微电子工艺原理与技术 （09 研究生）,第十一章 刻蚀,主要内容,刻蚀的品质指标； 湿法刻蚀； 化学机械抛光； 等离子刻蚀的分类； 5.反应离子刻蚀； 6.高压等离子刻蚀； 7.等离子刻蚀的终点检测； 8.离子铣； 9.剥离技术1. 刻蚀的品质指标,刻蚀是在光刻后将图形转移到圆片上的必要工艺刻蚀分湿法和干法刻蚀好坏的指标主要有： 刻蚀速率 即单位时间内刻蚀介质的厚度太高和太低的刻蚀速率都不可取，通常选用每分几百到几千埃的速率应注意单片和多片同时刻蚀的速率差别 2.刻蚀的均匀性 指每圆片不同区域的刻蚀速率（厚度）的一致性在多片同时刻蚀时也可指片与片间刻蚀速率的差别3.刻蚀的选择性 指刻蚀时对圆片上不同介质刻蚀速率的差别通常选择性越高越好，一般为15：1以上 4.刻蚀的方向性 指刻蚀时介质的不同方向（一般指纵向和横向）的刻蚀速率差别，通常越高越好 5. 钻蚀 指对光刻胶掩膜下的侧向刻蚀各种刻蚀方法都不能获得完全陡直的界面，但选择性好的刻蚀方法可以得到较小的侧向刻蚀离子铣是利用惰性气体离子轰击的完全物理行为，几乎没有侧向刻蚀而湿法刻蚀则完全利用化学行为，有最大的侧向刻蚀 刻蚀损伤 指在刻蚀过程中对衬 底的损伤。
特别是对 衬底中器件性能的影 响2. 湿法刻蚀,湿法刻蚀工艺是完全的化学反应过程它由三个步骤组成：刻蚀剂与圆片表面接触；刻蚀剂与暴露介质发生化学反应，生成可溶性副产物；从圆片表面排除反应生成物为了使湿法刻蚀在光刻后的暴露介质上均匀地进行，必须做到下面几点：必须保证光刻窗口的彻底显影，不留残胶通常在湿法腐蚀前将圆片在O2等离子体中处理10秒，以去除底膜 要保证腐蚀液的浓度、温度均匀通常采用搅拌或晃动的方法实现，但大批量腐蚀时要及时更换腐蚀液 3. 在腐蚀液与介质反应有气体生成时，采用合适的方法去除吸附在腐蚀窗口的气泡超声除气虽然效果好，但会使光刻胶移位或脱落，通常还是采用搅拌法湿法腐蚀的特点,湿法腐蚀有以下特点： 各向同性，纵向和横向腐蚀速率相同； 优良的选择性，对不同的材料采用不同的腐蚀液； 工艺控制性差，温度、浓度等对腐蚀有很大影响； 工艺过程中产生气泡、颗粒等影响腐蚀质量； 通常不会造成衬底的损伤； 方便、低价，不需要特殊设备； 产生大量废液，不利环保； 8. 适合于2m 以上线条的刻蚀残胶和气泡对腐蚀的影响,2. 湿法刻蚀,在IC工艺中，常用的湿法腐蚀有：对SiO2、Si3N4、Si、Al、GaAs的腐蚀 、定向腐蚀、缺陷腐蚀、去胶等。
1. SiO2的腐蚀：常用氢氟酸、氟化氨与水的混合液腐蚀比 例由需要的腐蚀速率决定见下表：,SiO2与HF的反应如下：,加氟化氨的目的是作为缓冲剂，通过分解反应维持溶液中HF有恒定浓度：,2. Si3N4的腐蚀：由于SiO2腐蚀液对Si3N4的腐蚀速率太小，常用热磷酸来腐蚀Si3N4，它与SiO2的腐蚀速率比约10：1，与Si的腐蚀速率比约30：1，有较好的选择性用磷酸腐蚀必须将它加热至180°C，腐蚀速率约65A/minAl的腐蚀：对Al连线的腐蚀通常采用磷酸、冰醋酸和硝酸的混合液但IC的Al连线材料通常是Al-Si合金，因此，在Al腐蚀完成后，还需将圆片在硅腐蚀液中做几秒钟的腐蚀IC线上 Al腐蚀液的配比为（25 °C， 200nm/min）：,腐蚀液,腐蚀液,4. 硅和多晶硅的腐蚀 通常用硝酸加氢氟酸混合液来腐蚀硅在MEMS工艺中也用KOH或EPW（乙二胺+邻笨二酚+水）来腐蚀硅，目的是保护SiO2和Si3N4，或定向腐蚀由于KOH有快扩散离子K，而EPW又有较大的毒性，IC工艺中一般不采用在HF浓度低时，腐蚀速率由HF的浓度决定，但该反应是放热反应，速率高时，光刻胶很快就掉下。
可用乙酸代替水来减缓反应常用配比如下，腐蚀速率约 9nm/min：,反应方程为：,5. GaAs 的腐蚀 通常用H2SO4+H2O2+H2O 腐蚀液，也有用Br2+CH3OH ，NaOH+H2O2和NH4OH+H2O2+H2O腐蚀液的对GaAs的腐蚀最常遇到的问题是，在腐蚀GaAs的时候，不会对衬底有明显腐蚀，它的衬底通常是AlxGa1-xAs所以，应当采用，对GaAs和AlxGa1-xAs的腐蚀速率差别较大的腐蚀液常用的腐蚀液有： 1. H2O2+NH4OH（或H3PO4） 选择性30：1 I2+KI, C6H4O2+C4H6O2 3. K3Fe(CN)6+K4Fe(CN)6, Ph值>9 时适合腐蚀AlGaAs上的GaAs，PH值5~9时适合腐蚀InGaAs上的GaAsGaAs 的腐蚀,Si的定向和选择腐蚀,6. Si的定向腐蚀 在IC制造的隔离槽工艺中，或传感器制造的MEMS工艺中需要定向腐蚀单晶硅由于，晶向的键密度远大于和晶向，它的腐蚀速率远小于晶向常用的定向腐蚀液为：KOH：异丙醇：H2O = 23.4：13.5：63 （重量比）其优点是可以用SiO2做掩膜，向的腐蚀速率比向大100倍以上，缺点是有K离子沾污。
也可不加异丙醇 7. 选择腐蚀 HF:HNO3:CHCOOH = 1:3:8 腐蚀重掺杂（>1019/cm3）硅比腐蚀轻掺杂硅的速率高15倍以上； 2. 乙二胺：邻苯二酚：水 = 66ml：25g：141ml （煮沸）可以腐蚀轻掺杂硅，但对重掺杂的P+硅的腐蚀速率很低Si的定向腐蚀,硅的缺陷腐蚀,8.Si的缺陷腐蚀 为了分析(100)和(111)晶面的缺陷密度，通常采用化学腐蚀的方法下表是几种缺陷腐蚀液：,GaAs的定向腐蚀,GaAs的定向腐蚀 Br2+CH3OH 是最常用的GaAs定向腐蚀液10. 去胶,对负胶，湿法去胶通常采用H2SO4：H2O2 = 10：2 溶液去除Si、SiO2、和Si3N4上的负胶；对Al等金属层上的负胶通常在发焰硝酸中去除 对正胶，实验室中用丙酮去除 但最常用的去胶方法是用氧等离子去除3. 化学机械抛光,化学机械抛光（CMP），用于集成电路芯片制造中，金属互连和器件隔离等工艺的全片平坦化抛光前，先在高低不平的基片上用涂敷或CVD方法沉积一层介质，然后将它固定在吸盘上，用SiO2颗粒悬浮液和碱性溶液缓冲剂做抛光液作机械掩磨如图）,CMP 后表面的平整度由下式给出：,式中，是研磨颗粒直径，P是抛光压强，E是被抛光材料的杨氏模量，Kp是由颗粒密度决定的常数。
典型的化学抛光参数,为了获得良好的化学机械抛光效果，必须选择合适的抛光工艺参数过大的抛光压强、过大的旋转速率都会造成表面的损伤，但压强和转速过小又会使抛光效率太低.下表是对SiO2层的抛光参数选择不同的材料需要调整，以获得合适的工艺参数4. 等离子刻蚀的基本分类,,等离子刻蚀，也称干法刻蚀，有以下明显优点： 有较高的各向异性，可以减小横向刻蚀，提高线条精度； 等离子刻蚀受工艺温度的影响较小； 刻蚀工艺可以很容易地开始和结束，几乎没有滞后时间； 工艺中产生的颗粒很少； 没有废液，有利环境保护 缺点是设备价格高，工艺控制相对复杂等离子体刻蚀的分类,最普遍使用的等离子体刻蚀可以分为： 等离子刻蚀 分圆筒式和平板式平板式各向异性好 反应离子刻蚀 有很高的选择性和方向性 3.物理刻蚀 包括溅射刻蚀、微波刻蚀、离子束磨削等 等离子刻蚀工艺包括六个步骤：a.辉光放电；b.等离子体使工艺气体分解成可化学反应的元素；c.可反应元素扩散并吸附在圆片表面；d.与表面待刻蚀介质发生反应，反应生成物必须为气体；e.反应生成物从片子表面解吸；f.排放反应气体 等离子刻蚀中，被刻蚀的膜受到离子、原子团、电子和中性粒子的轰击，最大的粒子流是中性的，但引起损伤的主要是离子流。
化学轰击则同时取决于离子流和原子团流不同刻蚀工艺的工作气压,圆筒式刻蚀机,腔室是能放置硅片舟的石英圆筒，筒外有射频铜管线圈，经常工作在容性耦合状态使用内部金属屏蔽罩使硅片表面没有电场，减少硅片表面和等离子体区之间的电势差引起的离子表面反应筒式刻蚀机刻蚀速率较慢，有较好的过刻蚀性能，各向异性性能差等离子刻蚀机,所谓“等离子刻蚀机”，指的是平行平板高压结构的RIE刻蚀机它允许在高压（大于10Torr）和大功率密度（大于3W/cm2）下工作等离子刻蚀机与RIE之间的主要差异是电极的物理结构设计不同，等离子刻蚀机,使用相对较小的电极间隙（10mm），采用物理的和化学的混合作用机理 在几Torr的压强范围内，调大电极间隙能使起弧稳定、均匀性提高，但刻蚀速率减小当调小间隙，则可增加刻蚀速率微波等离子体刻蚀机,特点： 遥控；微波等离子源；有硅片温度控制和冷却装置；可以在硅片上加外偏压，提高各向异性性能电子回旋共振等离子刻蚀机,ECR 的特点： 频率高：2.45GHz； 局部磁场：875 Gass； 工作气压低：1mTorr； 等离子体密度高：1012/cm3； 5. 对圆片产生的损伤小； 6. 适合于栅介质的刻蚀。
应用材料公司的高密度等离子刻蚀机,5. 反应离子刻蚀,RIE刻蚀机的特点是阳极和阴极的面积比要大于2：1，一般工作在20-400 mTorr图中显示了其主要的结构：一个极间耦合电容器与电源串联，硅片放在面积较小的阴极上，它满足高分辨率图形和细小特征尺寸的刻蚀工艺低压工作能提供很好的质量输送，减少微观和宏观负载效应等离子体的二极管性能在硅片表面处提供高的离子能量用于离子刻蚀，在阳极处提供低的离子能量，减少在腔室侧壁的溅射RIE对氧化层、氮化层和沟槽刻蚀时，是以物理机理为主导的工作模式，而在刻蚀硅/硅化物时是物理和化学混合模式，在刻蚀铝等金属膜时以化学模式为主RIE设备在低压（<25~100 mTorr)和典型功率密度（1W/cm2）时需要高的射频电压，这会使硅片表面产生离子损伤和刻蚀剂注入的问题在阴阳极间隙加磁场可以可以减小电压和损伤RIE 的两种结构,特点：阳极接外壳、接地；阳极面积远大于阴极；射频频率13.56MHzRIE 的两种结构,RIE对被刻蚀衬底的损伤,各种干法刻蚀的比较,刻蚀不同介质的工艺气体,为刻蚀不同的介质，需要不同的工艺气体，主要有：,,等离子刻蚀中化学与物理变量的控制,主要控制的物理和化学变量有： 反应腔压强； 刻蚀功率； 反应产物； 反应器几何结构； 等离子体气体成分； 各向异性程度； 负载效应和终点灵敏性； 8.等离子体的电场方向。
实用的等离子体刻蚀工艺必须满足下列条件： 反应产物是挥发性的； 选择比率高； 刻蚀速率快； 具有好的终点灵敏性； 5.有好的各向异性刻蚀速率6. 高压等离子体刻蚀,高压等离子体刻蚀的特点是： 腔体压强高：~500mTorr等离子体粒子的平均自由程小于腔体尺寸； 功率低，等离子体中的离子能量低，刻蚀主要依靠等离子体的化学反应；,下面以CF4为工艺气体，刻蚀Si、SiO2和Si3N4为例，讲述高压等离子体刻蚀的原理：,刻蚀 Si 用硅-卤键代替硅-硅键，生成挥发性的硅卤化物在CF4中，打破C-F键的能量是105kcal/mol，打破Si-Si 键的能量是42.2kcal/mol用CF4刻蚀Si，这两种能量的和必须小于Si-F键的键能：130kcal/molC v F + Si v Si = Si -F + 17 kcal/mol v 表示键打破,用CF4刻蚀Si和SiO2,等离子体化学相当复杂，简要地介绍用CF4作工艺气体，对Si和SiO2的刻蚀等离子刻蚀的机理包括物理作用和化学作用辉光放电后，高能电子轰击CF4分子，使C-F键断裂，产生CF3+等许多离子和CF3、CF2、CF、C、F等原子团，其中，CF3+是最丰富的离子。
高活性原子团和正离子轰击放置于阴极表面的圆片，使Si-Si键断裂，产生不饱和键表面，并与F原子结合成有挥发性的SiF4， 直接排离表面，形成刻蚀的结果而形成的SiF2是与表面Si成键结合的，与后续F和CFx原子团的继续结合，也能排离表面如后图所示C虽然也能与表面Si的不饱和键结合，但SiC是非挥发的，不起刻蚀作用，反而会屏蔽F与Si的结合，降低刻蚀效果。