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1、第一章绪论第二章现代第一章绪论第二章现代 CMOS 工艺技术第三章晶体生长与衬底制备工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成1微电子工艺学1SubstrateFilm depositionPhotoresist applicationDeposited FilmPhotoresistExposureDevelopmentEtching Resist remo
2、valMaskEtch maskLight2 2第十章 刻蚀在微电子制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光 刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移 是采用刻蚀工艺完成的。在微电子制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光 刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移 是采用刻蚀工艺完成的。图形转移光刻刻蚀图形转移光刻刻蚀 Etching of thin films and sometimes the silicon substrate are very common process steps. Usually selectivity, and directionality are the fi
3、rst order issues. Selectivity comes from chemistry; directionality usually comes from physical processes. Modern etching techniques try to optimize both.刻蚀速率刻蚀速率 R (etch rate)单位时间的刻蚀厚度，典型值 为几百至几千单位时间的刻蚀厚度，典型值 为几百至几千/min。刻蚀均匀性。刻蚀均匀性 (etch uniformity)个基片内不同地方或几个基片 之间刻蚀速率变化的百分比个基片内不同地方或几个基片 之间刻蚀速率变化的百分
4、比选择性选择性 S (Selectivity)刻蚀液对不同材料刻蚀速率的 比值刻蚀液对不同材料刻蚀速率的 比值各项异性度各项异性度 Af (Anisotropy)沿衬底表面横向与纵向刻蚀速 率的差异，沿衬底表面横向与纵向刻蚀速 率的差异，0 A 1掩膜层下刻蚀掩膜层下刻蚀 (Undercut)横向单边的过腐蚀量横向单边的过腐蚀量刻蚀品质因素（刻蚀品质因素（figures of merit） 12rS =r3待刻材料的刻蚀速率待刻材料的刻蚀速率待刻材料的刻蚀速率待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率latver= 1fr
5、Ar 横向刻蚀速率横向刻蚀速率横向刻蚀速率横向刻蚀速率纵向刻蚀速率纵向刻蚀速率纵向刻蚀速率纵向刻蚀速率a) isotropicb) anisotropicc) completelyanisotropicMore directional etchingAf 0 0 R（110） R（111）32222262Si 4HNO = SiO + 2H O + 4NOSiO + 6HF = H SiF + 2H O+ +1. 硅的刻蚀硅的刻蚀原子密度：原子密度： 腐蚀速度：腐蚀速度：R(100) 100 R(111)54.7 SiO2（100）（）（111）W0Wbl02 cot54.7bWWl= =9
6、9通过（通过（100）晶面上窗口图形的刻蚀）晶面上窗口图形的刻蚀如果在（如果在（100）面上（）面上（110）和（）和（1 0）方向开一个正方形（或矩形）窗口， 则当腐蚀液在（）方向开一个正方形（或矩形）窗口， 则当腐蚀液在（100）面上腐蚀晶体时，实际得到的是一个上宽下窄的四棱 锥体。如果适当控制腐蚀时间，则得 到的腐蚀坑为四棱台。）面上腐蚀晶体时，实际得到的是一个上宽下窄的四棱 锥体。如果适当控制腐蚀时间，则得 到的腐蚀坑为四棱台。1常用的硅各向异性刻蚀剂：常用的硅各向异性刻蚀剂：联氨（联氨（H2N-NH2）乙二胺乙二胺-邻苯二酚邻苯二酚 -水混合液（水混合液（EPW， H2N(CH2)2
7、NH2-C6H4(OH)2-H2O）氢氧化钾（氢氧化钾（KOH）四甲基氢氧化铵水溶液（四甲基氢氧化铵水溶液（TMAH， (CH3)4NOH）自终止自终止1010（100）晶向硅刻 蚀后的）晶向硅刻 蚀后的 SEM 照片照片硅各向异性刻蚀过程演示硅各向异性刻蚀过程演示利用利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS （MicroElectroMechanical Systems）结构结构多晶硅的刻蚀与单晶硅类似， 但大量晶界存在使刻蚀速率明 显增大，通常需调整刻蚀液以 避免多晶硅下栅氧化层受到腐 蚀。此外，掺杂浓度和温度对 刻蚀速率也有一定影响。多晶硅的刻蚀与单晶硅类似， 但
8、大量晶界存在使刻蚀速率明 显增大，通常需调整刻蚀液以 避免多晶硅下栅氧化层受到腐 蚀。此外，掺杂浓度和温度对 刻蚀速率也有一定影响。在在 MEMS 器件制备上应用较多器件制备上应用较多1212? 氢氟酸（氢氟酸（HF）溶液刻蚀：）溶液刻蚀：? 氢氟酸缓冲溶液氢氟酸缓冲溶液（BHF，buffered HF solution）或）或氧化层缓冲刻蚀液氧化层缓冲刻蚀液 （BOE，buffered oxide etch）：加入 氟化铵（）：加入 氟化铵（NH4F） 控制溶液控制溶液 pH 值；补充氟离子在反应过程中的损耗，保持稳定的刻蚀速率；降低对光刻胶的刻蚀。值；补充氟离子在反应过程中的损耗，保持稳定
9、的刻蚀速率；降低对光刻胶的刻蚀。? 气相气相 HF 刻蚀二氧化硅的刻蚀速率取决于刻蚀溶液浓度、温度和搅拌情况等因素。此 外，氧化层的化学计量比、密度、孔隙率、微结构以及杂质浓度和类型 等都对刻蚀速率有一定影响。刻蚀二氧化硅的刻蚀速率取决于刻蚀溶液浓度、温度和搅拌情况等因素。此 外，氧化层的化学计量比、密度、孔隙率、微结构以及杂质浓度和类型 等都对刻蚀速率有一定影响。3. 氮化硅的刻蚀氮化硅的刻蚀热磷酸（热磷酸（H3PO4）或常温下的浓）或常温下的浓 HF 溶液和溶液和 BOE，可以对硅的氮化物 进行刻蚀。温度为，可以对硅的氮化物 进行刻蚀。温度为 180 C时，时，85的磷酸溶液可的磷酸溶液可
10、以二氧化硅为掩模以二氧化硅为掩模对硅 的氮化物进行选择性刻蚀，典型刻蚀速率为对硅 的氮化物进行选择性刻蚀，典型刻蚀速率为10 nm/min。2622SiO + 6HF = SiF + 2H O + H43NH F = NH + HF2. 二氧化硅的刻蚀二氧化硅的刻蚀3434232423Si N H PO H O = NONOH POH SiO+ + +1313部分绝缘体和导体的湿法化学刻蚀剂部分绝缘体和导体的湿法化学刻蚀剂先将材料溶解，然后转变 为可溶的盐类或化合物。先将材料溶解，然后转变 为可溶的盐类或化合物。先将材料溶解，然后转变 为可溶的盐类或化合物。先将材料溶解，然后转变 为可溶的盐类
11、或化合物。resistSiO2SiresistSiO2Si1410.2 干法刻蚀在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所 替代：在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所 替代：湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性；湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性；干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀分辨率较低；干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀分辨率较低；湿法腐蚀需大量腐蚀性试剂，对人体和环境有害；湿法腐蚀需大量腐蚀性试剂，对人体和环境有害；湿法腐蚀需大量化学试剂冲洗腐蚀剩余物，不经济。湿法腐蚀需大量化学试剂冲洗腐蚀剩余物，不经济。利用等离子体激活的化学反应或者利用高能离子束轰 击完成去除物
12、质的刻蚀方法。因为在刻蚀中利用等离子体激活的化学反应或者利用高能离子束轰 击完成去除物质的刻蚀方法。因为在刻蚀中不使用化 学溶液，不使用化 学溶液，所以称为干法刻蚀。所以称为干法刻蚀。Replace wet processes in VLSI directional (anisotropic) etching, faster and simpler, (less) selective but does not degrade PR adhesion as some wet steps do.1515干法刻蚀干法刻蚀分 类分 类等离子刻蚀等离子刻蚀溅射刻蚀离子铣溅射刻蚀离子铣反应离子刻蚀反应离子
13、刻蚀刻蚀原理辉光放电产生的活性粒子 与需要刻蚀的材料发生反 应形成挥发性产物高能离子轰击需要刻蚀 的材料表面，使其产生 损伤并去除损伤两种方法结合刻蚀过程化学（物理效应很弱）物理化学物理主要参数刻蚀系统压力、功率、温度、气流以及相关可控参数优 点刻蚀原理辉光放电产生的活性粒子 与需要刻蚀的材料发生反 应形成挥发性产物高能离子轰击需要刻蚀 的材料表面，使其产生 损伤并去除损伤两种方法结合刻蚀过程化学（物理效应很弱）物理化学物理主要参数刻蚀系统压力、功率、温度、气流以及相关可控参数优 点各向异性好、各向异性好、工艺控制较易且污染少缺 点工艺控制较易且污染少缺 点刻蚀选择性相对较差、刻蚀选择性相对较
14、差、存在刻蚀损伤、产量小存在刻蚀损伤、产量小并无明显界限，化学反应和物 理作用都可能发生，具体刻蚀 模式取决于系统压力、温度、 气流、功率及相关可控参数。并无明显界限，化学反应和物 理作用都可能发生，具体刻蚀 模式取决于系统压力、温度、 气流、功率及相关可控参数。Sputtering of the electrodecontaminantsEtching in “ the plasma mode”Loss of e from the plasma =positive bias of the plasma 1616ElectrodeGroundGas inlet ( Ar, CF4, O2)Ga
15、s outlet, pumpMatching networkRF generatorPlasmaRF power inputElectrodePlasma sheathsParallel plate systemLow pressureTypical RF-powered plasma etch system look just like PECVD or sputtering systems.刻蚀原理：刻蚀原理：辉光放电产生的活性 粒子，与需要刻蚀的材料发生反 应，形成挥发性产物辉光放电产生的活性 粒子，与需要刻蚀的材料发生反 应，形成挥发性产物. Electrodes have equal
16、 areas (or wafer electrode is grounded with chamber and larger) Only moderate sheath voltage (10-100V), so only moderate ionic component. Strong chemical component. Etching can be fairly isotropic and selective. Small damage Pressure 100 mtorr - 1 torr优点：优点：有较高刻蚀速率、较好 刻蚀选择性和较低刻蚀损伤。有较高刻蚀速率、较好 刻蚀选择性和较低刻蚀损伤。缺点：缺点：存在各向同性倾向。存在各向同性倾向。一、常用干法刻蚀系统
