第七章刻蚀工艺

干刻所用的化学气体，常态下对薄膜不起刻蚀作用。 干刻过程的起始和终止靠化学气体在射频放电条件下产生等离子体来 控制。
干法刻蚀的优点：
各向异性好，选择比高，分辨率高 可控性、灵活性、重复性好 操作安全，易实现自动化 无化学废液，刻蚀过程不引入污染，洁净度高。
干法刻蚀的缺点：
成本高，设备复杂 有“再淀积”现象；某些化学气体具毒性或腐蚀性
光刻胶 多晶硅 光刻胶 多晶硅
SiO2 硅衬底
硅衬底
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VLSI对刻蚀工艺的质量要求
图形转换的保真度高：各向异性度→1，保真度越好 选择比好：被刻蚀薄膜的刻蚀速率高，掩蔽膜和其它衬底 材料的刻蚀速率尽量低 刻蚀均匀性好，重复性高 对硅片表面和器件结构的损伤小 清洁、经济、安全
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湿法刻蚀
湿法刻蚀：液态化学试剂与薄膜之间发生化学反应，生成 可溶性（或气态）生成物 湿法刻蚀过程的三步骤：
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SiO2的湿法刻蚀
氢氟酸可以在室温下与SiO2快速的反应，而不会刻蚀硅： SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O 掩蔽膜：光刻胶、氮化硅、多晶硅 工艺上通常使用加入NH4F的氢氟酸缓冲液（BOE），来维 持有效刻蚀剂浓度。 氢氟酸缓冲液配方为：HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml NH4F → NH3 + HF
设备：高压等离子体刻蚀机（真空度102～10-1 Torr） 特点： 1.纯化学反应进行刻蚀，选择性好； 2.高气压下，离子的能量很小，各向异性差； 3.对基底的损伤小； 4.多片处理模式。 应用：不考虑图形转移精度的场 合，如去胶工艺（O2，CF4等） 重要！！反应产物的挥发性
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物理化学性刻蚀（反应离子刻蚀）
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影响干法刻蚀的因素
刻蚀气体的种类、流量及其配比（刻蚀速率及其均匀性、 选择比、各向异性度） 射频功率（等离子体密度和离子能量→刻蚀速率及其均匀 性、选择比和各向异性度，损伤） 温度（刻蚀速率、各向异性度） 气压（等离子体密度、离子能量→刻蚀速率及其均匀性、 选择比和各向异性度，损伤）
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常见半导体材料的刻蚀工艺（1）
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过刻蚀带来的问题
过刻蚀过程中，横向刻蚀继续，造成刻蚀偏差加大； 过刻蚀过程中，衬底材料被刻蚀，造成衬底结构受损； 过刻蚀延长了刻蚀时间，考验光刻胶的耐蚀能力。
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刻蚀选择比：不同材料之间的（纵向）刻蚀速 率之比
两个最重要的选择比参数：
被刻蚀薄膜与掩蔽膜 —— 决定所需掩蔽膜的厚度 被刻蚀薄膜与其下的薄膜材料 —— 影响下层薄膜结构 和质量
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主要用途 用于尺寸要求 不高的场合
刻蚀接触孔 用于场氧化掩 蔽膜的去除
常见半导体材料的刻蚀工艺（2）
被刻蚀薄膜 刻蚀剂 硝酸＋氢氟酸 CF4，SF6，NF3 多晶硅 CF4/H2，CHF3 CF4/O2 HBr，Cl2， Cl2/HBr/O2 磷酸、硝酸、醋 酸、水混合液 Cl2 Cl2/BCl3 光刻胶 硫酸＋双氧水 O2 说明 湿法，各向同性刻蚀，对 SiO2选择比低 干法，近似各向同性刻 蚀，对SiO2选择比低 干法，各向异性刻蚀，对 SiO2选择比低 干法，各向同性刻蚀，对 SiO2选择比高 干法，各向异性刻蚀，对 SiO2选择比高 湿法，各向同性刻蚀，对 SiO2选择比高 干法，各向同性刻蚀 干法，各向异性刻蚀 湿法，各向同性刻蚀 干法，各向同性刻蚀 主要用途 早期工艺采用 早期干法刻蚀工艺 早期干法刻蚀工艺 早期干法刻蚀工艺 深亚微米工艺中刻蚀 栅极 早期工艺采用 早期干法刻蚀工艺 刻蚀金属互连线 湿法去胶（铝前） 干法去胶
RIE模式
上电极＋腔壁 →接地 下电极（硅片） →RF 下电极-Plasma电压差大，离子轰击强
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RIE刻蚀的不足：
1.各向异性刻蚀与刻蚀速率之间的矛盾： 刻蚀速率 (+) →反应性物质浓度 (+) →气压 (+) →碰撞 (+) → 各向异性度 (-) 2.高各向异性度和刻蚀速率带来的刻蚀损伤问题： 离子能量 (+) →刻蚀速率 (+) →损伤 (+) 3.随着图形深宽比增加，需要更低的气压以保证定向刻蚀 → 等离子体密 度急剧下降→刻蚀速率急剧下降
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干法刻蚀的分类
物理性刻蚀（溅射刻蚀） 化学性刻蚀（等离子体刻蚀） 物理化学性刻蚀（反应离子刻蚀） 高密度等离子体（HDP）刻蚀
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物理性刻蚀
机理：利用等离子体（一般采用惰性气体）中的离子轰击，将 被刻蚀材料的原子击出。 设备：离子铣（真空度10-3～10-5 Torr） 特点：
1.纯粹的物理过程，电场定向，对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀； 2.选择比差，一般不超过2～3； 3.刻出物易再淀积； 4.易对下面结构造成损伤； 5.单片工艺
一般采用加热（180℃）的磷酸（H3PO4）作为氮化硅的腐 蚀液 掩蔽膜不能用光刻胶，一般采用二氧化硅做掩蔽膜
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铝的湿法刻蚀
刻蚀液：磷酸、硝酸、醋酸及水的混合溶液。 原理：1. 由硝酸与铝反应生成氧化铝; 2. 磷酸和水分解氧化铝。 掩蔽膜：光刻胶 温度：30∼60 ℃
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干法刻蚀
干法刻蚀：是利用化学气体辉光放电而产生等离子体来进行 薄膜刻蚀的一种技术。
第七章 刻蚀工艺
曾莹
清华大学微电子学研究所
zengying@
1
刻蚀的基本概念
刻蚀：通过物理和/或化学方法将下层材料中没有被上层掩蔽 膜材料掩蔽的部分去掉，从而在下层材料上获得与掩蔽膜图 形完全对应的图形。
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刻蚀工艺的分类
湿法刻蚀与干法刻蚀 湿法刻蚀：采用液态化学试剂进行薄膜刻蚀 干法刻蚀：采用气态的化学气体进行薄膜刻蚀 各向同性刻蚀与各向异性刻蚀 各向同性刻蚀：薄膜在各个方向上都受到同样的刻蚀 各向异性刻蚀：薄膜在各个方向上所受刻蚀不等
机理：物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。 设备：反应离子刻蚀机（RIE）（ 真空度10-1～10-2Torr） 传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。通过适当选择反应气体、气 压、流量和射频功率，可以得到较快的刻蚀速率和良好的各向异性。 特点： 1.选择比较高； 2.各向异性较好； 3.刻蚀速度较快 应用：在IC制造中应用广泛
应用：刻蚀复杂的三元 物和四元物，如 InAlGaAs，YBaCuO等
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离子铣过程中可能发生的四个问题
光刻胶斜坡转移
沟槽现象
再淀积现象
“充电”及刻蚀变形
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化学性刻蚀（等离子体刻蚀）
等离子体刻蚀利用高压低功率的等离子体，其能量非常低，起刻 蚀作用的是等离子体中化学活性很高的中性原子、原子团等。
被刻蚀薄膜 刻蚀剂 DHF，BOE SiO2 CF4，SF6，NF3 CF4/H2，CHF3， CHF3/O2，C2F6 磷酸（180℃） CF4/O2 Si3N4 CF4/H2 CHF3/O2，CH2F2 说明 湿法，各向同性刻蚀，对Si选 择比高 干法，近似各向同性刻蚀，对 Si选择比低 干法，各向异性刻蚀，对Si选 择比高 湿法，各向同性刻蚀，对Si， SiO2选择比高 干法，近似各向同性刻蚀，对 Si选择比低，对SiO2选择比高 干法，各向异性刻蚀，对Si选 择比高，对SiO2选择比低 干法，各向异性刻蚀，对Si， SiO2选择比高 刻蚀有源区， 钝化孔
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完全的各向同性刻蚀， 横向刻蚀速率＝纵向刻蚀速率 其刻蚀偏差为最大值|BMAX| = 2h 完全的各向异性刻蚀， 横向刻蚀速率 = 0 其刻蚀偏差为最小值BMIN = 0 实际工艺中的刻蚀偏差是介于二者之间
V横向 | B |= (2h) V纵向
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各向异性度
各向异性度的定义：
Af = 1 −
B 2h
溶液中的反应物通过扩散到达将被刻蚀的薄膜表面 反应物与薄膜表面的分子发生化学反应，并生成各种生成物 位于薄膜表面的生成物，扩散到溶液中并被排掉（可溶或气态）
速率控制方法： 刻蚀溶液的种类 溶液的浓度 反应温度 搅拌
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刻蚀液的选用：刻蚀速率；选择比。 掩蔽膜的选用：粘附性；稳定性；抗蚀性。 湿法刻蚀的优点： 设备简单，成本低，产量高，刻蚀选择比好，重复性好。 湿法刻蚀的缺点： 各向同性刻蚀，钻蚀严重，对图形的控制性较差。 安全性、洁净性差。 主要用于对尺寸要求不高的场合
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HDP刻蚀机的优缺点
优点： 刻蚀速率高； 损伤小； 选择比好； 各向异性强 缺点： 高的离子流量容易对浮空结构（尤其是MOS管中的栅）充电， 可能会在栅绝缘中导致过多的漏电。
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不同刻蚀系统的比较
离子铣 HDP刻蚀 物理过程
气 压
能 量
选 择 比
各 向 异 性 度
RIE刻蚀 PE刻蚀 湿法刻蚀 化学过程
钻蚀
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刻蚀工艺的品质因数
刻蚀速率（纵向刻蚀速率V纵向，横向刻蚀速率V横向） V纵向决定了刻蚀工艺的产率 V横向决定了刻蚀后剖面形貌和“钻蚀”程度 各向异性度 刻蚀均匀性 刻蚀选择比
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刻蚀偏差：薄膜图形与掩蔽膜图形之间横向尺寸的差异
刻蚀偏差 B = df- dm
B既可以大于0，也可以小于0。
横向刻蚀速率≠0 时，刻蚀工艺产生“钻蚀”现象， B≠0 。
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ห้องสมุดไป่ตู้
Si和多晶硅的湿法刻蚀
用硝酸与氢氟酸的混合液进行刻蚀： Si + HNO3 + 6HF = H2SiF6 + HNO2 + H2 + H2O 反应原理：1.硝酸将表面的硅氧化成SiO2 ； 2.氢氟酸将生成的SiO2除去 用KOH可实现硅的非各向同性刻蚀：刻蚀速率与硅的晶向有关
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氮化硅的湿法刻蚀
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离子轰击在RIE刻蚀中的作用
1.将被刻蚀材料表面的原子键破坏，加速化学反应； 2.将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉,使被刻蚀表面能再与刻蚀 气体接触。