集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學/田麗刻蝕技術(shù)刻蝕技術(shù)第10章JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU10.1概述刻蝕技術(shù)(etchingtechnique)是在半導體工藝，按照掩模圖形或設(shè)計要求對半導體襯底表面或表面覆蓋薄膜進行選擇性腐蝕或剝離的技術(shù)?？涛g技術(shù)包含了所有將材質(zhì)表面均勻移除或是有選擇性地部分去除的技術(shù)，可大體分為濕法刻蝕（WetEtching）干法刻蝕（DryEtching）保真度（Profile）選擇比（Selectivity）均勻性（Uniformity）清潔性10.1概述ULSI對圖形轉(zhuǎn)移要求：保真度(a)槽(b)槽(c)線條掩膜被刻蝕材料襯底材料刻蝕后圖形的常見情況保真度即各向異性程度，用A表示：各向同性腐蝕A=0；各向異性腐蝕A=1保真度：0<A<1Vl----側(cè)向腐蝕速度Vv—縱向腐蝕速度一般Vv>Vl>010.1概述9.1概述均勻性均勻性假設(shè)要腐蝕薄膜平均厚度為h，硅片上各處厚度變化因子0≤δ≤1設(shè)腐蝕平均速度為V，腐蝕速率變化因子0＜ξ＜1最大腐蝕時間tmax；最小腐蝕時間tmin優(yōu)化設(shè)定刻蝕時間，防止出現(xiàn)過腐蝕，未腐蝕現(xiàn)象10.1概述10.2濕法刻蝕

濕法腐蝕是化學腐蝕，晶片放在腐蝕液中（或噴淋），通過化學反應去除窗口薄膜，得到晶片表面的薄膜圖形。反應物質(zhì)擴散到被刻蝕薄膜的表面反應物與被刻蝕薄膜反應反應后的產(chǎn)物從刻蝕表面擴散到溶液中，并隨溶液排出。濕法刻蝕大概可分為三個步驟：硅的濕法刻蝕承載硅片的花籃濕法刻蝕設(shè)備濕法腐蝕特點濕法腐蝕工藝簡單，無需復雜設(shè)備保真度差，腐蝕為各向同性，A=0，圖形分辨率低選擇比高均勻性好清潔性較差10.2濕法刻蝕濕法刻蝕參數(shù)參數(shù)說明控制難度濃度溶液濃度，溶液各成份的比例最難控制，因為槽內(nèi)的溶液的濃度會隨著反應的進行而變化時間硅片浸在濕法化學刻蝕槽中的時間相對容易溫度濕法化學刻蝕槽的溫度相對容易攪動溶液的攪動適當控制有一定難度批數(shù)為了減少顆粒并確保適當?shù)臐舛葟姸?，一定批次后必須更換溶液相對容易10.2濕法刻蝕10.2.1硅的濕法腐蝕各向同性腐蝕Si+HNO3+6HF→H2SiF6+HNO2+H2O+H2反應方程式如下：各向同性濕法腐蝕（攪拌）SiO2掩模各向同性濕法腐蝕（無攪拌）掩模形狀與攪拌對各向同性腐蝕影響的橫截面示意圖注：對硅來說，這是一類可選擇的腐蝕劑，對于玻璃，一般來說只有這一種濕法腐蝕類型10.2濕法刻蝕硅的各向異性腐蝕技術(shù)各向異性(Anisotropy)腐蝕液通常對單晶硅(111)晶相與(100)晶相的腐蝕速率差別很大（1：400）；各向異性腐蝕Si+2KOH+H2O→K2SiO3+H2O(a)通過（100）晶面上窗口圖形腐蝕(b)通過（110）晶面上窗口圖形腐蝕硅的各向異性腐蝕10.2濕法刻蝕無機腐蝕液：KOH,NaOH,LiOH,NH4OH等；有機腐蝕液：EPW、TMAH和聯(lián)胺等。腐蝕液：氫氧化鉀(KOH)系列溶液；EPW(E：乙二胺，P：鄰苯二酚，W：水)系列溶液。常用體硅腐蝕液：各向異性腐蝕液10.2濕法刻蝕硅以及硅化合物的典型腐蝕速率材料腐蝕劑腐蝕速率硅在<100>晶向KOH0.25-1.4μm/min硅在<100>晶向EDP0.75μm/min二氧化硅KOH40-80nm/h二氧化硅EDP12nm/h氮化硅KOH5nm/h氮化硅EDP6nm/h10.2濕法刻蝕各向同性腐蝕及各向異性腐蝕10.2.2二氧化硅的濕法腐蝕影響刻蝕質(zhì)量的因素主要有：黏附性光刻膠與SiO2表面黏附良好，是保證刻蝕質(zhì)量的重要條件二氧化硅的性質(zhì)12二氧化硅中的雜質(zhì)3刻蝕溫度4刻蝕時間59.2濕法刻蝕10.2濕法刻蝕10.2.3氮化硅的濕法腐蝕加熱180℃的H3PO4溶液或沸騰HF刻蝕Si3N4刻蝕速率與Si3N4的生長方式有關(guān)10.2.4鋁的濕法腐蝕10.2濕法刻蝕10.2.5鉻的濕法腐蝕1.酸性硫酸高鈰刻蝕硫酸高鈰易水解2.堿性高錳酸鉀刻蝕3.酸性鋅接觸刻蝕10.2濕法刻蝕10.3干法刻蝕技術(shù)干法刻蝕是應用等離子技術(shù)的腐蝕方法，刻蝕氣體在反應器中等離子化，與被刻蝕材料反應（或濺射），生成物是氣態(tài)物質(zhì)，從反應器中被抽出。干法刻蝕是ULSI的標準腐蝕工藝。無鉆蝕現(xiàn)象，各向異性腐蝕能力強，腐蝕的選擇比高，使光刻分辨率高。對濕法腐蝕難的薄膜如氮化硅等可以進行干法腐蝕。能夠進行自動化操作。無濕法腐蝕的大量酸堿廢液。優(yōu)點干法刻蝕特點保真度好，圖形分辨率高；濕法腐蝕難的薄膜如氮化硅等可以進行干法刻蝕。與濕法腐蝕比較，優(yōu)點：清潔性好，氣態(tài)生成物被抽出；無濕法腐蝕的大量酸堿廢液。缺點設(shè)備復雜選擇比不如濕法10.3干法刻蝕技術(shù)干法刻蝕的方式依據(jù)等離子放電條件、反應氣體、系統(tǒng)的不同，有多種干法刻蝕方式。濺射刻蝕（SputterEtching）物理性刻蝕等離子體刻蝕（PlasmaEtching）化學性刻蝕反應離子刻蝕（ReactiveIonEtching，RIE）物理化學性刻蝕9.3干法刻蝕技術(shù)物理性刻蝕包括濺射刻蝕和離子束銑蝕。等離子體中的離子或高能原子對襯底進行轟擊，濺射出襯底原子，形成掩蔽膜圖形。濺射刻蝕高能離子束對襯底進行轟擊，撞擊出襯底原子，形成掩蔽膜圖形離子束銑蝕1.物理性刻蝕9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)化學性刻蝕利用等離子體中的化學活性原子團與被刻蝕材料發(fā)生化學反應，從而實現(xiàn)刻蝕目的。由于刻蝕的核心還是化學反應(只是不涉及溶液的氣體狀態(tài))，因此刻蝕的效果和濕法刻蝕有些相近，具有較好的選擇性，但各向異性較差。2.化學性刻蝕9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)RIE是等離子化學性刻蝕和濺射物理性刻蝕現(xiàn)象同時作用的刻蝕，實際是離子輔助刻蝕。反應離子刻蝕目前，RIE是在IC中采用最多的刻蝕方法。3.物理化學性刻蝕9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)RIE刻蝕特點保真度優(yōu)于化學性刻蝕，但不如物理性刻蝕。選擇比優(yōu)于物理性刻蝕，但不如化學性刻蝕RIE刻蝕后在襯底上留有殘余損傷。9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)10.3.1刻蝕參數(shù)干法刻蝕的主要刻蝕參數(shù)有以下幾個方面：刻蝕速率----負載效應均勻性選擇比側(cè)壁聚合物反應刻蝕過程中，刻蝕的速率往往隨著刻蝕面積的增大而減小的現(xiàn)象稱為負載效應9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)1.刻蝕速率不同刻蝕方法，影響刻蝕速率的主要因素不同。離子能量和入射角氣體成分氣體流速其它影響因素3.1刻蝕參數(shù)9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)2.選擇比氧化硅氮化硅SR＝Ef/Er

式中，Ef=被刻蝕材料的刻蝕速率；Er=掩蔽層材料的刻蝕速率（如光刻膠）。10.3.1刻蝕參數(shù)9.3干法刻蝕技術(shù)10.3干法刻蝕技術(shù)高分子層摻雜的SiO2層場氧化層Si襯底干法刻蝕SiO2形成接觸窗口示意圖nnSiO2Si相對刻蝕速率CF4等離子體中加入O2對刻蝕速率的影響氧組分如何提高Si/SiO2刻蝕選擇性？10.3干法刻蝕技術(shù)10.3.2SiO2,Si的刻蝕增加氫增加氧刻蝕氣體中的F與C的比例F/C比與刻蝕反應的關(guān)系刻蝕區(qū)高分子區(qū)表面偏壓/VCF4中H2的百分比CF4等離子體中加入H2對刻蝕速率的影響射頻功率0.26W/cm2壓強4.7Pa流速28sccm腐蝕速率/(?min-1)10.3干法刻蝕技術(shù)10.3.2SiO2,Si的刻蝕加入O2，SiO2,Si的刻蝕速率都提高，選擇比下降；加入H2，SiO2,Si的刻蝕速率都下降，選擇比提高，SiO2

刻蝕速率下降很少。SiO2,Si的刻蝕用CF4作為刻蝕劑，為提高選擇比在等離子體中加入其他氣體成份當前SiO2用CHF3加少量O2刻蝕，用SF6和NF3來提高氟含量。10.3干法刻蝕技術(shù)10.3.2SiO2,Si的刻蝕多晶硅金屬多晶硅化物：WSi2、TiSi2多晶硅化金屬的刻蝕需分兩步進行，因為刻蝕多晶硅比金屬硅化物的速率快得多；應避免多晶硅側(cè)壁被刻蝕。先用CF4,SF6,Cl2或HCl刻金屬硅化物；再用Cl2+Ar刻多晶Si使用氯化物、溴化物的等離子體對多晶硅是各向異性刻蝕；氟化物對多晶硅是各向同性刻蝕10.3干法刻蝕技術(shù)10.3.3多晶硅的干法刻蝕Si-N鍵強度介于Si-O、Si-Si之間，刻蝕SiO2的氣體可用于氮化硅的刻蝕。LPCVDSi3N4

作為選擇性氧化掩模，CF4，或CF4(+O2

、SF6、NF3)作為刻蝕氣體。PECVD