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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 微电子制造科学原理与工程技术 第11章 电子讲稿中出现的图号是该书中的图号 就是通过物理和 或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 从而在下层材料上获得与掩蔽膜图形完全对应的图形 一 概述 1 刻蚀 2 刻蚀工艺的分类 1 湿法刻蚀与干法刻蚀 2 各向同性刻蚀与各向异性刻蚀 a 湿法刻蚀 采用液态化学试剂进行薄膜刻蚀b 干法刻蚀 采用气态的化学气体进行薄膜刻蚀 a 各向同性刻蚀 薄膜在各个方向上都受到同样的刻蚀b 各向异性刻蚀 薄膜在各个方向上所受刻蚀不等 实际刻蚀剖面 a 横向刻蚀速度RLb 纵向刻蚀速度RV 2 选择比 不同材料的刻蚀速率比 3 钻刻 掩膜材料下的侧向刻蚀 各向异性度 A 0 各向同性刻蚀A 1 理想的各向异性刻蚀1 A 0 实际的各向异性刻蚀 3 刻蚀工艺的品质因数 1 刻蚀速率 单位时间刻蚀的厚度 决定了刻蚀工艺的产率 决定了刻蚀后剖面形貌和 钻蚀 程度 选择性和方向性通常是最为关心的问题 化学过程 物理过程 膜层厚度的不均匀 刻蚀速率的不均匀 图形转移尺寸的不均匀 设 平均膜厚h 厚度变化因子 0 1 最厚处为h 1 最薄处h 1 平均刻蚀速率v 速度变化因子 0 1 最大为v 1 最小为v 1 刻蚀最厚处所需时间 tM h 1 v 1 刻蚀最薄处所需时间 tm h 1 v 1 存在时间差 tM tm 2h v 1 4 均匀性 取tm 则厚膜部位未刻蚀尽 tM 部分过刻蚀 1 获得满意的剖面 倾斜或垂直 2 钻刻最小 3 选择比大 4 刻蚀均匀性好 重复性高 5 对表面和电路的损伤最小 6 清洁 经济 安全 5 VLSI对图形转移的要求 二 湿法刻蚀 1 反应物扩散到被刻蚀的材料表面 2 反应物与被刻蚀薄膜反应 3 反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中 并随溶液被排出 1 湿法刻蚀 利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的 2 三个步骤 a 刻蚀溶液的种类b 溶液的浓度c 反应温度d 搅拌 3 Arrhenius方程 1 刻蚀速率 R R0exp Ea kT 其中R0是与刻蚀液浓度有关的常数 Ea是化学反应的激活能 它与被刻蚀物种类 杂质含量有关 2 速率控制方法 各相同性的 钻蚀严重 对图形的控制性较差 安全性 洁净性差 说明 I 刻蚀液的选用 选择比大 II 掩蔽膜的选用 粘附性 稳定性 抗蚀性好 III 主要优点 设备简单 成本底 产量高 并且具有很好的刻蚀选择比 重复性好 IV 主要缺点 1 SiO2的刻蚀 a 氢氟酸可以在室温下与SiO2快速的反应 而不会刻蚀硅 配方为 HF NH4F H2O 3ml 6g 10ml 4 几种常见物质的刻蚀 SiO2 6HF H2SiF6 2H2O b 掩蔽膜 光刻胶 氮化硅 多晶硅 c 工艺上通常使用氢氟酸缓冲液以提高可控性 HF H F I 硝酸将表面的硅氧化成SiO2 II 氢氟酸将生成的SiO2除去 2 硅的刻蚀 a 硝酸 氢氟酸与醋酸的混合液进行刻蚀 Si HNO3 6HF H2SiF6 HNO2 H2 H2O b 反应原理 a 可采用SiO2作掩蔽膜 在180 磷酸溶液中进行刻蚀 b Si3N4 SiO2 Si在180 磷酸中的刻蚀速率 3 氮化硅的刻蚀 4 铝的刻蚀 a 刻蚀液 磷酸 硝酸 醋酸及水的混合溶液 b 原理 d 温度 35 60 C I 由硝酸与铝反应生成氧化铝 II 磷酸和水分解氧化铝 c 掩蔽膜 光刻胶 三 干法刻蚀 c 分类 1 特点 利用刻蚀气体辉光放电形成的等离子体进行刻蚀 a 优点 各向异性好 选择比高 可控性 灵活性 重复性好 细线条操作安全 易实现自动化 无化学废液 处理过程未引入污染 洁净度高 b 缺点 成本高 设备复杂 物理性 化学性 物理化学性刻蚀 2 物理性刻蚀 2 设备 a 纯粹的机械过程 对所有材料都可实现强的各向异性刻蚀 b 选择比差 c 刻出物易再淀积 d 易对下面结构造成损伤 e 单片刻蚀 1 机理 利用辉光放电将惰性气体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 离子铣 真空度10 3 10 5Torr 3 特点 3 化学性刻蚀 1 机理 a 主要依靠化学反应进行刻蚀 选择性好 b 离子的能量很小 各向异性差 c 对基底的损伤小 d 刻蚀速度低 2 设备 高压等离子体刻蚀机 真空度102 10 1Torr 3 特点 以CF4为刻蚀气体刻蚀Si为例 4 举例 4 物理化学性刻蚀 a 选择比较高 b 各向异性较好 c 刻蚀速度较快 1 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 反应离子刻蚀机 RIE 真空度10 1 10 2Torr 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 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 使被刻蚀表面能再与刻蚀气体接触 4 离子轰击的作用 c RIE中的物理损伤和杂质驱进 在含碳的RIE刻蚀后 顶部30埃由于过量浓度的Si C键引起严重损伤 损伤和H的穿透可达300埃深 H的穿透可以降低衬底掺杂的活性 自偏压Vp是正值 以使电子和离子流量相等 对于高压等离子体刻蚀机结构 上下极板面积相等 虽然仍有离子轰击极板 但此时能量很小 化学反应和各向同性刻蚀为主 5 反应离子刻蚀机RIE 可达100 1000ev比0 100 a 在RIE设备中 使用非对称腔体 b 为了保持电流连续性 小电极处应有更高的电场 更高的RF电流密度 V1 V2 A2 A1 4 c d 自由基反应各向同性 高能离子轰击各向异性刻蚀 6 RIE的不足 d 工作气压较高 离子沾污较大 a 射频等离子体的离化率较低 b 刻蚀速度 等离子体密度 但同时离子轰击的能量 轰击损伤 c 随着线条尺寸 刻蚀图形的深宽比 要求气压 离子的自由程 确保刻蚀的垂直度 但在此气压下 等离子体密度 刻蚀效率 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HWPb 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 8 HDP的优缺点 高的离子流量容易对浮空结构 尤其是MOS管中的栅 充电 可能会在栅绝缘中导致过多的漏电 a 优点 刻蚀速度高 损伤小 选择比好 各向异性强 b 缺点 9 刻蚀方法的比较 5 影响干法刻蚀的因素 1 刻蚀气体的种类 流量及其配比 2 射频功率 3 温度 4 负载效应 6 干法刻蚀的终点检测技术 光发射谱分析仪 各种等离子体都发出某些特定波长的光 通过分析它们的强弱变化 来达到终点检测的目的 光线强度与刻蚀速率成正比 刻蚀小时则难以观测 刻蚀面积小时 强度太低 7 剥离技术 主要用于难于刻蚀的材料 8 去胶 1 SiO2 氮化硅 多晶硅等衬底 可以用硫酸与过氧化氢的3 1的混合液去胶 2 Al衬底用发烟硝酸去胶 3 等离子体去胶 本章小结 1 薄膜的刻蚀是现代IC制造的一个关键技术 2 通常将光刻胶用作掩蔽层 有时会用其它薄膜 3 选择比和方向性 各向异性 是两个最重要的问题 通常要求选择比高 侧壁陡直 4 其它问题包括掩蔽膜侵蚀 钻刻 刻蚀均匀性 残余物清除 对下面结构的损伤 5 由于可控性 灵活性 重复性和各向异性 干