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1、集成电路工艺：刻蚀1.引引 言言1.4 刻蚀的分类刻蚀的分类干法刻蚀：把硅片放在气体把硅片放在气体等离子体中，有等离子体中，有选择地去除表面选择地去除表面层材料的过程。层材料的过程。湿法刻蚀：把硅片放在化学腐把硅片放在化学腐蚀液里，有选择地蚀液里，有选择地去除表面层材料的去除表面层材料的过程。过程。n n湿法刻蚀是湿法刻蚀是湿法刻蚀是湿法刻蚀是各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀各向同性刻蚀，用化学方法，不能实，用化学方法，不能实，用化学方法，不能实，用化学方法，不能实现图形的精确转移，适用于特征尺寸现图形的精确转移，适用于特征尺寸现图形的精确转移，适用于特征尺寸现图形的精确转移，适用于特征尺
2、寸 33的情况的情况的情况的情况n n干法刻蚀是干法刻蚀是干法刻蚀是干法刻蚀是各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀各向异性刻蚀，用物理和化学方法，用物理和化学方法，用物理和化学方法，用物理和化学方法，能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的主流技术。主流技术。主流技术。主流技术。n n各向同性刻蚀：各向同性刻蚀：各向同性刻蚀：各向同性刻蚀：侧向与纵向腐蚀速度相同侧向与纵向腐蚀速度相同侧向与纵向腐蚀速度相同侧向与纵向腐蚀速度相同n n各向异性刻蚀：各向异性刻蚀：各向异性
3、刻蚀：各向异性刻蚀：侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀速度，侧向几乎不被腐蚀。速度，侧向几乎不被腐蚀。速度，侧向几乎不被腐蚀。速度，侧向几乎不被腐蚀。（a）各向同性刻蚀剖面）各向同性刻蚀剖面 （b）各向异性刻蚀剖面）各向异性刻蚀剖面 2.刻蚀参数及现象刻蚀参数及现象在刻蚀工艺中，刻蚀参数用来描述刻蚀在刻蚀工艺中，刻蚀参数用来描述刻蚀效果的好坏，决定光刻胶图形向硅片转效果的好坏，决定光刻胶图形向硅片转移的质量。这些刻蚀参数在工艺中非常移的质量。这些刻蚀参数在工艺中非常重要。重要。n n刻蚀参数刻蚀参数刻蚀速率刻蚀速率刻
4、蚀速率刻蚀速率刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差选择比选择比选择比选择比均匀性均匀性均匀性均匀性刻蚀剖面刻蚀剖面刻蚀剖面刻蚀剖面n n刻蚀现象刻蚀现象残留物残留物残留物残留物聚合物聚合物聚合物聚合物等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷颗粒沾污和缺陷2.1刻蚀速率刻蚀速率 刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率刻蚀速率T/tT/t 其中其中其中其中T T为去掉薄层材料的
5、厚度（单位：为去掉薄层材料的厚度（单位：为去掉薄层材料的厚度（单位：为去掉薄层材料的厚度（单位：埃埃埃埃/分、分、分、分、或或或或nmnm/min/min）、）、）、）、t t为刻蚀时间（单位：分）为刻蚀时间（单位：分）为刻蚀时间（单位：分）为刻蚀时间（单位：分）2.2 刻蚀偏差刻蚀偏差n n刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差刻蚀偏差WaWaWbWb2.3选择比选择比n n选择比指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一选择比指在同一刻蚀条件下，刻
6、蚀一种材料对另一选择比指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一选择比指在同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料对另一种材料的刻蚀速率之比。种材料的刻蚀速率之比。种材料的刻蚀速率之比。种材料的刻蚀速率之比。n n高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料，而高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料，而高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料，而高选择比意味着只去除想要刻蚀掉的膜层材料，而对其下层材料和光刻胶不刻蚀。对其下层材料和光刻胶不刻蚀。对其下层材料和光刻胶不刻蚀。对其下层材料和光刻胶不刻蚀。n nSiOSiO2 2对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比对光刻胶的选择比（TsioTsio2 2/
7、t1/t1）（T T胶胶胶胶/t1/t1）TsioTsio2 2/T T胶胶胶胶 （a）0时刻时刻 （b）t1时刻时刻n nSiOSiO2 2对下层对下层对下层对下层SiSi的选择比的选择比的选择比的选择比n nSiOSiO2 2对下层对下层对下层对下层SiSi的选择比的选择比的选择比的选择比 （TsioTsio2 2/t1/t1）（Tsi/Tsi/（t3t3t2t2）（c）t2时刻时刻 （d）t3时刻时刻2.4均匀性均匀性 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上
8、的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。刻蚀。刻蚀。刻蚀。2.5刻蚀剖面刻蚀剖面 刻蚀剖面是刻蚀剖面是刻蚀剖面是刻蚀剖面是 指被刻蚀图形指被刻蚀图形指被刻蚀图形指被刻蚀图形 的侧壁形状的侧壁形状的侧壁形状的侧壁形状2.6残留物残留物 刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材料料料料 ，湿法去胶时能去除残留物。，湿法去胶时能去除残留物。，湿
9、法去胶时能去除残留物。，湿法去胶时能去除残留物。2.7聚合物聚合物 聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质组成的化合物。组成的化合物。组成的化合物。组成的化合物。n n聚合物的优点聚合物的优点聚合物的优点聚合物的优点：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜，：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜，：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜，：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜，阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀
10、阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀剖面。剖面。剖面。剖面。n n聚合物的缺点聚合物的缺点聚合物的缺点聚合物的缺点：在反应室的任何地方都有聚合物，：在反应室的任何地方都有聚合物，：在反应室的任何地方都有聚合物，：在反应室的任何地方都有聚合物，影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。n n聚合物（聚合物（Polymer）的形成）的形成2.8等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤 等离子体诱导损伤有两种情况：等离子体诱导损伤有两种情况：等离子体诱导损伤有两种情况：等离子体
11、诱导损伤有两种情况：1 1）等离子体在）等离子体在）等离子体在）等离子体在MOSMOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引晶体管栅电极产生陷阱电荷引晶体管栅电极产生陷阱电荷引晶体管栅电极产生陷阱电荷引起薄栅氧化硅的击穿。起薄栅氧化硅的击穿。起薄栅氧化硅的击穿。起薄栅氧化硅的击穿。2 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面）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进行轰击，使器件性能退化。上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。2.9颗粒沾
12、污和缺陷颗粒沾污和缺陷 颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常 遇到的问题，应尽量减少。遇到的问题，应尽量减少。遇到的问题，应尽量减少。遇到的问题，应尽量减少。3.干法刻蚀干法刻蚀1.刻蚀过程刻蚀过程1 1）刻蚀气体进入反应腔（以）刻蚀气体进入反应腔（以）刻蚀气体进入反应腔（以）刻蚀气体进入反应腔（以CF4CF4为例）为例）为例）为例）2 2）RFRF电场使反应气体分解电离，产生等离子体电场使反应气体分解电离，产生等离子体电场使反应气体分解电离，产生等离子体电场使反
13、应气体分解电离，产生等离子体3 3）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等4 4）反应正离子轰击样品表面）反应正离子轰击样品表面）反应正离子轰击样品表面）反应正离子轰击样品表面各向异性刻蚀（物理各向异性刻蚀（物理各向异性刻蚀（物理各向异性刻蚀（物理 刻蚀）刻蚀）刻蚀）刻蚀）3.1干法刻蚀原理干法刻蚀原理5 5）反应正离子吸附表面）反应正离子吸附表面）反应正离子吸附表面）反应正离子吸附表面6 6）反应元素（自由基和反应原子）和表面膜的表）反应元素（自由基和反应原
14、子）和表面膜的表）反应元素（自由基和反应原子）和表面膜的表）反应元素（自由基和反应原子）和表面膜的表 面反应面反应面反应面反应各向同性刻蚀（化学刻蚀）各向同性刻蚀（化学刻蚀）各向同性刻蚀（化学刻蚀）各向同性刻蚀（化学刻蚀）7 7）副产物解吸附）副产物解吸附）副产物解吸附）副产物解吸附8 8）副产物去除）副产物去除）副产物去除）副产物去除 干法刻蚀过程示意图干法刻蚀过程示意图2.等离子体的电势分布等离子体的电势分布当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光放电
15、的等离子体；辉光放电的等离子体；辉光放电的等离子体；辉光放电的等离子体；在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一开等离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为负的自偏置直流电压；个相对地为负的自偏置直流电压；个相对地为负的自偏置直流电压；个相对地为负的自偏置直流电压；n n达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，达到一定的
16、负电荷数量后电子会被电极排斥，达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；产生一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；n n等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电等离子体相对于接地电极产生一个等幅的正电势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于势电位。电源电极自偏置电压的大小取决于RF
17、RF电电电电压的幅度、频率和上下电极面积的比值。压的幅度、频率和上下电极面积的比值。压的幅度、频率和上下电极面积的比值。压的幅度、频率和上下电极面积的比值。3.反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（Reactive Ion Etch，RIE）n n反应器反应器反应器反应器平行板平行板RIE反应器反应器n n刻蚀机理刻蚀机理刻蚀机理刻蚀机理 反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用
18、下分解进入真空反应室的刻蚀气体在射频电场的作用下分解电离电离电离电离形成等离子体形成等离子体形成等离子体形成等离子体，等离子体由高能电子、反应正离，等离子体由高能电子、反应正离，等离子体由高能电子、反应正离，等离子体由高能电子、反应正离子、自由基、反应原子或原子团组成。子、自由基、反应原子或原子团组成。子、自由基、反应原子或原子团组成。子、自由基、反应原子或原子团组成。反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面，且反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面，且反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面，且反应室被设计成射频电场垂直于被刻蚀样片表面，且射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（
19、称射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称射频电源电极（称为阴极）的面积小于接地电极（称为阳极）的面积时，在系统的电源电极上为阳极）的面积时，在系统的电源电极上为阳极）的面积时，在系统的电源电极上为阳极）的面积时，在系统的电源电极上产生一个较产生一个较产生一个较产生一个较大的自偏置电场。大的自偏置电场。大的自偏置电场。大的自偏置电场。等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得得得得到能量轰击样片表面，到能量轰击样片表面，到能
20、量轰击样片表面，到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片这种离子轰击不仅对样片这种离子轰击不仅对样片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，而且提高表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高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，了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，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加速与样片的化学反应加速与样片的化学反应加速与样片的化学反应。由于由于由于由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底
21、面比离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比离子轰击的方向性，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，达到了未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了很好的很好的很好的很好的各向异性各向异性各向异性各向异性。4.高密度等离子体反应离子刻蚀高密度等离子体反应离子刻蚀n n传统的传统的传统的传统的RIERIE系统不能满足小于系统不能满足小于系统不能满足小于系统不能满足小于0.25m0.25m高深宽比图形的高深宽比图形的高深宽比图形的高深宽比图形的刻蚀要求，于是发展
22、了高密度等离子体刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体刻蚀要求，于是发展了高密度等离子体RIERIE系统。系统。系统。系统。n n高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡高密度等离子体刻蚀系统有电子回旋振荡RIERIE系统、系统、系统、系统、电感耦合等离子体电感耦合等离子体电感耦合等离子体电感耦合等离子体RIE RIE 系统、磁增强系统、磁增强系统、磁增强系统、磁增强RIERIE系统等。系统等。系统等。系统等。n n高密度等离子体的离化率达到高密度等离子体的离化率达到高密度等离子体的离化率达到高密
23、度等离子体的离化率达到10%10%而传统最大而传统最大而传统最大而传统最大0.1%0.1%n n反应器反应器反应器反应器 第三个电极：第三个电极：第三个电极：第三个电极：ICPICP（I Inductivelynductively C Coupledoupled P Plasmalasma）电极电极电极电极优点：结构简单，成本低优点：结构简单，成本低三极平行板三极平行板RIE反应器反应器ICP-RIE 刻蚀机刻蚀机ICP部分部分传片腔传片腔n n高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：1.1.等离子
24、体中反应基密度大增加了刻蚀速率等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率 2.2.系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获 得高深宽比的槽；得高深宽比的槽；得高深宽比的槽；得高深宽比的槽；3.3.系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小 对对对对SiSi片表面的轰击损伤。片表面
25、的轰击损伤。片表面的轰击损伤。片表面的轰击损伤。5.终点检测终点检测n n终点检测的常用方法：光发射谱法终点检测的常用方法：光发射谱法终点检测的常用方法：光发射谱法终点检测的常用方法：光发射谱法n n光发射谱法终点检测机理：光发射谱法终点检测机理：光发射谱法终点检测机理：光发射谱法终点检测机理：在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的同时，基团被激发并发出特定料反应的同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波长过滤器的探测器，波长的光，利用带波长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发光强度的探测等离子体中的反应基团发光强度的变化来检测刻蚀过程是否结
26、束。变化来检测刻蚀过程是否结束。3.2干法刻蚀的应用干法刻蚀的应用n n 刻蚀材料的种类刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类介质、硅和金属三类n n ULSI对刻蚀的挑战对刻蚀的挑战 1.1.大直径硅片（大直径硅片（大直径硅片（大直径硅片（200mm200mm以上）的刻蚀均匀性以上）的刻蚀均匀性以上）的刻蚀均匀性以上）的刻蚀均匀性 2.2.深亚微米特征尺寸、高深宽比（达到深亚微米特征尺寸、高深宽比（达到深亚微米特征尺寸、高深宽比（达到深亚微米特征尺寸、高深宽比（达到6 6：1 1）的）的）的）的 成功刻蚀成功刻蚀成功刻蚀成功刻蚀 3.3.对下层材料的高选择比（对下层材料的高选择比（对下层材料的高
27、选择比（对下层材料的高选择比（5050：1 1）n n ULSI对刻蚀的要求对刻蚀的要求 1.1.对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）对不需要刻蚀的材料（主要是光刻胶和下层材料）的高选择比的高选择比的高选择比的高选择比 2.2.可接受产能的刻蚀速率可接受产能的刻蚀速率可接受产能的刻蚀速率可接受产能的刻蚀速率 3.3.好的侧壁剖面控制好的侧壁剖面控制好的侧壁剖面控制好的侧壁剖面控制 4.4.好的片内均匀性好的片内均匀性好的片内均匀性好的片内均匀性 5.5.低的器件损伤低的器件损伤低的器件损伤低的器件损
28、伤 6.6.宽的工艺窗口宽的工艺窗口宽的工艺窗口宽的工艺窗口n n介质的干法刻蚀介质的干法刻蚀1.1.氧化硅的刻蚀氧化硅的刻蚀氧化硅的刻蚀氧化硅的刻蚀n n工艺目的：工艺目的：工艺目的：工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和通孔通孔通孔通孔n n工艺方法：工艺方法：工艺方法：工艺方法：刻蚀气体：（刻蚀气体：（刻蚀气体：（刻蚀气体：（CFCF4 4HH2 2ArArHeHe）或（）或（）或（）或（CHFCHF3 3 ArArHeHe）刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀刻蚀系统：平行板式或桶式反应
29、离子刻蚀刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀RIERIE系系系系统，亚统，亚统，亚统，亚0.250.25微米以下采用微米以下采用微米以下采用微米以下采用ICPICPRIERIE系统系统系统系统 工作压力：工作压力：工作压力：工作压力：0.1Torr0.1Torr，亚，亚，亚，亚0.250.25微米微米微米微米 10mTorr10mTorrn n刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：在在在在RFRF作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：CHFCHF3 3 ArArHe He 3e CF3e CF3 3
30、+CFCF3 3 HFHF F F ArAr+HeHe+CFCF3 3是刻蚀是刻蚀是刻蚀是刻蚀SiOSiO2 2的主要活性基，与的主要活性基，与的主要活性基，与的主要活性基，与SiOSiO2 2发生化学反应：发生化学反应：发生化学反应：发生化学反应：4CF4CF3 3 3SiO3SiO2 2 3SiF 3SiF4 4 2CO2CO2 2 2CO2CO物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：ArAr、CFCF3 3，化学刻蚀：，化学刻蚀：，化学刻蚀：，化学刻蚀：CFCF3 3HH的作用：以的作用：以的作用：以的作用：
31、以HFHF的形式除去一些腐蚀的形式除去一些腐蚀的形式除去一些腐蚀的形式除去一些腐蚀SiSi的活性基（的活性基（的活性基（的活性基（F F原子）原子）原子）原子）提高对下层提高对下层提高对下层提高对下层SiSi的选择比的选择比的选择比的选择比HeHe的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性2.2.氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀n n工艺目的工艺目的工艺目的工艺目的:在在在在CMOSCMOS工艺中，通常为了形成工艺中，通常为了形成工艺中，通常为了形成工艺中，通常为了形成MOSMOS器器器器件的
32、有源区和钝化窗口件的有源区和钝化窗口件的有源区和钝化窗口件的有源区和钝化窗口n n工艺方法：工艺方法：工艺方法：工艺方法：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：CFCF4 4OO2 2NN2 2刻蚀系统：刻蚀系统：刻蚀系统：刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀平行板式或桶式反应离子刻蚀平行板式或桶式反应离子刻蚀平行板式或桶式反应离子刻蚀RIERIE系系系系统，亚统，亚统，亚统，亚0.250.25微米以下采用微米以下采用微米以下采用微米以下采用ICPICPRIERIE系统系统系统系统工作压力：工作压力：工作压力：工作压力：0.1Torr0.1Torr，亚，亚，亚，亚0.250.25微米微米微米
33、微米 10mTorr10mTorrn n刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：在在在在RFRF作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：作用下工艺气体分解电离：CFCF4 4 OO2 2NN2 2 3e CF3e CF3 3+CFCF3 3 F F OO+NN+F F是主要活性基与是主要活性基与是主要活性基与是主要活性基与SiSi3 3NN4 4发生化学反应：发生化学反应：发生化学反应：发生化学反应：12F12F SiSi3 3NN4 4 3SiF 3SiF4 4 2N2N2 2 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：物理和化学混合刻蚀，物
34、理刻蚀：物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CFCF3 3，化学刻，化学刻，化学刻，化学刻蚀：蚀：蚀：蚀：F FOO2 2/N/N2 2的作用的作用的作用的作用:稀释稀释稀释稀释F F基的浓度降低对下层基的浓度降低对下层基的浓度降低对下层基的浓度降低对下层SiOSiO2 2的刻的刻的刻的刻蚀速率蚀速率蚀速率蚀速率n n硅的干法刻蚀硅的干法刻蚀1.1.多晶硅的刻蚀多晶硅的刻蚀多晶硅的刻蚀多晶硅的刻蚀n n工艺目的工艺目的工艺目的工艺目的：在：在：在：在CMOSCMOS工艺中，形成工艺中，形成工艺中，形成工艺中，形成MOSMOS栅电极，栅电极，栅电极，栅电极，是特征尺寸刻蚀。是特征尺寸刻蚀。是特征尺寸刻
35、蚀。是特征尺寸刻蚀。n n工艺方法：工艺方法：工艺方法：工艺方法：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：ClCl2 2 ArAr刻蚀系统：平行板式刻蚀系统：平行板式刻蚀系统：平行板式刻蚀系统：平行板式RIERIE或或或或ICP-RIEICP-RIE系统系统系统系统工作压力：小于工作压力：小于工作压力：小于工作压力：小于0.1Torr0.1Torr，亚，亚，亚，亚0.250.25微米微米微米微米 10mTorr10mTorrn n刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：气体分解电离：气体分解电离：气体分解电离：气体分解电离：ClCl2 2 Ar Ar 2e Cl2e Cl+ClClArAr+C
36、l Cl活性基与活性基与活性基与活性基与SiSi化学反应：化学反应：化学反应：化学反应：4Cl 4Cl Si SiClSi SiCl4 4 物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀不用不用不用不用SFSF6 6等等等等F F基气体是因为基气体是因为基气体是因为基气体是因为ClCl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅基气体刻蚀多晶硅对下层的栅基气体刻蚀多晶硅对下层的栅基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较高的选择比氧化层有较高的选择比氧化层有较高的选择比氧化层有较高的选择比n n刻蚀要求：刻蚀要求：刻蚀要求：刻蚀要求：对对对对0.150.15微米技术微米技术微米技术微米技术I
37、CIC的栅氧化硅的选择比大于的栅氧化硅的选择比大于的栅氧化硅的选择比大于的栅氧化硅的选择比大于 150150：1 1，以防，以防，以防，以防止栅氧化层穿通。止栅氧化层穿通。止栅氧化层穿通。止栅氧化层穿通。2.2.单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀单晶硅的刻蚀n n工艺目的：工艺目的：工艺目的：工艺目的：主要形成主要形成主要形成主要形成ICIC的的的的STISTI槽和垂直电容槽槽和垂直电容槽槽和垂直电容槽槽和垂直电容槽n n工艺方法：工艺方法：工艺方法：工艺方法：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：SFSF6 6 ArAr刻蚀系统：平行板式刻蚀系统：平行板式刻蚀系统：平行板式刻蚀系统：平行
38、板式ICPICPRIERIE系统系统系统系统工作压力：小于工作压力：小于工作压力：小于工作压力：小于10mTorr10mTorrn n刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀SFSF6 6是刻蚀硅的主气体是刻蚀硅的主气体是刻蚀硅的主气体是刻蚀硅的主气体 ArAr产生物理刻蚀产生物理刻蚀产生物理刻蚀产生物理刻蚀单晶硅刻蚀的单晶硅刻蚀的单晶硅刻蚀的单晶硅刻蚀的SEMSEM照片照片照片照片n n 金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀1.Al1.Al的刻蚀的刻蚀的刻蚀的刻蚀n n工艺目的：工艺目的：工艺目的：工艺目的：形成形成形成形成IC
39、IC的金属互连的金属互连的金属互连的金属互连n n工艺方法：工艺方法：工艺方法：工艺方法：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：刻蚀气体：ClCl2 2BClBCl3 3CHFCHF3 3刻蚀系统：刻蚀系统：刻蚀系统：刻蚀系统：平行板式或桶式反应离子刻蚀平行板式或桶式反应离子刻蚀平行板式或桶式反应离子刻蚀平行板式或桶式反应离子刻蚀RIERIE系系系系统，亚统，亚统，亚统，亚0.250.25微米以下采用微米以下采用微米以下采用微米以下采用ICPICPRIERIE系统系统系统系统工作压力：工作压力：工作压力：工作压力：0.1Torr0.1Torr，亚，亚，亚，亚0.250.25微米微米微米微米 10mTo
40、rr10mTorr n n刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：刻蚀机理：物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀物理和化学混合刻蚀 ClCl2 2用于铝主刻蚀用于铝主刻蚀用于铝主刻蚀用于铝主刻蚀BClBCl3 3用于铝表面的用于铝表面的用于铝表面的用于铝表面的AlAl2 2OO3 3的刻蚀的刻蚀的刻蚀的刻蚀CHFCHF3 3用于刻蚀铝上层的抗反射膜（用于刻蚀铝上层的抗反射膜（用于刻蚀铝上层的抗反射膜（用于刻蚀铝上层的抗反射膜（TiNTiN）和铝）和铝）和铝）和铝下层的下层的下层的下层的TiTi金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂金属铝的刻
41、蚀步骤多，工艺复杂4.湿法刻蚀湿法刻蚀4.1 湿法刻蚀的原理湿法刻蚀的原理n n 湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术的技术的技术的技术n n这是这是这是这是各向同性各向同性各向同性各向同性的刻蚀方法，利用的刻蚀方法，利用的刻蚀方法，利用的刻蚀方法，利用化学反应化学反应化学反应化学反应过程去除过程去除过程去除过程去除待刻蚀区域待刻蚀区域待刻蚀区域待刻蚀区域的薄膜材料的薄膜材料的薄膜材料的薄膜材料n n湿法刻蚀，又称湿法刻蚀，又称湿法刻蚀，又称湿法刻蚀
42、，又称湿化学腐蚀法湿化学腐蚀法湿化学腐蚀法湿化学腐蚀法。半导体制造业。半导体制造业。半导体制造业。半导体制造业一开一开一开一开始，湿法腐蚀始，湿法腐蚀始，湿法腐蚀始，湿法腐蚀就与硅片制造联系在一起。就与硅片制造联系在一起。就与硅片制造联系在一起。就与硅片制造联系在一起。现在现在现在现在湿法湿法湿法湿法腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀大部分被干法刻蚀代替，大部分被干法刻蚀代替，大部分被干法刻蚀代替，大部分被干法刻蚀代替，但在但在但在但在漂去氧化硅、除漂去氧化硅、除漂去氧化硅、除漂去氧化硅、除去残留物、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀去残留物、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀去残留物、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀去残留物
43、、表层剥离以及大尺寸的图形腐蚀应用方应用方应用方应用方面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮面起着重要作用。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与化物、金属与化物、金属与化物、金属与族化合物等作族化合物等作族化合物等作族化合物等作整片的腐蚀。整片的腐蚀。整片的腐蚀。整片的腐蚀。4.2常用材料的湿法刻蚀常用材料的湿法刻蚀1.1.1.1.二氧化硅湿法刻蚀二氧化硅湿法刻蚀二氧化硅湿法刻蚀二氧化硅湿法刻蚀n n采用采用采用采用氢氟酸溶液氢氟酸溶液氢氟酸溶液氢氟酸溶液加以进行。因为二氧化硅可与室加以进行。因为
44、二氧化硅可与室加以进行。因为二氧化硅可与室加以进行。因为二氧化硅可与室温的氢氟酸溶液进行反应，但却温的氢氟酸溶液进行反应，但却温的氢氟酸溶液进行反应，但却温的氢氟酸溶液进行反应，但却不会蚀刻硅基材不会蚀刻硅基材不会蚀刻硅基材不会蚀刻硅基材及及及及多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅。反应式如下：。反应式如下：。反应式如下：。反应式如下：SiOSiO2 2+6HF+6HF HH2 2SiFSiF6 6+2H2O+2H2On n 由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制由于氢氟酸对二氧化硅的蚀刻速率相当高，在制程上很难控制，
45、因此在程上很难控制，因此在程上很难控制，因此在程上很难控制，因此在实际应用实际应用实际应用实际应用上都是上都是上都是上都是使用稀释使用稀释使用稀释使用稀释后的氢氟酸溶液，或是添加后的氢氟酸溶液，或是添加后的氢氟酸溶液，或是添加后的氢氟酸溶液，或是添加氟化铵（氟化铵（氟化铵（氟化铵（NHNH4 4F F）作为作为作为作为缓冲剂的混合液，缓冲剂的混合液，缓冲剂的混合液，缓冲剂的混合液，来进行二氧化硅的蚀刻。来进行二氧化硅的蚀刻。来进行二氧化硅的蚀刻。来进行二氧化硅的蚀刻。影响二氧化硅腐蚀速率的因素影响二氧化硅腐蚀速率的因素1.温度一定，温度一定，SiO2的腐蚀速率取决于的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比
46、腐蚀液的配比及及二氧化硅的掺杂浓度二氧化硅的掺杂浓度（二氧化硅除了纯二氧化硅二氧化硅除了纯二氧化硅外，尚有含有杂质的二氧化硅如外，尚有含有杂质的二氧化硅如BPSG等等）掺磷浓）掺磷浓度越高，腐蚀速率越快；掺硼浓度越高，腐蚀速率度越高，腐蚀速率越快；掺硼浓度越高，腐蚀速率越慢越慢2.温度温度越高，腐蚀速率越快越高，腐蚀速率越快3.搅拌搅拌可以加速腐蚀速率可以加速腐蚀速率4.高温热成长的氧化层高温热成长的氧化层较以较以化学气相沉积方式化学气相沉积方式的氧的氧化层化层刻蚀速率慢刻蚀速率慢，因其组成，因其组成结构较为致密。结构较为致密。2.铝刻蚀铝刻蚀1、铝或铝合金铝或铝合金的湿式蚀刻主要是利用的湿式
47、蚀刻主要是利用加热的磷酸、硝酸、加热的磷酸、硝酸、醋酸及水醋酸及水的混合溶液加以进行的混合溶液加以进行 2、典型的比例为、典型的比例为80%的磷酸、的磷酸、5%的硝酸的硝酸（提高腐蚀速率，（提高腐蚀速率，但是不能太多，否则影响光刻胶的抗蚀能力）、但是不能太多，否则影响光刻胶的抗蚀能力）、5%的醋的醋酸酸（提高腐蚀的均匀性）及（提高腐蚀的均匀性）及10%的水的水。加热的温度约在。加热的温度约在35C-45C左右左右3、温度越高蚀刻速率越快温度越高蚀刻速率越快，一般而言蚀刻速率约为，一般而言蚀刻速率约为1000-3000 /min，而，而溶液的组成比例溶液的组成比例、不同的、不同的温度及温度及蚀刻
48、过程蚀刻过程中中搅拌搅拌与否都会与否都会影响影响到蚀刻的到蚀刻的速率。速率。4、在刻蚀、在刻蚀AL的过程中有的过程中有氢气泡产生氢气泡产生，这些气泡会附着在，这些气泡会附着在铝的表面而局部的铝的表面而局部的抑制刻蚀的进行抑制刻蚀的进行，造成刻蚀不均匀造成刻蚀不均匀。可。可以以通过搅拌和添加催化剂通过搅拌和添加催化剂来降低界面张力以避免这种问题来降低界面张力以避免这种问题的发生。的发生。常见湿法刻蚀技术常见湿法刻蚀技术 腐蚀液腐蚀液被腐蚀物被腐蚀物H3PO4(85%):HNO3(65%):CH3COOH(100%):H2O:NH4F(40%）=76：3：15：5：0.01AlNH4(40%):H
49、F(40%)=7:1SiO2,PSGH3PO4(85%)Si3N4HF(49%):HNO3(65%):CH3COOH(100%)=2:15:5 SiKOH(3%50%)各向异向SiNH4OH:H2O2(30%):H2O=1:1:5HF(49%):H2O=1:100Ti,CoHF(49%):NH4F(40%)=1:10TiSi25.总结总结n n 干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比）干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比）1.1.刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2.2.好的好的好的好的CDC
50、D控制控制控制控制 3.3.最小的光刻胶脱落或粘附问题最小的光刻胶脱落或粘附问题最小的光刻胶脱落或粘附问题最小的光刻胶脱落或粘附问题 4.4.好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性 5.5.化学品使用费用低化学品使用费用低化学品使用费用低化学品使用费用低n n 干法刻蚀的缺点（与湿法刻干法刻蚀的缺点（与湿法刻蚀比）蚀比）1.1.对下层材料的刻蚀选择比较差对下层材料的刻蚀选择比较差对下层材料的刻蚀选择比较差对下层材料的刻蚀选择比较差 2.2.等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤等离子体诱导损伤