半导体工艺原理----刻蚀工艺(2013.5.13)(贵州大学)

栅掩膜对准 Gate Mask Alignment
栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure
Development/Hard Bake/Inspection
Etch Polysilicon刻蚀多晶硅
Etch Polysilicon 继续
Strip Photoresist 剥去光刻胶
二氧化硅的腐蚀速率与温度的关系
氮化硅腐蚀

对于厚度为1-2μm 的较薄氮化硅膜，可以用HF缓冲液 进行腐蚀。

对于厚度较厚的氮化硅膜，再放入180℃的热磷酸中继 续刻蚀图形窗口内的Si3N4膜。
铝的腐蚀
目前常用的腐蚀液有磷酸及高锰酸钾腐蚀液 磷酸与铝的反应式
高锰酸钾腐蚀液的配方为：
高锰酸钾与铝的反应式
浮胶

1，操作环境的湿度过大；
2，二氧化硅表面不净；
3，前烘不足或过度；
4，曝光或显影不合适；
5，腐蚀不当造成浮胶。
钻蚀

1 、光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不齐并有毛刺等。


2、光刻胶过滤不好，颗粒密度大。
3 、硅片有突出的颗粒，使掩膜版与硅片接触不好，图形 出现发虚现象。

对硅，氧化硅和光刻胶有选择性 腐蚀速率依赖于腐蚀剂的组成 腐蚀速率依赖于腐蚀剂的组成
KOH:HO:IPA(23wt%KOH,13wt%IPA) 对于晶向有选择性，相应腐蚀速率（100）： （111）＝100：1
Ti
TiN TiSi2 光刻胶
NH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)
NH4OH:H2O2:H2O(1:1:5) NH4F：HF(6:1) H2SO4:H2O2(125℃) 对TiSi2有选择性 对TiSi2有选择性 适用于不含金属的硅片
称为多晶硅化金属。

其刻蚀分为两步，首先是要除去未被光刻胶保护 的硅化金属，可以采用CF4、SF6、Cl2、HCl2等都 可以用来作为硅化金属的RIE的反应气体。

对多晶硅的刻蚀采用氟化物将导致等方向性的刻 蚀，而Polycide 的刻蚀必须采用各向异性，因 此采用氯化物较好，有 Si, HCL2, SiCl4等。
发性。

在进行铝刻蚀时，应先把铝表面的Al2O3去除，然后再 进行第二步的铝刻蚀。

半导体生产中所使用的铝既是铝-硅-铜的合金， 进行干刻蚀时，免不了要把这两个物质加以去 除。硅很容易被刻蚀，而氯与铜所形成的化合
物（ CuCl2),并不是一种挥发能力很好的物质，
铜的刻蚀应用溅射方式。
光刻质量分析
Al
Cl2
Cl2/CHCl3, Cl2/N2 CF4,SF6 Cl2 Cl2,Cl2/CHCl3,CF4 Cl2,Cl2/CHCl3,CF4 Cl2,Cl2/CHCl3,CF4/O2 O2
接近各向同性（有严重钻蚀）
非常各向异性，经常加入BCl3以置换O2 高刻蚀速率，对SiO2没有选择性 对SiO2有选择性
等离子体来进行SiO2的RIE刻蚀。


（2）氮化硅的刻蚀
用于刻蚀SiO2的干刻蚀法，都可以用来刻蚀氮化硅和 多晶硅，但Si-N键的键结强度介于Si-O和Si- Si之间， 因此，刻蚀速度以SiO2为最快， Si3N4其次，多晶硅最 慢。

如以CHF3的等离子体作为刻蚀气体， SiO2/Si的选择性
用而达到刻蚀的目的。


优点：各项异性好，可以高保真的转移光刻图形；
主要有溅射与离子束铣蚀、等离子刻蚀、反应离子 刻蚀等。
用于IC制造中薄膜的典型或代表性等离子体气体
材料 多晶硅 刻蚀剂 SF6,CF4
CF4/H2，CHF3
简要介绍 各向同性或接近各向同性（有严重钻蚀）；对SiO2很少或没有选择性 非常各向异性，对SiO2没有选择性 各向同性或接近各向同性，对SiO2有选择性 非常各向异性，对SiO2选择性很高 接近各向同性（有严重钻蚀）；增大离子能量或降低气压能够改进各向 同性程度；对硅很少或没有选择性
Si3N4 Al 多晶硅 单晶硅
HF(49%)
HPO:HO(沸点：130-150℃)
H3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH(16:2:1: 1) HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1) HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)
对二氧化硅有选择性，需要氧化物掩膜。
CF4/O2 HBr,Cl2,Cl2/HBr/O2 单晶硅 SiO2 与多晶硅的刻蚀剂相同 SF6,NF3,CF4/O2,CF4
CF4/H2,CHF3/O2,C2F6,C3F8
CHF3/C4F8,CO Si3N4 CF/4O2 CF4/H2 CHF3/O2,CH2F2
非常各向同性；对硅有选择性
各向同性；对Si3N4有选择性 各向同性，对SiO2有选择性, 但对硅没有选择性 非常各向异性，对硅有选择性，但对SiO2没有选择性 非常各向异性，对硅和SiO2都有选择性，
材料 SiO2 腐蚀剂 HF(水中含49％)，纯HF NHF4:HF(6:1),缓冲HF或BOE 注释 对硅有选择性，对硅腐蚀速率很慢，腐蚀速率依 赖于膜的密度，掺杂等因素 是纯HF腐蚀速率的1/20，腐蚀速率依赖于膜的密 度，掺杂等因素，不像纯HF那样使胶剥离 腐蚀速率主要依赖于薄膜密度，膜中O,H的含量
在10以上，Si3N4/Si的选择性在3-5， SiO2/ Si3N4的选 择性在2-4 。
（3）多晶硅化物（Polysilicon）的刻蚀
大多数金属对SiO2的附着力很差，并且可以使用扩散也能完
成自对准工艺，采用多晶硅来取代金属。但多晶硅的电阻还 是太大，所以在多晶硅的上方再加一层金属硅化物（Metal Silicide），以多金硅和硅化金属所组合而成的导电层，便
CF4 2 F CF2 SiO2 4 F SiF4 2O SiO2 2CF2 SiF4 2CO

增加等离子体中的氧含量，将导致Si/SiO2的选择性变 差。增加氢的含量将改善Si/SiO2的选择性。

在现在的半导体刻蚀制造中，常采用CHF2和 Cl2的混合
部分，保留需要的部分。

需要刻蚀的物质：SiO2 、Si3N4、Polysilicon和铝合金及
Si

要求：图形的保真度高、选择比好、均匀性好、清洁。
刻蚀工艺流程

刻蚀的基本概念 选择性的去除硅片上薄膜的工艺。 选择性：分为整片全部去除和部分去除； 去除：分为干法刻蚀和湿法刻蚀； 薄膜：介电质层、金属层、多晶层、光刻胶等薄膜。


(4)铝及铝合金的刻蚀
铝和铝合金是现在半导体制造过程中普遍采用的导体 材料，铝合金主要采用铝-硅铜合金（防止尖刺和电迁 移），来作为半导体元件的导电层材料。 氟化物气体所形成的等离子体并不适用于刻蚀铝，因

为形成的化合物ALF3的挥发性很低，因此现在的半导
体工艺中都使用氯化物，如： SiCl4 、BCl3 、CCl4等 气体与氯气混合，来进行铝的RIE刻蚀， ALCL3具有挥
有机剥离液
适用于含金属的硅片
湿法刻蚀剖面
SiO2 的腐蚀
SiO2 4HF SiF4 2H 2O SiF4 2HF H 2 (SiF6 )
氟化铵在SiO2 腐蚀液中起缓冲剂的作用。这种加有氟化铵
的氢氟酸溶液，习惯上称为HF缓冲液。 常用的配方为： HF:NH4F:H2O = 3ml:6g:10ml
Ion Implantation
Rapid Thermal Annealing
刻蚀术语

刻蚀速率


选择比
刻蚀均匀性


刻蚀剖面
湿法刻蚀
干法刻蚀
RIE：反应离子刻蚀
刻蚀速率（Etch Rate）
Δd = d0 - d1 (Å) ，腐蚀前后厚度的变化量， t 腐蚀时间 (min)，以BOE对高饱和正硅酸乙酯磷硅酸玻璃（ PETEOS PSG ）薄膜为例，腐蚀时间： 1 minute ，温度： 22 °C,d0 = 1.7 mm, d1 = 1.1 mm，则
刻蚀选择比

刻蚀选择比是指同种腐蚀液对不同材料刻蚀速率的比 值。
举例

BOE对高饱和正硅酸乙酯磷硅酸玻璃的刻蚀速率是 6000 Å/min, 硅的刻蚀速率是 30 Å/min。
刻蚀均匀性

圆片上和圆片间的重复性 标准偏差不均匀性

最大最小均匀性
刻蚀剖面
刻蚀剖面
刻蚀技术分类：
温法腐蚀：进行腐蚀的化学物质是溶液； 干法腐蚀(一般称为刻蚀)：进行刻蚀的化学物质是气体。
刻蚀工艺
光刻总结

光刻：临时的图形转移过程


IC生长中最关键的工艺
需要：高分辨率、低缺陷密度


光刻胶：正胶和负胶
工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对 准曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测

下一代光刻技术：EUV和电子束光刻
刻蚀工艺

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。通常是用光刻工 艺形成的光刻胶作掩模对下层材料进行腐蚀，去掉不要的

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，用在线条较大的IC(≥3μm)；

优点：选择性好；重复性好；生产效率高；设备简单； 成本低；

缺点：钻蚀严重；各向同性，对图形控制性差，并且要 使用大量有毒与腐蚀的化学药品。

广泛应用在半导体工艺中：磨片、抛光、清洗、腐蚀；
IC工艺中常用材料的化学腐蚀剂

② 光刻胶中含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时剥落，腐 蚀时产生针孔。

③ 光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀液局部穿透
胶膜，造成针孔。

④ 前烘不足，残存溶剂阻碍抗蚀剂交联，或前烘时骤热，引 起溶剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。
小岛

1、在光刻版上不透光的区域中存在着小孔或透光点。

2、光刻胶中的大颗粒不溶物质残存于二氧化硅的表
W
Ti TiN TiSi2 光刻胶
对其他薄膜选择性极高

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。

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。

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。


Hale Waihona Puke Baidu
（1）二氧化硅的刻蚀
采用的气体为CF4、CHF3、C2F6
硅或多晶硅的刻蚀

硅的刻蚀通常用硝酸和氢氟酸的混合液 硝酸其氧化作用将硅氧化成二氧化硅，同时氢氟酸将生成 的二氧化硅去掉；

用去离子水冲洗掉刻蚀剂和反应生成物。

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
面。

3、曝光过度，使的局部区域显影不干净或显影不充
分，残留光刻胶底膜。
4、氧化层的厚度差别太大。
钻蚀

⑤ 曝光不足，交联不充分，或曝光时间过长，胶层发生 皱皮，腐蚀液穿透胶膜而产生腐蚀斑点。

⑥ 腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。 ⑦ 掩模版透光区存在灰尘或黑斑，曝光时局部胶膜末曝 光，显影时被溶解，腐蚀后产生 针孔。
针孔

① 氧化硅薄膜表面有外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基片表面 未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔。