《半导体工艺原理----刻蚀工艺(2013.5.13)(贵州大学).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体工艺原理----刻蚀工艺(2013.5.13)(贵州大学).ppt（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、刻蚀工艺,光刻总结,光刻：临时的图形转移过程 IC生长中最关键的工艺 需要：高分辨率、低缺陷密度 光刻胶：正胶和负胶 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 下一代光刻技术：EUV和电子束光刻,刻蚀工艺 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。 需要刻蚀的物质：SiO2 、Si3N4、Polysilicon和铝合金及Si 要求：图形的保真度高、选择比好、均匀性好、清洁。,刻
2、蚀工艺流程,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。,栅掩膜对准 Gate Mask Alignment,栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure,Development/Hard Bake/Inspection,Etch Polysilicon刻蚀多晶硅,Etch Polysilicon 继续,Strip Photoresist 剥去光刻胶,Ion Implantation,Rapid Thermal Annealing,刻蚀术语,刻蚀速率 选择比 刻蚀均匀性
3、刻蚀剖面 湿法刻蚀 干法刻蚀 RIE：反应离子刻蚀,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,刻蚀选择比,刻蚀选择比是指同种腐蚀液对不同材料刻蚀速率的比值。,举例,BOE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。,刻蚀均匀性,圆片上和圆片间的重复性 标准偏差不均匀性 最大最小均匀性,刻蚀剖面,
4、刻蚀剖面,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。,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)； 优点：选择性好；重复性好；生产效率高；设备简单；成本低； 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。 广泛应用在半导体工艺中：磨片、抛光、清洗、腐蚀；,IC工艺中常用材料的化学腐蚀剂,湿法刻蚀剖面,SiO2 的腐蚀,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 = 3
5、ml:6g:10ml,二氧化硅的腐蚀速率与温度的关系,氮化硅腐蚀,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。 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。,铝的腐蚀,目前常用的腐蚀液有磷酸及高锰酸钾腐蚀液,磷酸与铝的反应式,高锰酸钾腐蚀液的配方为：,高锰酸钾与铝的反应式,硅或多晶硅的刻蚀,硅的刻蚀通常用硝酸和氢氟酸的混合液 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去掉； 用去离子水冲洗掉刻蚀剂和反应生成物。,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
6、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。,用于IC制造中薄膜的典型或代表性等离子体气体,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。 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。 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching：简称为RIE)：通过活性离子对衬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
7、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。,（1）二氧化硅的刻蚀 采用的气体为CF4、CHF3、C2F6 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。 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。,（2）氮化硅的刻蚀 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。 如以CHF3的等离子体作为刻蚀气体， SiO2/Si的选择性在
8、10以上，Si3N4/Si的选择性在3-5， SiO2/ Si3N4的选择性在2-4 。,（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。,其刻蚀分为两步，首先是要除去未被光刻胶保护的硅化金属，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。 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
9、须采用各向异性，因此采用氯化物较好，有 Si, HCL2, SiCl4等。,(4)铝及铝合金的刻蚀 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。 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RIE刻蚀， ALCL3具有挥发性。 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。,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
10、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。,光刻质量分析,浮胶 1，操作环境的湿度过大； 2，二氧化硅表面不净； 3，前烘不足或过度； 4，曝光或显影不合适； 5，腐蚀不当造成浮胶。,钻蚀,1、光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不齐并有毛刺等。 2、光刻胶过滤不好，颗粒密度大。 3、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。 4、氧化层的厚度差别太大。,钻蚀, 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。 腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。 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。,针孔, 氧化硅薄膜表面有外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基片表面未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔。 光刻胶中含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时剥落，腐蚀时产生针孔。 光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀液局部穿透胶膜，造成针孔。 前烘不足，残存溶剂阻碍抗蚀剂交联，或前烘时骤热，引起溶剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。,小岛,1、在光刻版上不透光的区域中存在着小孔或透光点。 2、光刻胶中的大颗粒不溶物质残存于二氧化硅的表面。 3、曝光过度，使的局部区域显影不干净或显影不充分，残留光刻胶底膜。,
