西安交通大学 微电子制造技术 第十六章 刻蚀
第09章-刻蚀工艺
微观负载效应
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢 – 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
微观负载效应刻蚀轮廓
14
过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
15
CF4, CHF3 CF4, CHF3 SF6
4835 6156 2535 7037
半导体制造技术导论（第二版）
第九章
刻蚀工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介
• 刻蚀工艺基础
• 湿法刻蚀工艺 • 干法刻蚀工艺 • 等离子体刻蚀工艺
• 刻蚀工艺制程趋势
• 刻蚀工艺发展趋势
2
简
介
先进的集成电路工艺流程
先进的集成电路工艺流程
4
刻蚀工艺简介
• 刻蚀工艺
– 移除晶圆表面材料 – 图形化刻蚀：去除指定区域的材料，将图形转移到衬底薄膜上 – 整面全区刻蚀：去除整个表面薄膜达到所需工艺要求
34
离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
35
刻蚀工艺的比较
纯化学刻蚀 应用 刻蚀速率 湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀 可以从高到低
反应式离子刻蚀 等离子体图形化刻蚀 高，可控
纯物理刻蚀 氩轰击 低
选择性
刻蚀轮廓 工艺终点
非常好
等向性 计时或目测
可以接受，可控
������ =
������1 − ������
2
+ ������2 − ������
微电子制造科学原理与工程技术
车辆工程技术72 机械电子微电子制造科学原理与工程技术董晨阳（中国计量大学,杭州 310018）摘 要：本文介绍了微电子制造的科学原理与工程技术。
微电子制造技术涵盖了集成电路制造所涉及到的多数单项工艺，囊括了反应离子刻蚀、离子注入以及等离子体等。
而对于每一种单项工艺，详细的介绍了其化学和物理原理，对用于集成电路制造的工艺设备业也进行了一定的描述。
其中对于一些先进技术也有详细的介绍，比如快速热处理丁浩分子束外延和有机化学沉淀等，在此基础上，还介绍了一系列常见的集成电路工艺技术，比如双极型技术和砷化镓技术，对于微电子制造的新兴领域即使微机械电子系统和工艺也有涉及。
微电子制造科学原理与工程技术一书是高等学校本科生的教科书，供相关专业人士参考。
关键词：微电子制造；科学原理；工程技术0 引言 在上世纪60年代，电子学领域诞生了一个新的分支，即是关于研究如何利用固体内部的微观特征和一些特殊工艺，在一小块半导体材料中制作出极多的元件，进而在一个细小的面积之内制造出一个极其复杂的电子系统，该电子系统就是微系统电子学。
微电子学中的各项工艺技术有一个统称，就是微电子技术，该领域最主要的应用就是集成电路。
集成电路现如今已经经历了包括小规模、中规模在内的四大发展阶段。
1 微电子材料和应用 微电子材料会根据形态而分成两大部分，一部分是晶圆片，另外一部分是薄膜，而不管微电子材料是晶圆片还是薄膜，都可以处在单晶、多晶或者不定的一种形态。
在晶圆片中，硅和锗是两种最为主要的构成材料，世界上的第一个晶体管就是利用锗制造，但是由于锗的熔点只有937摄氏度，导致其受到温度的制约，限制了高温工艺的发展，且在锗的表面会缺少因为自然氧化而形成的氧化膜而出现漏电的情况，这两种物理特性导致锗形成的微电子材料应用不够广泛。
而基于硅制造出的材料就具备一些显著优点。
除去上述两者之外，晶圆片还可以是碳化硅、蓝宝石或者玻璃等。
而薄膜也可以分为两大类，单元素薄膜，比如有单硅和铜等，以及化合物薄膜，比如氧化硅和氮化硅等。
微电子09集成电路制造工艺
集成电路制造技术的发展推动了电子技术的进步， 促进了信息产业的发展。
集成电路制造的流程
材料准备
选择合适的衬底材料，并进行清 洗和加工。
图形制备
将电路设计转换为实际的生产图 形，并进行光刻和刻蚀。
薄膜制备
在衬底上沉积所需的薄膜材料， 如金属、介质等。
互连
将电路元件和互连线连接起来， 形成完整的电路系统。
集成电路制造是将电子元器件和电路设计转变为实际可用的集成 电路的过程，包括材料准备、图形制备、薄膜制备、掺杂、刻蚀 、互连等多个环节。
集成电路制造的重要性
提高性能
集成电路制造技术能够将更多的电子元器件集成到 更小的空间内，从而提高电子产品的性能。
降低成本
集成电路制造技术能够实现大规模生产，降低单个 元器件的成本，从而降低整个电子产品的成本。
80%
导体材料
如金、银、铜等，用于制造集成 电路中的导线和连接器。
微电子设备
刻蚀设备
用于在半导体材料上刻蚀出电 路和元件的轮廓。
镀膜设备
用于在半导体材料上沉积金属 或化合物，形成电路和元件的 导线和介质层。
检测设备
用于检测集成电路的质量和性 能，如电子显微镜、X射线检 测仪等。
微电子材料与设备的发展趋势
新材料的研发和应用
随着集成电路技术的发展，对材料的 要求越来越高，需要不断研发新的材 料来满足集成电路的性能和可靠性要 求。
高精度设备的研发和应用
智能制造技术的应用
将人工智能、大数据等技术与微电子 制造相结合，实现智能化制造，提高 生产效率和产品质量。
为了制造更小、更复杂的集成电路， 需要研发更高精度的设备来提高制造 效率和产品质量。
第06章 刻蚀
（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
湿法各向同性化学腐蚀
各向同性刻蚀是在各方向上 以同样的速率进行刻蚀 胶
膜
衬底
干法刻蚀
• 干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点 • 刻蚀反应
干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点
7. 不会腐蚀金属.
VLSI/ULSI 技术中的复合金属层
钨的反刻
通孔
SiO2 ILD-2 金属1 复合层 ILD-1
钨
(a) 通孔刻穿 ILD-2 (SiO2)层 钨塞 SiO2 金属2复合层 钨塞
(b) 钨 CVD 通孔填充
(c) 钨反刻
(d) 金属2 淀积
去胶机中氧原子与光刻胶的反应
顺流等离子体 1) O2 分子进入反 应腔
湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物不经济各向同性刻蚀是在各方向上以同样的速率进行刻蚀衬底刻蚀剖面是各向异性具有非常好的侧壁剖面控制cd控制反应正离子轰击表面原子团与表面膜的表面反应副产物的解吸附各向异性刻蚀各向同性刻蚀溅射的表面材料化学刻蚀物理刻蚀衬底刻蚀反应腔电场使反应物分解反应离子吸附在表面反应正离子轰击表面排气气体传送rf发生器副产物电子和原子结合产生等离子体副产物解吸附阴极阳极电场各向异性刻蚀各向同性刻化学干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀usedprimarilyetchbackoperations
膜
衬底
具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
各向异性刻蚀是仅在一 个方向刻蚀
胶 膜 衬底
湿法腐蚀和干法刻蚀的剖面
刻蚀中的钻蚀和过刻蚀
钻蚀 光刻胶 过刻蚀 膜 衬底
集成电路制造技术 西交大 工程硕士 热氧化
工艺
掩膜氧化（厚氧化层） 干氧-湿氧-干氧 薄层氧化（MOS栅）
干氧
掺氯氧化
23
三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较
氧化 方 式 氧化 温度 （℃） 1000 生长速率常数 （mm2/min） 1.48×10-4 6.2×10-4 38.5×10-4 117.5×10-4 43.5×10-4 133×10-4 生长0.5 微米SiO2 所需时间 （min） 1800 360 63 22 58 18 SiO2的密度 （g/mm） 2.27 2.15 2.21 2.12 2.08 2.05 水浴温度 95℃ 水汽发生器 水温 102℃
1000℃下湿法氧化一 小时的氧化层厚度
34
解：1µm厚氧化层消耗的硅为：1×0.44=0.44µm 湿法氧化，温度1000℃、时间1小时氧化层 的厚度为： X=(Bt)1/2=(0.48×10-2×60)1/2=0.5366µm 0.5366µm 厚 氧 化 层 消 耗 的 硅 为 ： 0.5366×0.44=0.24µm 最终硅的台阶高度最大为：0.44+0.24=0.68µm
4.1二氧化硅薄膜概述 4.2 SiO2的掩蔽作用
4.3 氧化机理
4.4 氧化系统、工艺 4.5 影响氧化速率的各种因素 4.6 杂质再分布 4.7 SiO2/Si界面特性
4.8 氧化层的检测
3
4.1二氧化硅薄膜概述
二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。 二氧化硅薄膜的制备方法有： 热氧化 化学气相淀积 物理气相淀积 阳极氧化等 热氧化是最常用的氧化方法，氧化时需要消耗 硅衬底，是一种本征氧化法。
t
0.56 0.44 t t
西安交通大学MEMS与纳米技术讲义
MEMS1、导论: MEMS（微型电子机械系统）●定义：MEMS是由微加工技术制备，特征结构在微米尺度（1um~0.1mm范围）的，集成有微传感器、微致动器、微电子信号处理与控制电路等部件的微型系统。
／其中微传感器获取外部信息，微电子信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微致动器执行决策。
●MEMS的特点：MEMS 系统和器件的尺寸十分微小，通常在微米量级，微小的尺寸不仅使得MEMS能够工作在一些常规机电系统无法介入的微小空间场合，而且还意味着系统具有微小的质量和消耗，微小的结构尺寸通常还为MEMS器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。
80%以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式，制造成本因而得以大大降低。
于单一芯片内实现机电集成也是MEMS独有的特点。
单片集成系统能够避免杂合系统中由各种连接所带来的电路寄生效应，因此可以达到更高的性能并更加可靠。
单片集成更有利于节约成本。
组件装配特别困难，目前许多MEMS都是设计成不需装配或者具有自装配功能的系统。
MEMS构件的加工绝对误差虽然很小，但其相对误差较大。
MEMS硅微加工所使用的材料较为单一，三维加工能力明显不足。
MEMS的应用：信息技术领域；生物与医疗领域；国防领域；能源领域。
2、MEMS器件与结构：常用的力学量和电量的转换机理包括：压阻效应、电磁、静电等。
压阻效应是指固体的电阻与其体内应力分布相关的现象。
硅材料很合适制作压阻效应传感器。
压电效应是指压电晶体受力时其两端会产生电位差，同样，当在压电晶体两端施加压力时，晶体会产生伸缩变化。
传感器和致动器都可以采用。
力学传感器采用压阻效应的最多，例如硅微压力传感器和加速度传感器，压敏电阻采用掺杂工艺实现。
力学致动器的目的是将电量转换为力学量，或者说是要把电量转换成机械能。
常采用静电和压电效应。
静电致动的好处是理论成熟，对结构材料无特殊要求，因而工艺相对简单，而且工作频率高，功耗低，其主要缺点在于其具有明显的非线性，需高压驱动且力量较小。
6-半导体加工技术-2-刻蚀
向低能级越变： XY∗→XY+hv(光子) 发光性（光学应用）
强碰撞分解：XY+e→X+Y+e
反应性（化学应用）
更强碰撞电离：XY+e→XY++2e
导电性（电学应用）
加速：电子和离子由电场加速
高速粒子（力学应用）
升温：粒子间冲击发热，与固体冲击 高温性（热学应用）
XY*为能级较高的激发态分子；
3、等离子体的应用
RF电源 气瓶
等离子体刻蚀装置
7、溅射刻蚀（sputter etching）
溅射：加速的离子轰击固体
表面，从固体表面溅出原子
的现象。
工件
电离气体：惰性气体（氩） 辉光放电电离： Ar+e→Ar++2e 固体原子获得的能量：
等离子体 电极
刻蚀气体 泵
E2 max
=
4m1m2 (m1 + m2 )
E0
E0为离子轰击前能量；m1和m2为离子与固体原子的质量。
能量
制造、材料
环境、宇宙
<电学应用> 热电子发电 MHD发电 核融合发电 闸流管 点火管
<光学应用> 照明用灯管 霓虹灯 气体激光 等离子体显示器 紫外线源 X射线源
<力学应用> 电子束/离子束源 粒子加速
<热学应用> 电弧焊接 放电加热 等离子体喷射 烧结 微粉体制造
<化学应用> 表面改质 等离子体CVD 等离子体刻蚀(太阳电 池、LSI、MEMS、 DRAM等制造)
• EDP、EPW：(ethylene diamine, pyrocatechol, water)
乙二胺(ethylene diamine): NH2-CH2-CH2-NH2 邻苯二酚(pyrocatechol): C6H4(OH)2 不易操作，有毒性，对SiO2、P++选择性好，气泡少。1.3μm/min(115°C)。
集成电路制造技术——原理与工艺
2018-2014全球集成电路市场规模及增速
1、2014年全球半导体市场规模达到3331亿美元，同比增长9%，为近四年增速之最。 2、从产业链结构看。制造业、IC设计业、封装和测试业分别占全球半导体产业整体营业收入 的50%、27%、和23%。 3、从产品结构看。模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片2014年销售额分别442.1 亿美元、622.1亿美元、859.3亿美元和786.1亿美元，分别占全球集成电路市场份额的 16.1%、22.6%、32.6%和28.6%。
4、保障措施
成立国家集成电路产业发展领导小组，国务院副总理马凯任组长，工业化信息化部 部长苗圩任副组长。
设立国家产业投资基金，已成功吸引了金融机构、民营企业等各方出资，募资已超 1000亿；已向紫光集团投资合计300亿元。
加大金融支持力度。 加大人才培养和引进力度。
集成电路制造技术——原理与工艺
9
产业现状-全球
集成电路制造技术——原理与工艺
10 现代光 刻技术
11 刻1蚀6
本课程学习目的？
1、掌握集成电路工艺设计、工艺集成流程。 2、清楚各种工艺设备及各工艺环节。 3、了解集成电路产业和技术发展。 4、了解集成电路封装和电学测试。
集成电路制造技术——原理与工艺
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如何学习本课程？
1、这是一门工程学科，不是理论基础课程。 2、更多关注领域前沿，结合实际应用学习。
集成电路制造技术——原理与工艺
19
1947年：美国贝尔实验室的约翰·巴丁、布拉顿、肖克莱三人发明了晶体 管，这是微电子技术发展中第一个里程碑； 1950年：结型晶体管诞生 1950年： R Ohl和肖克莱发明了离子注入工艺；1951年：场效应晶体管发 明；1956年：C S Fuller发明了扩散工艺。
干法刻蚀制程工艺及相关缺陷的分析和改善
Keywords: nel, Array, Dry etching, Plasma, Exhaust velocity
申请上海交通大学工程硕士专业学位论文
干法刻蚀制程工艺及相关缺陷的分析和改善
学 校：上海交通大学 院 系：电子信息与电子工程学院 工程硕士生：张新言 工程领域：平板显示 导 师Ⅰ：李荣玉（副教授） 导 师Ⅱ：陈勤达（高级工程师）
上海交通大学电子信息与电气工程学院 2009 年 9 月
A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for Master Degree of Engineering
目录
摘 要 .......................................................................... I ABSTRACT .......................................................................Ⅲ 目录 ........................................................................................................................................................ Ⅴ 第一章 TFT-LCD 发展概述......................................................... 1 1.1 TFT-LCD 发展历史和应用........................................................1 1.2 中国 TFT-LCD 产业发展简史...........................................................................................................4 1.3 全球 TFT-LCD 发展新技术动向 ...................................................5 1.4 本章小结 .....................................................................5 第二章 TFT-LCD 的器件构造及显示原理 ............................................. 6 2.1 液晶显示器构造简述 ...........................................................6 2.2 TFT-LCD 显示原理 .............................................................7 2.3 本章小结 .....................................................................9 第三章 液晶面板的生产工艺流程 ................................................. 10 3.1 液晶面板生产工艺流程综述 ....................................................10 3.2 阵列工程（ARRAY）....................................................................................................................... 11 3.3 液晶成盒工程（CELL） ........................................................28 3.4 模组工程（MOUDLE） ..........................................................31 3.5 本章小结 ....................................................................31 第四章 干法刻蚀工艺和相关缺陷分析 ............................................. 32 4.1 DEC 设备“基板冒烟”现象的研究及对策 .................................................................................32 4.2 DEC 设备刻蚀残留的问题…………………………………………………………………………36 4.3 本章小结 ....................................................................45 第五章 全文总结 ................................................................46 5.1 主要结论 ....................................................................46 5.2 研究展望 ....................................................................47 参考文献 ...................................................................... 49 致 谢 ........................................................................ 50 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 ............................................ 51
《微电子技术及应用》课程教学大纲
《微电子技术及应用》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：101123课程名称（中/英文）：微电子技术及应用/Microelectronics Technology and Applications 课程类别：专业选修课程学分：2总学时：32理论学时：32实验/实践学时：0适用专业：材料成型及控制工程适用对象：本科先修课程：、半导体器件电子学、半导体物理、集成电路制造技术教学环境：计算机（多媒体）开课学院：材料科学与工程学院二、课程简介（课程任务与目的、对接培养的岗位能力，300字左右。
）1.课程任务与目的本课程是材料成型及控制工程专业的专业选修课程之一。
主要讲述半导体器件以及集成电路的工艺原理与加工过程。
通过该课程的学习，使学生对制造半导体器件的基本工艺原理和工艺加工步骤有比较全面、系统的认识；同时，对集成电路的制造加工有基本的了解与掌握，培养学生分析和解决半导体工艺基础问题的能力。
这门课为学生后续专业课程的学习和进一步获取有关专业知识奠定必要的理论基础。
2.对接培养的岗位能力通过本课程学习使学生从事实际工作提供一定的实践动手能力，培养学生提出问题和分析问题的能力，使学生理论联系实际的能力有所提高和发展，开阔学生的眼界、启迪并激发学生的探索和创新精神，更深层次的提升其研究素质，为将来把基础理论与半导体技术最新需求相结合提高工作能力做好储备。
三、课程教学目标按照本专业培养方案的毕业要求，参照培养方案中毕业要求与课程的支撑关系矩阵表，阐述本课程所承载的知识、能力和素质培养的具体要求，课程教学目标支撑毕业要求的达成，一般4条左右。
1. 通过本课程的学习，学生应对制造半导体器件基本工艺原理和加工步骤有清晰、全面的认识；了解微电子技术及其发展趋势和应用。
2. 通过本课程的学习，学生应具有通过网络搜索、文献检索、资料查询获取知识的能力；养成终身学习的意识和习惯；具有综合运用微电子技术的科学理论与技术分析并解决工程实际问题的能力。
电子束曝光技术
18.06.2020
14
电子束曝光技术
电子束曝光技术是近30年来发展起来的一门新兴技术，它 集电子光学、精密机械、超高真空、计算机自动控制等近代 高新技术于一体，是推动微电子和微细加工技术进一步发展 的关键技术之一。
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2
第一节：纳米加工技术概述
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3
纳米加工技术
纳米（Nanometer）是一个长度单位，简写为nm。
1nm=10-3μm=10-9m。
纳米技术是20世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种 高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而 且是一种新的加工方式，即生产过程越来越细，以至于 在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定 功能的产品。
电子束抗蚀剂
PMMA ZEP520
HSQ ma-N2400
e
1.226 V
nm
类型
分辨率(nm)
正型
10
正型
10
负型
6
负型
80
灵敏度(uC/cm^2)
100 30 100 60
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24
正抗蚀剂
入射粒子将聚合物链打断
正抗蚀剂：入射粒子将聚合物链打断，曝光的区域 变得更容易溶解，显影完毕后，曝光图形阴影部分 的胶都溶解了。
H
H
H
H
H
H
O CH O CH O CH O CH O CH O CH
n
H
H
离子刻蚀原理-概述说明以及解释
离子刻蚀原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述离子刻蚀是一种常用的微纳加工技术，通过利用离子束对材料表面进行加工，实现对微纳结构的刻蚀和改变。
离子刻蚀技术广泛应用于半导体制造、光学元件制备、微纳电子器件制备等领域。
离子刻蚀的基本原理是将离子束照射到材料表面，利用离子的冲击力和能量将表面原子或分子击出，从而改变材料表面的形貌和化学组成。
离子束经过加速、准直和聚焦等处理后，可以形成高速的、具有一定能量的离子束。
这些离子束照射到材料表面时会发生核反应、电离、弹性散射等过程，从而引起材料表面的刻蚀。
离子刻蚀技术在半导体制造中起着重要作用。
例如，在集成电路制造中，需要通过离子刻蚀来形成晶体管、金属导线、电容器等微纳结构。
离子刻蚀技术还可以用于制备光学器件，如光纤、激光器等。
此外，离子刻蚀技术还可以用于制备微纳电子器件、生物芯片等。
离子刻蚀技术具有高加工精度、可控性强、加工速度快等优点。
通过调节离子束的能量、束流密度、照射时间等参数，可以实现对材料表面的精确加工。
然而，离子刻蚀也存在一些问题，例如在刻蚀过程中可能出现侧向腐蚀、粗糙度增加等现象，需要进一步的研究和改进。
综上所述，离子刻蚀是一种重要的微纳加工技术，具有广泛的应用领域和潜力。
随着科技的不断进步和发展，离子刻蚀技术将继续得到改进和完善，为微纳加工领域的发展提供更多可能性。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分主要介绍了本篇长文的组织结构和各个章节的内容概述。
本文主要分为以下几个章节：1. 引言：通过本章节，我们将会对离子刻蚀的基本概念作出简要阐述，并介绍本篇长文的整体结构和目的。
2. 正文：本章节将详细介绍离子刻蚀的基本原理，包括离子刻蚀的定义、刻蚀机制、刻蚀设备等内容。
同时，我们还将探讨离子刻蚀在不同领域中的应用，如半导体加工、纳米技术等。
3. 结论：在本章节中，我们将对离子刻蚀的基本原理进行总结，概括归纳其优势和局限性，并对离子刻蚀的未来发展进行展望，提出一些可能的研究方向和应用前景。
车间工艺--刻蚀+PECVD
等离子体刻蚀拟解决的问题
刻蚀均匀性的控制 刻蚀效果监测
PECVD镀SiNx:H薄膜-单层介质减反射膜
n0
n1d1 0 / 4
n2
r1
r2
1
δ1
2
n12 n0n2
n1d1 0 / 4
0Байду номын сангаас
r 0, R 0
减反膜对硅片反射率的影响
PECVD镀SiNx:H薄膜-SiNx的优点
边缘刻蚀质量控制及检测-质量问题
刻蚀时间过长： 刻蚀时间越长对电池片的正反面造成损伤影响越大，时
间长到一定程度损伤不可避免会延伸到正面结区，从而导致 损伤区域高复合。 射频功率太低：
使等离子体不稳定和分布不均匀，从而使某些区域刻蚀 过度而某些区域刻蚀不足，导致并联电阻下降。
边缘刻蚀质量控制及检测-检测
（mbar) （W）
（W）
100
500
0
预抽 80
主抽
工作阶段时间（s）
充气
辉光
60
150
1000
清洗 60
充气 180
辉光颜色
腔体内呈 乳白色， 腔壁处呈
淡紫色
*可根据生产实际做相应的调整
边缘刻蚀质量控制及检测-质量问题
短路形成途径 在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面
（包括边缘）都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集 到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面， 而造成短路。此短路通道等效于降低并联电阻。 控制方法
工艺参数调节(SINA-L)
带速：80cm/min 沉积温度：400度 工作压力：0.25mbar 微波功率：3100mw(left),3700mw(right) 气体流量比：SiH4:NH3＝550sccm:1950sccm
微电子制造技术氧化硅的湿法刻蚀
– 锥形
硅槽
微电子制造技术
电信学院 微电子学系 11
刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽几何尺寸的变化 （见图16.6）。它通常是由于横向钻蚀引起的（ 见图16.7），但也会由刻蚀剖面引起。当刻蚀中 去除掩膜层下过量的材料时，会引起被刻蚀材料 的上表面向光刻胶边缘凹进去，这就是横向钻蚀 。计算刻蚀偏差的公式如下：
SR =Ef/Er Ef =被刻蚀材料的刻蚀速率 Er =掩膜材料的刻蚀速率
高的选择比可以是100:1
Er
Ef S=
Er
Ef
氮化硅
Oxide
微电子制造技术
Figure 16.8
电信学院 微电子学系 15
刻蚀均匀性
刻蚀均匀性是衡量刻蚀工艺在整个硅片上， 或者整个一批或批与批之间刻蚀能力之间的参数 。均匀性与选择比有密切关系，因为非均匀刻蚀 会产生额外的过刻蚀。保持刻蚀均匀性是保证制 造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻 蚀具有不同图形密度的硅片上保证均匀性。
各向异性刻蚀是仅在一 个方向刻蚀
Resist Film
Substrate
Figure 16.5 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
微电子制造技术
电信学院 微电子学系 10
Table 16.1 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面
刻蚀类型
恻壁剖面
示意图
湿法刻蚀 干法刻蚀
各向同性
各向同性 (与设备和参数
有关) 各向异性 (与设备和参数
光刻胶
光刻胶 被刻蚀材料
被保护层
(a) 有光刻胶图形的衬底
微电子制造技术
(b) 刻蚀后的衬底
Figure 16.1
电信学院 微电子学系 4
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等离子体离子
Resist
Oxide
生成的聚合物
Silicon
Figure 16.10
聚合物恻壁钝化来提高各向异性
微电子制造技术
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干法刻蚀
在先进的半导体生产中，干法刻蚀是最主要 的用来去除表面材料的刻蚀方法。主要目的是完 整地把掩膜图形复制到硅片表面上，与湿法刻蚀 相比其优点列于下表中。
各向异性刻蚀是仅在一 个方向刻蚀
Resist
Film Substrate Figure 16.5 具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
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Table 16.1 湿法刻蚀和干法刻蚀的恻壁剖面
刻蚀类型 湿法刻蚀 恻壁剖面 各向同性 各向同性 (与设备和参数 有关) 各向异性 (与设备和参数 干法刻蚀 有关) 各向异性 – 锥形 硅槽 示意图
刻蚀参数
为了将掩膜图形复制到硅片表面的材料上，刻 蚀必须满足一些特殊的要求，包括以下刻蚀参数。 刻蚀速率 刻蚀剖面 刻蚀偏差 选择比 均匀性 残留物 聚合物 等离子体诱导损伤 颗粒沾污和缺陷
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刻蚀速率
刻蚀速率是指在刻蚀过程中去除薄膜表面材料 的速度（见图16.3），通常用Å/min表示。刻蚀速 率由工艺和设备变量决定，如被刻蚀材料类型、刻 蚀机的结构、使用的刻蚀气体和工艺参数等。刻蚀 速率可用下式来计算。 刻蚀速率=ΔT/t(Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（Å） t=刻蚀所用的时间（min） 刻蚀速率通常正比于刻蚀剂的浓度，也与被刻 蚀的图形的几何形状有关。刻蚀的面积越大刻蚀速 率就越慢，因为刻蚀所需要的刻蚀剂气体就越多， 这被称为负载效应。
物理刻蚀 刻蚀参数 (RF 电场垂直 与硅片表面) 物理刻蚀 (RF 电场平行 与硅片表面) 化学刻蚀 物理和化学刻蚀
刻蚀机理
等离子体中的 活性基与硅片 物理离子溅射 表面反应 各向异性 差/难以提高 (1:1) 快 一般/好 各向同性 一般/好 (5:1 to 100:1) 适中 差
Table 16.3
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等离子体刻蚀反应器
• • • • • • • 干法等离子体反应器有下面不同的类型： 园桶式等离子体反应器 平板（平面）反应器 顺流刻蚀系统 三级平面反应器 离子铣 反应离子刻蚀 高密度等离子体刻蚀机
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刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽几何尺寸的变化 （见图16.6）。它通常是由于横向钻蚀引起的（ 见图16.7），但也会由刻蚀剖面引起。当刻蚀中 去除掩膜层下过量的材料时，会引起被刻蚀材料 的上表面向光刻胶边缘凹进去，这就是横向钻蚀 。计算刻蚀偏差的公式如下：
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干法刻蚀机比较
类型 园桶式 平行板 (Plasma) 顺流等离子体 Triode Planar Ion Beam Milling Reactive Ion Etch (RIE) Electron Cyclotron Resonance (ECR) Distributed ECR Inductively Coupled Plasma (ICP) Helicon Wave 刻蚀机理 化学 物理和化 学 化学 Reactive Inert Reactive Reactive Reactive Reactive 压力 (Torr) 10-1 to 1 10-1 to 1 10-1 to 1 10-3 10-4 < 0.1 10-4 to 103
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第 16 章
刻 蚀
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概
述
刻蚀是将硅片表面上淀积的各种绝缘介质、 金属薄膜等按照掩膜版的图形结构选择性的去除 ，以便形成各种各样的器件结构和电路的互连。 刻蚀工艺是在显影检查完后进行，一旦膜层 材料被刻蚀去除，在刻蚀过程中所造成的缺陷将 无法弥补而使整个硅片报废。 刻蚀的要求取决于要制作的图形类型。如金 属层、多晶硅栅、隔离槽、通孔等。因为结构的 不同，所以具有大量不同刻蚀参数的材料。 特征尺寸的缩小使刻蚀工艺对尺寸的控制要 求更加严格，也更加难以检测。
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T = 刻蚀掉的厚度 T
t = 刻蚀时间
刻蚀开始
刻蚀结束
Figure 16.3 刻蚀速率
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刻蚀剖面
刻蚀剖面指的是被刻蚀图形的恻壁形状。有 两种基本的刻蚀剖面，分别为各向同性的刻蚀剖 面和各向异性刻蚀剖面。 各向同性刻蚀剖面是指在所有方向以相同的 刻蚀速率进行的刻蚀（见图1.4）。湿法化学腐蚀 就是各向同性刻蚀，因而不能用于亚微米器件制 造中的选择性图形刻蚀。
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学 习 目 标
1. 了解9个主要的刻蚀参数； 2. 描述干法刻蚀的优点及基本原理； 3. 列举一个介质、硅、金属干法刻蚀的实际 例子； 4. 熟悉湿法刻蚀及其应用； 5. 了解刻蚀检查以及相关的重要的质量测量 方法。
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刻蚀原理 刻蚀是利用化学或者物理方法有选择地从硅 片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标 是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形。因此，刻 蚀过程中光刻胶层起着有效保护下面的膜层不受浸 蚀的作用。图16.1是常规COMS栅刻蚀工艺示意图。
Er S= Ef Ef Oxide
氮化硅
Er
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Figure 16.8
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刻蚀均匀性
刻蚀均匀性是衡量刻蚀工艺在整个硅片上， 或者整个一批或批与批之间刻蚀能力之间的参数 。均匀性与选择比有密切关系，因为非均匀刻蚀 会产生额外的过刻蚀。保持刻蚀均匀性是保证制 造性能一致的关键。难点在于刻蚀工艺必须在刻 蚀具有不同图形密度的硅片上保证均匀性。 刻蚀的不均匀，是因为刻蚀速率与刻蚀剖面 、图形尺寸和宽度有关。因为刻蚀速率在刻蚀小 窗口图形时较慢，甚至在具有高深宽比的小尺寸 图形上刻蚀居然停止。这一现象被称为深宽比相 关刻蚀（ARDE），也被称为微负载效应。为了 提高均匀性，必须把硅片表面的ARDE效应降到 最小。
1. 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制 2. 好的 CD 控制 3. 最小的光刻胶脱落或黏附问题 4. 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 5. 较低的化学制品使用和处理费用
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Table 16.2
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RF 发生器
Anode
1) 刻蚀气体 进入反应室 气体传送 2) 电场是反 应物分解
液体中的活性 基与硅片表面 反应 各向同性 好/很高 (高于 500:1) 慢 非常差
在干法刻蚀中， 刻蚀包括离子溅 射和活性元素与 硅片表面的反应 各向同性至各向 异性 一般/高 (5:1 to 100:1) 适中 好/非常好
恻壁剖面 选择比 刻蚀速率 CD 控制
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在一批中随机抽取 3 to 5 片
在每片上测 5 to 9 个点处的刻蚀速率 ，然后计算每片的刻蚀均匀性并比较 片与片之间的均匀性
Figure 16.9 刻蚀均匀性检测方法
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残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面的刻 蚀副产物。通常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形的底 部。产生的原因有：被刻蚀的材料、腔体中的污染 物、膜层中不均匀的杂质分布等。 刻蚀残留物是芯片制造过程中的硅片污染源， 并能在去除光刻胶过程中带来一些问题。为了去除 刻蚀残留物，可以在刻蚀完成后进行微量的过刻蚀 ，也可以在去除光刻胶的过程中进行清除。 聚合物 为了获得良好的异性刻蚀，防止横向刻蚀 ，在刻蚀过程中可以有意在恻壁上形成一层聚合物 （见图16.10） ，增强刻蚀的方向性，实现对图形 关键尺寸的良好控制。恻壁聚合物可以通过刻蚀过 程中由光刻胶中的碳转化而来并与刻蚀气体和刻蚀 生成物结合在一起而形成。
光刻胶 被刻蚀材料 光刻胶 被保护层Biblioteka (a) 有光刻胶图形的衬底
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(b) 刻蚀后的衬底
Figure 16.1
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刻蚀工艺 • 刻蚀工艺的类型
– 湿法刻蚀 – 干法刻蚀
• 需要刻蚀的三种主要材料 –硅 – 介质 – 金属
• 有图形的刻蚀和无图形的刻蚀
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结构设置 Coil or electrodes outside vessel Planar diode (two electrodes) Coil or electrodes outside vessel Triode (three electrodes) Planar triode Planar or cylindrical diode Magnetic field in parallel with plasma flow Magnets distributed around central plasma Spiral coil separated from plasma by dielectric plate Plasma generated by electromagnets and plasma density maintained at wafer by magnetic field Independent plasma and wafer biasing Planar diode with magnetic field confining plasma
改变等离子体刻蚀参数的影响