(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）；
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。
＝ 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
应－各向同性刻蚀（化学刻蚀）
7. 副产物解吸附 8. 副产物去除
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；
✓ 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
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
✓ 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： 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。
Resist
Film
Undercut
Overetch
Resist Film
Substrate (a)
Substrate (b)
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）
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
(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
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
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
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
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）T = chan来自e in thickness T
光刻胶 被刻蚀材料
t = elapsed time during etch
Start of etch