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1、Chapter-6-Etching-Chapter-6-Etching-ProcessProcess一、刻蚀的目的和方法一、刻蚀的目的和方法1、目的、目的 将光刻得到的胶膜图形转移到硅片表面的薄膜上，将光刻得到的胶膜图形转移到硅片表面的薄膜上，即利用光刻胶膜的覆盖和保护作用，以化学反应或物理作用即利用光刻胶膜的覆盖和保护作用，以化学反应或物理作用的方式去除没有胶保护的薄膜，完成图形转移的目的。的方式去除没有胶保护的薄膜，完成图形转移的目的。2、方法、方法 a）湿法腐蚀）湿法腐蚀-用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水 的副产物。的副产物。 优点优点 简单、
2、方便，成本低，各向同性腐蚀的多，选择性高。简单、方便，成本低，各向同性腐蚀的多，选择性高。 缺点缺点 环境污染，横问腐蚀较大，小线条误差大，有底膜区难腐蚀。环境污染，横问腐蚀较大，小线条误差大，有底膜区难腐蚀。 b）干法腐蚀）干法腐蚀-用等离子体等方法选择腐蚀。用等离子体等方法选择腐蚀。 优点优点 各向异性腐蚀，横向腐蚀小，适合刻细线条。各向异性腐蚀，横向腐蚀小，适合刻细线条。 缺点缺点 设备复杂、成本高，表面有一定的损伤。设备复杂、成本高，表面有一定的损伤。二、刻蚀质量参数二、刻蚀质量参数1、各向异性度、各向异性度Af B=df -dm B0 or B0， 各向同性腐蚀时各向同性腐蚀时B=2
3、 hf ， 各向异性刻蚀时各向异性刻蚀时B=03、刻蚀选择比、刻蚀选择比Sfm4、负载效应（不同的待刻负载下，刻蚀速率不同。、负载效应（不同的待刻负载下，刻蚀速率不同。)2、刻蚀速率、刻蚀速率R(nm/min)三、湿法腐蚀三、湿法腐蚀特点特点: 湿法腐蚀工艺基本上是各向同性，因此他们腐蚀湿法腐蚀工艺基本上是各向同性，因此他们腐蚀后的尺寸要比定义的尺寸小，须在版上加一定量的后的尺寸要比定义的尺寸小，须在版上加一定量的BIAS。同时他主要适用于大尺寸条宽的器件生产。同时他主要适用于大尺寸条宽的器件生产。优缺点优缺点: 1:优点优点: 低成本，高产出，高可靠性以及其优良的选择低成本，高产出，高可靠性
4、以及其优良的选择 比。比。 2: 缺点缺点: A:腐蚀液及腐蚀液及DI WATER的成本比干法腐蚀用气的成本比干法腐蚀用气体成本高；体成本高； 湿法腐蚀的特点及其优缺点湿法腐蚀的特点及其优缺点B:在处理化学药液时给人带来安全问题在处理化学药液时给人带来安全问题;C:光刻胶的黏附性问题光刻胶的黏附性问题 D: 有气体产生以及不彻底的腐蚀及均匀性差等问题有气体产生以及不彻底的腐蚀及均匀性差等问题 E: 排风问题排风问题 湿法腐蚀机理湿法腐蚀机理湿法腐蚀的产生一般可分为湿法腐蚀的产生一般可分为3步步: 1: 反应物反应物(指化学药剂指化学药剂)扩散到反应表面扩散到反应表面 2: 实际反实际反 应应(
5、化学反应化学反应) 3:反应生成物通过扩散脱离反应表面反应生成物通过扩散脱离反应表面 反应时可能存在多种反应机理反应时可能存在多种反应机理,许多反应是一种或多种许多反应是一种或多种反应共同作用的结果反应共同作用的结果7影响湿法腐蚀的因素影响湿法腐蚀的因素1: 掩膜材料掩膜材料(主要指光刻胶主要指光刻胶)2:须腐蚀膜的类型须腐蚀膜的类型(如SIO2,POLY , SILICON等)3:腐蚀速率腐蚀速率4:浸润与否浸润与否8/11/20248影响腐蚀速率的因素影响腐蚀速率的因素 1:腐蚀槽的温度腐蚀槽的温度 2: 膜的类型膜的类型(如如SIO2,POLY , SILICON等等) 3: 晶向晶向
6、4: 膜的形成膜的形成(是热生长形成或掺杂形成是热生长形成或掺杂形成) 5: 膜的密度膜的密度 6: 腐蚀时的作业方式腐蚀时的作业方式(喷淋，浸没或是旋转喷淋，浸没或是旋转)8/11/20249 7: 药液成分的变化药液成分的变化 8: 腐蚀时有无搅动或对流等腐蚀时有无搅动或对流等 所有上述因素均是所有上述因素均是 查找异常原因的因素查找异常原因的因素,同时膜的同时膜的掺杂类型及含量也影响掺杂类型及含量也影响R，因为外加的掺杂剂改变了膜，因为外加的掺杂剂改变了膜的密度，例如掺的密度，例如掺P的氧化层比热氧化层的氧化层比热氧化层R快得多，而掺快得多，而掺B的氧化层比热氧化层的氧化层比热氧化层R要
7、慢得多。要慢得多。8/11/2024101、SiO2腐蚀腐蚀反反应剂输送到表面；送到表面；腐腐蚀剂在表面在表面选择、控制反控制反应而腐而腐蚀；反反应副副产物离开表面。物离开表面。 为了使腐蚀液中为了使腐蚀液中HF有恒定的浓度，加氟化氨作缓冲剂，同有恒定的浓度，加氟化氨作缓冲剂，同时控制腐蚀液的时控制腐蚀液的PH制，减少对光刻胶的损伤。制，减少对光刻胶的损伤。2、氮化硅腐蚀氮化硅腐蚀 Si3N4的湿法腐蚀的湿法腐蚀 ，腐腐蚀速率蚀速率R10nm/min， Si3N4/SiO2典型典型选择比比10 1；对Si3N4 /Si，腐蚀腐蚀选择比比为30 13、多晶硅腐蚀多晶硅腐蚀液为液为 缺点缺点 由于
8、由于SiO2和多晶硅的厚度都是随颜色周期和多晶硅的厚度都是随颜色周期 变化，所以终点不易控制。变化，所以终点不易控制。4、铝膜腐蚀铝膜腐蚀180C的的热磷酸中磷酸中进行行HF HNO3=35 170热磷酸热磷酸,注意加振动及时排出副产物注意加振动及时排出副产物H2 。或磷酸：硝。或磷酸：硝酸：乙酸酸：乙酸=77：3：205、硅的腐蚀硅的腐蚀a）各向同性腐蚀：）各向同性腐蚀： HF：HNO3 HC2H3O2(乙酸）乙酸） 任何比例均可，只是任何比例均可，只是R不同。不同。b）各向异性腐蚀）各向异性腐蚀 KOH系列和系列和EPW系列。系列。KOH:异丙醇异丙醇:水水=23.4:13.5:63, 晶
9、向的腐蚀速率比晶向的腐蚀速率比晶向快晶向快100倍。腐蚀液中无倍。腐蚀液中无HF,可可用用SiO2作掩膜。作掩膜。晶向腐蚀速率较慢晶向腐蚀速率较慢Example application : Field Emission Tipsb、轻掺杂自停止腐蚀液：、轻掺杂自停止腐蚀液： HF:HNO3:CH3COOH=1:3:8, （P型型硅变黑），对任何重掺杂（硅变黑），对任何重掺杂（1019）比轻掺杂快）比轻掺杂快15倍。倍。c、 SiO2自停止自停止d、（、（111）晶向自停止）晶向自停止c）各向异性腐蚀自停止技术（选择性腐蚀）各向异性腐蚀自停止技术（选择性腐蚀）a、浓硼自停止（掺杂选择性腐蚀、浓硼
10、自停止（掺杂选择性腐蚀)氢氧化钾、氢氧化钾、EPW腐蚀液，对浓硼腐蚀速率大大减小腐蚀液，对浓硼腐蚀速率大大减小小结：小结： (搞清化学反应原理搞清化学反应原理 ） SiO2-HF:NH4F:H2O=3ml:6g:10ml Si3N4-H3PO4 130-150 Al-H3PO4:H2O:HNO3:CH3COOH=16:2:1:1 多晶硅多晶硅-HNO3：H2O：HF=50:20:1 单晶硅单晶硅-HNO3：H2O：HF=50:20:1 KOH:H2O:IPA= 23.4:63:13.5 R(100)/R(111)=100:1 胶胶-H2SO4：H2O2 (125) 硅片表面没有金属硅片表面没有
11、金属 有机溶剂剥离有机溶剂剥离 硅片表面有金属硅片表面有金属 在线湿法腐蚀异常在线湿法腐蚀异常17四、干法刻蚀四、干法刻蚀1、高压等离子刻蚀、高压等离子刻蚀 比较高的气压的等离子体。离子的能量低，主要靠等比较高的气压的等离子体。离子的能量低，主要靠等离子体的化学作用。主要源气为离子体的化学作用。主要源气为CF4. ExamplesSi & SiO2源气源气CF4+O2，氧气增加，碳含量减少，氟含量增加，增加，氧气增加，碳含量减少，氟含量增加，增加硅的腐速。硅的腐速。CF4+H2,使使F离子减少，增加了对二氧化硅的腐速离子减少，增加了对二氧化硅的腐速How to Control Selectiv
12、ity ?ExampleReason: AluminumPhoto ResistCF4+O2 （SiO2上）上）CF4+ H2 （Si上）上）Si3N4金属铝互连线刻蚀金属铝互连线刻蚀*1)铝和金属复合层铝和金属复合层-通常用氯基气体来刻铝。纯氯刻蚀铝是各向同通常用氯基气体来刻铝。纯氯刻蚀铝是各向同性的。为了得到各向异刻蚀，刻蚀气体中加入聚合物对侧壁进行钝化，性的。为了得到各向异刻蚀，刻蚀气体中加入聚合物对侧壁进行钝化，如加入如加入CHF3 or 从光刻胶中获得的碳。加入从光刻胶中获得的碳。加入BCl3用于物理刻蚀大分子用于物理刻蚀大分子量并能很好的控制侧壁剖面。为减少微负载效应，通常加入少量
13、的量并能很好的控制侧壁剖面。为减少微负载效应，通常加入少量的N2。VLSI/ULSI技术中，多层金属复合膜的复杂性给刻蚀带来了困难。技术中，多层金属复合膜的复杂性给刻蚀带来了困难。 采用多步刻蚀工艺技术刻蚀这种采用多步刻蚀工艺技术刻蚀这种金属复合膜结构。去自然氧化层金属复合膜结构。去自然氧化层-去金属层去金属层-刻蚀铝刻蚀铝-去残留物去残留物-刻蚀阻挡层刻蚀阻挡层-防止侵蚀残留物的防止侵蚀残留物的选择去除选择去除-去光刻胶去光刻胶 刻蚀后马上去除残留的侵蚀性刻蚀后马上去除残留的侵蚀性生成物。对铝而言，侵蚀性生成生成物。对铝而言，侵蚀性生成物是物是AlCl3 or AlBr3,它们与水反它们与水
14、反应生成强腐蚀性的应生成强腐蚀性的HCl或或HBr而腐而腐蚀铝。蚀铝。 硅片尽量少暴露在潮气中！硅片尽量少暴露在潮气中！ Next,CF4+O2Polysilicon First, CF4+H2H2 可以消除可以消除F，从而可以在，从而可以在侧壁形成不挥侧壁形成不挥发的富发的富C化合化合物，起到保护物，起到保护作用作用2、 离子铣离子铣(也称离子束刻蚀也称离子束刻蚀-IBE） 它是一种强方向性的物理刻蚀。能对小尺寸图形产生各向异性刻蚀。它是一种强方向性的物理刻蚀。能对小尺寸图形产生各向异性刻蚀。优点：优点：定向性好，实用性强；定向性好，实用性强；可以刻蚀化合物和合金。可以刻蚀化合物和合金。电流
15、的最大值受高密度电流的最大值受高密度离子束产生的电场的限离子束产生的电场的限制，最大电流近似为制，最大电流近似为:注意：刻蚀的不均匀性和残留注意：刻蚀的不均匀性和残留3、反应离子刻蚀（、反应离子刻蚀（RIE） 反应离子刻蚀是采用化学反应和反应离子刻蚀是采用化学反应和物理离子轰击去除硅表面材料的技术。物理离子轰击去除硅表面材料的技术。与高压等离子刻蚀不同的是硅片放在与高压等离子刻蚀不同的是硅片放在功率电极上。在阴极上产生一个直流功率电极上。在阴极上产生一个直流自偏压，使硅片与等离子体产生一个自偏压，使硅片与等离子体产生一个的电压差，使刻蚀更具各向异性。的电压差，使刻蚀更具各向异性。 源气可以是氯
16、气和源气可以是氯气和CF4 。常用的是氯。常用的是氯气。掺杂的硅或多晶硅在氯气中的腐气。掺杂的硅或多晶硅在氯气中的腐蚀与掺杂浓度有很大的关系，重掺杂蚀与掺杂浓度有很大的关系，重掺杂的腐速大于轻掺杂的。的腐速大于轻掺杂的。 氯气以化学方法吸附在硅表面，阻碍氯气以化学方法吸附在硅表面，阻碍Cl原子原子 的进一步吸收。受离子轰击使表面加快刻蚀。的进一步吸收。受离子轰击使表面加快刻蚀。 用氯刻蚀铝时注意刻蚀后及时处理用氯刻蚀铝时注意刻蚀后及时处理以去除表面的以去除表面的Cl离子。离子。注意：反应离子刻蚀中在衬底上留下残余损伤和化学污染是注意：反应离子刻蚀中在衬底上留下残余损伤和化学污染是严重的问题，还
17、有物理损伤和杂质推进。严重的问题，还有物理损伤和杂质推进。4、高密度等离子、高密度等离子(HDP)刻蚀刻蚀在先进的制造技术中刻蚀关键层的在先进的制造技术中刻蚀关键层的主要方法是单片处理的主要方法是单片处理的HDP。它能刻蚀小尺寸高深宽比的图形，它能刻蚀小尺寸高深宽比的图形，有大的选择比和很小的残留损伤，有大的选择比和很小的残留损伤，这对刻很薄的膜和极浅的孔非常有这对刻很薄的膜和极浅的孔非常有用。常用的结构有：用。常用的结构有：a.电子回旋加速振荡（电子回旋加速振荡（ECR) b.电感耦合等离子体（电感耦合等离子体（ICP) c.双等离子体源（双等离子体源（DPS)5、如何提高选择比、如何提高选
18、择比a）侧壁沉积聚合物）侧壁沉积聚合物b）添加气体，提高选择比）添加气体，提高选择比不同的气体比例，不同的气体比例，选择性不同。选择性不同。c）温度对）温度对选择性的影响选择性的影响d）反应生成保护膜，也能提高腐蚀的选择性。）反应生成保护膜，也能提高腐蚀的选择性。* It is a three-step sequence :1) Remove native oxide with BCl32) Etch Al with Cl-based plasma3) Protect fresh Al surface with thin oxidation干法刻蚀小结：干法刻蚀小结：1）干法刻蚀剂）干法刻蚀剂
19、 Si CF4/O2 SiO2 CF4/H2 Si3N4 CF4/ O2 or H2 有机物有机物 O2 Al Cl2 硅化物硅化物 CF4/O2 难容金属难容金属 CF4/O2 Au Cl22）干法刻蚀方法：）干法刻蚀方法：（1)高压等离子刻蚀高压等离子刻蚀: 用用Si-卤键代替卤键代替Si-Si键键 C v F+Si vSi=Si-F+17 kca/mol等离子体中离子浓度为等离子体中离子浓度为 1010 /cm3,产生产生CF3,CF2,C和和F的原子团具有强的反应的原子团具有强的反应性，它们不断轰击表面，从而达到刻蚀的目的。性，它们不断轰击表面，从而达到刻蚀的目的。（2)离子铣离子铣:
20、 等离子体中的惰性气体等离子体中的惰性气体,刻蚀是完全类似喷沙的机械过程刻蚀是完全类似喷沙的机械过程,各向异性刻蚀各向异性刻蚀.可可刻蚀化合物刻蚀化合物,但生产能力小但生产能力小.（3)反应离子刻蚀反应离子刻蚀(RIE) 在离子铣的基础上加反应气体，使用在离子铣的基础上加反应气体，使用RF,硅片放在功率电极上。硅片放在功率电极上。基于基于Cl2的等离子体用于刻蚀硅合率的各项异性刻蚀，但对衬底有损伤。的等离子体用于刻蚀硅合率的各项异性刻蚀，但对衬底有损伤。（4)高密度等离子体高密度等离子体(HDP)： 高离子流，刻蚀速率快，对浮空结构充电，有刻蚀损伤。高离子流，刻蚀速率快，对浮空结构充电，有刻蚀
21、损伤。（1）电子回旋加速器）电子回旋加速器ECR；(2)高密度等离子体高密度等离子体ICP；(3)感应耦合反应器。感应耦合反应器。五、五、 刻蚀设计考虑刻蚀设计考虑a、膜厚变化的影响、膜厚变化的影响b、膜刻蚀速率的变化、膜刻蚀速率的变化的影响的影响c、考虑过腐蚀、考虑过腐蚀d、考虑掩模的、考虑掩模的 变化变化Example :Etching of Deep Trenches用于制作沟槽，用于制作沟槽，IC中的隔离，中的隔离，MEMS中的体硅传感器等。中的体硅传感器等。 电容沟槽要求光洁度、接近垂直电容沟槽要求光洁度、接近垂直的侧壁、正确的深度和圆滑的底角的侧壁、正确的深度和圆滑的底角及顶角，要求很高，采用多步工艺及顶角，要求很高，采用多步工艺实现。其中加入碳对侧壁钝化，防实现。其中加入碳对侧壁钝化，防止侧壁被横向侵蚀。止侧壁被横向侵蚀。结束结束
