半导体制造工艺教案8-刻蚀

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导入新授刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图所示。

刻蚀图形转移示意图

1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。

2)干法刻蚀是利用辉光(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，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。

刻蚀的要求

1.图形转换的保真度高

2.选择比

3.均匀性

4.刻蚀的清洁

8.2刻蚀工艺

8.2.1湿法刻蚀

最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成

反应生成物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。

2)湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。

3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。

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。

8.2.2干法刻蚀

干法刻蚀是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。在干法刻蚀过程中，不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。

1)物理刻蚀是利用辉光放电将气体(比如氩气)解离成带正电的离子，再利用偏压将带正电的离子加速，轰击在被刻蚀薄膜的表面，从而将被刻蚀物质的原子轰击出去。

2)化学刻蚀又叫做等离子刻蚀，它与物理刻蚀完全不同，它是利用等离子体，将反应气体解离，然后借助离子与薄膜之间的化学反应，把裸露在等离子体中的薄膜，反应生成挥发性的物质而被真空系统抽离。

1.等离子体的概念

2.等离子体的产生方式

(1)气体放电法通常把在电场作用下，气体被击穿而导电的现象称为气体放电。

(2)射线辐照法射线辐照法是利用各种射线或粒子束辐照，使得气体电离而产生等离子体。

8.2.3两种刻蚀方法的比较

湿法刻蚀是在水溶液下进行的，所以刻蚀速度较快，同时选择度较高，但刻蚀时是各向同性腐蚀，也就是说，除了在纵向进行腐蚀以外，在横向上也会有腐蚀，这样就造成图形转换时保真度较低，因此，湿法刻蚀不能满足超大规模集成电路制造的要求。

干法刻蚀与湿法刻蚀效果的比较

8.3干法刻蚀的应用

8.3.1介质膜的刻蚀

集成电路工艺中所广泛用到的介质膜主要是SiO2膜及Si3N4膜。1.二氧化硅的干法刻蚀

HWP结构图

等离子体扩散腔外围磁场

(1)氧的作用在CF4中加入氧后，氧会和CF4反应释放出F原子，

因而增加F原子的含量，则增加了Si与SiO2的刻蚀速率，并消耗掉部分C，使得等离子体中碳与氟的比例下降。

(2)氢的作用

(3)反应气体在目前的半导体刻蚀制备中，大多数的干法刻蚀都采用CHF3与氯气所混合的等离子体来进行SiO2的刻蚀。

2.氮化硅(Si3N4)的干法刻蚀

圆筒形结构示意图

晶圆表面薄膜材料腐蚀完毕，必须将光刻胶去除掉，这一工序称为去胶。常用的去胶方法有溶剂去胶、氧化去胶和等离子体去胶。下面分别加以阐述。

1.溶剂去胶

2.氧化去胶

3.等离子体去胶

等离子体去胶设备示意图

1)系统真空度要达到3×12-2Torr(1Torr=133.322Pa)，然后通入氧气，并用针型阀门调节流量。

2)高频信号源的频率是11~12MHz，输出功率为150~200W。

3)通入氧气的流量

8.4干法刻蚀的质量控制

光学放射频谱分析光学放射原理

1.光学放射频谱分析

2.激光干涉测量

激光干涉测量图形

1)激光束要聚焦在晶圆的被刻蚀区，且该区域的面积应足够大。

2)必须对准在该区域上，因而增加了设备镜片的设计难度。

3)被激光照射的区域温度升高而影响刻蚀速率，造成刻蚀速率与不受激光照射区域的不同。

4)如果被刻蚀的表面粗糙不平，则所测得的信号将很弱。

3.质谱分析

1)部分物质的质量/电荷比相同，如N2、CO、Si等，使得检测同时拥有这些成分的刻蚀时无法判断刻蚀是否完成。

2)从空腔取样的结果会影响刻蚀终点的检测。

3)设备不容易安装到各种刻蚀机上。