ch8 刻蚀

（2）射线辐照法
• 各种射线或粒子束辐照气体→气体电离而产 生等离子体。 • 方式：利用放射性同位素发出的α、β、γ射线、 利用X射线、利用带电离子束等。 • （3）光电离法 • （4）激光等离子体 • （5）热电离法
• 8.2.3两种刻蚀方法的比较 • 湿法刻蚀：刻蚀速度较快，选择性较高，但各向 同性腐蚀，横向有腐蚀，图形转换时保真度较低 • 干法刻蚀：其纵向刻蚀速率远远大于横向刻蚀、 各向异性腐蚀，但选择性较差。能获得相当准确 的图形转移
多晶硅栅
• 重惨杂多晶硅，ρ还是很高，不适合作为 MOS器件的金属层。 • 再增加一层金属硅化物， ρ↓,导电性能↑ • 多晶硅+硅化金属层=多晶硅化金属导电层 • 硅化钨是最早的也是最为普遍使用的一种 金属硅化物（还有硅化钛）。
• 溴化氢（HBr）也是常用的腐蚀气体. • 因为在≤0.5µm的制程中，栅极氧化层的厚 度≤ 10nm，以HBr来刻蚀的多晶硅对SiO2 的选择比将高于以Cl为主的等离子体。 • 刻蚀步骤：刻蚀金属硅化物(包括天然氧化 层，用CF4、SF6、Cl及HCl气体等）→腐 蚀多晶硅
（2）氢的作用：在CF4中加入氢气，
加氢气后
HF对SiO2刻蚀速率与氟相 比要慢得多， 加氢后 对SiO2的腐蚀速率会稍微↓ 对Si腐蚀速率明显↓ →SiO2和 Si的刻蚀选择比↑ • 当氢加太多时，聚合物产生， 妨碍Si或SiO2与F或CF2的 接触→刻蚀停止。
氢在CF4-H2内的比例
• • • • • •
8.3.3金属的干法刻蚀 1.铝的刻蚀
• 刻蚀剂： 氯化物（添加气体，产生离子轰击） +氯气（化学刻蚀 剂）。 2Al(s)+3Cl2(g) → 2AlCl3 （挥发） 添加气体： SiCl4、CCl4、BCl3，多采用BCl3 用BCl3添加气体的目的： (1)BCl3+O2+H2O（空气中）反应易进行以吸收水汽及 氧气； (2)BCl3在等离子体内可形成BClx原子团及BCl3+（正 离子），其中BCl3+是产生离子轰击的重要离子来源之 一。并各向异性刻蚀↑。
8.1.2 刻蚀的要求
• 1、图形转移的保真度高：掩膜版图形不失真的转移到 硅片的表面
刻蚀速率＝△T（刻蚀掉的厚度）/t,由工艺和设备变量决定. 与刻蚀剂浓度成正比； 与面积和几何图形有关：大面积区域，速度小，--负载效应
• 理想的刻蚀应在表层形成垂直的侧边，侧边与光刻胶 侧边在一个竖线
侧边形成斜面、钻蚀、过刻、不完全刻蚀都是不理想的。
• 广义的等离子体：还包括正电荷总数和负 电荷总数相等的其它许多带电粒子系。如 电解质溶液中的阴阳离子，金属晶格中的 正负离子和电子气，半导体中的自由电子 和空穴等也都构成等离子体。
2.等离子体的产生方式
• 人为产生等离子体的方式主要有： • （1）气体放电法 • 给气体加电场→气体被击穿而导电（叫气体放电）→产 生电离气体（气体放电等离子体）。 • 电场的频率不同，气体放电分为直流放电、低频放电、 高频放电和微波放电等多种方式。 • 而直流放电分：汤生放电、电晕放电、辉光放电、弧光 放电等。 • 辉光放电是一种稳定的自持放电，是目前低温等离子体 化学领域广泛采用的放电形式。
8.1.2 刻蚀的要求
• 1、图形转移的保真度高：
• 横向刻蚀问题:要严格控制侧向刻蚀，使之越小越好。 • 各向同性：所有方向刻蚀速率相同，不好，有钻蚀 • 各向异性：只在垂直于硅片表面的方向刻蚀，很少横 向刻蚀。好 • 过刻：刻蚀过量。刻蚀偏差=Wb-Wa
. 8.1.2 刻蚀的要求
• 2、选择比：选择性好，即对掩蔽膜、衬底的刻 蚀速度要慢，对被刻蚀对象刻蚀速度要快 选择比: 被刻蚀材料的刻蚀速度/掩蔽层材料刻蚀 速度=Ef/Er 关键尺寸越小,选择比要求越高
（1）氧的作用 •加氧反应使F↑ → Si与SiO2的 刻蚀速率↑,消耗部分C →等离子 体中碳/氟↓
氧在CF4-O2内的比例
对Si的刻蚀速率提升快 对SiO2的刻蚀速率提升慢
当氧含量＞某值时，刻蚀速率↓，因为如下反应 O2+F → F O2+ →自由氟原子含量减少 FO2+F → F2+ O2 但SiO2对Si的刻蚀选择比↓.
Байду номын сангаас
8.2 刻蚀工艺 8.2.1 湿法刻蚀
• • • • • • • • 1、湿法刻蚀三个特点： 反应生成物是气体或能溶于刻蚀剂的物质 各向同性，侧向、 刻蚀过程伴有放气放热 2、湿法刻蚀可分为三个步骤进行： 1）反应物扩散到被刻蚀材料的表面。 2）反应物与被刻蚀材料反应。 3）反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随 溶液被排除。 • 在这三个步骤中，进行最慢者就是控制刻蚀速率 的主要步骤
• 化学刻蚀（等离子刻蚀）： 反应气体(等离子体)+薄膜（裸露在等离子 体中）→生成挥发性的物质
轰击+化学反应→反应离子刻蚀（RIE ）。理 想模式 具有选择性好、各向异性的特点，
1.等离子体的概念
加热、放电可是使气体分子电离→电离气体 当电离气体中的带电粒子密度达到一定值（建立的空 间电荷能够限制自身的运动时） 等离子体 等离子体（电离气体）：由电子、离子、原子、分子 或自由基等离子组成的集合体 普通气体：电中性的分子或原子组成 电离气体：带电粒子和中性粒子组成的集合体。 • 电离气体的性质： （1） 一种导电流体，整体维持电中性； （2）带电粒子间有库伦力→带电粒子群种种集体 运动；列为物质。 （3） 带电粒子运动受磁场的影响和支配 • 正电荷总数=负电荷总数，故称等离子体。第四 态
2.铝合金的刻蚀
• 铝很易自然氧化形成3~5nm厚的氧化铝层 • 故铝刻蚀步骤：去掉表面的Al2O3膜→刻蚀铝。 • 刻蚀铝后的铝腐蚀将被不断进行。在含铜的铝合金 中此现象更严重。要减少刻蚀后的腐蚀，可采用下 列措施： • ①大量的去离子水清洗； • ②刻蚀后→氧气等离子体去除掩膜(真空中）(去胶） 并形成氧化层来保护铝合金； • ③在晶片移出刻蚀腔前，以氟化物的等离子体做表 面处理，如CF4、CHF3，将残留的氯置换成氟，形 成AlF3,或在铝合金表面形成一层聚合物来隔离铝合 金与氯的接触。
（3）反应气体 常采用CHF3+氯气混合的等离子体 CHF3选择性较佳。 有时加入少量的氧气来提高刻蚀速率。 SF6和NF3也可为提供氟原子的气体， 因为其不含碳原子，所以不会在Si表面形 成高分子聚合物。
2.氮化硅（Si3N4）的干法刻蚀
• Si3N4的用途： • （1）场氧化层制作的掩蔽膜：在超薄SiO2 层上LPCVD法生长Si3N4→光刻与干法刻蚀 Si3N4 →刻蚀SiO2（做刻蚀SiO2的掩蔽膜） • （2）PECVD法淀积Si3N4，作器件钝化膜
3均匀性:片内刻蚀均匀,整批均匀
（1）难点: 图形密度不同→刻蚀速度相同、均匀 小窗口刻蚀速度慢, 高深宽比图形刻蚀速度慢, 高深宽比小尺寸槽刻蚀停止—微负载效应 大直径硅片上的薄膜厚度如不均匀→刻蚀速率的不均匀，晶圆直 径的增大→不均匀性越明显。 刻蚀均匀性抽样检验: （2）不完全刻蚀：底层还留有 材料 原因：刻蚀时间短，或厚度不均 •4、刻蚀的清洁：防止沾污
8.3.2多晶硅膜的刻蚀
• 硅栅：三层，在MOS器件栅极起着核心的作用。 • 栅极的宽度W、长度L需要严格控制→刻蚀多晶 硅图形控制 • 刻蚀栅后才进行漏源掺杂形成漏源区 • 刻蚀后的栅轮廓也很重要：刻蚀后侧壁有倾斜 →遮蔽源极、漏极的杂质注入→杂质分布不均 匀→倾斜程度的不同,L不同。
• 刻蚀时要求vSi/vSiO2要高。 因为栅极氧化层很薄（小于20nm）， vSiO2大→刻蚀多晶硅时SiO2层易被穿透， SiO2下面的源—漏极间的Si将很快被刻蚀。 • CF4、CF6等氟离子为主的等离子体刻蚀多 晶硅→选择比较低，具有“负载效应” → 不太合适。 • 负载效应：
Ch8 刻蚀
8.1引言
8.1.1 刻蚀的概念
刻蚀：把没有光刻胶覆盖 或保护的下层材料去除 方法:化学或物理,
光刻胶图形的复制
刻蚀工艺分类
• 按工艺技术（刻蚀剂）分： 湿法腐蚀：液体（化学反应）
干法刻蚀：气体（利用辉光（Glow Discharge）的方法产 生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基） • 按被刻蚀的材料分： –金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀 • 按有无图形： 有图形刻蚀：掩膜层图形的复制 无图形刻蚀：无掩膜层下进行。 如剥离掩膜层，减薄某一层厚度（反刻），剥离光刻胶等
刻蚀Si3N4的方法：
刻蚀SiO2的干法刻蚀都可以用来刻蚀Si3N4膜 。 用含氟的等离子体对Si3N4刻蚀，选择性比较差。
CHF3等离子体
vSiO 2 vSi
vSi 3 N 4 vSiO 2
10
vSi 3N 4 v Si
3~5
2~4
近期以NF3为主的等离子体对Si3N4的刻蚀， 对气体组分控制，提高Si3N4的刻蚀选择性
• 三 举例：反应气体CF4 • 离子源腔产生辉光放电→高能量 电子轰击腔中的CF4 → CF4电 离（产生F原子、CF2原子）
• F原子、CF2原子+SiO2 →SiF4 挥发
• 调整好CF4等离子对硅片表面薄 膜的离子轰击所生成的高分子化 合物→可得具有高刻蚀速率、高 选择比→异向刻蚀。
四、 等离子体刻蚀中，加入少量的氧和氢的 作用(CF4)
• 用Cl2，各向异性腐蚀比氟原子好的多。还可以HCl、 SiCl4等。 • 使用含氯气体好处：因为氯所形成的等离子体对Si和 SiO2刻蚀的选择性都比较好。
• 保护膜保护侧壁，各向异性刻蚀，为兼顾刻蚀速率和 选择比，也有使用SF6，并在此气体中添加CCl4和 CHCl3，SF6的比例越高，则刻蚀速率就越快；而 CCl4或CHCl3的比例越高，对于SiO2的选择比就越 高，则更容易实现各向异性刻蚀。
（2）硅湿法刻蚀
刻蚀夜：硝酸+氢氟酸+水，配比很重要，放热，加醋 酸可放热 刻蚀速率还与晶向有关：
（111）晶向的晶圆以45°刻蚀
（100）晶向的晶圆以平底刻蚀
（3）、二氧化硅湿法刻蚀
• 刻蚀夜：氢氟酸溶液 • 饱和氢氟酸溶液速度太快，时间难控制 • 氢氟酸49%+水（或氟化铵）来缓冲（BOE） •
湿法刻蚀
• 3、流程：硅片浸入刻蚀槽进行刻蚀（或用 喷射）→冲洗→甩干干燥
• 4、湿法刻蚀应用：刻蚀、清洗（抛光前清洗、 设备工艺腔清洗）和去胶（早期的溶剂去胶 ） • 5、湿法去胶：溶剂去胶，去胶剂为含有氯的烃 化物 方法：浸泡，擦除
（增加）6湿法刻蚀应用： （1）铝的湿法刻蚀
• 刻蚀液：硝酸、磷酸、冰醋酸与水组成， 磷酸占80%， • 硝酸3~5%：提高腐蚀速率 • 10%冰醋酸：降低腐蚀液表面张力，增加 硅片表面与腐蚀液的浸润，提高腐蚀的均 匀性，起缓冲作用 • 腐蚀液要经常更换 • 温度一般70℃，腐蚀时间要好好控制，腐 蚀干净又不能过刻蚀
8.2.2干法刻蚀
• 干法刻蚀：以等离子体来进行薄膜刻蚀 。 无溶液→干法刻蚀。 • 优点：各向异性。 • 主要任务：垂直刻蚀
干法刻蚀 原理
• 分为物理刻蚀和化学刻蚀 • 物理刻蚀：辉光放电将气体变成+离子→加电压加 速+离子→轰击在被刻蚀薄膜的表面→被刻蚀物质 的原子轰击出去（去除）。 • 特点：方向性好、接近垂直刻蚀； • 缺点： 晶圆表面上所有材料都被刻蚀，刻蚀选择性低； 被溅射轰击出的物质不是挥发性物质，容易再度 沉积在被刻蚀薄膜的表面；因此，在超大规模集成 电路中，很少单独使用完全的物理刻蚀。
• 1、SiO2的干法刻蚀 • 螺旋波的波长=天线的长度 时产生共振→波能量传给 电子，获得高密度的等离 子体→离子体扩散到刻蚀 腔中，离子外加RF偏压加 速→较高的离子轰击能量。 • 等离子体扩散腔外围绕着 大小相等、方向相反的永 久磁铁→避免离子或电子 撞击腔壁。
• 二、使用的气体：提供碳原子及 氟原子 • 早期的CF4 • 现在的CHF3、C2F6、C3F8。
8.3干法刻蚀的应用 8.3.1介质膜的刻蚀
• 1、SiO2的干法刻蚀 • 一、螺旋波等离子体刻蚀 机 （HWP） • 钟罩：石英制成的等离子 体来源腔， • 天线：激发13.56MHz的 横向电磁波 • 2组线圈：产生纵向磁场 • 电磁波和纵向磁场耦合产 生共振形成螺旋波。
8.3干法刻蚀的应用 8.3.1介质膜的刻蚀