第五章 集成电路工艺原理

集成电路工艺原理复旦大学微电子研究院2004.8於伟峰2/7/20231第九章刻蚀(Etching)§9.1VLSI对图形转移的要求§9.2湿法腐蚀技术§9.3干法刻蚀技术2刻蚀的主要内容：以化学反应或物理作用的方法把经曝光、显影后光刻胶图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形；3

与刻蚀性能相关的几个品质因素刻蚀速率R

(etchrate)单位时间刻蚀的薄膜厚度。对生产效率有较大影响刻蚀均匀性(etchuniformity)一个硅片之内或多个硅片之间的均匀性，用刻蚀速率变化的百分比来度量选择性S

(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率的比例各向异性度A

(Anisotropy)刻蚀的方向性

A=0,各向同性；A=1,各向异性钻蚀

(Undercut)掩膜之下的侧向腐蚀4

图形转移的保真度主要取决于刻蚀的选择性和方向性

刻蚀在横向(lateral)和纵向(Vertical)同时发生;会出现光刻图形的钻蚀(erode);刻蚀剂会腐蚀衬底从而改变衬底形貌;Actualetchprofiles.A.Lateraletchingundermask.B.Roundedphotoresistwhichisfurthererodedduringetching,leadingtoevenmorelateraletching.Balsoillustratesetchselectivity.方向性选择性5刻蚀的方向性(directionality)刻蚀的方向性(etchdirectionality)衡量不同方向上的相对刻蚀速率横向(lateral),纵向(vertical)各向同性腐蚀(Isotropicetch)在所有方向刻蚀速率相同(一般对化学反应）各向异性腐蚀(Anisotropicetch)在不同方向刻蚀速率不同。

（一般针对物理刻蚀，如溅射等）6

选择性由化学反应决定;方向性由物理过程决定Selectivitycomesfromchemistry;directionalityusuallycomesfromphysicalprocesses.Modernetchingtechniquestrytooptimizeboth.要兼顾选择性和方向性,优化刻蚀工艺

工艺中刻蚀的选择性和方向性7§9.1VLSI对图形转移的要求1图形转移的保真度A

定义：A＝V1/Vv式中，Vl为横向腐蚀速率；Vv为纵向腐蚀速率。刻蚀转移图形的三种常见情况8若用刻蚀层深度h和侧向展宽|df－dm|代入，则

|df－dm|＝0，则A＝0表示图形转移中失真畸变最少，即各向异性刻蚀；|df－dm|＝2h，则A＝1表示图形失真情况严重，即各向同性刻蚀；通常1>A>0；因此，各向异性是图形转移过程中保真度的反映9(a)各向异性腐蚀的极端情况，无横向腐蚀；(b)各向同性腐蚀时，垂直腐蚀和横向腐蚀相等，腐蚀图形的边缘形状为1/4圆弧；一般是介于(a)和(b)之间；102刻蚀的选择比(Selectivity)式中，Rf为对薄膜(film)的刻蚀速率；Rm为对掩膜或衬底的刻蚀速率。一般要求Sfm在25-50之间比较合理；

S值的大小和工艺参数相关：湿法刻蚀过程：与腐蚀剂成份、浓度、温度等有关；干法刻蚀过程：与等离子体参数、等离子体化学、气压、气体流量等有关；11

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硅片上生长薄膜厚度的不均匀和各个部位刻蚀速率的不均匀会导致刻蚀图形转移的不均匀性；若片上薄膜最厚处厚度为h(1+δ);最薄处为h(1－δ)；片上最大刻蚀速率为v(1+ξ);最小刻蚀速率为v(1－ξ)；则有，可见，对硅片的刻蚀会存在(tM－tm)的时间差，即以tm为刻蚀时间，则膜厚部位未刻蚀尽，延长刻蚀时间则造成膜薄部位过刻蚀，影响其图形转移精度；3刻蚀的均匀性13过腐蚀overetch•有些情况需过腐蚀，弥补薄膜的不均匀性；为了去除台阶边的残余材料也需过腐蚀如超过Ws=Wr这一点还继续进行腐蚀，就出现过腐蚀；一般情况，都要求过腐蚀，以保证所有窗口干净；14

ULSI对腐蚀的要求得到满意的剖面(desiredprofile);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

(Uniformandreproducible);对表面和电路损伤最小(Minimaldamagetosurfaceandcircuit);干净、安全、经济(Clean,economical,andsafe);15§9.2湿法腐蚀湿法又称为湿化学的腐蚀方法；一湿法腐蚀的工艺过程1，腐蚀液流至硅片表面；2，腐蚀液与裸露的膜发生化学反应，生成可溶性的副产品或气体；3，反应生成物从硅片表面移去；这三个步骤必须同时发生，最慢的一种称为速率限制步骤，它决定着腐蚀(刻蚀)速率；161，腐蚀不同的材料需要采用不同的腐蚀剂；2，湿法腐蚀的反应产物必须是气体或能溶于腐蚀液的物质，否则会造成反应产物的沉淀从而影响腐蚀过程的正常进行；3，一般说来湿法是各向同性的腐蚀；在特定溶液和材料的条件下可显现为沿一定晶面的选择性腐蚀；4，反应过程常伴有放热和放气，影响刻蚀质量；5，湿法腐蚀工艺本身的局限性，使得在特征尺寸小于3微米的工艺中很少采用；二湿法腐蚀的主要特点：17

SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O

腐蚀液由HF（40%）和NH4F水溶液混合组成；影响SiO2腐蚀的主要因素是腐蚀液的配比、腐蚀温度、腐蚀时间和腐蚀方法；当温度一定时，SiO2的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比和SiO2的掺杂程度:SiO2掺磷浓度越高，腐蚀速率越快；掺硼时则相反；腐蚀时间由SiO2厚度和选用的腐蚀速率决定，考虑到SiO2厚度的误差，应考虑一定的过腐蚀量；三常用介质薄膜的湿法腐蚀工艺1SiO2的湿法腐蚀18

SiO2腐蚀时对温度最敏感，温度愈高，速率愈快，腐蚀时必须严格控制温度(一般在30－40℃)；不同掺杂SiO2的腐蚀速率和腐蚀温度的关系(a)掺磷SiO2；(b)掺硼SiO2；(c)不掺杂的SiO219腐蚀液的搅动方式对SiO2的腐蚀速率也有影响可见，喷雾腐蚀是一种较好的湿法腐蚀方法；

HF对SiO2与Si有着极高的选择比，通常可好于100/1；

SiO2在湿法腐蚀时是各向同性的；几种腐蚀搅动方式的性能比较202Si3N4的腐蚀硬Si3N4可用180℃H3PO4腐蚀，由SiO2作掩蔽；硬Si3N4的腐蚀速率为100埃/分钟;SiO2为10埃/分钟；Si3N4、SiO2和Si在180℃磷酸中的腐蚀速率

Si3N4的种类:硬Si3N4－不含氧的纯Si3N4，折射率为2.0;软Si3N4－含氧和氢的Si3N4，折射率为1.5－2.0;213Si的湿法腐蚀常采用HF、HNO3和(CH3COOH)的混合物(HNA)；Si+HNO3+6HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2

对于多晶硅，由于腐蚀终点难以控制，腐蚀质量不佳，现已基本上被干法刻蚀取代；

Si的各向异性腐蚀

采用NaOH、KOH腐蚀硅，其腐蚀速率沿(100)晶面最快，(110)次之，(111)晶面相对最慢；因此，对(100)的硅片表面，其深度方向的刻蚀呈现各向异性；

Si的各向同性腐蚀22硅的各向异性腐蚀示意图234铝腐蚀腐蚀液种类很多，效果较好的是由磷酸、硝酸、冰醋酸和水组成的混合腐蚀液。其中：磷酸主要起腐蚀铝的作用，约占腐蚀液的80％；2Al+6H3PO4→2Al(H2PO4)3+3H2↑

硝酸与铝反应生成Al(NO3)3,增加硝酸可提高腐蚀速度，但含量过高会影响光刻胶的抗蚀能力；醋酸则能降低腐蚀液的表面张力，增加硅片与腐蚀液的浸润效果，提高腐蚀的均匀性，同时具有缓蚀作用；24二种图形转移的方法(a)常规掩膜腐蚀法成形；(b)剥离(Lift-off)法成形；25

湿法腐蚀存在的主要问题(1)湿法腐蚀需消耗大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境都有害，在ULSI电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代；(2)湿法腐蚀需消耗大量的去离子水去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济；(3)湿法腐蚀是各向同性的，图形的保真度较差；(4)湿法腐蚀的分辨率较差；26

§9.3干法刻蚀(Dryetching)

定义：干法刻蚀就是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术，由于刻蚀过程中不涉及溶液，所以称之为干法刻蚀；

干法刻蚀的原理包含着物理溅射和化学反应两个过程，在不同的刻蚀条件下其物理和化学作用则有所侧重；27一等离子体刻蚀的基本分类等离子体刻蚀：

它是利用高频辉光放电将反应气体的分子电离形成的自由基与薄膜间的化学反应，把暴露在等离子体下的薄膜反应生成挥发性的生成物，而后被真空系统抽离来进行刻蚀的；

这种刻蚀方法主要是依靠化学反应来刻蚀薄膜的，与湿法腐蚀方式类似，它有选择性较好的优点，但是各向异性就比较差；282反应离子刻蚀(RIE)

这种方法是一种介于溅射刻蚀与等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。刻蚀过程中，同时用物理和化学两种反应去除薄膜，兼具高选择性和各向异性的优点；29二等离子体刻蚀与反应离子刻蚀的区别1等离子体刻蚀时，硅片放在反应室构成电容器的上下极板之间的基座上，上下极板间加射频功率；平板型等离子刻蚀系统示意图302反应离子刻蚀时，硅片放在反应室内的功率电极上，且两个电极的面积不等；平板型反应离子刻蚀系统俯视和侧面图31六角型反应离子刻蚀系统俯视和侧面图32等离子体刻蚀时反应室的压力在13－133Pa；反应离子刻蚀时反应室的压力在0.13－13Pa；反应离子刻蚀系统的特点：产生的等离子体的平均自由程大大提高；增大了从等离子体到功率电极(阴极)的电压差和离子撞击能量；

——提高了刻蚀速率，获得了各向异性刻蚀的功能，成为一种同时具备有高选择性和各向异性刻蚀双重优点的刻蚀技术33三气体等离子体的产生过程及其腐蚀作用

等离子体刻蚀装置通常采用13.56MHz的射频电源，以电容或电感耦合方式放电；在放电过程中，除了形成电子与离子之外，还可产生激发态的分子、原子及各种原子团，这些东西统称为游离基。游离基具有高度的化学活性，正是它们与被腐蚀材料的表面发生化学反应形成挥发性的产物，使材料不断被腐蚀；34例如，CF4是相当惰性的气体，它不与硅反应，但当放电时，CF4中的一种产物F（氟游离基），它与硅反应形成挥发性的SiF4,,所以常常用它来腐蚀硅；

例如，O2在室温下不显著侵蚀光刻胶，但原子氧的产生迅速地转变胶为CO，CO2和H2O的附产物,所以常常用它来腐蚀光刻胶；35四常用材料的等离子刻蚀原理与工艺1硅、多晶硅、Si3N4和SiO2的等离子刻蚀一般用CF4、SF6等氟基化合物作为腐蚀气体；在放电过程中CF4介离成F*和CF3、CF2和CF等，游离基F*的化学活性最高，很容易与硅、多晶硅、Si3N4和SiO2等物质发生化学反应，其反应过程为：

CF4→CF3+F*；CF3→CF2+F*；CF2→CF+F*；

Si+4F*→SiF4↑；SiO2+4F*→SiF4↑+O2↑；Si3N4+12F*→3SiF4↑+2N2↑；362Si/SiO2的刻蚀选择比

实验发现，调整CF4等离子体对Si/SiO2的选择比的方法，主要是控制等离子气体的组成；Si和SiO2的刻蚀速率随CF4中加入的O2含量的变化(1)CF4+O2刻蚀由图可见，CF4+O2等离子体对SiO2和Si的刻蚀速率均增加，尤其对Si的刻蚀速率增加更迅速；但当氧气含量高于一定比例之后，则腐蚀速率下降；37

机理：除了氧可以抑止F原子在反应器壁上的损耗外，并能作为一种反应剂形成激活态的氟氧活性剂：式中，COF*寿命较长，当它运动到硅片表面时发生如下反应：COF*→F*+CO4F*+Si→SiF4

则在反应过程中，生成的含氧化合物将消耗许多等离子体中的C原子，使得CF4等离子体内的F原子数对C原子数的比例上升，导致刻蚀速率的增大；

当氧含量太高之后，CF4的相对浓度变低，则导致刻蚀速率的下降；CF4+O2→F*+COF*+O*+CO+CO2+38(2)CF4+H2刻蚀

CF4等离子体中加入少量的H2，发现对于Si和SiO2的刻蚀效果与CF4中加入少量O2的效果正好相反；使SiO2的刻蚀速率比Si大得多，由此得到比较好的选择比；Si/SiO2选择比与CF4+H2组分的关系

机理：

H2+2F=2HF导致氟原子浓度的降低，使得CF4+H2等离子体对SiO2与Si的刻蚀速率递减，选择比提高；39氢气浓度对光刻胶、SiO2和多晶硅刻蚀速率的影响40(3)不同C/F比气体对SiO2/Si选择比的影响

机理：当F原子对SiO2进行刻蚀时，SiO2内的Si原子将被生成SiF4气体，而氧原子将被释出。由此使得F原子的浓度受刻蚀反应消耗的影响较小，不易在其表面生成碳氟化合物；相反Si的表面则因为没有氧原子的补充，F/C相对较低，所以，在Si表面会有碳氟聚合物产生，并覆盖在Si表面，这就阻止了Si被进一步刻蚀，因此有助于提高SiO2对Si的选择比；413铝的刻蚀(1)通常采用氯化物作为腐蚀剂。常用的氯化物气体有CCl4、CHCl3、BCl3、PCl3和SiCl4及其混合的气体等；有时还在其中加一定量的Cl2；(2)刻蚀铝之前，必须首先去除自然氧化层：工作气体中掺入Ar，在强电场作用下，以溅射和腐蚀相结合的方式进行刻蚀；以BCl3蒸气作工作气体，利用辉光放电时产生的BCl2*和Cl*离子,BCl2*腐蚀Al2O3生成挥发性的氯氧化合物；Cl*与Al反应生成挥发性的AlCl3；42(3)沾污对铝刻蚀的影响水汽和O2的沾污