半导体工艺第八章

8-1超大规模集成电路对图形转换有哪些要求？

答：

（1）图形转换的保真度高

在刻蚀时，通常在纵向刻蚀时，也会有横向（侧向）刻蚀，但这种横向刻蚀在工艺中是不希望出现的。因此，在工艺中，就要严格控制这种侧向刻蚀，使之越小越好。

（2）选择比

刻蚀时，光刻胶和衬底在刻蚀过程中不参与反应，也就是说不会被刻蚀。但事实上，光刻胶与衬底，在整个刻蚀过程中，也会参与反应，也会被刻蚀掉部分。这种现象是不希望出现的。因此，在刻蚀过程中，要求光刻胶和衬底的刻蚀速率十分缓慢。

（3）均匀性

现在商业化生产的晶圆直径往往大于12英寸，而且刻蚀的是≤1mm的微细图形。这种大直径硅片上的薄膜厚度一旦不均匀，就会引起刻蚀速率的不均匀，将直接导致图形转移的不均匀性。而且随着晶圆直径的增大，这种不均匀性就会越来越明显。

（4）刻蚀的清洁

超大规模集成电路的图形非常精细，在刻蚀过程中，任何人为引入的污染，既影响到图形转移的精度，又增加刻蚀后清洗的复杂性。

8-2湿法刻蚀有哪些特点？

答：

（1）湿法刻蚀的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。这样腐蚀后得到的图形结构像一个倒八字形，而不是理想的垂直墙。（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，引起化学反应速率增加，一旦温度剧烈增加，又反过来使刻蚀处于不受控制的恶性循环中，使得刻蚀效果变差。

8-3分别阐述SiO2和Si3N4膜的湿法刻蚀原理及刻蚀液配方。

答：

（1）二氧化硅的湿法刻蚀

腐蚀液：氢氟酸和氟化氨的混合液

原理：溶液中的F-与二氧化硅中的Si4+络合成六氟硅酸根络离子（SiF6)-2，它与H+结合而生成可溶性的六氟硅酸。

反应原理：

SiO2+6HF H2[SiF6]+2H2O

（2）氮化硅的湿法刻蚀

•氢氟酸对氮化硅的腐蚀速度比二氧化硅慢得多，而磷酸则容易腐蚀氮化硅。

•所以常用热磷酸作为氮化硅的腐蚀剂。

•化学反应原理：

Si3N4+H3PO4 Si(H2PO4)4+NH3

8-4用湿法刻蚀二氧化硅时，为什么要添加NH4F？

答：因为用氢氟酸腐蚀二氧化硅时，反应过程较为剧烈，会影响刻蚀的均匀性，因此可以添加NH4F溶液作为缓冲剂，因为NH4F在水中电离为F+会使得刻蚀过程向相反的方向进行，从而减小刻蚀速率，以提高刻蚀的均匀性。所以氟化氨起缓冲的作用。

8-5阐述干法刻蚀的原理。

答：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，不涉及溶液的参与，所以称为干法刻蚀。

干法刻蚀可分为物理刻蚀和化学刻蚀。

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院子轰击出去。

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。

8-6干法刻蚀有哪几种刻蚀方法？各有何特点？

答：干法刻蚀有溅射刻蚀、化学刻蚀和反应离子刻蚀三种；

溅射刻蚀时一种纯物理轰击刻蚀，选择各向异性好，但选择性差；

化学刻蚀选择性好，但是是一种各向同性刻蚀；

而反应离子刻蚀结合了物理轰击和化学反应两者优点，选择性好，各向异性也较好。

8-7干法刻蚀有哪些优点？

答：干法刻蚀最大的优点就是刻蚀时是一种各向异性刻蚀。

8-8阐述SiO2、Si3N4、多晶硅、金属铝膜的干法刻蚀原理、刻蚀气体及刻蚀过程。答：（1）SiO2的刻蚀

从早期的干法刻蚀技术的应用到现在，大都采用含有氟碳化合物的等离子体来进行SiO2的干法刻蚀。所使用的气体，从早期的四氟化碳（CF4）到现在的CHF3，或是C2F6和C3F8，都可以作为提供碳原子及氟原子的反应气体。以CF4为例介绍SiO2的刻蚀，其反应式如下：

CF4 2

SiO2+4F SiF2+2O

Si+4F SiF4

SiO2+2CF2 SiF4+2CO

这些反应就把SiO2的Si原子和F原子生成具有挥发性的SiF4。

（2）Si3N4的刻蚀

基本上，用来刻蚀SiO2的干法刻蚀方法都可以用来刻蚀Si3N4膜，但是由于Si—N键的键结合强度介于Si—O键与Si—Si之间，因此，若采用CF4或是其他含氟的气体等离子体来进行Si3N4的刻蚀，其选择性比较差。以CHF3的等离子体为例，其对SiO2与Si的刻蚀选择性在10以上，但是对Si3N4与Si的选择性则只有3~5，对Si3N4与SiO2的选择性仅在有2~4之间。近期采用以NF3

为主的等离子体来进行Si 3N 4的刻蚀，通过对气体组分的控制，Si 3N 4的选择性将可以提高到比较能接受的程度。

反应过程如下：

NF 3 N 2+F

Si 3N 4+F SiF 4+N 2

（3）多晶硅的刻蚀

工艺中常采用Cl 2来作为Si 3N 4的刻蚀，其会提供比氟原子好的多的各项异性腐蚀，除了Cl 2，还可以是HCl 、SiCl 4等。使用含氯气体刻蚀多晶硅还有一个好处是，因为氯所形成的等离子体对Si 和SiO 2刻蚀的选择性都比较好。Cl 2与多晶硅的反应式如下：

Cl 2 2Cl

Si+2Cl SiCl 2

SiCl 2+2Cl SiCl 4

（4）金属铝膜的刻蚀

氟化物不适合铝的刻蚀，因为所形成的化合物AlF 3的挥发性很低，目前大都采用氯化物，如SiCl 4、CCl 4等气体与氯气混合气体来进行刻蚀。铝和氯反应生成具有挥发性的三氯化铝（AlCl 3），随着腔内气体被抽干。一般铝的刻蚀温度比室温稍高，三氯化铝的挥发性更好，可以减少残留物。铝的等离子体刻蚀原理如下： 2Al(s)+3Cl 2(g) 2AlCl 3

上述反应中所生产的AlCl 3具有挥发性，随气体逸出。需要注意的是，铝很容易和空气中的氧或水汽反应，形成大约3~5nm 厚的氧化铝层。此氧化铝层化学性质不活泼，隔绝了氧和铝的接触，保证铝不再被氧化。另一方面，在铝的刻蚀初期，这一层氧化膜同样也隔绝了氯与铝的接触，阻碍了刻蚀的进行。所以铝的初期刻蚀也要分两个步骤进行：先把表面的Al 2O 3膜去掉，然后再刻蚀铝。

8-9如何用湿法方式进行去胶？

答：工艺中通常可以采用溶剂和氧化两种湿法方式进行去胶。

1.溶剂去胶

把带有光刻胶的硅片浸在适当的溶剂内，使聚合物膨胀，然后把胶去除，称为溶剂去胶。去胶剂一般是含有氯的烃化物，如三氯乙烯等。这些化合物含有较多的无机杂质，因此会在衬底表面留下微量杂质，在制备MOS 器件时，会引起不良后果。另外，其洗涤周期长，操作较麻烦，故很少采用。这种方法的优点是在常温下进行，不会使铝层发生变化。

2.氧化去胶

氧化去胶是指利用氧化剂把光刻胶去掉。这种方法使用十分普遍，也成为湿法去胶。常用的氧化剂为硫酸。它使光刻胶中的碳被氧化而析出来。但是，碳的析出会影响硅片的表面质量，因此，通过在硫酸中加入双氧水（H 2O 2），使碳氧化成CO 2析出。典型的氧化去胶的去胶液的配方是：H 2SO 4:H 2O 2=3:1。也有人用硫酸和重铬酸钾配合使用。

8-10阐述等离子体去胶原理及过程。

答：等离子体去胶是近几年发展起来的一种新的去胶工艺。它不需要化学试剂，也不需要加温，因此，器件的结特性和铝层都不会受到影响，这对提高产品质量和器件可靠性有好处。