电子科大微电子工艺(第六章)刻蚀分解

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）；

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
(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
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
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
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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） 。

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）

干法刻蚀有各向同性腐蚀，也 有各向异性腐蚀。各向异性腐 蚀能实现图形的精确转移，是 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 Resist Film Substrate Overetch Undercut Bias Resist Film Substrate (b)
(a)



4. 选择比 选择比：指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另 一种材料的刻蚀速率之比。 高选择比: 意味着只刻除想要刻去的膜层材料，而 对其下层材料和光刻胶不刻蚀。 SiO2对光刻胶的选择比＝（ΔTsio2/t1）/（ΔT胶/t1） ＝ 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
微负载效应
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。 残留物的去除：湿法去胶时去除 7. 聚合物 聚合物的形成有时是有意的，是为了在刻蚀图形的 侧壁上形成抗腐蚀膜从而防止横向刻蚀，这样能形 成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向性，从而实 现对图形关键尺寸的良好控制。

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：

干法刻蚀的优点（与湿法腐蚀比）
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 3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题 4. 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性 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
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。
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
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。
列举刻蚀的9个重要参数？ 思考：残留物和颗粒沾污的区别？
6.3 干法刻蚀
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