半导体工艺原理刻蚀工艺（课堂PPT）

1、.1刻蚀工艺刻蚀工艺.2光刻总结n光刻：临时的图形转移过程nIC生长中最关键的工艺n需要：高分辨率、低缺陷密度n光刻胶：正胶和负胶n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n下一代光刻技术：EUV和电子束光刻.3刻蚀工艺刻蚀工艺n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，去掉不要的部分，保留需要的部分。n需要刻蚀的物质：SiO2 、Si3N4、Polysilicon和铝合金及Sin要求：图形的保真度高、选择比

2、好、均匀性好、清洁。.4刻蚀工艺流程n刻蚀的基本概念刻蚀的基本概念 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。.5栅掩膜对准 Gate Mask Alignment.6栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure.7Development/Hard Bake/Inspection.8Etch Polysilicon刻蚀多晶硅.9Etch Polysilicon 继续.10Strip Photoresist 剥去光刻胶.11Ion Implantation.12Rapid Thermal

3、 Annealing.13刻蚀术语n刻蚀速率n选择比n刻蚀均匀性n刻蚀剖面n湿法刻蚀n干法刻蚀nRIE：反应离子刻蚀.14刻蚀速率（Etch Rate）d = d0 - d1 () ，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（ PE-TEOS PSG ）薄膜为例，腐蚀时间： 1 minute ，温度： 22 C,d0 = 1.7 mm, d1 = 1.1 mm，则.15刻蚀选择比n刻蚀选择比是指同种腐蚀液对不同材料刻蚀速率的比值。.16举例nBOE对高饱和正硅酸乙酯磷硅酸玻璃的刻蚀速率是 6000 /min, 硅的刻蚀速率是 30 /min。 .1

4、7刻蚀均匀性n圆片上和圆片间的重复性n标准偏差不均匀性 n 最大最小均匀性.18刻蚀剖面.19刻蚀剖面.20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。.21n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(3m)；q优点：选择性好；重复性好；生产效率高；设备简单；成本低；q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。q广泛应用在半导体工艺中：磨片、抛光、清洗、腐蚀；.22IC工艺中常用材料的化学腐蚀剂材料腐蚀剂注释SiO2HF(水中含49)，纯HF对硅有选择性，对硅腐蚀

5、速率很慢，腐蚀速率依赖于膜的密度，掺杂等因素NHF4:HF(6:1),缓冲HF或BOE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Si3N4HF(49%)腐蚀速率主要依赖于薄膜密度，膜中O,H的含量HPO:HO(沸点：130-150)对二氧化硅有选择性，需要氧化物掩膜。AlH3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH(16:2:1:1)对硅，氧化硅和光刻胶有选择性多晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蚀速率依赖于腐蚀剂的组成单晶硅HNO3:H2O:HF(CH3COOH)(50:20:1)腐蚀速率依赖于腐蚀剂的组成KOH:HO

6、:IPA(23wt%KOH,13wt%IPA) 对于晶向有选择性，相应腐蚀速率（100）：（111）100：1TiNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)TiNNH4OH:H2O2:H2O(1:1:5)对TiSi2有选择性TiSi2NH4F：HF(6:1)对TiSi2有选择性光刻胶H2SO4:H2O2(125)适用于不含金属的硅片有机剥离液适用于含金属的硅片.23湿法刻蚀剖面.24SiO2 的腐蚀242426422()SiOHFSiFH OSiFHFHSiF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 =

7、3ml:6g:10ml.25二氧化硅的腐蚀速率与温度的关系.26氮化硅腐蚀n对于厚度为1-2m 的较薄氮化硅膜，可以用HF缓冲液进行腐蚀。n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。.27铝的腐蚀目前常用的腐蚀液有磷酸及高锰酸钾腐蚀液342432262()3AlH POAl H POH磷酸与铝的反应式高锰酸钾腐蚀液的配方为：42:6 :10 :90KMnONaOH H Oggml高锰酸钾与铝的反应式422NaOHKMnOAlKAlOMnO.28硅或多晶硅的刻蚀n硅的刻蚀通常用硝酸和氢氟酸的混合液n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

8、去掉；n用去离子水冲洗掉刻蚀剂和反应生成物。.29n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。.30用于IC制造中薄膜的典型或代表性等离子体气体材料刻蚀剂简要介绍多晶硅SF6,CF4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CF4/H2，CHF3非常各向异性，对SiO2没有选择性CF4/O2各向同性或接近各向同性，对SiO2有选择性HBr,Cl2,Cl2/HBr/O

9、2非常各向异性，对SiO2选择性很高单晶硅与多晶硅的刻蚀剂相同SiO2SF6,NF3,CF4/O2,CF4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CF4/H2,CHF3/O2,C2F6,C3F8非常各向同性；对硅有选择性CHF3/C4F8,CO各向同性；对Si3N4有选择性Si3N4CF/4O2各向同性，对SiO2有选择性, 但对硅没有选择性CF4/H2非常各向异性，对硅有选择性，但对SiO2没有选择性CHF3/O2,CH2F2非常各向异性，对硅和SiO2都有选择性， AlCl2接近各向同性（有严重钻蚀）Cl2/CHCl3, Cl2/N2非常

10、各向异性，经常加入BCl3以置换O2WCF4,SF6高刻蚀速率，对SiO2没有选择性Cl2对SiO2有选择性TiCl2,Cl2/CHCl3,CF4TiNCl2,Cl2/CHCl3,CF4TiSi2Cl2,Cl2/CHCl3,CF4/O2光刻胶O2对其他薄膜选择性极高.31q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。q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。q反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching：简称为RIE)：通过活性离子对衬

11、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。.32n（1）二氧化硅的刻蚀n采用的气体为CF4、CHF3、C2F6n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。n在现在的半导体刻蚀制造中，常采用CHF2和 Cl2的混合等离子体来进行SiO2的RIE刻蚀。COSiFCFSiOOSiFFSiOCFFCF222424224224.33n（2）氮化硅的刻蚀n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

12、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。n如以CHF3的等离子体作为刻蚀气体， SiO2/Si的选择性在10以上，Si3N4/Si的选择性在3-5， SiO2/ Si3N4的选择性在2-4 。.34（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，便称为多晶硅化金属。.35n其刻蚀分为两步，首先是要除去未被光刻胶保

13、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。n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。.36n(4)铝及铝合金的刻蚀n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。n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R

14、IE刻蚀， ALCL3具有挥发性。n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。.37n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。.38光刻质量分析浮胶n1，操作环境的湿度过大；n2，二氧化硅表面不净；n3，前烘不足或过度；n4，曝光或显影不合适；n5，腐蚀不当造成浮胶。 .39钻蚀n1、光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不齐并有毛刺等。n2、光刻胶过滤不好，颗粒密度大。n3、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。n4、氧化层的厚度差别太大。.40钻蚀n 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。n 腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。n 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。.41针孔n 氧化硅薄膜表面有外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基片表面