分析光刻质量分析 一、一、光刻的质量要求：光刻的质量要求： 光刻的质量直接影响到器件的性能，光刻的质量直接影响到器件的性能，成品率和可靠性。对其有如下要求，刻蚀成品率和可靠性。对其有如下要求，刻蚀的图形完整性好，尺寸准确，边缘整齐，的图形完整性好，尺寸准确，边缘整齐，线条陡直；图形内无针孔，图形外无小岛，线条陡直；图形内无针孔，图形外无小岛，不染

19、色；硅片表面清洁，无底膜；图形套不染色；硅片表面清洁，无底膜；图形套刻准确。刻准确。 光刻胶的质量和放置寿命光刻胶的质量和放置寿命(6(6个月个月).). 颗粒颗粒0.2m, 0.2m, 金属离子含量很少金属离子含量很少 化学稳定化学稳定, , 光光/ /热稳定度热稳定度 粘度粘度44 二、光刻的质量分析二、光刻的质量分析 （1 1）影响分辨率的因素：）影响分辨率的因素： A A、光刻掩膜版与光刻胶的接触、光刻掩膜版与光刻胶的接触; ; B B、曝光光线的平行度、曝光光线的平行度; ; C C、掩膜版的质量和套刻精度直接影响光、掩膜版的质量和套刻精度直接影响光刻精度刻精度; ; D D、小图形

20、引起逛衍射、小图形引起逛衍射; ; E E、光刻胶膜厚度和质量的影响：、光刻胶膜厚度和质量的影响： F F、曝光时间的影响：、曝光时间的影响： G G、衬底反射影响：、衬底反射影响：H H、显影和刻蚀的影响：、显影和刻蚀的影响：45 （2 2）浮胶：）浮胶： 在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会起皱，呈桔皮状或大面积胶膜脱落。这起皱，呈桔皮状或大面积胶膜脱落。这种现象称为溶胶或脱胶。出现原因如下。种现象称为溶胶或脱胶。出现原因如下。 1 1）操作环境湿度过大：当操作室内空气）操作环境湿度过大：当操作室内空气中的水分较多时，二氧化硅很容易将水中的水分较多时，二氧化

21、硅很容易将水吸到表面，造成胶膜与硅片表面粘附不吸到表面，造成胶膜与硅片表面粘附不好，在显影时就产生溶胶。好，在显影时就产生溶胶。 2 2）硅片面膜上不干净：硅片表面生长的）硅片面膜上不干净：硅片表面生长的薄层，由于表面不干净，那么与光刻胶薄层，由于表面不干净，那么与光刻胶粘附力下降，造成了溶胶。粘附力下降，造成了溶胶。46 3）前烘不足或过度：前烘，胶膜内）前烘不足或过度：前烘，胶膜内还留有溶剂未挥发掉，显影时会造还留有溶剂未挥发掉，显影时会造成溶胶。但是前烘过度，胶膜硬化，成溶胶。但是前烘过度，胶膜硬化，抗蚀力下降，也会出现溶胶现象。抗蚀力下降，也会出现溶胶现象。 4）曝光或显影不合适：曝光

22、时间不）曝光或显影不合适：曝光时间不足，胶膜的光化学反应没有进行完足，胶膜的光化学反应没有进行完全就浸入显影液中，会造成胶膜溶全就浸入显影液中，会造成胶膜溶解引起溶胶。显影时间过长，胶膜解引起溶胶。显影时间过长，胶膜会软化。显影液从底部浸入，引起会软化。显影液从底部浸入，引起胶膜脱落。胶膜脱落。47 （3 3）小岛：）小岛： 所谓小岛是指残留在光刻窗口上局部所谓小岛是指残留在光刻窗口上局部细小的二氧化硅层，在扩散时，这些细小的二氧化硅层，在扩散时，这些小岛阻挡了杂质的扩散，使得小岛阻挡了杂质的扩散，使得P-NP-N结结不平坦，半导体器件特性受到了影响，不平坦，半导体器件特性受到了影响，造成反向

23、漏电增加，甚至极间穿通。造成反向漏电增加，甚至极间穿通。产生小岛的原因：产生小岛的原因： 1 1）在光刻版上不透光区域中存在小）在光刻版上不透光区域中存在小孔或透光点，则在硅片表面上留有小孔或透光点，则在硅片表面上留有小岛。岛。48 2 2）在光刻胶中有颗粒状不溶性物资）在光刻胶中有颗粒状不溶性物资残留在硅片表面，使得局部小区域残留在硅片表面，使得局部小区域的二氧化硅腐蚀不掉形成小岛。的二氧化硅腐蚀不掉形成小岛。 3 3）曝光过度，使得局部区域显影不）曝光过度，使得局部区域显影不干净，或显影不完全，残留在胶膜干净，或显影不完全，残留在胶膜底部，腐蚀以后产生小岛。底部，腐蚀以后产生小岛。49 （

24、4 4）针孔）针孔 针孔是由于胶膜不完整而在光刻窗口外针孔是由于胶膜不完整而在光刻窗口外的二氧化硅层上产生细小孔洞。这些孔的二氧化硅层上产生细小孔洞。这些孔洞使不该扩散的区域，杂质也扩进去了，洞使不该扩散的区域，杂质也扩进去了，造成造成P-NP-N结短路、漏电、低击穿。产生针结短路、漏电、低击穿。产生针孔的原因有：孔的原因有： 1 1）光刻掩膜版上有黑斑，阻挡了光线照）光刻掩膜版上有黑斑，阻挡了光线照射，使该区域上的胶膜未曝光，而被显射，使该区域上的胶膜未曝光，而被显影液溶解，经刻蚀以后便形成了针孔。影液溶解，经刻蚀以后便形成了针孔。 2 2）操作过程中尘埃玷污，特别是在涂胶）操作过程中尘埃玷

25、污，特别是在涂胶过程中，尘埃落到了胶表面，这样就起过程中，尘埃落到了胶表面，这样就起了阻挡光线的作用，形成针孔。了阻挡光线的作用，形成针孔。50 3）感光剂中有颗粒状物质或灰尘，）感光剂中有颗粒状物质或灰尘，或者胶太稀薄，转速太快，使得胶或者胶太稀薄，转速太快，使得胶膜过于薄而出现面积较大的针孔。膜过于薄而出现面积较大的针孔。 4）硅片表面质量不好，有颗粒状凹）硅片表面质量不好，有颗粒状凹坑，也会形成针孔。坑，也会形成针孔。 5）曝光不当。光刻胶聚合反应不完）曝光不当。光刻胶聚合反应不完全，或曝光时间过长，发生邹胶，全，或曝光时间过长，发生邹胶，腐蚀时掩膜失效，形成了针孔。腐蚀时掩膜失效，形成

26、了针孔。51 （5 5）毛刺、钻蚀）毛刺、钻蚀腐蚀时，如果腐蚀液浸入光刻胶膜的边腐蚀时，如果腐蚀液浸入光刻胶膜的边缘，使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩缘，使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或铝条的完整性，渗透蔽扩散的氧化层或铝条的完整性，渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针孔的局部破腐蚀较轻，图形边缘出现针孔的局部破坏，习惯上称为毛刺。若图形边缘腐蚀坏，习惯上称为毛刺。若图形边缘腐蚀严重，出现锯齿状或花斑状的破坏，称严重，出现锯齿状或花斑状的破坏，称为钻蚀。当二氧化硅掩蔽膜窗口存在毛为钻蚀。当二氧化硅掩蔽膜窗口存在毛刺和钻蚀时，会引起侧面扩散结的不平刺和钻蚀时，会引起侧面扩散结的不平衡，使结特性变坏，影响器件的成品率