第 章 刻蚀工艺
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第09章-刻蚀工艺
微观负载效应
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢 – 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
微观负载效应刻蚀轮廓
14
过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
15
CF4, CHF3 CF4, CHF3 SF6
4835 6156 2535 7037
半导体制造技术导论（第二版）
第九章
刻蚀工艺
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• 简介
• 刻蚀工艺基础
• 湿法刻蚀工艺 • 干法刻蚀工艺 • 等离子体刻蚀工艺
• 刻蚀工艺制程趋势
• 刻蚀工艺发展趋势
2
简
介
先进的集成电路工艺流程
先进的集成电路工艺流程
4
刻蚀工艺简介
• 刻蚀工艺
– 移除晶圆表面材料 – 图形化刻蚀：去除指定区域的材料，将图形转移到衬底薄膜上 – 整面全区刻蚀：去除整个表面薄膜达到所需工艺要求
34
离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
35
刻蚀工艺的比较
纯化学刻蚀 应用 刻蚀速率 湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀 可以从高到低
反应式离子刻蚀 等离子体图形化刻蚀 高，可控
纯物理刻蚀 氩轰击 低
选择性
刻蚀轮廓 工艺终点
非常好
等向性 计时或目测
可以接受，可控
������ =
������1 − ������
2
+ ������2 − ������
第10章 干法刻蚀
25
反应离子束刻蚀
• 聚焦离子束(FIB)：经过透镜聚焦形成的、束径在0.1 m以 下的极微细离子束。 • FIB的离子源主要有液态金属离子源(LMIS，常选用金属 Ga)和电场电离型气体离子源(FI，常选用H2、He、Ne等) 两大类。
26
反应离子束刻蚀
• 大束径离子束刻蚀：束径10~20 cm，效率高，质量均匀。 常用大束径离子束设备有两种：
9
刻蚀参数
6. 聚合物
• 聚合物是在刻蚀过程中由光刻胶中的碳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。 • 聚合物的形成有时是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而 防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向 性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。
刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀 干法刻蚀：通过气体放电，使刻蚀气体分解、电离，由产 生的活性基及离子对基板进行刻蚀的工艺过程；刻蚀精度： 亚微米。 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；刻蚀精度刻蚀参数:
• • • • • • •
12
干法刻蚀
刻蚀类型 湿法腐蚀 侧壁剖面 各向同性 示意图
各向同性(与设备和参数有关)
各向异性 (与设备和参数有关) 干法刻蚀 各向异性– 锥形
硅槽
湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 不能实现图形的精确转移， 一般用于特征尺寸较大的 情况（≥3μｍ） 。
干法刻蚀有各向同性腐蚀，也 有各向异性腐蚀。各向异性腐 蚀能实现图形的精确转移，是 集成电路刻蚀工艺的主流技术。
19
等离子体刻蚀
• 圆桶式等离子体刻蚀机
刻蚀系统的射频电场平行于硅片表面，不存在反应离子轰击， 只有化学作用（仅在激发原子或活性气氛中进行刻蚀）。
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
10
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
11
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：
13
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
23
物理化学性刻蚀（反应离子刻蚀）
30
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
10
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
11
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：
13
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
23
物理化学性刻蚀（反应离子刻蚀）
30
第7章IC工艺图形刻蚀技术
l
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Adsorption of reactive ions on surface
6) Surface reactions of
7) Desorption of
radicals and surface film by-products
Gas dispersion screen
Gas panel Electrodes
Roots pump
Microcontroller Operator Interface
Endpoint signal
Wafer Pressure controller
Pressure signal
Exhaust
Process gases
Nitride
Oxide
选择比：S Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率 Er=掩蔽层材料的刻蚀速率
• 对刻蚀的基本要求：
– 图形的高保真：横向腐蚀和各向异性腐蚀 – 刻蚀剖面： – 选择比：光刻胶和不同材料的腐蚀速度 – 关键尺寸（CD）控制 – 均匀性：小线条和大硅片 – 清洁：残渣沾污 – 损伤：
• 7.1.湿法腐蚀：即，化学腐蚀(S11.1)
第7章：图形刻蚀技术 (Chapter 11)
Wafer start
Unpatterned wafer
Completed wafer
Wafer fabrication (front-end)
Thin Films
Polish
Diffusion
Photo
Etch
Test/Sort
Implant
• 问题：
– 8.1.1 腐蚀液： – SiO2： HF:NH4F:H2O=3毫升：6克：10毫升
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Adsorption of reactive ions on surface
6) Surface reactions of
7) Desorption of
radicals and surface film by-products
Gas dispersion screen
Gas panel Electrodes
Roots pump
Microcontroller Operator Interface
Endpoint signal
Wafer Pressure controller
Pressure signal
Exhaust
Process gases
Nitride
Oxide
选择比：S Ef=被刻蚀材料的刻蚀速率 Er=掩蔽层材料的刻蚀速率
• 对刻蚀的基本要求：
– 图形的高保真：横向腐蚀和各向异性腐蚀 – 刻蚀剖面： – 选择比：光刻胶和不同材料的腐蚀速度 – 关键尺寸（CD）控制 – 均匀性：小线条和大硅片 – 清洁：残渣沾污 – 损伤：
• 7.1.湿法腐蚀：即，化学腐蚀(S11.1)
第7章：图形刻蚀技术 (Chapter 11)
Wafer start
Unpatterned wafer
Completed wafer
Wafer fabrication (front-end)
Thin Films
Polish
Diffusion
Photo
Etch
Test/Sort
Implant
• 问题：
– 8.1.1 腐蚀液： – SiO2： HF:NH4F:H2O=3毫升：6克：10毫升
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺
胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。
任意粒子曝光的最高的分辨率
关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即 德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为
其动量p 粒子束的波长
E 1 mV 2 2
phmV 2mE
由此，用粒子束可得到的 最 细线h 条为
、对比度
为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然 后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行 计算就可以得到对比度。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。
Y2 Y1
X2 X1 光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。
根据对比度定义， Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。
正胶的对比度
p
1 log10 (Dc
Do )
Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
光刻胶的侧墙倾斜
在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该 等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能 量。
显影方式与检测
目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。 可分为三个阶段： ①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液； ②然后硅片将在静止的状态下进行显影； ③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的 尺寸是否满足要求。
8.3、光刻胶的基本属性
光学光刻胶通常包含有三种成份： ①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性 ②感光材料：感光剂 ③溶剂：使光刻胶保持为液态
任意粒子曝光的最高的分辨率
关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即 德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为
其动量p 粒子束的波长
E 1 mV 2 2
phmV 2mE
由此，用粒子束可得到的 最 细线h 条为
、对比度
为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然 后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行 计算就可以得到对比度。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。
Y2 Y1
X2 X1 光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。
根据对比度定义， Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。
正胶的对比度
p
1 log10 (Dc
Do )
Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
光刻胶的侧墙倾斜
在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该 等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能 量。
显影方式与检测
目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。 可分为三个阶段： ①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液； ②然后硅片将在静止的状态下进行显影； ③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的 尺寸是否满足要求。
8.3、光刻胶的基本属性
光学光刻胶通常包含有三种成份： ①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性 ②感光材料：感光剂 ③溶剂：使光刻胶保持为液态
第 章 干法刻蚀
• 聚合物的形成有时是为了在刻蚀图形的侧壁上形成抗腐蚀膜从而 防止横向刻蚀，这样能形成高的各向异性图形，增强刻蚀的方向 性，从而实现对图形关键尺寸的良好控制。
10
刻蚀参数
7. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况： • 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。 • 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
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。
④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的 侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。
第十章 干法刻蚀
1
刻蚀概述
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除不需要的材料的工艺过程称
为刻蚀。由于硅可以作为几乎所有集成电路和半导体器件的 基板材料，所以本章主要讨论在硅基板表面的刻蚀过程。 刻蚀示意图：
2
刻蚀概述
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
15
干法刻蚀的机制
等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比
刻蚀参数 刻蚀机理 侧壁剖面
物理刻蚀 RF场垂直片面 物理离子溅射
各向异性
化学刻蚀 物理和化学刻蚀
RF场平行片面 RF场垂直片面
活性元素 离子溅射和活性
化学反应元素化学反应Fra bibliotek各向同性
各向异性
选择比 刻蚀速率
低/难提高 （1：1）
高
很高 （500：1）
12
干法刻蚀
刻蚀类型 湿法腐蚀
侧壁剖面 各向同性
10
刻蚀参数
7. 等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况： • 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。 • 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
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。
④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比未遭受离子轰击的 侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的各向异性。
第十章 干法刻蚀
1
刻蚀概述
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除不需要的材料的工艺过程称
为刻蚀。由于硅可以作为几乎所有集成电路和半导体器件的 基板材料，所以本章主要讨论在硅基板表面的刻蚀过程。 刻蚀示意图：
2
刻蚀概述
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
15
干法刻蚀的机制
等离子体干法刻蚀机理及刻蚀参数对比
刻蚀参数 刻蚀机理 侧壁剖面
物理刻蚀 RF场垂直片面 物理离子溅射
各向异性
化学刻蚀 物理和化学刻蚀
RF场平行片面 RF场垂直片面
活性元素 离子溅射和活性
化学反应元素化学反应Fra bibliotek各向同性
各向异性
选择比 刻蚀速率
低/难提高 （1：1）
高
很高 （500：1）
12
干法刻蚀
刻蚀类型 湿法腐蚀
侧壁剖面 各向同性
第八章光刻与刻蚀工艺模板
第八章光刻与刻蚀工艺模板光刻与刻蚀工艺是现代集成电路制造中的重要工艺环节之一、光刻技术用于在硅片上制作电路图形，而刻蚀技术则用于去除不需要的材料，以形成所需的电路结构。
本章将介绍光刻与刻蚀工艺的基本原理及常见的工艺模板。
一、光刻工艺模板在光刻工艺中，需要使用光刻胶作为图形保护层，以及光罩作为图形的模板。
光刻模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板是一种常见的光刻工艺模板，它的制作过程相对简单。
首先，将一块纯净的硅片进行氧化处理，形成硅的氧化层。
然后，在氧化层上通过光刻技术制作所需的图形。
最后，使用化学刻蚀方法去除不需要的硅的氧化层，就可以得到所需的硅片模板。
硅片模板具有较好的精度和可靠性，能够满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板是利用光刻胶作为模板材料的一种工艺模板。
光刻胶是一种感光性的聚合物材料，可以在光照的作用下发生化学反应。
在光刻工艺中，首先将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
接下来，使用化学方法或溶剂去除不需要的光刻胶，就可以得到所需的光刻胶模板。
光刻胶模板制作过程简单，成本较低。
同时，光刻胶模板的精度较高，可以满足微纳加工的要求。
然而，光刻胶模板的使用寿命较短，通常只能使用几次。
在刻蚀工艺中，需要使用刻蚀胶作为图形保护层，以及刻蚀模板作为图形的模板。
刻蚀模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，在硅片上通过光刻技术制作所需的图形，然后使用化学刻蚀方法去除不需要的硅材料，就可以得到所需的刻蚀模板。
硅片模板具有较高的精度和可靠性，可以满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
第三章-光刻与刻蚀
N=1.0, DNA=0.93, R60 nm N=1.0, DNA=1.36, R40 nm
38
nH2O 1.44
涂胶工艺步骤-显影(Development)
显影液溶解部分光刻胶: 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂; 最常用的是四甲基氢铵(TMAH); 将掩膜上的图形转移到光刻胶上; 三个基本步骤:显影－清洗－干燥;
在光刻版上进行图形修正， 来补偿衍射带来的光刻图 形变形。
32
光学临近修正
33
分辨率增强技术
34
表面反射的影响
避免表面高度差； 表面平整化；
35
表面反射的影响
36
表面反射的影响
光刻胶下加减反膜
37
浸没式曝光
增加数值孔径:
DNA n sin
R k1 DNA
=193 nm, k1=0.3:
光刻胶对可见光不敏感,对紫外光敏感;
9
光刻胶/抗蚀剂(Photoresist)
光刻胶的类型： 正胶：曝光区化合物吸收光子，聚合物分裂为短链，易于溶于显 影液中 --曝光区易溶解 负胶：曝光区感光化合物吸收光能而使聚合物分子发生交联，难 溶于显影液中 --曝光区不溶解
区别: 正胶:分辨率好,易去除,成本高; 负胶:黏附性好,聚合区/非聚合区可溶性差别大,分辨率低,去除难;
54
刻蚀
Etching
《大规模集成电路制造工艺》
55
图形的形成I
56
图形的形成II
57
描述刻蚀工艺参数
刻蚀速率：
刻蚀前厚度-刻蚀后厚度 刻蚀速率 刻蚀时间
500nm通过干氧方法生长的SiO2，在BOE溶液中刻蚀30s， 剩下厚度为450nm：
38
nH2O 1.44
涂胶工艺步骤-显影(Development)
显影液溶解部分光刻胶: 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂; 最常用的是四甲基氢铵(TMAH); 将掩膜上的图形转移到光刻胶上; 三个基本步骤:显影－清洗－干燥;
在光刻版上进行图形修正， 来补偿衍射带来的光刻图 形变形。
32
光学临近修正
33
分辨率增强技术
34
表面反射的影响
避免表面高度差； 表面平整化；
35
表面反射的影响
36
表面反射的影响
光刻胶下加减反膜
37
浸没式曝光
增加数值孔径:
DNA n sin
R k1 DNA
=193 nm, k1=0.3:
光刻胶对可见光不敏感,对紫外光敏感;
9
光刻胶/抗蚀剂(Photoresist)
光刻胶的类型： 正胶：曝光区化合物吸收光子，聚合物分裂为短链，易于溶于显 影液中 --曝光区易溶解 负胶：曝光区感光化合物吸收光能而使聚合物分子发生交联，难 溶于显影液中 --曝光区不溶解
区别: 正胶:分辨率好,易去除,成本高; 负胶:黏附性好,聚合区/非聚合区可溶性差别大,分辨率低,去除难;
54
刻蚀
Etching
《大规模集成电路制造工艺》
55
图形的形成I
56
图形的形成II
57
描述刻蚀工艺参数
刻蚀速率：
刻蚀前厚度-刻蚀后厚度 刻蚀速率 刻蚀时间
500nm通过干氧方法生长的SiO2，在BOE溶液中刻蚀30s， 剩下厚度为450nm：
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1 光刻工艺流程
2.涂胶Spin Coating ①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
8.6.6 投影式曝光
利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。
8.6.6 投影式曝光
优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。 缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。 用于3μm以下光刻。
分步重复投影光刻机--Stepper
采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。 光刻版： 4X~5X； 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步对准聚焦技术。
h 2 2m E
a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子 b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑
8.3 光刻胶的 基本属性
1）光刻胶类型：正胶和负胶 ①正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解； ②负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。
正胶（重氮萘醌）的光分解机理
负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理
8.1 光刻工艺流程
③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 →图形边缘破坏。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 掩膜版尺寸：①接触式和接近式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）： 4∶1；5∶1；10∶1
第14章 刻蚀
刻蚀类型 湿法刻蚀
干法刻蚀
侧壁剖面
各向同性
各向同性性 (depending on equipment &
parameters) 各向异性 (depending on equipment & parameters) 各向异性
锥形
硅槽
示意图
各种刻蚀剖面
三．刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺 寸间距的变化。它通常是由于横向钻蚀 （undercut）引起的，但也能由刻蚀剖面 引起。
在表面
应
各向异性 刻蚀
衬底
各向同性刻蚀
阴极
化学和物理的干法刻蚀机理
物理刻蚀
溅射的表面材料
反应正离子轰 击表面
化学刻蚀
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
12.2.1 刻蚀作用
作用方式：
化学：高活性基团与硅片发生化学反应，类似湿法刻蚀。 物理：带能离子通过电场加速，轰击硅片，类似溅射。 化学+物理：二者结合。
表面反应
反应
在干法刻蚀中， 刻蚀包括离子 溅射和活性元素 与硅片表面的反 应
各向异性
差/难以提高 （1:1） 高 一般/好
各向同性
一般/好（5:1 至100:1） 中等 差
各向同性
各向同性至 各向异性
好/很好
一般/高（5:1
（高于500:1） 至100:1）
低 非常差 -
中等 好/非常好
【例2】电子在反应离子刻蚀（RIE）和高密度等
式中，R0是空腔刻蚀的速率，A是刻蚀薄膜暴露 的面积，k是跟工艺有关的常数。
六．残留物
刻蚀残留物常覆盖在腔体内壁或被刻蚀图形 的底部。
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
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案
半导体工艺及芯片制造复习资料简答题与答案第一章、半导体产业介绍1 .什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？（15分）集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。
集成电路芯片/元件数 无集成1 小规模（SSI ）2到50 中规模（MSI ）50到5000 大规模（LSI ）5000到10万 超大规模（VLSI ） 10万至U100万 甚大规模（ULSI ） 大于100万 产业周期1960年前 20世纪60年代前期 20世纪60年代到70年代前期 20世纪70年代前期到后期 20世纪70年代后期到80年代后期 20世纪90年代后期到现在2 .写出IC 制造的5个步骤？（15分）Wafer preparation （硅片准备）Wafer fabrication （硅片制造）Wafer test/sort （硅片测试和拣选）Assembly and packaging （装配和封装）Final test （终测）3 .写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？（15分）发展方向：提高芯片性能一提升速度（关键尺寸降低，集成度提高，研发采用新材料），降低功耗。
提高芯片可靠性一严格控制污染。
降低成本——线宽降低、晶片直径增加。
摩尔定律指：IC 的集成度将每隔一年翻一番。
1975年被修改为：IC 的集成度将每隔一年半翻一番。
4 .什么是特征尺寸CD ？ （10分）最小特征尺寸，称为关键尺寸（Critical Dimension, CD ） CD 常用于衡量工艺难易的标志。
5.什么是 More moore 定律和 More than Moore 定律？（10 分）“More Moore”指的是芯片特征尺寸的不断缩小。
从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小。
与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。
半导体工艺(第8章)刻蚀
典型的氧化去胶是H2SO4 ：H2O2=3：1；
优点：
洗涤过程十分简单，即用去离子水冲洗即 可；
但要注意，氧化剂对衬底表面也有腐蚀作 用（十分轻微）；
等离子体去胶
一种近几年发展起来的一种新工艺； 不需要化学试剂，也不需要加温，因此，
器件的结构性和金属铝层都不受影响； 这对提高产品质量和可靠性有好处；
干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技 术，晶圆不需要液体化学品或冲洗，刻蚀 过程在干燥的状态进出系统；
干法刻蚀种类
等离子体刻蚀（以化学反应为主，较少采
用）
物理刻蚀（物理溅射作用） 反应离子刻蚀（既有化学反应，又有物理
溅射）
等离子体概念：
当对一个低压强的容器内的气体施加电压 时，这些原本中性的气体分子将被激发或 离解成各种不同的带电粒子（离子、原子 团、分子及电子）。这些离子便称为等离 子体；
如果用CF4或其他含氟的气体来进行刻蚀， 则选择性较差；
以CF3为例， 对SiO2与Si的刻蚀选择性在 10以上，但是对Si3N4与Si的刻蚀选择性仅 在3~5之间，对Si3N4与SiO2的选择性仅在 2~4之间。故近期改用NF3的等离子体进行 刻蚀，结果比较理想；
多晶硅的刻蚀
多晶硅的刻蚀比Si3N4和SiO2要复杂得多； 多晶硅栅极本身由两层不同材料组成（多
原理：
系统中通入氧气，在外加高频电磁场作用 下，氧气电离，形成等离子区；
其中活化的原子态氧约占10%~20%，他们 活性活泼，氧化能力强，与光刻胶发生反 应；
一些易于氧化的材料，用湿法清洗很容易 被氧化，如果改用干法洗，就可以避免这 一缺陷；
目前用得最多的是干法刻蚀的反应室，可 以与淀积金属的薄膜反应实相连接，经干 法清洗以去除硅片表面氧化层后，可以保 持在真空状态下，再进行表面镀膜；
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3.8 参考文献
3.7 小结
3.9 习题
第4章 晶圆制造
01
4.1 简介
02
4.2 为什 么使用硅 材料
03
4.3 晶体 结构与缺 陷
04
4.4 晶圆 生产技术
06
4.6 衬底 工程
05
4.5 外延 硅生长技 术
4.8 参考文献
4.7 小结
4.9 习题
第5章 加热工艺
01
5.1 简介
02
6.4 光刻技术的 发展趋势
6.5 安全性 6.6 小结
6.7 参考文献 6.8 习题
第7章 等离子体工艺
01
7.1 简介
02
7.2 等离 子体基本 概念
03
7.3 等离 子体中的 碰撞
04
7.4 等离 子体参数
06
7.6 直流 偏压
05
7.5 离子 轰击
7.7 等离子体工 艺优点
7.8 等离子体增 强化学气相沉积
10.9 工艺发展趋 势与故障排除
10.10 化学气相 沉积工艺发展趋 势
10.12 参考文献
10.11 小结
10.13 习题
第11章 金属化工艺
01
11.1 简 介
02
11.2 导 电薄膜
03
11.3 金 属薄膜特 性
04
11.4 金 属化学气 相沉积
06
11.6 铜 金属化工 艺
05
11.5 物 理气相沉 积
5.2 加热 工艺的硬 件设备
03
5.3 氧化 工艺
04
5.4 扩散 工艺
06
5.6 高温 化学气相 沉积
05
第7章刻蚀工艺
在HDP系统中，较低气压、较低离子 能量的情况下保持高的刻蚀速率，离子轰 击对硅片的损伤少，刻蚀容易各向异性。
通常，低能量比高能量有较好的刻蚀 选择性。
刻蚀工艺的关键
掩模
掩模
被刻材料
被刻材料
衬底
衬底
● 根据刻蚀要求选择合适的刻蚀方式。 ● 熟悉三种材料在同一条件下的刻蚀速率。
● 根据被刻材料的厚度和刻蚀比，选择合适 的掩模材料的厚度。
ICP
ICP
利用ICP 深硅刻蚀
HDP刻蚀系统与标准的RIE的最大差 别是HDP刻蚀可以使用比较低的气体压力 （1～ 10 mTorr）就可以达到RIE一样的 等离子体密度和刻蚀速率。低气压意味着 在等离子体里的气相碰撞比较少，所以更 能直接地刻蚀。
在标准的RIE中，通过增加功率来提 高等离子体密度，从而提高刻蚀速率。带 来的缺点是离子的能量升高，对硅片的损 伤增加。也可以提高气体压力来提高等离 子体密度而保持较低的离子能量，但是在 等离子体里的气体碰撞增加，刻蚀将更加 各向同性。
● 掌握好具体的刻蚀工艺条件。
IC制造中常用薄膜的等离子刻蚀气体(1)
被刻材料 刻蚀气体
多晶硅 单晶硅
SF6 ，CF4
CF4/H2 ， CHF3
CF4/O2
HBr，Cl2 ， Cl2/HBr /O2
说明
各向同性，同SiO2选择性 差。 各向异性好，同SiO2选择 性差。 各向同性，同SiO2选择性 好。 各向异性好，同SiO2选择 性好。
光刻胶
衬底
被刻蚀薄膜
衬底
湿法刻蚀
衬底
各向异性干法刻蚀
物理方法干法刻蚀的原理
物理方法干法刻蚀是利用辉光放电 将惰性气体例如氩气（Ar），解离成带 正电的离子，再利用偏压将离子加速， 轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材 料的原子击出。整个过程完全是物理上 的能量转移，所以称为物理性刻蚀。
第7章 刻蚀工艺
3）选择比 ：被刻蚀材料的刻蚀速率与掩膜或底层的刻蚀速 率的比值，选择比的控制通常与气体种类、比例、等离子
体的偏压功率、反应温度等有关系。
4）刻蚀轮廓 ：—般而言越接近90度越好，只有在少数特例 中，如在接触孔或走线孔的制作中，为了使后续金属溅镀 工艺能有较好的阶梯覆盖能力而故意使其刻蚀轮廓小于90 度。通常，刻蚀轮廓可利用气体的种类、比例和偏压功率 等方面的调节进行控制。
图7-4 磁场强化活性离子刻蚀设备示意图
3．电子回旋共振式等离子体刻蚀机
电子回旋共振(ECR)系统利用微波以及外加磁场来产
生光密度等离子体。当电子回旋率与外加微波频率相同时，
外加电场与电子的移动将发生共振，产生高离子化的等离 子体。电子回旋共振刻蚀系统如图7-5所示。
该系统有等离子体产生腔和扩散腔两个腔。微波由波
3、氮化硅的湿法刻蚀
Si3N4在半导体工艺中主要是作为场氧化层在进行氧化生
长时的屏蔽膜及半导体器件完成主要制备流程后的保护层。
可以使用加热180 C，85%的H3PO4溶液刻蚀Si3N4 ，其刻蚀 速率与Si3N4的生长方式有关，例如：用PECVD方式比用高
o
温LPCVD方法得到的Si3N4的刻蚀速率快很多。
材料同时被刻蚀，造成刻蚀选择性偏低。同时，被击出的
物质并非挥发性物质，这些物质容易二次沉积在被刻蚀薄 膜的表面及侧壁。
化学性刻蚀
又称等离子体刻蚀，是利用等离子体将刻蚀气体电离
并形成带电离子、分子及反应性很强的原子团，它们扩散
到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具 有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种
综上所述，湿法刻蚀设备简单、工艺操作方便， 一 般的常规生产均能满足要求。但各向同性刻蚀性太强，容 易出现横向钻蚀现象，如图7-1所示难以控制线宽，而且 刻蚀剂大多为腐蚀性较强的试剂，安全性较差。所以，已 逐渐被干法刻蚀代替。
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34
离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
35
刻蚀工艺的比较
应用 刻蚀速率
纯化学刻蚀
反应式离子刻蚀
湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀
等离子体图形化刻蚀
可以从高到低
高，可控
选择性
非常好
可以接受，可控
刻蚀轮廓
等向性
非等向性，可控
工艺终点
计时或目测
光学测定
纯物理刻蚀 氩轰击 低 很差
• 高密度等离子体源
– 感应式耦合型等离子体源(ICP) – 电子回旋共振(ECR)等离子体源
33
纯化学、纯物理刻蚀和RIE
• 纯化学刻蚀
– 湿法刻蚀、遥控等离子体光刻胶去除 – 没有物理轰击，由化学反应移除物质 – 刻蚀速率可高可低、等向性刻蚀轮廓、很好的刻蚀选择性 – 用于剥除工艺，光刻胶、氮化硅、衬垫氧化层、屏蔽氧化层、牺牲氧化层
干法刻蚀工艺
• 干法刻蚀
– 使用气态化学刻蚀剂与材料反应来刻蚀材料，并形成可以从衬底上移除 的挥发性副产品
– 干法刻蚀一般都是等离子体刻蚀
• 等离子体刻蚀
– 等离子体产生的自由基，显著增加化学反应速率并加强化学刻蚀 – 离子轰击从表面移除材料，并破坏化学键，显著提高刻蚀化学反应速率 – 由于离子轰击的存在，等离子体刻蚀是非等向性刻蚀过程 – 1980年代后，等离子体刻蚀逐渐取代湿法刻蚀成为所有图形化刻蚀技术
• 纯物理刻蚀
– 氩轰击，用于电介质溅射回刻削平开口部分，以利于后续空隙填充 – 刻蚀速率很低、非等向性刻蚀、刻蚀选择性很低
• 反应式离子刻蚀 (RIE)
– 离子辅助刻蚀，刻蚀速率和刻蚀选择性可控、非等向性且可控的刻蚀轮廓 – 氩离子用来增加离子轰击，大多数刻蚀过程中的化学活性是中性自由基 – 在半导体刻蚀等离子体中，中性自由基浓度比离子浓度高得多
一种先进CMOS集成电路截面图 包括选择性外延源极/漏极、高������、金属栅和铜互连
9
刻蚀工艺基础
刻蚀速率
• 刻蚀速率
– 刻蚀物质被移除的速率 – 刻蚀速率直接影响刻蚀的产量
• 计算方法
刻蚀速率
=
刻蚀前厚度 − 刻蚀后厚度 刻蚀时间
– 对于图形化刻蚀，可以通过扫描 电子显微镜(SEM)直接测量被移 除的薄膜厚度
微观负载效应
微观负载效应刻蚀轮廓
14
过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
15
刻蚀残余物
由于刻蚀不足和阶梯形状形成的残留
移除方法：完全的过刻蚀、足够的离子轰击、适当的化学刻蚀
16
刻蚀残余物
非挥发性刻蚀副产品形成的表面残余物
17
湿法刻蚀工艺
19
湿法刻蚀工艺流程
湿法刻蚀工艺流程 (a) 湿法刻蚀；(b) 冲洗；(c) 甩干
20
湿法刻蚀轮廓
湿法刻蚀轮廓示意图
21
氧化物湿法刻蚀
• 刻蚀剂
– 6:1稀释的HF缓冲溶液 – 10:1或100:1稀释的HF水溶液
• 化学反应 SiO2 + 6HF
H2SiF6 + 2H2O
• 应用
– 刻蚀酒杯状接触窗孔，以易于PVD铝的填充 – 缓冲二氧化硅刻蚀(BOE) – 监测CVD氧化层质量，比较CVD二氧化硅和热氧化二氧化硅湿法刻蚀速
率，即湿法刻蚀速率比(WERR) – 热氧化前预先剥除晶圆表面的原生氧化层
22
酒杯状接触窗孔
酒杯状接触窗孔
23
硅刻蚀
• 刻蚀剂
– 等向性刻蚀：硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)的混合液 – 非等向性刻蚀：氢氧化钾(KOH)、异丙醇(C3H8O)和水的混合液，沿
<100>平面的刻蚀速率比沿<111>平面的高100倍左右
25
氮化硅刻蚀
• 刻蚀剂
– 热磷酸(H3PO4) – 对二氧化硅和硅的选择性非常好
• 化学反应 Si3N4 + 4H3PO4 Si3 PO4 4 + 4NH3
• 应用
– 单晶硅和氮化硅刻蚀的隔离工艺 – LOCOS工艺场区氧化后、USG研磨和STI退火处理后，在隔离形成工艺
中去除氮化硅
26
绝缘二氧化硅隔离工艺流程
• 干法刻蚀
– 先进半导体制造中，几乎所有图形化刻蚀都利用等离子体刻蚀技术
5
多晶硅栅刻蚀工艺
多晶硅栅刻蚀工艺流程 (a) 光刻；(b) 刻蚀多晶硅；(c) 去光刻胶
6
湿法和干法刻蚀轮廓
湿法和干法刻蚀轮廓
7
CMOS集成电路的刻蚀工艺
具有多晶硅栅和铝金属化CMOS集成电路芯片的刻蚀工艺
8
先进CMOS集成电路截面图
31
湿法和干法刻蚀对照表
横向刻蚀长度 刻蚀轮廓 刻蚀速率 选择性 设备费用 产量
化学药品使用量
湿法刻蚀
干法刻蚀
<3 μm的工艺条件不可接受
很小
等向性
可控，从非等向性到等向性
高
可接受，可控
高
可接受，可控
低
高
高（批量）
可接受，可控
高
低
32
等离子体刻蚀
• 等离子体刻蚀
– 等离子体中的碰撞产生增强化学反应的自由基 – 降低压力将增加MFP和离子轰击能量，同时散射而形成垂直的刻蚀轮廓 – 增加射频功率能增加离子轰击的流量和能量，增加自由基的浓度 – 在较低压力下，较长的MFP有助于离子轰击和副产品的移除 – 晶圆放置在较小面积的电极上利用自偏压获得更强的离子轰击
降流式等离子体刻蚀系统示意图
44
平行板等离子体刻蚀系统
平行板等离子体刻蚀系统示意图
45
批量式RIE系统
批量式RIE系统示意图
46
单片式MERIE系统
单片式MERIE系统示意图
47
电子的螺旋运动
电子的螺旋运动示意图
48
机械夹环和静电夹盘
(a) 机械夹环；(b) 静电夹盘
避免晶圆被来自背面的加压氦气冷却气流吹走
13
负载效应
• 负载效应
– 等离子体图形化刻蚀过程中，刻 蚀图形影响刻蚀速率和刻蚀轮廓
• 宏观负载效应
– 具有较大开口面积的晶圆与较小 开口面积的晶圆刻蚀速率不同
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢
– 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
• 阻挡机制
– 离子轰击溅镀的光刻胶和刻蚀产生的化学沉积物沉积在侧壁，阻挡侧壁 水平方向的刻蚀
– 侧壁沉积物需要通过干法、湿法清洗方式处理 – 采用阻挡机制的刻蚀属于接近化学刻蚀的RIE工艺 – 单晶硅刻蚀、多晶硅刻蚀、金属刻蚀
38
损伤机制
非等向性刻蚀的损伤机制
39
阻挡机制
非等向性刻蚀的阻挡机制
• 非等向性刻蚀系统
– 平行板等离子体刻蚀系统 – 反应式离子刻蚀(RIE)系统 – 单晶圆磁场增强式RIE(MERIE)系统
• 高密度等离子体刻蚀系统
– 感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统 – 电子回旋共振(ECR)等离子体刻蚀系统
42
桶式等离子体刻蚀系统
桶式刻蚀系统示意图
43
降流式等离子体刻蚀系统
• 化学反应 Si + 2HNO3 + 6HF H2SiF6 + 2HNO2 + 2H2O
• 应用
– 刻蚀单晶硅，形成相邻晶体管间的绝缘区 – 刻蚀多晶硅，形成栅极和局部连线 – 非等向性刻蚀单晶硅，用于形成选择性外延沟槽
24
硅刻蚀形成选择性外延沟槽
各向异性氢氧化钾硅刻蚀形成选择性外延SiGe PMOS源极/漏极
波长 (Å) 2614 3962 2882 6156 3370 3862 7037 6740 7037 4835 6156 2535 7037
发射物 AlCl Al Si O N2 CN F N F CO O P F
53
等离子体刻蚀工艺
电介质刻蚀
• 电介质刻蚀
– 接触(Contact)刻蚀 – 接触窗孔(Via)刻蚀 – 硬式遮蔽层刻蚀 – 焊接垫(Pad)刻蚀
������ NU % = ������ × 100,
NUM %
=
������max − ������min 2������
× 100
• 刻蚀选择性
– 不同材料间的刻蚀速率比率，特别是要被刻蚀的材料和不被移除的材料 – 光刻胶、被刻蚀薄膜、衬底
������ = ER1 ER2
12
刻蚀轮廓
刻蚀轮廓示意图
• 镍湿法剥除
– 1:1的双氧水(H2O2)和硫酸(H2SO4)混合液 – H2O2氧化金属镍形成NiO，H2SO4和NiO反应形成可溶解的NiSO4 – 用于镍金属硅化物形成后的镍剥除
28
自对准硅化物工艺流程
自对准硅化物工艺流程 (a) 镍沉积；(b) 镍硅化物退火；(c) 镍湿法剥除
29
干法刻蚀工艺
非等向性 计时
36
等离子体刻蚀工艺原理
等离子体刻蚀工艺流程
37
等离子体刻蚀非等向性原理
• 损伤机制
– 离子轰击打断晶圆表面原子之间的化学键，带有悬浮键的原子受到刻蚀 自由基的作用，形成挥发性的副产品并从表面移除
– 离子轰击方向垂直于晶圆表面，垂直方向刻蚀速率远高于水平方向 – 采用损伤机制的刻蚀属于接近物理刻蚀的RIE工艺 – 二氧化硅刻蚀、氮化硅刻蚀、低������介质层刻蚀
半导体制造技术导论（第二版）
第九章 刻蚀工艺
离子辅助刻蚀实验
离子辅助刻蚀实验及结果
XeF2：纯化学刻蚀；Ar+：纯物理刻蚀
35
刻蚀工艺的比较
应用 刻蚀速率
纯化学刻蚀
反应式离子刻蚀
湿法刻蚀，剥除， 光刻胶刻蚀
等离子体图形化刻蚀
可以从高到低
高，可控
选择性
非常好
可以接受，可控
刻蚀轮廓
等向性
非等向性，可控
工艺终点
计时或目测
光学测定
纯物理刻蚀 氩轰击 低 很差
• 高密度等离子体源
– 感应式耦合型等离子体源(ICP) – 电子回旋共振(ECR)等离子体源
33
纯化学、纯物理刻蚀和RIE
• 纯化学刻蚀
– 湿法刻蚀、遥控等离子体光刻胶去除 – 没有物理轰击，由化学反应移除物质 – 刻蚀速率可高可低、等向性刻蚀轮廓、很好的刻蚀选择性 – 用于剥除工艺，光刻胶、氮化硅、衬垫氧化层、屏蔽氧化层、牺牲氧化层
干法刻蚀工艺
• 干法刻蚀
– 使用气态化学刻蚀剂与材料反应来刻蚀材料，并形成可以从衬底上移除 的挥发性副产品
– 干法刻蚀一般都是等离子体刻蚀
• 等离子体刻蚀
– 等离子体产生的自由基，显著增加化学反应速率并加强化学刻蚀 – 离子轰击从表面移除材料，并破坏化学键，显著提高刻蚀化学反应速率 – 由于离子轰击的存在，等离子体刻蚀是非等向性刻蚀过程 – 1980年代后，等离子体刻蚀逐渐取代湿法刻蚀成为所有图形化刻蚀技术
• 纯物理刻蚀
– 氩轰击，用于电介质溅射回刻削平开口部分，以利于后续空隙填充 – 刻蚀速率很低、非等向性刻蚀、刻蚀选择性很低
• 反应式离子刻蚀 (RIE)
– 离子辅助刻蚀，刻蚀速率和刻蚀选择性可控、非等向性且可控的刻蚀轮廓 – 氩离子用来增加离子轰击，大多数刻蚀过程中的化学活性是中性自由基 – 在半导体刻蚀等离子体中，中性自由基浓度比离子浓度高得多
一种先进CMOS集成电路截面图 包括选择性外延源极/漏极、高������、金属栅和铜互连
9
刻蚀工艺基础
刻蚀速率
• 刻蚀速率
– 刻蚀物质被移除的速率 – 刻蚀速率直接影响刻蚀的产量
• 计算方法
刻蚀速率
=
刻蚀前厚度 − 刻蚀后厚度 刻蚀时间
– 对于图形化刻蚀，可以通过扫描 电子显微镜(SEM)直接测量被移 除的薄膜厚度
微观负载效应
微观负载效应刻蚀轮廓
14
过刻蚀效应
主刻蚀和过刻蚀轮廓
过刻蚀中，被刻蚀薄膜和衬底材料之间的选择性要足够高，避免损失过多衬底材料
15
刻蚀残余物
由于刻蚀不足和阶梯形状形成的残留
移除方法：完全的过刻蚀、足够的离子轰击、适当的化学刻蚀
16
刻蚀残余物
非挥发性刻蚀副产品形成的表面残余物
17
湿法刻蚀工艺
19
湿法刻蚀工艺流程
湿法刻蚀工艺流程 (a) 湿法刻蚀；(b) 冲洗；(c) 甩干
20
湿法刻蚀轮廓
湿法刻蚀轮廓示意图
21
氧化物湿法刻蚀
• 刻蚀剂
– 6:1稀释的HF缓冲溶液 – 10:1或100:1稀释的HF水溶液
• 化学反应 SiO2 + 6HF
H2SiF6 + 2H2O
• 应用
– 刻蚀酒杯状接触窗孔，以易于PVD铝的填充 – 缓冲二氧化硅刻蚀(BOE) – 监测CVD氧化层质量，比较CVD二氧化硅和热氧化二氧化硅湿法刻蚀速
率，即湿法刻蚀速率比(WERR) – 热氧化前预先剥除晶圆表面的原生氧化层
22
酒杯状接触窗孔
酒杯状接触窗孔
23
硅刻蚀
• 刻蚀剂
– 等向性刻蚀：硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)的混合液 – 非等向性刻蚀：氢氧化钾(KOH)、异丙醇(C3H8O)和水的混合液，沿
<100>平面的刻蚀速率比沿<111>平面的高100倍左右
25
氮化硅刻蚀
• 刻蚀剂
– 热磷酸(H3PO4) – 对二氧化硅和硅的选择性非常好
• 化学反应 Si3N4 + 4H3PO4 Si3 PO4 4 + 4NH3
• 应用
– 单晶硅和氮化硅刻蚀的隔离工艺 – LOCOS工艺场区氧化后、USG研磨和STI退火处理后，在隔离形成工艺
中去除氮化硅
26
绝缘二氧化硅隔离工艺流程
• 干法刻蚀
– 先进半导体制造中，几乎所有图形化刻蚀都利用等离子体刻蚀技术
5
多晶硅栅刻蚀工艺
多晶硅栅刻蚀工艺流程 (a) 光刻；(b) 刻蚀多晶硅；(c) 去光刻胶
6
湿法和干法刻蚀轮廓
湿法和干法刻蚀轮廓
7
CMOS集成电路的刻蚀工艺
具有多晶硅栅和铝金属化CMOS集成电路芯片的刻蚀工艺
8
先进CMOS集成电路截面图
31
湿法和干法刻蚀对照表
横向刻蚀长度 刻蚀轮廓 刻蚀速率 选择性 设备费用 产量
化学药品使用量
湿法刻蚀
干法刻蚀
<3 μm的工艺条件不可接受
很小
等向性
可控，从非等向性到等向性
高
可接受，可控
高
可接受，可控
低
高
高（批量）
可接受，可控
高
低
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等离子体刻蚀
• 等离子体刻蚀
– 等离子体中的碰撞产生增强化学反应的自由基 – 降低压力将增加MFP和离子轰击能量，同时散射而形成垂直的刻蚀轮廓 – 增加射频功率能增加离子轰击的流量和能量，增加自由基的浓度 – 在较低压力下，较长的MFP有助于离子轰击和副产品的移除 – 晶圆放置在较小面积的电极上利用自偏压获得更强的离子轰击
降流式等离子体刻蚀系统示意图
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平行板等离子体刻蚀系统
平行板等离子体刻蚀系统示意图
45
批量式RIE系统
批量式RIE系统示意图
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单片式MERIE系统
单片式MERIE系统示意图
47
电子的螺旋运动
电子的螺旋运动示意图
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机械夹环和静电夹盘
(a) 机械夹环；(b) 静电夹盘
避免晶圆被来自背面的加压氦气冷却气流吹走
13
负载效应
• 负载效应
– 等离子体图形化刻蚀过程中，刻 蚀图形影响刻蚀速率和刻蚀轮廓
• 宏观负载效应
– 具有较大开口面积的晶圆与较小 开口面积的晶圆刻蚀速率不同
• 微观负载效应
– 对于接触窗和金属层间接触孔刻 蚀，较小的窗孔刻蚀速率比较大 窗孔慢
– 由于光刻胶溅镀沉积到侧壁上， 图形隔离区域的刻蚀轮廓比密集 区域宽
• 阻挡机制
– 离子轰击溅镀的光刻胶和刻蚀产生的化学沉积物沉积在侧壁，阻挡侧壁 水平方向的刻蚀
– 侧壁沉积物需要通过干法、湿法清洗方式处理 – 采用阻挡机制的刻蚀属于接近化学刻蚀的RIE工艺 – 单晶硅刻蚀、多晶硅刻蚀、金属刻蚀
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损伤机制
非等向性刻蚀的损伤机制
39
阻挡机制
非等向性刻蚀的阻挡机制
• 非等向性刻蚀系统
– 平行板等离子体刻蚀系统 – 反应式离子刻蚀(RIE)系统 – 单晶圆磁场增强式RIE(MERIE)系统
• 高密度等离子体刻蚀系统
– 感应耦合等离子体(ICP)刻蚀系统 – 电子回旋共振(ECR)等离子体刻蚀系统
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桶式等离子体刻蚀系统
桶式刻蚀系统示意图
43
降流式等离子体刻蚀系统
• 化学反应 Si + 2HNO3 + 6HF H2SiF6 + 2HNO2 + 2H2O
• 应用
– 刻蚀单晶硅，形成相邻晶体管间的绝缘区 – 刻蚀多晶硅，形成栅极和局部连线 – 非等向性刻蚀单晶硅，用于形成选择性外延沟槽
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硅刻蚀形成选择性外延沟槽
各向异性氢氧化钾硅刻蚀形成选择性外延SiGe PMOS源极/漏极
波长 (Å) 2614 3962 2882 6156 3370 3862 7037 6740 7037 4835 6156 2535 7037
发射物 AlCl Al Si O N2 CN F N F CO O P F
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等离子体刻蚀工艺
电介质刻蚀
• 电介质刻蚀
– 接触(Contact)刻蚀 – 接触窗孔(Via)刻蚀 – 硬式遮蔽层刻蚀 – 焊接垫(Pad)刻蚀
������ NU % = ������ × 100,
NUM %
=
������max − ������min 2������
× 100
• 刻蚀选择性
– 不同材料间的刻蚀速率比率，特别是要被刻蚀的材料和不被移除的材料 – 光刻胶、被刻蚀薄膜、衬底
������ = ER1 ER2
12
刻蚀轮廓
刻蚀轮廓示意图
• 镍湿法剥除
– 1:1的双氧水(H2O2)和硫酸(H2SO4)混合液 – H2O2氧化金属镍形成NiO，H2SO4和NiO反应形成可溶解的NiSO4 – 用于镍金属硅化物形成后的镍剥除
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自对准硅化物工艺流程
自对准硅化物工艺流程 (a) 镍沉积；(b) 镍硅化物退火；(c) 镍湿法剥除
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干法刻蚀工艺
非等向性 计时
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等离子体刻蚀工艺原理
等离子体刻蚀工艺流程
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等离子体刻蚀非等向性原理
• 损伤机制
– 离子轰击打断晶圆表面原子之间的化学键，带有悬浮键的原子受到刻蚀 自由基的作用，形成挥发性的副产品并从表面移除
– 离子轰击方向垂直于晶圆表面，垂直方向刻蚀速率远高于水平方向 – 采用损伤机制的刻蚀属于接近物理刻蚀的RIE工艺 – 二氧化硅刻蚀、氮化硅刻蚀、低������介质层刻蚀
半导体制造技术导论（第二版）
第九章 刻蚀工艺