chap8刻蚀工艺解析

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刻蚀时间差
TM－Tm=[ h*(1+ ) / V*(1- ) ] －[h*(1－ ) / V*(1+ )] 粗细线条兼顾，折中
洁净度 防止沾污
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刻蚀的性能参数
刻蚀速率R (etch rate)
刻蚀均匀性 (etch uniformity) 选择性S (Selectivity) 各项异性度A (Anisotropy) 掩膜层下刻蚀 (Undercut)
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8.11 刻蚀方法
湿法刻蚀：利用液态化学试剂或 溶液通过化学反应进行刻蚀的方 法。
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湿法刻蚀
反应产物必 须溶于水或 是气相
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例1：SiO2采用HF腐蚀
实 BOE：buffered oxide etching 际 用 或BHF: buffered HF 例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）
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四.等离子刻蚀设备
圆筒型 平板型
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( )
硅反 片应 接离 地子 刻 蚀 结 构 示 意 图
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反 应 离 子 刻 蚀 结 构 示 意 图
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双 向 等 离 子 刻 蚀 示 意 图
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8.13 光刻质量分析
• 一、光刻的质量要求： • 光刻的质量直接影响到器件的性能， 成品率和可靠性。对其有如下要求，刻蚀 的图形完整性好，尺寸准确，边缘整齐， 线条陡直；图形内无针孔，图形外无小岛， 不染色；硅片表面清洁，无底膜；图形套 刻准确。 • 光刻胶的质量和放置寿命(6个月). • 颗粒<0.2m, 金属离子含量很少 • 化学稳定, 光/热稳定度 • 粘度 43
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• （3）小岛：
• 所谓小岛是指残留在光刻窗口上局部 细小的二氧化硅层，在扩散时，这些 小岛阻挡了杂质的扩散，使得P-N结 不平坦，半导体器件特性受到了影响， 造成反向漏电增加，甚至极间穿通。 产生小岛的原因： • 1）在光刻版上不透光区域中存在小 孔或透光点，则在硅片表面上留有小 岛。
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• 2）在光刻胶中有颗粒状不溶性物资 残留在硅片表面，使得局部小区域 的二氧化硅腐蚀不掉形成小岛。 • 3）曝光过度，使得局部区域显影不 干净，或显影不完全，残留在胶膜 底部，腐蚀以后产生小岛。
• • • • •
• • • •
二、光刻的质量分析 （1）影响分辨率的因素： A、光刻掩膜版与光刻胶的接触; B、曝光光线的平行度; C、掩膜版的质量和套刻精度直接影响光刻 精度; D、小图形引起逛衍射; E、光刻胶膜厚度和质量的影响： F、曝光时间的影响： G、衬底反射影响： H、显影和刻蚀的影响：
各向同性腐蚀：不同方向的腐蚀特性相同
dm
dm
dm
df
df
df
保真度：
A=|df－dm| / 2h
1<A< 0
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选择比：指两种不同材料在腐蚀的过 程中被腐蚀的速率比。 如SiO2的刻蚀中 对光刻胶和硅的腐蚀速率很低 对SiO2的腐蚀速率很很高
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均匀性
平均厚度h，厚度变化因子， 1 ≤ ≤0，最厚处h*(1+ ),最薄处 h*(1－ ) 平均刻蚀速率V，速度变化因子， 1 ≤ ≤0，最大速度V*(1+ ),最小速 度V*(1－ )
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干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的 等离子体中的离子或游离基(处于激发态 的分子、原子及各种原子基团等)与材料。 发生化学反应或通过轰击等物理作用而 达到刻蚀的目的。 横向腐蚀小,钻蚀小,无化学废液,分辨率 高,细线条 操作安全，简便；处理过程未引入污染： 易于实现自动化，表面损伤小 缺点:成本高,设备复杂
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• 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着 广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐 蚀. • 优点是选择性好、重复性好、 生产效率高、设备简单、成本低. • 缺点是钻蚀严重、对图形的控 制性较差.
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• 湿法腐蚀特点： • 1.其反应物必须是气体或能溶于刻蚀 剂的物质，否则会造成反应物的沉 淀，从而影响刻蚀正常进行。 • 2.一般湿法腐蚀是各向同性的，刻蚀 中腐蚀液不但侵入到纵向方向，而 且在侧向也会受到侵蚀。
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• 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 • ð等离子刻蚀 (Plasma Etching) ：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 • ð反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称 为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
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• 3）感光剂中有颗粒状物质或灰尘， 或者胶太稀薄，转速太快，使得胶 膜过于薄而出现面积较大的针孔。 • 4）硅片表面质量不好，有颗粒状凹 坑，也会形成针孔。 • 5）曝光不当。光刻胶聚合反应不完 全，或曝光时间过长，发生邹胶， 腐蚀时掩膜失效，形成了针孔。
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• （4）针孔 • 针孔是由于胶膜不完整而在光刻窗口外 的二氧化硅层上产生细小孔洞。这些孔 洞使不该扩散的区域，杂质也扩进去了， 造成P-N结短路、漏电、低击穿。产生针 孔的原因有： • 1）光刻掩膜版上有黑斑，阻挡了光线照 射，使该区域上的胶膜未曝光，而被显 影液溶解，经刻蚀以后便形成了针孔。 • 2）操作过程中尘埃玷污，特别是在涂胶 过程中，尘埃落到了胶表面，这样就起 了阻挡光线的作用，形成针孔。
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三.影响刻蚀速度的条件
气体压力 气体流量 射频功率 温度 负载效应 腐蚀剂选择比
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刻铝中的问题
铝表面的氧化铝难刻 中间产物AlCl4,BCl3淀积在表面，阻 止刻蚀
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去胶
等离子去除胶底膜 紫外光分解去胶原理:光刻胶薄膜在 强紫外光照射下, 分解为可挥发性气 体（如CO2、H2O），被侧向空气带 走。
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• v湿法干法结合 湿法去表层胶，干法去底胶
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湿法腐蚀的缺点
•在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干 法刻蚀所替代： •（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各 向异性 •（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
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• 3.湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。 放热造成刻蚀局部温度升高，引起 化学反应速度加快，反过来，又会 加剧反应放热，使刻蚀反应处于不 受控制的恶性循环中，使质量极差。 在加工时采用搅拌或超声波等方法 来消除局部温度升高。放气会造成 局部气泡凝聚，使速率变慢或停止， 造成缺陷，也可以通过搅拌来赶走 气泡，有时也可以在腐蚀液中加入 少量氧化剂去除气泡。
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• 3）前烘不足或过度：前烘，胶膜内 还留有溶剂未挥发掉，显影时会造 成溶胶。但是前烘过度，胶膜硬化， 抗蚀力下降，也会出现溶胶现象。 • 4）曝光或显影不合适：曝光时间不 足，胶膜的光化学反应没有进行完 全就浸入显影液中，会造成胶膜溶 解引起溶胶。显影时间过长，胶膜 会软化。显影液从底部浸入，引起 胶膜脱落。
刻蚀工艺(Etch)
基本概念
定义：用光刻方法制成的微图 形，只给出了电路的行貌，并不是 真正的器件结构。因此需将光刻胶 上的微图形转移到胶下面的各层材 料上去，这个工艺叫做刻蚀。
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图形转移＝光刻＋刻蚀 两大关键问题： 待刻材料的刻蚀 选择性 速率
r1 S r2
掩膜或下层材料 的刻蚀速率
图形转移过程演示
加入NH4F缓冲液：弥补 F和降低对胶的刻蚀
例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀
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各 向 同 性
例4：Si采用KOH腐蚀 Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2++ + 2H2 + 4OH-
各向异性
硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀
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原子密度：<111> > <110> > <100> 腐蚀速度：R(100) 100 R(111)
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HNA各向同性腐蚀
自终止
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利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS （MicroElectroMechanical Systems）结构
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湿法的刻蚀原理 ： 湿法是接触型
腐蚀，以HF酸腐蚀SiO2为例： SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O 此反应的产 物是气态的 SiF4 和水,其反应速率R 可 用 Arrhenius 方 程 描 述 ： R = R0exp(Ea/kT) ，其中 R0 是常数， Ea 是反应的 激活能，k是玻耳兹曼常数，T是温度
湿法刻蚀——化学溶液中进行 反应腐蚀，选择性好 干法刻蚀——气相化学腐蚀 （选择性好）或物理腐蚀（方向 性好），或二者兼而有之 11
6. 清洁、经济、安全
• 刻蚀过程包括三个步骤：
– 反应物质量输运（Mass transport）到要被刻 蚀的表面 – 在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应 – 反应产物从表面向外扩散的过程
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二. 常用材料的腐蚀剂
待腐蚀材料 Si (单晶) Si（多晶） SiO2 Si3N4 Al Mo,W,Ta,Ti Cr,V Au,Pt WSi2, Mo Si2 光刻胶 腐蚀剂 CF4, CF4+O2 CF4, C2F6+Cl2, CCl6+Cl2, CF4+H2, C3F8 CF4, CF4+O2,CF4+H2, BCl3+Cl2, CCl4+Cl2, CF4+O2 CF4+O2, Cl2+O2 C2 Cl2F4+O2, C2 Cl2F4 CF4+O2，SF6+O2 ，N F2 O2
U
R high R low R high R low
Rhigh: 最大刻蚀速率 10 Rlow: 最小刻蚀速率
刻蚀要求: 1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形） 2. 过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10％，以保证整片刻蚀完全） 3. 选择性好 4. 均匀性和重复性好 5. 表面损伤小
两类刻蚀方法：
单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产 率有较大影响
一个硅片或多个硅片或多批硅片 上刻蚀速率的变化 不同材料之间的刻蚀速率比
刻蚀的方向性 A=0, 各项同性；A=1, 各项异性 横向单边的过腐蚀量
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方向性：
过腐蚀（钻蚀）： A＝0
假定S＝时
0<A<1
A=1
A 1 b d
Uniformity/non-uniformity 均匀性/非均匀性
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• 干法刻蚀特点： • 干法刻蚀的优点在于是各向异性的 刻蚀。因此，干法刻蚀的主要任务 是如何实现在垂直方向上的刻蚀速 率远远大于横向刻蚀速率，以便使 光刻在薄膜上的转移图案与掩膜版 上原图相同。
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两类物质的腐蚀：
反应腔加上射频电场，刻蚀气体放电 产生等离子体，等离子体处于激发态， 有很强的化学活性，撞击在硅片上，发 生反应，腐蚀硅化物。 1.多晶硅、氧化硅、氮化硅，采用CF4刻蚀
方向性：各向同 性/各向异性
rlat A 1 rvert
纵向刻 蚀速率
横向 刻蚀 速率
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• 目的：把经过曝光, 显影后的光 刻胶微图形中下层材料的裸露部 分去掉, 即在下层材料上重现与 光刻胶相同的图形。
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8.10 VLSI对图形转移的要求
保真度 选择比 均匀性 清洁度
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各向异性腐蚀：方向不同，腐蚀特性不同。
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8.12干法刻蚀
• 一.干法刻蚀原理
• 基本原理：腐蚀剂气体与被腐蚀样 品表面接触来实现腐蚀
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化学刻蚀（各项同性，选择性好） ——等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀)
物理刻蚀（各向异性，选择性差） ——高能离子的轰击 (溅射刻蚀) 离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好） ——反应离子刻蚀
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CF4 CF3+F* CF3 CF2+F* CF2 CF+F* Si+4F* SiF4 SiO2+4F* SiF4 +O2 Si3N4+4F* 3SiF4 +2N2
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2.铝及其合金----氯基 CCl4,CHCl3
3.难熔金属－－氯基或氟基 TaSiX+nF－－TaF5+SiF4 TaSiX+nCl－－TaCl5+SiCl4 4.光刻胶－－－O2
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• （2）浮胶： • 在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会 起皱，呈桔皮状或大面积胶膜脱落。这 种现象称为溶胶或脱胶。出现原因如下。 • 1）操作环境湿度过大：当操作室内空气 中的水分较多时，二氧化硅很容易将水 吸到表面，造成胶膜与硅片表面粘附不 好，在显影时就产生溶胶。 • 2）硅片面膜上不干净：硅片表面生长的 薄层，由于表面不干净，那么与光刻胶 粘附力下降，造成了溶胶。