chap8刻蚀工艺

1、1,刻蚀工艺(Etch),基本概念 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料上去，这个工艺叫做刻蚀。,2,两大关键问题： 选择性 方向性：各向同性/各向异性,待刻材料的刻蚀速率,掩膜或下层材料的刻蚀速率,横向刻蚀速率,纵向刻蚀速率,图形转移光刻刻蚀,3,目的：把经过曝光, 显影后的光刻胶微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。,4,8.10 VLSI对图形转移的要求,保真度 选择比 均匀性 清洁度,5,保真度： A=|dfdm| / 2h 1A 0,各向异性腐蚀：方向不同，腐蚀特性不同

2、。 各向同性腐蚀：不同方向的腐蚀特性相同,6,选择比：指两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀的速率比。 如SiO2的刻蚀中 对光刻胶和硅的腐蚀速率很低 对SiO2的腐蚀速率很很高,7,均匀性,平均厚度h，厚度变化因子， 1 0，最厚处h*(1+ ),最薄处h*(1 ) 平均刻蚀速率V，速度变化因子， 1 0，最大速度V*(1+ ),最小速度V*(1 ),8,刻蚀时间差,TMTm= h*(1+ ) / V*(1- ) h*(1 ) / V*(1+ ) 粗细线条兼顾，折中 洁净度 防止沾污,9,刻蚀的性能参数,10,A0 0A1 A=1,方向性：,11,刻蚀要求: 1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图

3、形） 2. 过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10，以保证整片刻蚀完全） 3. 选择性好 4. 均匀性和重复性好 5. 表面损伤小 6. 清洁、经济、安全,两类刻蚀方法： 湿法刻蚀化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好 干法刻蚀气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之,12,刻蚀过程包括三个步骤： 反应物质量输运（Mass transport）到要被刻蚀的表面 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,13,8.11 刻蚀方法,湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。,14,湿法刻蚀,反应产物必须溶于水或是气相,15,各 向 同 性,16,

4、例4：Si采用KOH腐蚀,Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-,硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀,17,原子密度： 腐蚀速度：R(100) 100 R(111),18,HNA各向同性腐蚀,自终止,19,20,湿法的刻蚀原理：湿法是接触型腐蚀，以HF酸腐蚀SiO2为例： SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O此反应的产物是气态的 SiF4和水,其反应速率R可用 Arrhenius方程描述：R = R0exp(-Ea/kT)，其中R0是常数，Ea是反应的激活能，k是玻耳兹曼常数，T是温度,21,湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛

5、光、清洗、腐蚀. 优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低. 缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差.,22,湿法腐蚀特点： 1.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淀，从而影响刻蚀正常进行。 2.一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。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。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

6、走气泡，有时也可以在腐蚀液中加入少量氧化剂去除气泡。,24,干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料。发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。 横向腐蚀小,钻蚀小,无化学废液,分辨率高,细线条 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 缺点:成本高,设备复杂,25,v湿法干法结合 v湿法去表层胶，干法去底胶,26,湿法腐蚀的缺点,在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代： （1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性 （2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差 （3）湿法腐蚀需大量的腐

7、蚀性化学试剂，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蚀剂剩余物，不经济,27,8.12干法刻蚀,一.干法刻蚀原理 基本原理：腐蚀剂气体与被腐蚀样品表面接触来实现腐蚀,28,化学刻蚀（各项同性，选择性好） 等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀) 物理刻蚀（各向异性，选择性差） 高能离子的轰击 (溅射刻蚀) 离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好） 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物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差 等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产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，

8、但各向异性较差 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,30,干法刻蚀特点： 干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，以便使光刻在薄膜上的转移图案与掩膜版上原图相同。,31,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，有很强的化学活性，撞击在硅片上，发生反应，腐蚀硅化物。 1.多晶硅、氧化硅

9、、氮化硅，采用CF4刻蚀,两类物质的腐蚀：,32,CF4 CF3+F* CF3 CF2+F* CF2 CF+F* Si+4F* SiF4 SiO2+4F* SiF4 +O2 Si3N4+4F* 3SiF4 +2N2,33,2.铝及其合金-氯基CCl4,CHCl3,3.难熔金属氯基或氟基 TaSiX+nFTaF5+SiF4 TaSiX+nClTaCl5+SiCl4 4.光刻胶O2,34,二. 常用材料的腐蚀剂,35,三.影响刻蚀速度的条件,气体压力 气体流量 射频功率 温度 负载效应 腐蚀剂选择比,36,刻铝中的问题,铝表面的氧化铝难刻 中间产物AlCl4,BCl3淀积在表面，阻止刻蚀,37,去

10、胶,等离子去除胶底膜 紫外光分解去胶原理:光刻胶薄膜在强紫外光照射下, 分解为可挥发性气体（如CO2、H2O），被侧向空气带走。,38,四.等离子刻蚀设备,圆筒型 平板型,39,40,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,43,8.13 光刻质量分析,一、光刻的质量要求： 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，不染色；硅片表面清洁，无底膜；图形套刻准确。 光刻胶的质量和放置寿命(6个月). 颗粒0.2m, 金属离子含量很少 化学稳定,

11、光/热稳定度 粘度,44,二、光刻的质量分析 （1）影响分辨率的因素： A、光刻掩膜版与光刻胶的接触; B、曝光光线的平行度; C、掩膜版的质量和套刻精度直接影响光刻精度; D、小图形引起逛衍射; E、光刻胶膜厚度和质量的影响： F、曝光时间的影响： G、衬底反射影响：H、显影和刻蚀的影响：,45,（2）浮胶： 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。这种现象称为溶胶或脱胶。出现原因如下。 1）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。 2）硅片面膜上不干净：硅片表面生长的薄层，由于表面

12、不干净，那么与光刻胶粘附力下降，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，抗蚀力下降，也会出现溶胶现象。 4）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，胶膜会软化。显影液从底部浸入，引起胶膜脱落。,47,（3）小岛： 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，这些小岛阻挡了杂质的扩散，使得P-N结不平坦，半导体器件特性受到了影响，造成反向漏电增加，甚至极间穿通。产生小岛的原因： 1）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

13、上留有小岛。,48,2）在光刻胶中有颗粒状不溶性物资残留在硅片表面，使得局部小区域的二氧化硅腐蚀不掉形成小岛。 3）曝光过度，使得局部区域显影不干净，或显影不完全，残留在胶膜底部，腐蚀以后产生小岛。,49,（4）针孔 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。这些孔洞使不该扩散的区域，杂质也扩进去了，造成P-N结短路、漏电、低击穿。产生针孔的原因有： 1）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，而被显影液溶解，经刻蚀以后便形成了针孔。 2）操作过程中尘埃玷污，特别是在涂胶过程中，尘埃落到了胶表面，这样就起了阻挡光线的作用，形成针孔。,50,3）感光剂中有

14、颗粒状物质或灰尘，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。 4）硅片表面质量不好，有颗粒状凹坑，也会形成针孔。 5）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，腐蚀时掩膜失效，形成了针孔。,51,（5）毛刺、钻蚀腐蚀时，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衡，使结特性变坏，影响器件的成品率和可靠性。产生原因：,52,1）基片表面不清洁，存在油污、灰尘或水汽，使光刻胶和氧化层粘附不良，引起毛刺或局部钻蚀。 2）氧化层表面存在磷硅玻璃，特别是磷的浓度较大时，表面与光刻胶粘附性不好，耐蚀性能差，容易造成钻蚀。 3）光刻胶中存在颗粒状物质，造成局部粘附不良. 4）显影时间过长，图形边缘发生钻溶，腐蚀时造成毛刺或钻蚀 5）掩膜版图形的边缘有毛刺或缺陷等等。,53,总结,1.光刻的定义 2.光刻的目的 3.光刻三要素 4.光刻的原理 5.光刻工艺流程（各个步