半导体制造工艺课件(47页)
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反应的实质，打破C-F、Si-Si键，形成挥发性的Si-F硅卤化物。
CΘF +Si ΘSi = Si-F + 17kcal/mol
反应需要一个净正能量，CF4本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量 的电子碰撞会使CF4分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成 SiF是能量有利的。
半导体等制离子造刻工蚀艺基本基原础理
第五章 刻蚀原理
30
刻蚀方向性的增加
✓增加离子轰击（物理刻蚀分量）
DRIE
✓侧壁增加抑制物（inhibitor）
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
31
本节课主要内容
什么是图形转移技术？
光刻＋刻蚀
刻蚀的两个关键问题？
湿法腐蚀：
Si——HNA各向同性 ——KOH各向异性
选择性 S r1 r2
方向性 A 1 rlat rvert
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
两类刻蚀方法：
5. 表面损伤小 6. 清洁、经济、安全
➢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
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
33
1000 100
低压整批RIE
单片晶片RIE
10
低于高密度 ECR，ICP
1
桶状等离 子体刻机
1
10
100 1000
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
34
反应离子刻蚀（RIE）
平行板系统
RF
RF
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
35
电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀机
大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子 体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场 来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率 时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。
另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与 侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的 等离子体密度）。
然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工 艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
37
介电板
RF
等离子体
RF
RIE mode：硅片置于面积较小的左侧电极，右电 极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的 物理刻蚀很强
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
23
反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含卤素 的物质，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加 气体如：O2，H2，Ar等。O2 用于刻蚀光刻胶。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
15
离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching
➢ 无离子，XeF2对Si不刻蚀 ➢ 纯Ar离子，对Si不刻蚀 ➢ Ar离子和XeF2相互作用，
刻蚀速率很快
物理过程（如离子轰
击造成的断键/晶格
损伤、辅助挥发性反
应产物的生成、表面
等离子体刻蚀的化学和物理过 抑制物的去除等）将
实 际 用
BOE：buffered oxide etching 或BHF: buffered HF
加入NH4F缓冲液：弥补 F和降低对胶的刻蚀
例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）
各
向
例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀
同 性
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
8
例4：Si采用KOH腐蚀 Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2++ + 2H2 + 4OH-
第五章 刻蚀原理
3
过腐蚀（钻蚀）：
A＝0
0<A<1
A=1
假定S＝时
A
1
b d
U Uniformity/non-uniformity
均匀性/非均匀性
RhighRlow Rhigh: 最大刻蚀速率 RhighRlow Rlow: 最小刻蚀速率
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
4
刻蚀要求:
1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形）
程并不是两个相互独立的过程，有助于表面化学过程
而且相互有增强作用
/化学反应的进行
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
16
典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似
半导体等制离子造刻工蚀艺基本基原础理
第五章 刻蚀原理
17
等离子体 等离子体（Plasma）的含义
包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物
各向异性
硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
9
原子密度：<111> > <110> > <100> 腐蚀速度：R(100) 100 R(111)
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
10
HNA各向同性腐蚀
自终止
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
11
利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS （MicroElectroMechanical Systems）结构
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
36
其他高密度等离子体刻蚀机
由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外， 其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源 （ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源 （SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
13
干法刻蚀
✓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
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
14
化学刻蚀
物理刻蚀
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
41
硅沟槽刻蚀
当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM储存单元的储存电容与电 路器件间的区域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深 沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽 深度通常超过5um，主要是用于形成存储电容，浅的沟槽其深度通常不 会超过1um，一般用于器件间的隔离。
第五章 刻蚀原理
26
CF4等离子体
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
27
硅、Si3N4和SiO2刻蚀
Si+4F*SiF4 SiO2+4F*SiF4 +O2 Si3N4+12F*3SiF4 +2N2
少量添加气体可增加选择性
CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2 和Si3N4的腐蚀速率
10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比
终点控制
干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探
测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。
在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是
因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材
料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
12
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
第五章 刻蚀原理
25
氧气的作用
在CF4进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀 速率。人们认为氧气与碳原子反应生成CO2，这样从等离 子体中去掉一些碳，从而增加F的浓度，这些成为富氟等离 子体。往CF4等离子体中每增加12%的氧气，F浓度会增加 一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。
半导体制造工艺基础
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
1
图形转移＝光刻＋刻蚀
两大关键问题： 待刻材料的刻蚀
速率
选择性
S r1 r2
掩膜或下层材料 的刻蚀速率
图形转移过程演示
A 1 rlat rvert
横向
刻蚀
方向纵蚀性向速：刻率各向同性速率
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
2
刻蚀的性能参数
方向性：
半导体制造工艺基础
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
28
在CF4中加入少量H2， 可使CFx：F*的浓度比 增加。 从而使SiO2:Si 及Si3N4：Si的腐蚀速 率比增大
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
29
增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率 减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜
半导体制造工艺基础
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
19
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
20
等离子体探测
大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一 个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱 的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较， 通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过 观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副 产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
18
刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制
刻蚀机制
刻蚀工艺包括5个步骤： 1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生； 2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面； 3、反应物被表面吸收； 4、通过化学反应产生挥发性化合物； 5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。
反应产物必须是气相或者易挥发（volatile）
SiCl4 TiCl4
半导体等制离子造刻工蚀艺基本基原础理
第五章 刻蚀原理
24
刻蚀方程式 为何处在等离子体环境下进行刻蚀
在我们的工艺中，是用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：
CF4 = CFx* + (4-x) F* (x≤3) Si + 4 F* = SiF4 ↑ SiO2 + 4 F* = SiF4 + O2↑
第五章 刻蚀原理
5
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
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
6
湿法刻蚀
反应产物必 须溶于水或 是气相
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
7
例1：SiO2采用HF腐蚀
质聚集状态。
固态
液态
气态
等离子体
由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样 物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火 焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等 离子体(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离 子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。
关系为：
d
2n
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
21
硅化物
多晶硅
反射系数（任意单位）
硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线 刻蚀时间（任意单位）
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
22
Sputtering mode：硅 片置于右侧电极，该 电极接地（反应腔体 通常也接地，则增大 该电极有效面积）； 右侧暗区电压差小， 通过离子轰击的物理 刻蚀很弱
基本刻蚀方式为： 物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面； 化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。 化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向 同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与 高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。
变压器耦合等离子体反应设备示意图
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
38百度文库
集成等离子体工艺
半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器 件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染， 集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应 腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
39
AlCu刻蚀腔
TiW刻蚀腔
钝化层剥蚀腔
真空装载锁住腔
卡式装/卸载腔
多层金属互联（TiW/AlCu/TiW）
半导体制造工艺基础
反应等第离五子章 体刻刻蚀原蚀理的应用
40
等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀快速发展到大的 单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。
干法刻蚀
SiO2——HF MEMS
纯物 理刻
蚀
反应离子刻蚀RIE 增加方向性、选择 性的方法CF4/O2
纯化 学刻
蚀
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
32
反应等离子体刻蚀技术与设备
一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应 产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。
半导体制造工艺基础
CΘF +Si ΘSi = Si-F + 17kcal/mol
反应需要一个净正能量，CF4本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量 的电子碰撞会使CF4分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成 SiF是能量有利的。
半导体等制离子造刻工蚀艺基本基原础理
第五章 刻蚀原理
30
刻蚀方向性的增加
✓增加离子轰击（物理刻蚀分量）
DRIE
✓侧壁增加抑制物（inhibitor）
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
31
本节课主要内容
什么是图形转移技术？
光刻＋刻蚀
刻蚀的两个关键问题？
湿法腐蚀：
Si——HNA各向同性 ——KOH各向异性
选择性 S r1 r2
方向性 A 1 rlat rvert
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
两类刻蚀方法：
5. 表面损伤小 6. 清洁、经济、安全
➢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
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
33
1000 100
低压整批RIE
单片晶片RIE
10
低于高密度 ECR，ICP
1
桶状等离 子体刻机
1
10
100 1000
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
34
反应离子刻蚀（RIE）
平行板系统
RF
RF
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
35
电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀机
大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子 体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场 来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率 时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。
另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与 侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的 等离子体密度）。
然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工 艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
37
介电板
RF
等离子体
RF
RIE mode：硅片置于面积较小的左侧电极，右电 极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的 物理刻蚀很强
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
23
反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含卤素 的物质，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加 气体如：O2，H2，Ar等。O2 用于刻蚀光刻胶。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
15
离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching
➢ 无离子，XeF2对Si不刻蚀 ➢ 纯Ar离子，对Si不刻蚀 ➢ Ar离子和XeF2相互作用，
刻蚀速率很快
物理过程（如离子轰
击造成的断键/晶格
损伤、辅助挥发性反
应产物的生成、表面
等离子体刻蚀的化学和物理过 抑制物的去除等）将
实 际 用
BOE：buffered oxide etching 或BHF: buffered HF
加入NH4F缓冲液：弥补 F和降低对胶的刻蚀
例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）
各
向
例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀
同 性
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
8
例4：Si采用KOH腐蚀 Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2++ + 2H2 + 4OH-
第五章 刻蚀原理
3
过腐蚀（钻蚀）：
A＝0
0<A<1
A=1
假定S＝时
A
1
b d
U Uniformity/non-uniformity
均匀性/非均匀性
RhighRlow Rhigh: 最大刻蚀速率 RhighRlow Rlow: 最小刻蚀速率
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
4
刻蚀要求:
1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形）
程并不是两个相互独立的过程，有助于表面化学过程
而且相互有增强作用
/化学反应的进行
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
16
典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似
半导体等制离子造刻工蚀艺基本基原础理
第五章 刻蚀原理
17
等离子体 等离子体（Plasma）的含义
包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物
各向异性
硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
9
原子密度：<111> > <110> > <100> 腐蚀速度：R(100) 100 R(111)
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
10
HNA各向同性腐蚀
自终止
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
11
利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS （MicroElectroMechanical Systems）结构
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
36
其他高密度等离子体刻蚀机
由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外， 其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源 （ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源 （SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
13
干法刻蚀
✓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
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
14
化学刻蚀
物理刻蚀
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
41
硅沟槽刻蚀
当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离DRAM储存单元的储存电容与电 路器件间的区域也会相对减少。这些表面隔离区域可以利用硅晶片的深 沟槽刻蚀，再填入适当的介质或导体物质来减少其所占的面积。深沟槽 深度通常超过5um，主要是用于形成存储电容，浅的沟槽其深度通常不 会超过1um，一般用于器件间的隔离。
第五章 刻蚀原理
26
CF4等离子体
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
27
硅、Si3N4和SiO2刻蚀
Si+4F*SiF4 SiO2+4F*SiF4 +O2 Si3N4+12F*3SiF4 +2N2
少量添加气体可增加选择性
CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2 和Si3N4的腐蚀速率
10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比
终点控制
干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探
测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。
在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是
因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材
料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
12
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
第五章 刻蚀原理
25
氧气的作用
在CF4进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀 速率。人们认为氧气与碳原子反应生成CO2，这样从等离 子体中去掉一些碳，从而增加F的浓度，这些成为富氟等离 子体。往CF4等离子体中每增加12%的氧气，F浓度会增加 一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。
半导体制造工艺基础
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
1
图形转移＝光刻＋刻蚀
两大关键问题： 待刻材料的刻蚀
速率
选择性
S r1 r2
掩膜或下层材料 的刻蚀速率
图形转移过程演示
A 1 rlat rvert
横向
刻蚀
方向纵蚀性向速：刻率各向同性速率
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
2
刻蚀的性能参数
方向性：
半导体制造工艺基础
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
28
在CF4中加入少量H2， 可使CFx：F*的浓度比 增加。 从而使SiO2:Si 及Si3N4：Si的腐蚀速 率比增大
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
29
增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率 减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜
半导体制造工艺基础
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
19
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
20
等离子体探测
大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一 个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱 的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较， 通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过 观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副 产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
18
刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制
刻蚀机制
刻蚀工艺包括5个步骤： 1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生； 2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面； 3、反应物被表面吸收； 4、通过化学反应产生挥发性化合物； 5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。
反应产物必须是气相或者易挥发（volatile）
SiCl4 TiCl4
半导体等制离子造刻工蚀艺基本基原础理
第五章 刻蚀原理
24
刻蚀方程式 为何处在等离子体环境下进行刻蚀
在我们的工艺中，是用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：
CF4 = CFx* + (4-x) F* (x≤3) Si + 4 F* = SiF4 ↑ SiO2 + 4 F* = SiF4 + O2↑
第五章 刻蚀原理
5
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
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
6
湿法刻蚀
反应产物必 须溶于水或 是气相
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
7
例1：SiO2采用HF腐蚀
质聚集状态。
固态
液态
气态
等离子体
由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样 物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火 焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等 离子体(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离 子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。
关系为：
d
2n
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
21
硅化物
多晶硅
反射系数（任意单位）
硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线 刻蚀时间（任意单位）
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
22
Sputtering mode：硅 片置于右侧电极，该 电极接地（反应腔体 通常也接地，则增大 该电极有效面积）； 右侧暗区电压差小， 通过离子轰击的物理 刻蚀很弱
基本刻蚀方式为： 物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面； 化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。 化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向 同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与 高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。
变压器耦合等离子体反应设备示意图
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
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集成等离子体工艺
半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器 件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染， 集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应 腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。
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第五章 刻蚀原理
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AlCu刻蚀腔
TiW刻蚀腔
钝化层剥蚀腔
真空装载锁住腔
卡式装/卸载腔
多层金属互联（TiW/AlCu/TiW）
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反应等第离五子章 体刻刻蚀原蚀理的应用
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等离子体刻蚀系统已由应用于简单、整批的抗蚀剂剥蚀快速发展到大的 单片晶片加工。下表列举了不同刻蚀工艺所用到的一些化学剂。
干法刻蚀
SiO2——HF MEMS
纯物 理刻
蚀
反应离子刻蚀RIE 增加方向性、选择 性的方法CF4/O2
纯化 学刻
蚀
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第五章 刻蚀原理
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反应等离子体刻蚀技术与设备
一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应 产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。
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