chap8刻蚀工艺解读

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• 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走 气泡，有时也可以在腐蚀液中加入 少量氧化剂去除气泡。
6. 清洁、经济、安全
• 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
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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。
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湿法刻蚀
反应产物必 须溶于水或 是气相
各向同性腐蚀：不同方向的腐蚀特性相同
dm
dm
dm
df
df
df
保真度：
A=|df－dm| / 2h
1<A< 0
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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
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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－ )
各向异性
硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀
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原子密度：<111> > <110> > <100> 腐蚀速度：R(100) 100 R(111)
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HNA各向同性腐蚀
自终止
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利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS （MicroElectroMechanical Systems）结构
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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。
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图形转移＝光刻＋刻蚀 两大关键问题： 待刻材料的刻蚀 选择性 速率
S r1 r2
掩膜或下层材料 的刻蚀速率
图形转移过程演示
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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
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例1：SiO2采用HF腐蚀
实 BOE：buffered oxide etching 际 用 或BHF: buffered HF 例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）
加入NH4F缓冲液：弥补 F和降低对胶的刻蚀
例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀
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各 向 同 性
例4：Si采用KOH腐蚀 Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2++ + 2H2 + 4OH-
方向性：各向同 性/各向异性
A 1 rlat rvert
纵向刻 蚀速率
横向 刻蚀 速率
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• 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。
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8.10 VLSI对图形转移的要求
保真度 选择比 均匀性 清洁度
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各向异性腐蚀：方向不同，腐蚀特性不同。
U
high high
low low
Rhigh: 最大刻蚀速率 10 Rlow: 最小刻蚀速率
刻蚀要求: 1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形） 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
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 11
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• v湿法干法结合 湿法去表层胶，干法去底胶
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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
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刻蚀时间差
TM－Tm=[ h*(1+ ) / V*(1- ) ] －[h*(1－ ) / V*(1+ )] 粗细线条兼顾，折中
洁净度 防止沾污
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刻蚀的性能参数
刻蚀速率R (etch rate)
刻蚀均匀性 (etch uniformity) 选择性S (Selectivity) 各项异性度A (Anisotropy) 掩膜层下刻蚀 (Undercut)
单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产 率有较大影响
一个硅片或多个硅片或多批硅片 上刻蚀速率的变化 不同材料之间的刻蚀速率比
刻蚀的方向性 A=0, 各项同性；A=1, 各项异性 横向单边的过腐蚀量
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方向性：
过腐蚀（钻蚀）： A＝0
假定S＝时
0<A<1
A=1
A 1
b d
R R R R
/non-uniformity 均匀性/非均匀性
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
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• 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着 广泛应用：磨片、抛光、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.
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• 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。