(第六章)刻蚀全解
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(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）；
刻蚀基础演示课件
8
其中
—
x
是 N个点的平均值
9
●选择性是不同的材料刻蚀率之比 ●在图形刻蚀中是非常重要的 ●需要刻蚀的层与光刻胶的选择性希望越大 越好
E ? E1 E2
10
各项异性刻蚀
各项同性刻蚀
11
问题 ●小孔的刻蚀率比大孔的刻蚀率低 ●因为刻蚀剂很难通过小孔 ●刻蚀的副产物很难通过小孔扩散出去 解决出去
光刻胶 薄膜
19
●不想要的残留物 ●原因
不充足的刻蚀 非挥发性的刻蚀副产物
20
21
22
●充足的刻蚀 ●移除非挥发性的残留物
⊙离子轰击 ⊙化学 ●含氧的等离子体：有机残留物 ●湿法刻蚀清洗：无机的残留物
23
12
光刻胶 薄膜
13
需要刻蚀的层没有刻蚀完
●太短的刻蚀时间
光刻胶
●膜厚不均匀厚的部分产 薄膜
生不完全刻蚀
●过低的温度、弱的刻蚀
液
14
●薄膜的厚度和刻蚀率不一致 ●过刻蚀：移除了残留薄膜 ●刻蚀薄膜和衬底的选择性
15
16
17
18
●光刻胶边缘下被刻蚀（undercutting） ●原因 刻蚀时间过长；温度过高；刻蚀剂混合物太强；光刻 胶和晶圆表面的黏结力较弱；
●刻蚀工艺定义 ●刻蚀的工艺流程 ●刻蚀相关术语 ●刻蚀中的存在的问题和解决办法
1
●一种从表面移除材料的过程 ●化学、物理或者物理化学相集合方法 ●选择性刻蚀把光刻胶上IC设计的图形 转移到晶圆的表层 ●在制作掩膜板是也会用到刻蚀工艺
2
光 刻胶 多晶硅 Si衬底
3
4
5
●刻蚀率 ●刻蚀均匀性 ●选择性 ●刻蚀轮廓
●装载效应 ●不完全刻蚀 ●过刻蚀钻蚀 ●残留物
其中
—
x
是 N个点的平均值
9
●选择性是不同的材料刻蚀率之比 ●在图形刻蚀中是非常重要的 ●需要刻蚀的层与光刻胶的选择性希望越大 越好
E ? E1 E2
10
各项异性刻蚀
各项同性刻蚀
11
问题 ●小孔的刻蚀率比大孔的刻蚀率低 ●因为刻蚀剂很难通过小孔 ●刻蚀的副产物很难通过小孔扩散出去 解决出去
光刻胶 薄膜
19
●不想要的残留物 ●原因
不充足的刻蚀 非挥发性的刻蚀副产物
20
21
22
●充足的刻蚀 ●移除非挥发性的残留物
⊙离子轰击 ⊙化学 ●含氧的等离子体：有机残留物 ●湿法刻蚀清洗：无机的残留物
23
12
光刻胶 薄膜
13
需要刻蚀的层没有刻蚀完
●太短的刻蚀时间
光刻胶
●膜厚不均匀厚的部分产 薄膜
生不完全刻蚀
●过低的温度、弱的刻蚀
液
14
●薄膜的厚度和刻蚀率不一致 ●过刻蚀：移除了残留薄膜 ●刻蚀薄膜和衬底的选择性
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●光刻胶边缘下被刻蚀（undercutting） ●原因 刻蚀时间过长；温度过高；刻蚀剂混合物太强；光刻 胶和晶圆表面的黏结力较弱；
●刻蚀工艺定义 ●刻蚀的工艺流程 ●刻蚀相关术语 ●刻蚀中的存在的问题和解决办法
1
●一种从表面移除材料的过程 ●化学、物理或者物理化学相集合方法 ●选择性刻蚀把光刻胶上IC设计的图形 转移到晶圆的表层 ●在制作掩膜板是也会用到刻蚀工艺
2
光 刻胶 多晶硅 Si衬底
3
4
5
●刻蚀率 ●刻蚀均匀性 ●选择性 ●刻蚀轮廓
●装载效应 ●不完全刻蚀 ●过刻蚀钻蚀 ●残留物
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
(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。
(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)
第六章光刻
2、负性I线光刻胶
I线负性光刻胶是一种化学的惰性聚异戊二烯聚合物，一种天然 橡胶。溶剂通常使用二甲苯，感光剂是一种经过合适波长的紫外线 曝光后释放出氮气的光敏剂，产生自由基在橡胶分子间形成交联， 形成的交联橡胶不溶于显影液。 负胶交联步骤：
（1）光刻胶树脂是悬浮在溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物
（2）曝光使光敏感光剂释放出氮气 （3）释放出的氮气产生自由基
第六章 光
——气相成底膜到软烘
刻
目
解释光刻基本概念 讨论正性和负性光刻的区别
标
说明并描述光刻的8个基本步骤 解释如何在光刻前处理硅片表面
描述光刻胶并讨论光刻胶的物理特性
讨论软烘的目的，并解释它如何在生产中完成
6.1
6.1.1光刻的概念
引言
光刻的本质是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子 注入的硅片上，转移到硅片上的图形组成了电路的元件，如栅电 极、通孔、器件各层间必要的互连线以及硅掺杂区。 在完成试验电路或计算机模拟之后，制造集成电路的第一步 是产生几何形状的图像，这些电路结构首先以图形形式制作在名 为掩膜版的石英版上，紫外线透过掩膜版把图形转移到硅片表面
的光敏薄膜上。光刻显影后图形出现在硅片上，然后用一种化学
刻蚀工艺把薄膜图形成像在下面的硅片上，各个连续图形转移之 间可进行离子注入、扩散、氧化或金属化等工艺操作。
光刻工艺在IC生产中非常重要，光刻位于硅片 加工过程的中心，光刻成本在整个硅片加工成本中 几乎占到三分之一，且占整个工艺时间的40～50％， 决定最小特征尺寸。
•传统光刻胶：形成线宽尺寸在0.35μm和0.35μm以上的光刻胶。
•化学放大（CA）光刻胶：20世纪90年代后期引入的一种新的光刻胶， 适用于深紫外线（DUV)波长的光刻胶。化学放大光刻胶可以在批量生 产中形成0.25μm以下的细微几何关键尺寸。
半导体工艺原理复习解析
晶体生长技术（直拉法（CZ）、区熔法（FZ））。
半导体：常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，如二极管、计算机、移动电话等。
导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。
N型半导体（电子型半导体），自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
硅晶体中掺入五价元素（如磷），自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。
自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。
掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强。
P型半导体（空穴型半导体）即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。
硅晶体中掺入三价元素（如硼）。
空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。
空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。
掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强。
区熔法（FZ）特点：硅片含氧量低、纯度高、成本高、主要用于高功率IC。
难生长大直径硅晶棒。
低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差。
CZ法：成本低、可做大尺寸晶锭、材料可重复使用。
CZ工艺工程：籽晶熔接，引晶和缩颈，放肩，收尾。
影响因素：拉伸速率、旋转速率。
硅片制备步骤：机械加工，化学处理，表面抛光，质量测量制备流程：整形处理，去掉两端，径向研磨。
硅片制作流程：磨片和倒角（防止产生缺陷），刻蚀（去除沾污和损伤层）腐蚀液：HNO3+HF+醋酸，抛光（去除表面缺陷），清洗（去除残留沾污）晶体缺陷：点缺陷（空位缺陷；间隙原子缺陷；Frenkel缺陷）；位错；层错。
杂质的作用：调节硅原子的能级，由于晶体结构的原因，固体中的全部原子的各能级形成了能带，硅通常可以分为三个能带，导带，禁带，价带。
如果所有的自由电子都在价带上就是绝缘体；如果所有的自由电子都在导带上就是导体。
半导体的自由电子平时在价带上，但受到一些激发的时候，如热、光照、电激发等，部分自由电子可以跑到导带上去，显示出导电的性质，所以称为半导体。
施主能级杂质能级要么距离导带很近（如磷），是提供电子的；受主能级要么距离价带很近（如硼），是接受电子的。
(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
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
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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。
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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。
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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
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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
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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
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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
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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。
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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。
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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