第八章 刻蚀
第8章-干刻工艺
第八章干刻工艺8.1 Dry Etch工序的目的广义而言，所谓的刻蚀技术，是将显影后所产生的光阻图案忠实地转印到光阻下的材质上，形成由光刻技术定义的图形。
它包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除，可分为湿式刻蚀(wet etching)和干式刻蚀(dry etching)两种技术。
第五章中已经对湿式刻蚀进行了较详细的介绍。
湿式刻蚀具有待刻蚀材料与光阻及下层材质良好的刻蚀选择比（selectivity）。
然而，由于化学反应没有方向性，因而湿式刻蚀是各向同性刻蚀。
当刻蚀溶液做纵向刻蚀时，侧向的刻蚀将同时发生，进而造成底切（Undercut）现象，导致图案线宽失真，如下图所示。
图8.1 底切现象自1970年以来，元件制造首先开始采用电浆刻蚀技术（也叫等离子体刻蚀技术），人们对于电浆化学性的了解与认识也就越来越深。
在现今的半导体集成电路或LCD制造过程中，要求精确地控制各种材料尺寸至次微米大小，而且还必须具有极高的再现性，电浆刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地将此工作在高良率下完成的技术，因此电浆刻蚀便成为半导体制造以及TFT LCD Array制造中的主要技术之一。
干式刻蚀通常指利用辉光放电（glow discharge）方式，产生包含离子、电子等带电粒子以及具有高度化学活性的中性原子、分子及自由基的电浆，来进行图案转印（pattern transfer）的刻蚀技术。
干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法，广泛应用于半导体或LCD 前段制程。
在本章节中，将针对干刻蚀技术加以说明。
8.2 Dry Etch 的分类及工艺的基本原理8.2.1蚀刻技术中的术语1.各向同性与各向异性蚀刻( Isotropic and Anisotropic Etching)不同的蚀刻机制将对蚀刻后的轮廓(Profile)产生直接的影响。
如图8.2所示，纯粹的化学蚀刻通常没有方向选择性，上下左右刻蚀速度相同，蚀刻后将形成圆弧的轮廓，并在遮罩(Mask)下形成底切(Undercut)，这种刻蚀被称为各向同性蚀刻。
半导体工艺教案第八章
第九章掺杂【教学内容及教学过程】8.1引言8.1.1刻蚀的概念刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图8⁃1所示。
图8-1刻蚀图形转移示意图1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。
2)干法刻蚀是利用辉光(Glow Discharge)的方法产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。
8.1.2刻蚀的要求1.图形转换的保真度高2.选择比3.均匀性4.刻蚀的清洁8.2刻蚀工艺8.2.1湿法刻蚀最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。
这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。
湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。
由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。
刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。
1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应生成物沉淀，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。
3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。
1)反应物扩散到被刻蚀材料的表面。
2)反应物与被刻蚀材料反应。
3)反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排除。
8.2.2干法刻蚀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，所以称为干法刻蚀。
1)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原子轰击出去。
2)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。
第八章 刻蚀
刻蚀分类
1. 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。 反应机理是一个纯粹的化学反应过程。 反应机理是一个纯粹的化学反应过程。 2. 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态”情 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态” 况下， 况下，与被腐蚀的样品表面接触来实现腐 主要包括：高压等离子刻蚀、离子铣、 蚀。主要包括：高压等离子刻蚀、离子铣、 反应离子刻蚀。反应机理既包括物理过程， 反应离子刻蚀。反应机理既包括物理过程， 又包括化学反应过程。 又包括化学反应过程。
在射频功率激发下， 激发成： 在射频功率激发下，CF4激发成： CF3，CF2，C，F ， 其中活性最大的是F，F与硅片表面的硅原子 其中活性最大的是 ， 与硅片表面的硅原子 成键，形成挥发性的SiF 逃逸。 成键，形成挥发性的 2和SiF4逃逸。 为了增大F的浓度，可在CF 为了增大 的浓度，可在 4气体中加入 的浓度 适量的O 原子反应， 适量的 2与C原子反应，从而解放出一部分 。 原子反应 从而解放出一部分F。
影响CMP工艺的因素 工艺的因素 影响
1. 抛光板之间的压力。抛光速率随压力线性 抛光板之间的压力。 增加； 增加； 2. 抛光板之间的相对转速。 抛光板之间的相对转速。 3. 浆液成分。 浆液成分。 4. 被研磨物质的材质。 被研磨物质的材质。
8.2 干法刻蚀
1. 高压等离子刻蚀（化学反应过程） 高压等离子刻蚀（化学反应过程） 2. 离子铣（物理过程） 离子铣（物理过程） 3. 反应离子刻蚀（物理＋化学过程） 反应离子刻蚀（物理＋化学过程）
一般来说， 一般来说，湿法刻蚀的特征尺寸不小于 3微米 微米
常见材料的湿法刻蚀： 常见材料的湿法刻蚀： SiO2, Si3N4, Si, GaAs, Al
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺
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
第八章 (2)刻蚀
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
等离子体刻蚀设备
(a)筒式(Barrel Etchers)
• 纯化学反应 • 多孔屏蔽罩 使等离子体区域在罩和器壁 之间发生，靠 长寿命活性基扩散进入内层 与样品进行反应 • 优点：产量大，选择性好，没有辐照损伤 • 缺点：各向同性腐蚀，只适用于5um以上工艺，工艺参 数难控制，均匀性，重复性差 • 常用于光刻胶去胶和对Si3N4钝化层开窗口 第八章 刻蚀 集成电路工艺原理
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
§8.2 湿法腐蚀
优点: 高选择性
缺点:
异性度差 工艺控制困难 有颗粒物
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
举例1 : SiO2的湿法腐蚀
通常腐蚀SiO2在HF中加入NH4F, 称为“Buffered HF”
举例2 : Si 的湿法腐蚀
各向同性
常采用称为“HNA”,即HF, HNO3, (CH3COOH) 的混合物
集成电路工艺原理
ULSI对腐蚀的要求
得到满意的剖面(desired profile) 最小的过腐蚀(undercut)
或偏差 (bias)
选择性好（Selectivity)
均匀性好，可重复性好 (Uniform and reproducible) 对表面和电路损伤最小(Minimal damage to surface
R high R low R high R low
Rhigh: 最大刻蚀速率; Rlow: 最小刻蚀速率
第八章 刻蚀
集成电路工艺原理
刻蚀的方向性(directionality)
刻蚀的方向性(etch directionality)
各项同性腐蚀 (Isotropic etch) 各项异性腐蚀 (Anisotropic etch)
Chap08 刻蚀
1. 蚀刻轮廓系为一具可对侧壁轮廓优良控制的异 向性。
2. 临界尺寸 CD 的良好控制。 3. 较少的光刻胶剥离或附着性问题。 4. 从晶圆到晶圆以及从批次到批次，晶圆区内均
具良好的均一性。 5. 较低的化学使用及后处理成本。
2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿
• 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
2007级封装专业《半导体工艺技术》课程讲稿
用于干法刻蚀的等离子体内的电子浓度比较低，一般为 10cm-3至1012cm-3数量级，在1Torr压强下，气体分子浓度比 电子浓度大104至I07倍，气体的平均温度在50-100℃记之 间，因此，等离子辅助干法刻蚀是一种低温工艺过程。
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2.2刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制
WCE包括三种主要步骤： 1、反应物通过扩散方式到达反应表面； 2、化学反应在表面发生； 3、反应生成物通过扩散离开表面。
搅动、腐蚀液的温度都会影响腐蚀速率。IC工艺中，大多数WCE是将晶 片浸入化学溶液中，或是喷射腐蚀液在晶片表面。
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腐蚀速率均匀度可用腐蚀速率的百分比均匀度来表示： 腐蚀速率均匀度（%）＝最 最大 大腐 腐蚀 蚀速 速率 率-+最最小 小腐 腐蚀 蚀速 速率 率 ×100%
干法刻蚀：各向异性刻蚀
各向异性刻蚀⎯⎯仅在某一方向进行刻蚀
基板
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
chap8刻蚀工艺解析
四.等离子刻蚀设备
❖圆筒型 ❖平板型
38
39
(
)
硅 片 接 地
反 应 离 子 刻
蚀
结
构
示
意
图
40
反 应 离 子 刻 蚀 结 构 示 意 图
41
双 向 等 离 子 刻 蚀 示 意 图
42
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。
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
5
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
6
均匀性
❖平均厚度h，厚度变化因子， 1 ≤ ≤0，最厚处h*(1+ ),最薄处
A 1 rlat rvert
横向
纵向刻 蚀速率
刻蚀 速率
图形转移过程演示
2
• 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。
3
8.10 VLSI对图形转移的要求
❖保真度 ❖选择比 ❖均匀性 ❖清洁度
4
各向异性腐蚀：方向不同，腐蚀特性不同。
各向异性
硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀
16
原子密度：<111> > <110> > <100>
chap8刻蚀工艺解析
22
• 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。
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
9
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
48
• （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。
34
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
36
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。
第八章刻蚀
化学机械抛光（CMP）示意图
浆液组成
• 浆液包括研磨料悬浮液和腐蚀剂。
1. 对于硅 CMP 工艺，研磨料：硅土颗粒， 腐蚀剂：NaOH溶液。 2. 对于SiO2表面CMP工艺，研磨料：SiO2颗 粒，腐蚀剂：HF溶液。 3. 对于钨 CMP 工艺，研磨料：氧化铝颗粒； 腐蚀剂：酸性溶液。
影响CMP工艺的因素
刻蚀分类
1. 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。 反应机理是一个纯粹的化学反应过程。 2. 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态”情 况下，与被腐蚀的样品表面接触来实现腐 蚀。主要包括：高压等离子刻蚀、离子铣、 反应离子刻蚀。反应机理既包括物理过程， 又包括化学反应过程。
8.1 湿法刻蚀
1. 缺点：各向异性差（特别是对金属和氧化物）， 易受到污染。 2. 优点：高选择比，损伤少，设备简单，产量高。 主要步骤： 1. 刻蚀剂移动到晶片表面； 2. 与暴露的表面发生化学反应生成可溶解的产物； 3. 从晶片表面移去反应生成物。
2. 湿法刻蚀中，刻蚀 Si ， SiO2 ， Si3N4 的腐
蚀液分别是什么？
高压等离子刻蚀
高压等离子刻蚀的步骤
1. 反应气体在射频功率的激发下，产生电离并 形成大量的活性基团(自由基)；
2. 活性基团穿过附面层吸附在晶片表面； 3. 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反 应并形成挥发性的反应生成物；
4. 反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空 系统抽出腔体。
典型的等离子刻蚀用气体
微电子工艺学
第八章 刻 蚀（Etching）
刻
蚀 ：是通过腐蚀的办法，把掩膜版
上的图形转移到衬底表面。腐蚀的方法 分为干法腐蚀和湿法腐蚀。
示例：NPN型MOS管制程
第八章 刻蚀
刻蚀中止
在许多反应离子刻蚀的过程中,所选等离子体气体多为氟或其他卤素 的化合物。从等离子体区域引出大量的氟离子( F+ ) ,高能的氟离子 易与基材发生反应,从而生成易挥发的化合物,随后由真空系统抽除。 但与此同时,还伴随着其他一些副反应如一些碳氟聚合物,此类化合物 不易挥发,也不会与反应离子反应,若不及时去除,就会沉积深孔或槽 的底部形成一层难以刻蚀的聚合物薄膜,阻止刻蚀过程的进行, 甚至 导致刻蚀中止。
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。
(3) 特点：
a. 选择比较高； b. 各向异性较好， c. 刻蚀速度较快
(4) 离子轰击的作用：
a. 将被刻蚀材料表面的原子键破坏； b. 将再淀积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉,使被刻蚀
d. 工作气压较高，离子沾污较大。
(7) 高密度低压等离子体(HDP)刻蚀机
真空度10－2~10－4Torr
a. 包括电子回旋共振式ECR、感应耦合式ICP、螺旋波式HWP b. 共同特点：
利用交叉的电场和磁场→电子在等离子体中的行程↑ →电 子和原子间碰撞↑ → 等离子体中自由基和离子的密度↑ 。 使用额外的RF电源给硅片提供衬底偏压。
均匀性
提高湿法刻蚀均匀性的方法
(1)搅拌
溶液不断搅拌，从而使溶液的温度、浓度等均匀性提高，进而提高刻蚀的 均匀性。常用的搅拌方式有水平搅拌和垂直搅拌，搅拌方向应该与晶片表 面同向，以减小阻力和避免盲区。
(2)晶片转动
半导体制造工艺过程中，晶片的传输和处理一般是装载在片盒中完成的。 然而，晶片的边缘与片盒不可避免会有接触，而且片盒的卡槽会遮挡相当 面积的边缘。这是造成晶片边缘与中心刻蚀效果不一致的重要原因。如果 在晶片的化学处理过程中，使晶片在片盒中做自转运动，避免某一边缘区 域始终处于卡槽内，就可以有效改善这种情况。
第八章光刻与刻蚀工艺PPT课件
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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。
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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。
KrF：λ= 248nm；
ArF：λ= 193nm；
F2激光器： λ= 157nm。
17
8.1 光刻工艺流程
高压汞灯紫外光谱
18
8.1 光刻工艺流程
ⅱ）曝光方式（曝光机） a.接触式：硅片与光刻版紧密接触。 b.接近式：硅片与光刻版保持5-50μm间距。 c.投影式：利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上
光照时发生化学分解或聚合反应通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料negativephotoresist负性光刻胶positivephotoresist正性光刻胶曝光后不可溶解曝光后可溶解显影时未曝光的被溶解显影时曝光的被溶解便宜高分辨率35负胶negativehotoresists
正胶的S大于负胶
42
8.3 光刻胶的基本属性
4） 光刻胶抗蚀能力 表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。 对湿法腐蚀：抗蚀能力较强；
干法腐蚀：抗蚀能力较差。 负胶抗蚀能力大于正胶； 抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差；
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8.6 紫外光曝光
光源： 紫外（UV）、深紫外（DUV）；
19
接触式曝光示意图 步进-重复（Stepper）曝光示意图20
8.1 光刻工艺流程
下一代曝光方法
半导体制造工艺教案8-刻蚀.
授课主要内容或板书设计
课堂教学安排
干法刻蚀与湿法刻蚀效果的比较
干法刻蚀的应用
8.3.1介质膜的刻蚀
集成电路工艺中所广泛用到的介质膜主要是SiO2膜及Si3N4膜。
等离子体扩散腔外围磁场
CF4中加入氧后，氧会和CF4反应释放出
原子的含量，则增加了Si与SiO2的刻蚀速率，并消耗掉部分，使得等离子体中碳与氟的比例下降。
反应气体在目前的半导体刻蚀制备中，大多数的干法刻蚀都采用与氯气所混合的等离子体来进行SiO2的刻蚀。
氮化硅(Si3N4)的干法刻蚀
圆筒形结构示意图
光学放射频谱分析光学放射原理光学放射频谱分析。
第8章 干刻工艺
第八章干刻工艺8.1 Dry Etch工序的目的广义而言，所谓的刻蚀技术，是将显影后所产生的光阻图案忠实地转印到光阻下的材质上，形成由光刻技术定义的图形。
它包含了将材质整面均匀移除及图案选择性部分去除，可分为湿式刻蚀(wet etching)和干式刻蚀(dry etching)两种技术。
第五章中已经对湿式刻蚀进行了较详细的介绍。
湿式刻蚀具有待刻蚀材料与光阻及下层材质良好的刻蚀选择比（selectivity）。
然而，由于化学反应没有方向性，因而湿式刻蚀是各向同性刻蚀。
当刻蚀溶液做纵向刻蚀时，侧向的刻蚀将同时发生，进而造成底切（Undercut）现象，导致图案线宽失真，如下图所示。
图8.1 底切现象自1970年以来，元件制造首先开始采用电浆刻蚀技术（也叫等离子体刻蚀技术），人们对于电浆化学性的了解与认识也就越来越深。
在现今的半导体集成电路或LCD制造过程中，要求精确地控制各种材料尺寸至次微米大小，而且还必须具有极高的再现性，电浆刻蚀是现今技术中唯一能极有效率地将此工作在高良率下完成的技术，因此电浆刻蚀便成为半导体制造以及TFT LCD Array制造中的主要技术之一。
干式刻蚀通常指利用辉光放电（glow discharge）方式，产生包含离子、电子等带电粒子以及具有高度化学活性的中性原子、分子及自由基的电浆，来进行图案转印（pattern transfer）的刻蚀技术。
干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法，广泛应用于半导体或LCD 前段制程。
在本章节中，将针对干刻蚀技术加以说明。
8.2 Dry Etch 的分类及工艺的基本原理8.2.1蚀刻技术中的术语1.各向同性与各向异性蚀刻( Isotropic and Anisotropic Etching)不同的蚀刻机制将对蚀刻后的轮廓(Profile)产生直接的影响。
如图8.2所示，纯粹的化学蚀刻通常没有方向选择性，上下左右刻蚀速度相同，蚀刻后将形成圆弧的轮廓，并在遮罩(Mask)下形成底切(Undercut)，这种刻蚀被称为各向同性蚀刻。
第八章刻蚀工艺
刻蚀工艺
■ 概述
■ 湿法刻蚀 ■ 干法刻蚀 ■ 小结 参考资料： 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第11章 微电子制造科学原理与工程技术》 11章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号） 电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）
一、 概述
1、 刻蚀： 刻蚀：
就是通过物理 就是通过物理和/或化学方法将下层材料中没有被上 物理和 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 层掩蔽膜材料掩蔽的部分去掉， 获得与掩蔽膜图形完全对应的图形。 获得与掩蔽膜图形完全对应的图形。 与掩蔽膜图形完全对应的图形
(4) 举例
以CF4为刻蚀气体刻蚀Si 为例 为刻蚀气体刻蚀Si
4、物理化学性刻蚀
(1) 机理： 物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。 机理： 物理性的离子轰击和化学反应相结合实现的刻蚀。 (2) 设备： 设备： 反应离子刻蚀机（RIE)（真空度10-1～10-2 Torr） Torr） 反应离子刻蚀机（RIE) 真空度10 传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。 传统的RIE设备结构简单、价格较低廉。通过适当选择 设备结构简单 反应气体、气压、流量和射频功率，可以得到较快的刻 反应气体、气压、流量和射频功率， 蚀速率和良好的各向异性。 蚀速率和良好的各向异性。 (3) 特点： 特点： a. 选择比较高； 选择比较高； b. 各向异性较好， 各向异性较好， c. 刻蚀速度较快
5、VLSI对图形转移的要求 VLSI对图形转移的要求
(1) 获得满意的剖面（倾斜或垂直） 获得满意的剖面 倾斜或垂直） 满意的剖面（ (2) 钻刻最小 (3) 选择比大 (4) 刻蚀均匀性好，重复性高 刻蚀均匀性好 均匀性好， (5) 对表面和电路的损伤最小 对表面和电路的损伤最小 (6) 清洁、经济、安全。 清洁、经济、安全。
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3. 刻蚀速率的各向异性：刻蚀速率随方向的不同而变化。 4. 选择比：不同材料刻蚀速率的比率。 5. 刻蚀损伤：刻蚀对衬底带来结构缺陷。 6. 工艺安全性：刻蚀过程所涉及到的工艺安全问题。
刻蚀分类
1. 湿法刻蚀：使用化学溶液对衬底进行腐蚀。反 应机理是一个纯粹的化学反应过程。
2. 干法刻蚀：使腐蚀剂处于“活性气态”情况下， 与被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀。主要包 括：等离子刻蚀、离子铣、反应离子刻蚀。反 应机理既包括物理过程，又包括化学反应过程。
8.1 湿法刻蚀
1. 缺点：各向异性差（特别是对金属和氧化物），易受到 污染。
2. 优点：高选择比，损伤少，设备简单，产量高。
其中活性最大的是F，F与硅片表面的硅原子 成键，形成挥发性的SiF2和SiF4逃逸。
为了增大F的浓度，可在CF4气体中加入 适量的O2与C原子反应，从而解放出一部分F。
离子铣
刻蚀机理：与离子溅射 相同，离子高速轰击晶 片表面，晶片表面原子 被发射出来并被抽离真 空室。
优点：1、各向异性好；2、能刻蚀很多种材料。 缺点：1、选择性差；2、产量低。
2 Al 6H3PO4 2 Al(H2PO4 )3 3H2
硅（Si）的腐蚀溶液有好几种，其一是采用 强氧化剂对硅氧化，然后用HF腐蚀掉SiO2； 其二是采用KOH溶液。反应分别如下：
Si HNO3 6HF H2SiF6 HNO2 H2 H2O Si KOH H2O KSiO3 2H2
腐蚀剂：HF溶液。 3. 对于钨CMP工艺，研磨料：氧化铝颗粒；腐蚀
剂：酸性溶液。
影响CMP工艺的因素
1. 抛光板之间的压力。抛光速率随压力线性 增加；
2. 抛光板之间的相对转速。 3. 浆液成分。 4. 被研磨物质的材质。
8.2 干法刻蚀
1. 等离子刻蚀（化学反应过程） 2. 离子铣（物理过程） 3. 反应离子刻蚀（物理＋化学过程）
统抽出腔体。
典型的等离子刻蚀用气体
Si Si3N4 SiO2
Al GaAs
氟化物或氯化物，如CF4/O2， CF2Cl2 氟化物，如CF4/H2/O2
氟化物，如CF4/H2
氯化物，如BCl3/Cl2
氯化物，如BCl3/Ar
举例：用CF4刻蚀Si（光刻胶遮蔽）
在射频功率激发下，CF4激发成： CF3，CF2，C，F
2. CMP工艺包括机械研磨和化学腐蚀两部分。 3. CMP工艺可以对不同表面进行抛光，如Si，
金属等。区别主要在于不同的研磨浆液。
化学机械抛光（CMP）示意图
浆液组成
• 浆液包括研磨料悬浮液和腐蚀剂。 1. 对于硅CMP工艺，研磨料：硅土颗粒，腐蚀剂：
NaOH溶液。 2. 对于SiO2表面CMP工艺，研磨料：SiO2颗粒，
3. 利用湿法腐蚀对缺陷进行染色。
硅片中，（111）面方向的键密度最大，所以腐蚀 速率最慢。硅的定向腐蚀液为：KOH、异丙醇和水 的混合液（23.4:13.5:63），在（100）方向腐蚀速 率是（111）方向的100倍。
化学机械抛光（CMP）
1. CMP工艺用来产生一个平坦而又缺陷少的表 面。
砷化镓（GaAs）的腐蚀液通常为：
H2SO4－H2O2－H2O Br2－CH3OH NaOH－H2O2
NH4OH－H2O2－H2O
湿法腐蚀中的定向腐蚀
1. 利用不同晶面的原子键密度不一样，导致腐蚀 速率也不一样。
2. 利用掺杂浓度不一样，导致腐蚀速率不一样。 一个常用的掺杂选择腐蚀液配方是： HF/HNO3/CH3COOH（1:3:8）。它对于重掺杂 硅的腐蚀速率是轻掺杂腐蚀速率的15倍。
反应离子刻蚀
既有离子的轰击，又有活性基团的腐蚀，因此刻蚀 速率很快，各向异性好，选择性较高。
习题
1. 干法蚀中的工艺分类及其特点。 2. 湿法刻蚀中，刻蚀Si，SiO2，Si3N4的腐
蚀液分别是什么？
主要步骤： 1. 刻蚀剂移动到晶片表面； 2. 与暴露的表面发生化学反应生成可溶解的产物； 3. 从晶片表面移去反应生成物。
一般来说，湿法刻蚀的特征尺寸不小于3微米
常见材料的湿法刻蚀： SiO2, Si3N4, Si, GaAs, Al
氧化硅（SiO2）的腐蚀溶液一般是HF溶液。为了保 持溶液中HF浓度的稳定性，通常加入NH4F进行缓 冲。反应如下：
SiO2 6HF H2 SiF6 2H2O
氮 化 硅 （ Si3N4 ） 的 腐 蚀 溶 液 是 磷 酸 （ H3PO4 ） ， 但 由 于 光 刻 胶 不 耐 磷 酸 腐 蚀 ， 所以通常用SiO2作为Si3N4的掩蔽膜，反应如 下：
铝（Al）的腐蚀溶液是磷酸（H3PO4），由 于腐蚀的过程中会有气体生成，并影响腐蚀 的均匀性，通常在腐蚀液中加入少量的醋酸 和乙醇，反应如下：
➢ 优点：工艺易控制；各向异性高；污染少。 ➢ 缺点：产量较低；选择性较低。
等离子刻蚀
等离子刻蚀的步骤
1. 反应气体在射频功率的激发下，产生电离并形 成大量的活性基团(自由基)；
2. 活性基团穿过附面层吸附在晶片表面； 3. 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应
并形成挥发性的反应生成物； 4. 反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被真空系
微电子工艺学
第八章 刻 蚀（Etching）
刻 蚀：是通过腐蚀的办法，把掩膜版
上的图形转移到衬底表面。腐蚀的方法 分为干法腐蚀和湿法腐蚀。
示例：n沟道MOS管制程
栅掩膜版对准
曝光
显影
腐蚀多晶硅
腐蚀多晶硅
去除光刻胶
离子注入（掺杂）
热处理后，得到n沟道MOS管
刻蚀的品质因素
1. 刻蚀速率：单位时间刻蚀的厚度，通常的刻蚀速率为每分钟 几百至几千埃。