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1、第第10章章 刻蚀工艺刻蚀工艺本章的学习目标：1.掌握刻蚀参数及刻蚀原理。2.掌握湿法刻蚀原理。3.掌握硅、氮化硅、二氧化硅和铝的湿法刻蚀工艺。4.掌握二氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属铝、铝合金、钨和铜的干法刻蚀工艺。刻蚀刻蚀（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。光刻和刻蚀是图形转换中非常重要的两个环节。图10-1 刻蚀图形转移示意图1.刻蚀参数（1）图形转换的保真度高（2）选择比（3）刻蚀速率（4）刻蚀剖面图10-2 各向同性刻蚀和各向异性刻蚀（5）刻蚀偏差刻蚀偏差就是
2、刻蚀后线宽与关键尺寸间距的变化，Wb是刻蚀前光刻胶的线宽，Wa是去胶后被刻材料的线宽，刻蚀偏差即为二者之差。（6）刻蚀因子（7）均匀性图10-3刻蚀偏差10.2 湿法刻蚀工艺湿法刻蚀工艺1.硅的湿法刻蚀单晶硅与多晶硅的刻蚀都是通过与硝酸和氢氟酸的混合溶剂反应来完成的。反应如下：Si+4HNO3SiO2+2H2O+4NO2 SiO2+6HFH2SiF6+2H2O 2.氮化硅的湿法刻蚀氮化硅化学性质比较稳定，通常利用180下浓度为85%的磷酸来进行氮化硅的刻蚀。湿法刻蚀大多用于整层氮化硅的去除，对于小面积刻蚀，通常选择干法刻蚀。3.二氧化硅的湿法刻蚀典型的二氧化硅刻蚀剂是氟化铵与氢氟酸以6:1的体
3、积比混合，它对氧化层的刻蚀速率约为1000/min。4.铝的湿法刻蚀铝刻蚀在生产上常用的是经过加热的磷酸、硝酸、醋酸以及水的混合溶液，典型的比例是80:5:5:10。刻蚀反应如下：2Al+6H3PO42Al(H2PO4)3+3H2 干法刻蚀工艺干法刻蚀工艺1.二氧化硅的干法刻蚀二氧化硅的干法刻蚀干法刻蚀技术的大都采用含有氟碳化合物的等离子体来进行SiO2的干法刻蚀。所使用的气体，从早期的四氟化碳（CF4）到现在的CHF3，或者是C2F6。CF4的等离子体刻蚀过程:容器内充入CF4，当压强与所提供的电压合适时，等离子体所持有的辉光放电现象立即出现，而CF4将被等离子内的高能量电子所轰击，而产生各
4、种离子、原子团及原子等，其中F原子和CF2分子都要发生化学反应，其反应式如下：CF42F+CF2 SiO2+4FSiF4+2O Si+4FSiF4 SiO2+2CF2SiF4+2CO 在刻蚀中，往往加入少量的氢和氧，其作用分别如下：（1）氧的作用在CF4中加入氧后，氧会和CF4反应释放出F原子，因而增加F原子的含量，则增加了Si与SiO2的刻蚀速率，并消耗掉部分C，使得等离子体中碳与氟的比例下降。反应式为：CF2+OCOF2+2F 图10-6 所占百分比与Si和SiO2的刻蚀速率的关系（2）氢的作用如果在CF4中加入氢气，氢气将被离解为氢原子，并将于氟原子反应生成氟化氢，其反应式如下：H22H
5、 H+FHF（3）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CHF3与氯气所混合的等离子体来进行SiO2的刻蚀。2.氮化硅的干法刻蚀氮化硅的干法刻蚀氮化硅刻蚀的气体主要是CF4和氧气、氮气的混合气体，氧、氮是用来提高刻蚀选择比的。对氮化硅的刻蚀速率可达到1200/min，刻蚀选择比可高达20:1。另外用于氮化硅刻蚀的气体有SiF4、CHF3和NF3等。基本上，用于刻蚀SiO2的干法刻蚀方法都可以用来刻蚀Si3N4膜，但是由于Si-N键的键结合强度介于Si-O键与Si-Si键之间，因此，如采用CF4或者其他含氟的气体等离子体来进行刻蚀Si3N4，其选择比比较差。3.多晶硅的干法刻蚀
6、多晶硅的干法刻蚀含氯气体刻蚀多晶硅还有一个好处是，氯所形成的等离子体对Si和SiO2的刻蚀选择性都比较好。与多晶硅的反应式如下：Cl22Cl Si+2ClSiCl2 SiCl2+2ClSiCl4 中间生成物SiCl2会形成一层聚合物保护膜：nSiCl2SiCl2n 4.金属的干法刻蚀金属的干法刻蚀（1）铝的刻蚀 铝的刻蚀采用氯化物，如SiCl4、CCl4等气体与氯气混合气体来进行刻蚀。铝和氯反应生成具有挥发性的三氯化铝，随着腔内气体被抽出。一般铝的刻蚀温度比室温稍高，三氯化铝的挥发性更好，可以较少残留物。铝的等离子体刻蚀原理如下：2Al+3Cl22AlCl3（2）铝合金的刻蚀（3）钨的刻蚀在金
7、属铝沉积前用CVD法淀积Ti及TiN，再以快速热处理法产生钛硅化合物，以降低接触电阻。Ti/TiN在金属化制备中成为附着层，接着以CVD法淀积钨使其填入到接触孔窗中。然后以干法刻蚀将介电层表面覆盖的金属钨去掉，留下接触窗内的钨，以此形成接触窗插塞，这个干法刻蚀过程称为“钨回蚀”，接着淀积铝并制作铝线的图形后才算完成金属化。钨的氟化物具有很好的挥发性，WF6的沸点为170C，所以之前所用到的氟化物气体，如CF4、SF6、NF3等都可以作为钨回蚀的腐蚀气体。其反应如下：W+6FWF6（4）铜的腐蚀 在集成电路制造工艺中，铜的腐蚀是比较困难的。因为铜和氯反应所生成的CuCl2并不是一种挥发性能力很强的物质，所以铜的刻蚀不能用化学反应得方式进行，而必须以等离子体内的离子，对铜进行溅射，才能通过物理的方式将其除去。这就是因为虽然铜的导电性能远比铝好，但不能被半导体器件或集成电路制造广泛接受的原因。5.湿法刻蚀与干法刻蚀的比较湿法刻蚀与干法刻蚀的比较(a)干法刻蚀(b)湿法刻蚀图10-7 干法刻蚀与湿法刻蚀的比较刻蚀质量检测刻蚀质量检测