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1、半导体制造-刻蚀工艺介绍摘要:自从半导体诞生以来,其很大程度上改变了人类的生产和生活。半导体除了在计算机领域应用之外，还广泛地应用于通信、网络、自动遥控及国防科技领域。此外，在运输(如汽车、轮船、飞机）以及宇航上的应用和作用也日益显著。本文主要介绍半导体制造工艺中的刻蚀工艺。刻蚀就是将光刻胶没有覆盖或保护的部分,以化学反应或物理作用加以去除，以完成将图形转移到硅片表面的目的。随着半导体制造大规模集成电路技术的发展，图形加工线条越来越细,硅片尺寸越来越大,对刻蚀工艺的要求也越来高。应此,学习了解刻蚀工艺的十分必要。关键词：半导体 、 刻蚀 、硅片emicduMnacuingEtchin Proe
2、s IntduAsrac:Since the inceon of the siondcor， hc aty chaned the pductin f m life n addtio toeicodctor pplations in te computer ied, but soilyuedin commuications, etwr, auomtic remoe contro ndtinal fns sience and echnology. n addtin，inhe transpot （such sr, boats, airraft)， and aeopace appliation and
3、 on the increasinl ignifican rol. T paerdecibes e echigrcess f semcnucor manaturingrocess.Etcing he photoess not cvered orpotetd part o the chemicl eactions r phsiclefects to be emovd t coplet the patternransf to hsilicourfac of the go.As te mconuctr uturing lage scale ingrte cirittechnolo, me nd mr
4、edetailed grphis proesin lnes, wae increas, the eand nth tcng pcess inceasingly high. In repons this， learg i essary to udertand thething roess.KeWords: Seiconductr、Etching、Wafers目录前言1第章 半导体制造的基本工艺步骤1.氧化21.2光刻和刻蚀1.3扩散和离子注入41.金属化第2章 刻蚀工艺及方法介绍62.1刻蚀工艺及方法介绍62.2湿法刻蚀72.1二氧化硅的刻蚀2.2.硅的刻蚀.2.金属铝的刻蚀92.4其他湿法刻蚀
5、102干法蚀刻2.3.1二氧化硅的干法刻蚀1223.氮化硅的干法刻蚀1223.3铝合金的干法刻蚀3.3.4干法刻蚀的其他用途13第章 刻蚀的去胶4.1溶剂去胶143.2氧化去胶143等离子体去胶第4章 刻蚀的终点检测.1终点检测方法174.1.1光发射分光仪法1741.2激光干涉法测量14.2刻蚀的损伤8.2.1等离子体引起的损伤184.2.2等离子体引起的微粒污染1总结20谢 辞21参考文献22前言如今，半导体在人们日常生活中，可以说无处不在。它除了应用于计算机领域之外,还广泛地应用在通信、消费类电子产品，自动控制以及国防科技领域。半导体集成电路的发展与电子学、数学、物理、化学、机械加工等科
6、技领域紧密联系。半导体制造集成电路的发展也极大地推动了这些领域的发展。这些科技领域的重大发明创造项目也广泛地应用到集成电路技术上。由于,半导体制造过程工艺繁多，其工艺也不完全相同,但其经典工艺还是相同的，所以本文主要对半导体制造过程的刻蚀工艺进行介绍。本文分为4个部分,第一部分简要介绍半导体制造的基本工艺步骤,第二部分为半导体刻蚀工艺介绍，第三部分为刻蚀工艺的去胶，第四部分为刻蚀工艺的终端检测。第1章 半导体制造的基本工艺步骤半导体制造工艺处理过程是最复杂和最苛刻的大规模生产技术。它由数百万个单元处理步骤的复杂序列组成,这些步骤必须近乎无瑕疵地完成。如讨论整个工艺过程步骤是十分困难的,因此本章
7、将讨论如图(1）和图(1-2)给出一个简单工艺制造流程,这些流程包括氧化、光刻、刻蚀、离子注入和金属化。图1-：（a)n型硅晶片原材料;（b）通过干或湿氧化后的硅片；（c)涂敷光刻胶;（d）光刻胶通过掩模板曝光11氧化一般来说,iO的作用是作为大部分器件结构中绝缘体,或在器件制造过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。在-n结(图-1）中，SO2薄膜可用来界定区域。氧化的方法有两种：湿法氧化和干法氧化。湿法氧化的氧化剂是使用氧和水蒸气的混合物。湿氧氧化具有较高氧化速率，可用于生长厚的氧化层。干氧氧化可获得特性良好的Si-iO2界面，所以通常用来生长器件的氧化物薄膜层。图-1(a)显示一硅晶片原材料准
8、备进行氧化处理。经过氧化工艺处理后，就会在晶片的整个表面形成一层SiO。为简化讨论,图1-（b)只显示硅片表面的氧化层。12光刻和刻蚀光刻技术被用于界定p-n结的几何形状。形成SiO层以后。在晶片表面使用高速旋转机旋涂一层对紫外线敏感的光敏材料薄层，这种光敏材料被称为光刻胶。之后将晶片放在温度为8100的环境下烘焙,目的是去除光刻胶中的溶剂,提高光刻胶黏附力。下一步骤使用紫外线光源，通过具有某种图案的掩模板对涂有光刻胶晶片进行曝光。根据光刻胶的类型，在晶片表面光刻胶涂层的曝光区域将发生相应的化学反应,曝光在光线下的光刻胶涂层将发生聚合反应而难以被刻蚀。聚合物区域在晶片放进显影液后依然存在,而被
9、曝光的区域（在不透光的掩模板区域下）会溶解并清洗掉，如图1-1(）所示图1-2：(a)显影后的晶片;（b）SiO2去除的晶片；（c）光刻工艺处理后的晶片;()扩散或离子注入形成p-n结;（e）光刻工艺处理后的晶片；()完整工艺处理后的晶片图1-2(a）显示了显影后的晶片。晶片再次放入120180温度下烘焙分钟,以增强对称底得黏附力,提高在即将进行的刻蚀工艺处理中的腐蚀能力。然后使用氢氟酸（HF）作为酸刻蚀液来去除没有被光刻胶抗蚀剂所保护的S2表面,如图1-2（)所示。最后使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥去光刻胶。图1-2()显示光刻胶光刻胶工艺处理以后除去部分氧化层区域的最终结果,此时晶片已经
10、完成了准备工作,可以进行后续的扩散或离子注入的工艺步骤以形成结。1.3扩散和离子注入在扩散方法中，没有被SiO2保护的半导体表面暴露在相反类型的高浓度杂质中，杂质利用固态扩散的方法进入半导体晶格中。在离子注入方法中,掺杂离子被加速到较高的能量,然后注入半导体内部。此时SiO2层作为杂质扩散或离子注入的阻挡层。随后-n结形成，见图12（d)。由于掺入杂质的横向扩散，重掺杂区域要比光刻所开的窗口面积略微大些。4金属化扩散或离子注入步骤以后,欧姆接触和互连线在随后的金属化工艺步骤中完成，如图1-(e）所示。金属薄膜可以使用物理或化学气相淀积的方法形成。光刻的工艺再次被使用,用来界定正面的连接点，如图
11、-(f)所示。在晶片背面也要进行相似的金属层和半导体之间的低电阻接触。第章 刻蚀工艺及方法介绍.1刻蚀工艺及方法介绍刻蚀就是用光刻的方法制成的光刻胶上的微细图形结构,只能给出集成电路的形貌（又称为潜影）,并不是真正的集成电路图形结构。为了获得真正的集成电路结构，还必须将光刻胶上的图形转移到光刻胶下面各层材料上面去。可是就可以担当这一任务:将曝光、显影后的光刻微图形中下层材料的裸露部分去除,即在这层材料上重视与光刻胶相同的微图形。也可以这样说,可是就是将没有被光刻胶覆盖或保护的部分，以化学反应或物理作用加以去除，以完成将图形转移到硅片表面的目的。(如图2-1所示） 图2-1:刻蚀转移图形示意图应
12、该说，图形转移是借助于光刻和刻蚀共同完成的。硅片表面的一层薄膜可以是SiO2、i3N4、oly-、铝合金(Ally)、磷硅玻璃等。随着大规模集成电路技术的发展，图形加工的线条也越来越细,硅片尺寸越来越大,因此,对于刻蚀转移图形的重视精度和尺寸控制要求也越来越高。刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。前者的主要特点是各向同性刻蚀；后者是利用等离子体来进行各向异性刻蚀，可以严格控制纵向和横向刻蚀。22湿法刻蚀湿法刻蚀是腐蚀液进行刻蚀，又称湿法化学腐蚀法。湿法刻蚀在半导体工艺中被广泛地应用,其腐蚀过程与一般化学反应相识。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖的部分，因此,理想的刻蚀应当对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率
13、很慢。刻蚀不同材料所选择的腐蚀液是不同的，所用的光刻胶对各种腐蚀剂都具有较强的适应性，在生产上往往用光刻胶对腐蚀剂的抗腐蚀能力作为衡量光刻胶质量的一个重要标志。湿法腐蚀尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与族化合物等作为整片（即覆盖整个晶片表面)的腐蚀。湿法刻蚀的机制涉及了三个核心步骤，如图2所示。反应物由于扩散传递到反应表面,化学反应在表面发生,且来自于表面的产物由扩散清除。刻蚀剂溶液的扰动和温度将影响刻蚀速率，该速率指单位时间由由刻蚀去除的薄膜量。在集成电路处理时,多数湿法刻蚀是如下进行的:通过将晶圆片侵在化学溶剂中或通过将溶剂液喷洒到晶圆片上。对于浸泡刻蚀,圆片是浸在刻蚀溶剂液中的，且常常需要机械扰动，为的是确保刻蚀的统一性和一致的刻蚀速率。喷洒蚀刻已经逐渐替代了浸泡刻蚀，因为前者通过持续地将新鲜刻蚀剂喷洒到圆片表面，这样便极大地增加了刻蚀速和一致性。 图2-:湿法化学刻蚀基本机理在半导体生产线上,高度一致的刻蚀速率是非常重要的。在一圆片之上,从圆片到圆片、从轮次到轮次以及对于功能尺寸和模式密度的任何变化,刻蚀速率必须是统一的。刻蚀速率的一致性由下式给定: (最大刻蚀速率最小刻蚀速率）刻蚀速率的一致性（%） 10% 最大刻蚀速率最小刻蚀速率2.2.1二氧化硅的刻蚀二氧化硅的湿法刻蚀通常利用稀释的氢氟酸溶液,其中也可以加入氟化铵(NH4)。加入氟
