第六章：刻蚀.
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电子科大微电子工艺(第六章)刻蚀教材
Film Substrate
湿法各向同性化学腐蚀
具有垂直刻蚀剖面的 各向异性刻蚀
湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面
刻蚀类型 湿法腐蚀 侧壁剖面 各向同性 示意图
各向同性( 与设备和参数有关)
各向异性 (与设备和参数有关) 干法刻蚀 各向异性– 锥形
硅槽
湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 不能实现图形的精确转移， 一般用于特征尺寸较大的 情况（≥3μｍ） 。
(b) Substrate after etch
6.1 引 言
刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制 掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后 主要图形转移工艺。 刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀 干法刻蚀：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等 离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。亚微 米 湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除 表面层材料的工艺过程。大于3微米 按被刻蚀的材料分：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀 有图形刻蚀和无图形刻蚀
干法刻蚀过程
硅片的等离子体刻蚀过程图
刻蚀作用
等离子体的电势分布
①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成 辉光放电的等离子体； ②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离 开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一 个相对地为负的自偏置直流电压； ③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生 一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；
第六章
刻蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的 工艺过程称为刻蚀。 刻蚀示意图：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Photoresist mask
Film to be etched
(第六章)刻蚀讲解
End of etch
2. 刻蚀剖面
刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状 两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面
Isotropic etch - etches in all directions at the same rate
Resist
Film Substrate
湿法各向同性化学腐蚀
Anisotropic etch - etches in only one direction
Resist Film Substrate
具有垂直刻蚀剖面的 各向异性刻蚀
湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面
刻蚀类型 侧壁剖面 湿法腐蚀 各向同性
示意图
各向同性(与设备和参数有关)
干法刻蚀
各向异性 (与设备和参数有关) 各向异性– 锥形
第六章 刻蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的 工艺过程称为刻蚀。
刻蚀示意图：
Photoresist mask
Photoresist
Film
mask
to be etched
Protected film
(a) Photoresist-patterned substrate
干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反
③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生 一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；
第六章刻蚀全解
工艺参数:
等离子体—表面相互 作用: - 表面材料 - 复合金属的不同层 - 表面温度 - 表面电荷 - 表面形貌
化学和物理要求 时间
质量指标:
刻蚀速率 选择比 均匀性 特性曲线 关键尺寸 残留物
介质的干法刻蚀
1. 氧化硅的刻蚀 工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔
＝ ΔTsio2/ΔT胶
（a）0时刻
（b）t1时刻
5. 均匀性 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上 的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。
ARDE效应-微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching
Emax：最大刻蚀速率 Emin：最小刻蚀速率 Eave：平均刻蚀速率
的高选择比
2. 可接受产能的刻蚀速率 3. 好的侧壁剖面控制 4. 好的片内均匀性 5. 低的器件损伤 6. 宽的工艺窗口
工艺优化
设备参数:
设备设计 电源 电源频率 压力 温度 气流速率 真空状况 工艺菜单
其它相关因素:
净化间规范 操作过程 维护过程 预防维护计划
Plasma-etching a wafer
CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋Ar+＋ He+
CF3活性基与SiO2发生化学反应： 4CF3＋ 3SiO2 → 3SiF4 ↑＋ 2CO2 ↑＋ 2CO↑ 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统， 亚微米以下采用ICP－RIE系统
4）工作压力：小于0.1Torr
End of etch
2. 刻蚀剖面
刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状 两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面
刻蚀专题知识
离子体轰击上下电极，使接电源旳电极产生一种相对地为 负旳自偏置直流电压；
2. 等离子体旳电势分布
③到达一定旳负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一种 带正离子电荷旳暗区（即离子壳层）；
④等离子体相对于接地电极产生一种等幅旳正电势电位。 电源电极自偏置电压旳大小取决于RF电压旳幅度、频率 和上下电极面积旳比值。
刻蚀机理：
在RF作用下工艺气体分解电离：
CF4 ＋O2＋N2 ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ F ＋O+＋N+ F是主要活性基与Si3N4发生化学反应：
12F＋ Si3N4 → 3SiF4 ↑＋ 2N2↑ 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻
蚀：F
O2/N2旳作用:稀释F基旳浓度降低对下层SiO2旳刻 蚀速率
介质旳干法刻蚀
1. 氧化硅旳刻蚀 工艺目旳：刻蚀氧化硅一般是为了制作接触孔和
通孔
工艺措施：
刻蚀气体：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3 ＋Ar ＋He）
刻蚀系统：平行板式或桶式RIE系统，0.25微米下 列采用ICP－RIE系统
工作压力：≤0.1Torr，0.25微米下列≤10mTorr
湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学措施，不能实 现图形旳精确转移，合用于特征尺寸≥3μｍ旳情况
干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学措施， 能实现图形旳精确转移，是集成电路刻蚀工艺旳 主流技术。
干法刻蚀旳优点（与湿法刻蚀比）
1. 刻蚀剖面各向异性，非常好旳侧壁剖面控制 2. 好旳CD控制 3. 最小旳光刻胶脱落或粘附问题 4. 好旳片内、片间、批间旳刻蚀均匀性 5. 化学品使用费用低
干法刻蚀旳缺陷（与湿法刻蚀比）
1. 对下层材料旳刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
2. 等离子体旳电势分布
③到达一定旳负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一种 带正离子电荷旳暗区（即离子壳层）；
④等离子体相对于接地电极产生一种等幅旳正电势电位。 电源电极自偏置电压旳大小取决于RF电压旳幅度、频率 和上下电极面积旳比值。
刻蚀机理：
在RF作用下工艺气体分解电离：
CF4 ＋O2＋N2 ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ F ＋O+＋N+ F是主要活性基与Si3N4发生化学反应：
12F＋ Si3N4 → 3SiF4 ↑＋ 2N2↑ 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻
蚀：F
O2/N2旳作用:稀释F基旳浓度降低对下层SiO2旳刻 蚀速率
介质旳干法刻蚀
1. 氧化硅旳刻蚀 工艺目旳：刻蚀氧化硅一般是为了制作接触孔和
通孔
工艺措施：
刻蚀气体：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3 ＋Ar ＋He）
刻蚀系统：平行板式或桶式RIE系统，0.25微米下 列采用ICP－RIE系统
工作压力：≤0.1Torr，0.25微米下列≤10mTorr
湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学措施，不能实 现图形旳精确转移，合用于特征尺寸≥3μｍ旳情况
干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学措施， 能实现图形旳精确转移，是集成电路刻蚀工艺旳 主流技术。
干法刻蚀旳优点（与湿法刻蚀比）
1. 刻蚀剖面各向异性，非常好旳侧壁剖面控制 2. 好旳CD控制 3. 最小旳光刻胶脱落或粘附问题 4. 好旳片内、片间、批间旳刻蚀均匀性 5. 化学品使用费用低
干法刻蚀旳缺陷（与湿法刻蚀比）
1. 对下层材料旳刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
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
(第六章)刻蚀解读
干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反 应－各向同性刻蚀（化学刻蚀） 7. 副产物解吸附 8. 副产物去除
6.2 刻蚀参数
为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满
足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。
刻蚀参数
1. 刻蚀速率 2. 刻蚀剖面 3. 刻蚀偏差 4. 选择比 5. 均匀性 6. 残留物 7. 聚合物 8. 等离子体诱导损伤 9. 颗粒沾污和缺陷
1. 刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。 刻蚀速率＝ΔT / t （Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（ Å 或 μm） t=刻蚀所用时间（min）
聚合物（Polymer）的形成
聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳并与刻蚀 气体和刻蚀生成物结合在一起而形成的；能否形 成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。 聚合物的缺点：聚合物在刻蚀结束后难以去除；
在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻
蚀速率，增加反应室的清洗工作。
8. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：
4）工作压力：小于0.1Torr
1. 圆桶式等离子体刻蚀机
圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅 片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用 于氧等离子体的去胶工艺。
典型圆桶式反应器结构
圆桶式等离子体刻蚀机理
①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分
刻蚀
二氧化硅的腐蚀
在光刻工艺中，对窗口的二氧化硅进行腐蚀有两点基本要求： （1）腐蚀速度要适中且保持不变，便于控制。 （2）腐蚀液对光致抗蚀剂胶膜无腐蚀作用，只有这样才能保证将 没有光致抗蚀剂胶膜保护的氧化层腐蚀干净，而有光致抗蚀剂保护 的氧化层依然存在。 在生产中，腐蚀二氧化硅都采用氢氟酸---氟化铵的缓冲腐蚀液。 其组成如下：
由于氢氟酸---氟化铵腐蚀液是一种缓冲溶液。所以氢氟酸和二 氧化硅作用时，氢氟酸浓度会减小，这是氟氢化铵就电离生成氢 氟酸，使它的浓度基本上保持不变。同时氢离子浓度变化不大， 腐蚀速度一直比较低，这样满足了工艺的第一个要求。 另外，由于缓冲腐蚀液中氢氟酸和氢离子浓度的减小，减缓 了抗蚀剂酯键的水解，故钻蚀现象也随之减轻。如果温度和时间 控制得当，基本上可避免钻蚀和脱胶现象。这样，就满足了工艺 的第二个要求。氢氟酸---氟化铵缓冲腐蚀液对二氧化硅的腐蚀是 比较理想的，所以在光刻工艺中普遍用它来腐蚀二氧化硅层。
刻蚀中的化学
吴燕宇 2010.5.6
• 湿法刻蚀——采用液态的化学腐蚀液去除 材料。利用溶液与预刻蚀材料之间的化学 反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分。 副产物是气体、液体或可溶于刻蚀溶液的 固体。 三个基本工艺过程：腐蚀（Etchant Sink） 清洗（DI Water Rinse） 旋转甩干（Spin dryer
混合腐蚀液里有络合物HF，可以破坏 保护膜，这 样硅就能不断被硝酸氧化，生成的 又不断地被络合剂 HF络合：
6
在硅的常用腐蚀液中，如 腐蚀液（硝酸：氢氟酸：冰 醋酸：溴=5：3：3：0.06），除了含有氧化剂硝酸，络合剂 HF外，还有缓和剂冰醋酸或水及附加剂溴或碘。缓和剂控制 反应速度，使硅表面光亮。常用的附加剂是氧化剂（溴、碘 等）或还原剂（碘化钾等）或加金属盐类（硝酸银、硝酸汞 等），能大大加速反应速度。
(第六章)刻蚀全解
6.2 刻蚀参数
为了复制硅片表面材料上的掩膜图形，刻蚀必须满
足一些特殊的要求，包括以下几个刻蚀参数。
刻蚀参数
1. 刻蚀速率 2. 刻蚀剖面 3. 刻蚀偏差 4. 选择比 5. 均匀性 6. 残留物 7. 聚合物 8. 等离子体诱导损伤 9. 颗粒沾污和缺陷
1. 刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度。 刻蚀速率＝ΔT / t （Å/min) 其中，ΔT=去掉的材料厚度（ Å 或 μm） t=刻蚀所用时间（min）
干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反 应－各向同性刻蚀（化学刻蚀） 7. 副产物解吸附 8. 副产物去除
介质的干法刻蚀
1. 氧化硅的刻蚀 工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔 刻蚀工艺
1）刻蚀气体：两种（CF4＋H2＋Ar＋He）
或（CHF3 ＋Ar＋He）
2）刻蚀机理：物理和化学刻蚀，物理溅射离子：Ar＋、 CF3＋等，CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，加入H2后以 HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基（F原子）提高对 下层Si的选择比，He为稀释剂改善刻蚀均匀性。
等离子体干法刻蚀系统的基本部件包括：发生刻蚀 反应的反应腔、一个产生等离子体的射频电源、气 体流量控制系统、去除刻蚀生成物和气体的真空系 统。 干法等离子体反应器的类型： 圆桶式等离子体反应器；顺流刻蚀系统(化学作用) 离子铣 (物理作用) 平板反应器；三级平面反应器；反应离子刻蚀 （RIE)；高密度等离子体刻蚀机(物理+化学作用)
(第六章)刻蚀知识讲解
干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反
＝ ΔTsio2/ΔT胶
（a）0时刻
（b）t1时刻
5. 均匀性 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上 的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。
ARDE效应-微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching
Emax：最大刻蚀速率 Emin：最小刻蚀速率 Eave：平均刻蚀速率
(b) Substrate after etch
6.1 引 言
刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制 掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后 主要图形转移工艺。
刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀
✓ 干法刻蚀：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等 离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。亚微 米
硅槽
湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 干法刻蚀有各向同性腐蚀，也
不能实现图形的精确转移， 有各向异性腐蚀。各向异性腐
一般用于特征尺寸较大的
蚀能实现图形的精确转移，是
情况（≥3μｍ） 。
集成电路刻蚀工艺的主流技术。
3. 刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差＝Wa－Wb
Wb
Wa
Bias
✓ 湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除 表面层材料的工艺过程。大于3微米
半导体工艺原理作业题集
集成电路工艺作业第一章半导体衬底1、列举生产半导体级硅的三个步骤，给出反应方程式。
说明半导体级硅有多纯？2、为什么要用单晶进行硅片制造？3、CZ单晶生长法定义Czochralski(CZ)－查克洛斯基法生长单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。
85％以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。
CZ法特点：a. 低功率IC的主要原料。
b. 占有～80％的市场。
c. 制备成本较低。
d. 硅片含氧量高。
4、影响CZ法直拉工艺的两个主要参数是什么？拉伸速率和晶体旋转速率。
5、区熔法的特点是什么？a. 硅片含氧量低、纯度高。
b. 主要用于高功率IC。
c. 制备成本比CZ法低。
d. 难生长大直径硅晶棒。
e. 低阻值硅晶棒掺杂均匀度较差。
7、使用更大直径硅片的主要原因是什么？300mm硅片比200mm硅片面积大2.25倍，这样就会在一块硅片上生产更多的芯片。
每块芯片加工和处理时间都减少了，设备生产效率提高了。
使用300mm直径的硅片可以把每块芯片的成本减少30％。
节省成本是驱使半导体业转向使用更大直径硅片的主要原因。
8、硅中的晶体缺陷：点缺陷、位错、层错。
第二章氧化1、半导体器件生产中使用的介质材料有二氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物。
2、二氧化硅的基本性质有哪些？a、可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移、b、可以作为多数杂质掺杂的掩蔽、c、优秀的绝缘性能、d、很高的击穿电场(>107 V/cm)、e、体电学性能稳定、f、稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面3、金属层间绝缘阻挡层目的：用于金属连线间的保护层。
4、热生长SiO2 的各种运用对厚度有不同要求栅氧（0.18μm工艺）：20~60埃；STI隔离氧化物：150埃；场氧：2500～15000埃5、有几种类型的电荷存在于氧化层内部或在SiO2和Si/SiO2界面附近？a)界面陷阱电荷; b)固定氧化层电荷; c)移动离子电荷; d)大量氧化层陷阱电荷6、干氧和湿氧氧化反应方程式及氧化层的特点？这两种反应都在700 ºC～1200 ºC之间进行，湿氧氧化比干氧氧化反应速率约高10倍。
第六章半导体器件工艺学之刻蚀
刻蚀方式： 等离子刻蚀： 等离子刻蚀： 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，但各向异性较差 溅射与离子束铣蚀： 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 反应离子刻蚀(RIE) (RIE)： 反应离子刻蚀(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。 RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。
多晶硅栅
在多晶硅栅刻蚀中不期望的微槽
单晶硅槽
三、金属刻蚀
高刻蚀速率（大于1000nm/min） 高刻蚀速率（大于1000nm/min） 对下层的高选择比，对掩膜层（＞4 对下层的高选择比，对掩膜层（＞4：1）和层 间介质（＞20： 间介质（＞20：1） 高的均匀性，CD控制很好，没有微负载效应 高的均匀性，CD控制很好，没有微负载效应 没有等离子体诱导充电带来的器件损伤 残留物污染少 不会腐蚀金属
二、硅的刻蚀
主要是制作MOS栅结构的多晶硅栅和制作 主要是制作MOS栅结构的多晶硅栅和制作 器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽 器件隔离或DRAM电容结构中的单晶硅槽 多晶硅栅的刻蚀工艺必须对下层栅氧化层 有高的选择比并具有非常好的均匀性和可 重复性，同时要求高度的各向异性 单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，如器件隔 离沟槽或DRAM中高密度的垂直电容的制作。 离沟槽或DRAM中高密度的垂直电容的制作。 在高密度IC中要求数百万个沟槽具有一致 在高密度IC中要求数百万个沟槽具有一致 的光洁度，接近的垂直侧壁，正确的深度 和圆滑的沟槽顶角和底角
第六章：刻蚀课件
n 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻 蚀：F
n
蚀速率
ppt课件
43
n 硅的干法刻蚀
1. 多晶硅的刻蚀 n 工艺目的：在CMOS 工艺中，形成MOS 栅电极，
是 特征尺寸刻蚀。
n 工艺方法：
n
n
n 刻蚀气体：Cl2 ＋Ar
ppt课件
44
n 刻蚀机理：
n 气体分解电离： Cl2 ＋Ar ＋2e→ Cl+ ＋ Cl＋Ar+ n Cl活性基与Si化学反应： 4Cl ＋ Si→ SiCl4 ↑ n 物理和化学混合刻蚀
ppt课件
19
8. 等离子体诱导损伤
等离子体诱导损伤有两种情况： 1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷 引起薄栅氧化硅的击穿。 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表
面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。
9. 颗粒沾污和缺陷 ppt课件
20
6.3 干法刻蚀原理
1. 刻蚀过程
1）刻蚀气体进入反应腔（以CF4为例） 2）RF电场使反应气体分解电离，产生等离子体 3）
②反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射 频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为 阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较大 的自偏置电场。
ppt课件
29
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得 到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片 表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高 了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性， 加速与样片的化学反应。
ppt课件
40
n 刻蚀机理（续）： n 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：Ar＋、CF 3＋，化
学刻蚀：CF3 n H的作用：以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基
n
蚀速率
ppt课件
43
n 硅的干法刻蚀
1. 多晶硅的刻蚀 n 工艺目的：在CMOS 工艺中，形成MOS 栅电极，
是 特征尺寸刻蚀。
n 工艺方法：
n
n
n 刻蚀气体：Cl2 ＋Ar
ppt课件
44
n 刻蚀机理：
n 气体分解电离： Cl2 ＋Ar ＋2e→ Cl+ ＋ Cl＋Ar+ n Cl活性基与Si化学反应： 4Cl ＋ Si→ SiCl4 ↑ n 物理和化学混合刻蚀
ppt课件
19
8. 等离子体诱导损伤
等离子体诱导损伤有两种情况： 1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷 引起薄栅氧化硅的击穿。 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表
面上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。
9. 颗粒沾污和缺陷 ppt课件
20
6.3 干法刻蚀原理
1. 刻蚀过程
1）刻蚀气体进入反应腔（以CF4为例） 2）RF电场使反应气体分解电离，产生等离子体 3）
②反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面且射 频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为 阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较大 的自偏置电场。
ppt课件
29
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得 到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片 表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高 了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性， 加速与样片的化学反应。
ppt课件
40
n 刻蚀机理（续）： n 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：Ar＋、CF 3＋，化
学刻蚀：CF3 n H的作用：以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基
(第六章)刻蚀全解
4）工作压力：小于0.1Torr
1. 圆桶式等离子体刻蚀机
圆桶式反应器结构，刻蚀系统的射频电场平行与硅 片表面，不存在反应离子轰击，只有化学作用。用 于氧等离子体的去胶工艺。
典型圆桶式反应器结构
圆桶式等离子体刻蚀机理
①进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分
解电离形成等离子体，等离子体由高能电子、反应
正离子、自由基、反应原子或原子团组成。 ②自由基和反应原子或原子团的化学性质非常活泼， 它们构成了等离子体的反应元素，自由基、反应原 子或原子团与被刻蚀的材料进行化学反应形成了等 离子体刻蚀。
聚合物（Polymer）的形成
聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳并与刻蚀 气体和刻蚀生成物结合在一起而形成的；能否形 成侧壁聚合物取决于所使用的刻蚀气体类型。 聚合物的缺点：聚合物在刻蚀结束后难以去除；
在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻
蚀速率，增加反应室的清洗工作。
8. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：
Film Substrate
湿法各向同性化学腐蚀
具有垂直刻蚀剖面的 各向异性刻蚀
湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面
刻蚀类型 湿法腐蚀 侧壁剖面 各向同性 示意图
各向同性( 与设备和参数有关)
各向异性 (与设备和参数有关) 干法刻蚀 各向异性– 锥形
硅槽
湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 不能实现图形的精确转移， 一般用于特征尺寸较大的 情况（≥3μｍ） 。
(b) Substrate after etch
6.1 引 言
刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制 掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后 主要图形转移工艺。 刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀 干法刻蚀：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等 离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。亚微 米 湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除 表面层材料的工艺过程。大于3微米 按被刻蚀的材料分：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀 有图形刻蚀和无图形刻蚀
电子科大微电子工艺(第六章)刻蚀
1. 等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率
2. 系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获
得高深宽比的槽；
3. 系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小
对Si片表面的轰击损伤。
4. 终点检测 终点检测的常用方法：光发射谱法
光发射谱法终点检测机理 在等离子体刻蚀中，Байду номын сангаас应基团与被刻蚀材料反应的 同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波 长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发 光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。
T = change in thickness T 光刻胶
被刻蚀材料
t = elapsed time during etch
Start of etch
End of etch
2. 刻蚀剖面
刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状 两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面
Anisotropic etch - etches in only one direction Isotropic etch - etches in all directions at the same rate Resist Resist Film Substrate
④等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源电 极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频率和 上下电极面积的比值。
等离子体的电势分布
刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图
等离子体的电位相对于接地电极来说是正的， 等离子体区域中的电势在系统中最大
改变等离子体刻蚀参数的影响
6.4 干法刻蚀系统及其刻蚀机理
聚合物（Polymer）的形成
(第六章)刻蚀全解
干法刻蚀过程
硅片的等离子体刻蚀过程图
刻蚀作用
等离子体的电势分布
①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成 辉光放电的等离子体； ②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离 开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一 个相对地为负的自偏置直流电压； ③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生 一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；
第六章
刻蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的 工艺过程称为刻蚀。 刻蚀示意图：
Photoresist mask
Film to be etched
Photoresist mask
Protected film
(a) Photoresist-patterned substrate
刻蚀SiO2的反应式： 在RF作用下工艺气体分解电离： CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋Ar+＋ He+ CF3活性基与SiO2发生化学反应： 4CF3＋ 3SiO2 → 3SiF4 ↑＋ 2CO2 ↑＋ 2CO↑ 3）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIE系统， 亚微米以下采用ICP－RIE系统
④等离子体相对于接地电极产生正电势电位。电源电 极自偏置电压的大小取决于RF电压的幅度、频率和 上下电极面积的比值。
等离子体的电势分布
刻蚀机辉光放电区域原理图和电势分布图
等离子体的电位相对于接地电极来说是正的， 等离子体区域中的电势在系统中最大
改变等离子体刻蚀参数的影响
6.4 干法刻蚀系统及其刻蚀机理
刻蚀
湿法腐蚀伴有放热和放气过程；温升与气泡；
尺寸精度控制困难-溶液浓度变化
刻蚀工艺
干法刻蚀：采用等离子体进行薄膜刻蚀的技术，刻蚀过程
不涉及反应物溶液。
工艺特点：
Байду номын сангаас
易获得刻蚀剖面各向异性，有良好侧壁剖面控制；
可保证好的片内、片间和批次间的刻蚀均匀性； 可有效防止光刻胶脱落或粘附问题； CD（Critical Dimension）精度控制较好； 等离子体制备设备成本高；
刻蚀速率
刻蚀剖面形状 刻蚀偏差
刻蚀速率
刻蚀速率指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度，可分为
纵向和侧向速率：单位埃/min；
刻蚀速率正比于刻蚀剂浓度，高刻蚀速率对应高产量
刻蚀速率= T t (A min)
。
刻蚀剖面形状
指被刻蚀薄膜侧壁的形状：各向同性和各向异性剖面。
各向同性刻蚀易产生钻蚀现象，各向异性刻蚀则可有效
性不好。
等离子去胶
刻蚀检查
刻蚀检查目的：进行刻蚀效果检查以确保刻蚀质量：刻蚀
质量要求
刻蚀检查在所有图形转移、刻蚀及去胶完成以后进行，其 检测过程与显影检查相类似，多采用自动检测装置进行，所 需要注意的是关键尺寸部位的检测。
检测方法：光发射分光仪法、激光干涉法
刻蚀损伤
等离子体损伤：等离子体包含有电子、离子和处于激发态的 分子以及携能光子等粒子； 1、粒子对圆片表面轰击造成机械损伤； 2、硅片表面电荷累积，造成击穿； 等离子体污染：等离子体在轰击过程中产生辉光放电效应 （离子间自激导电）造成微粒聚积在等离子层界面，当等离子 体供应电源断开后，微粒会落在硅片表面，造成表面工艺清洁
大大增加后续刻蚀后清洗的复杂性以及集成电路的刻蚀质 量和电学特性等。
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刻蚀要求：
在0.15微米技术中，刻蚀多晶硅对栅氧化硅的选 择比大于 150：1，以防止栅氧化层穿通。
2. 单晶硅的刻蚀
工艺目的：主要形成IC的STI槽和垂直电容槽 工艺方法： 刻蚀气体： SF6 ＋Ar 刻蚀系统：平行板式ICP－RIE系统 工作压力：小于10mTorr 刻蚀机理：
刻蚀示意图
刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀
湿法刻蚀
把硅片放在化学腐蚀液里，有选择地去除表面层 材料的过程。
干法刻蚀
把硅片放在气体等离子体中，有选择地去除表面
层材料的过程。
各向同性刻蚀：侧向与纵向腐蚀速度相同 各向异性刻蚀：侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀 速度，侧向几乎不被腐蚀。
（a）各向同性刻蚀剖面
些刻蚀参数在工艺中非常重要。
刻蚀参数
刻蚀现象
1. 刻蚀速率 2. 刻蚀偏差 3. 选择比 4. 均匀性
6. 残留物 7. 聚合物 8. 等离子体诱导损伤 9. 颗粒沾污和缺陷
5. 刻蚀剖面
1. 刻蚀速率
刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。
刻蚀速率＝△d/t
△d-去掉薄层材料的厚度（单位:A/min 或nm/min） t-刻蚀时间（单位:min）
刻蚀机理： 在RF作用下工艺气体分解电离：
CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋
Ar+＋He+
CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，与SiO2发生化学反
应：
4CF3＋ 3SiO2 → 3SiF4 ↑＋ 2CO2 ↑＋ 2CO↑
刻蚀机理（续）： 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：Ar＋、CF3＋，
硅的干法刻蚀
工艺目的：在CMOS工艺中，形成MOS栅电极，是
特征尺寸刻蚀。
1. 多晶硅的刻蚀
工艺方法：
刻蚀气体：Cl2 ＋Ar
刻蚀系统：平行板式RIE或ICP-RIE系统
工作压力：小于0.1Torr，0.25微米以下≤10mTorr
刻蚀机理：
气体分解电离： Cl2 ＋Ar ＋2e→ Cl+ ＋ Cl＋Ar+ Cl活性基与Si化学反应： 4Cl ＋ Si→ SiCl4 ↑ 物理和化学混合刻蚀 为什么不用SF6等F基气体？ Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较高的 选择比
BCl3用于铝表面的Al2O3的刻蚀
CHF3用于刻蚀铝上层的抗反射膜（TiN）和铝
下层的Ti
金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂
6.5 湿法刻蚀
湿法去胶
1. 丙酮浸泡或超声浸泡
2. H2SO4：H2O2 ＝1：1，120℃
（用于硅片沉积金属前的去胶）
3. 发烟硝酸侵泡（用于刻蚀完金属铝的去胶）
漂洗硅片
聚合物（Polymer）的形成
8. 等离子体诱导损伤
等离子体诱导损伤有两种情况：
1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引 起薄栅氧化硅的击穿。 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面 上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。
9. 颗粒沾污和缺陷
颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常 遇到的问题，应尽量减少。
5. 终点检测
终点检测的常用方法：光发射谱法
光发射谱法终点检测机理：
在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的
同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波
长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发 光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。
6.4 干法刻蚀的应用
刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类 ULSI对刻蚀的挑战
化学刻蚀：CF3
H的作用：以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基
（F原子）提高对下层Si的选择比
He的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性
2. 氮化硅的刻蚀
工艺目的: 在CMOS工艺中，通常为了形成MOS
器件的有源区和钝化窗口
工艺方法：
刻蚀气体：CF4＋O2＋N2
刻蚀系统：同氧化硅的刻蚀 工作压力：同氧化硅的刻蚀
3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题
4. 好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性
5. 化学品使用费用低
干法刻蚀的缺点（与湿法刻蚀比）
1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤
3. 设备昂贵
6.2 刻蚀参数及现象
在刻蚀工艺中，刻蚀参数用来描述刻蚀效果的 好坏，决定光刻胶图形向硅片转移的质量。这
指被刻蚀图形
的侧壁形状
6. 残留物
刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材 料 ，湿法去胶时能去除残留物。
7. 聚合物
聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质
组成的化合物。
聚合物的优点：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜， 阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀 剖面。
聚合物的缺点：在反应室的任何地方都有聚合物， 影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。
6.3 干法刻蚀原理
1. 刻蚀过程
1）刻蚀气体进入反应腔（以CF4为例）
2）RF电场使反应气体分解电离，产生等离子体
3）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等
（CF4＋3e→ CF3 + ＋ CF2++ ＋ CF3 ＋ F）
4）反应正离子轰击样品表面－各向异性刻蚀（物理
刻蚀）
1. 刻蚀过程
5）反应正离子吸附表面 6）反应元素（自由基和反应原子）和表面膜的表 面反应－各向同性刻蚀（化学刻蚀） 7）副产物解吸附 8）副产物去除
（a）0时刻
（b）t1时刻
SiO2对下层Si的选择比 SiO2对下层Si的选择比 ＝（△dsio2/t1）÷（△dsi/（t3－t2））
（c）t2时刻
（d）t3时刻
4. 均匀性
刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片
上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过
刻蚀。
5. 刻蚀剖面
刻蚀剖面是
第六章： 刻 蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念：
用化学或物理的方法，有选择地去除硅片表面层
材料的过程称为刻蚀。
刻蚀的工艺目的：
把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复 制掩膜版图形的目的。
刻蚀是在硅片上复制图形的最后图形转移工艺，
是集成电路制造的重要工艺之一。
刻蚀主要分三种：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀
HF：H2O ＝50：1漂SiO2
煮去LOCOS的Si3N4
浓磷酸 180 ℃
本章作业
1. 什么是刻蚀？（即回答刻蚀的概念），刻 蚀的工艺目的是什么？ 2. 列举5个刻蚀参数 3. 描述反应离子刻蚀（即回答反应离子刻蚀 机理）
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得 到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片 表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高 了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，
加速与样片的化学反应。
④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比
未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了
很好的各向异性。
刻蚀机理：
在RF作用下工艺气体分解电离：
CF4 ＋O2＋N2 ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ F ＋O+＋N+
F是主要活性基与Si3N4发生化学反应： 12F＋ Si3N4 → 3SiF4 ↑＋ 2N2↑ 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻 蚀：F O2/N2的作用:稀释F基的浓度降低对下层SiO2的刻 蚀速率
三极平行板RIE反应器
ICP-RIE 刻蚀机 ICP部分
传片腔
高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：
1）高刻蚀速率
等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率
2）高方向性
系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获
得高深宽比的槽；
3）小轰击损伤
系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小
对Si片表面的轰击损伤。
介质的干法刻蚀
工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和 通孔
工艺方法： 刻蚀气体：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3 ＋Ar ＋He）
1. 氧化硅的刻蚀
刻蚀系统：平行板式或桶式RIE系统，0.25微米以 下采用ICP－RIE系统
工作压力：≤0.1Torr，0.25微米以下≤10mTorr
1. 刻蚀过程
干法刻蚀过程示意图
刻蚀作用
2. 等离子体的电势分布
①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光 放电的等离子体；
（射频电压：交流有效值几百伏、射频频率13.56MHz）
②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等 离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为 负的自偏置直流电压；
（b）各向异性刻蚀剖面
湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学方法，不能实 现图形的精确转移，适用于特征尺寸≥3μｍ的情况
干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学方法，
能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的
主流技术。
干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比）
1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2. 好的CD控制
反应器
平行板RIE反应器
刻蚀机理
反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀，主流技术