第五章 集成電路工藝原理

集成電路工藝原理復(fù)旦大學(xué)微電子研究院2004.8於偉峰2/7/20231第九章刻蝕(Etching)§9.1VLSI對圖形轉(zhuǎn)移的要求§9.2濕法腐蝕技術(shù)§9.3干法刻蝕技術(shù)2刻蝕的主要內(nèi)容：以化學(xué)反應(yīng)或物理作用的方法把經(jīng)曝光、顯影后光刻膠圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形；3

與刻蝕性能相關(guān)的幾個品質(zhì)因素刻蝕速率R

(etchrate)單位時間刻蝕的薄膜厚度。對生產(chǎn)效率有較大影響刻蝕均勻性(etchuniformity)一個硅片之內(nèi)或多個硅片之間的均勻性，用刻蝕速率變化的百分比來度量選擇性S

(Selectivity)不同材料之間的刻蝕速率的比例各向異性度A

(Anisotropy)刻蝕的方向性

A=0,各向同性；A=1,各向異性鉆蝕

(Undercut)掩膜之下的側(cè)向腐蝕4

圖形轉(zhuǎn)移的保真度主要取決于刻蝕的選擇性和方向性

刻蝕在橫向(lateral)和縱向(Vertical)同時發(fā)生;會出現(xiàn)光刻圖形的鉆蝕(erode);刻蝕劑會腐蝕襯底從而改變襯底形貌;Actualetchprofiles.A.Lateraletchingundermask.B.Roundedphotoresistwhichisfurthererodedduringetching,leadingtoevenmorelateraletching.Balsoillustratesetchselectivity.方向性選擇性5刻蝕的方向性(directionality)刻蝕的方向性(etchdirectionality)衡量不同方向上的相對刻蝕速率橫向(lateral),縱向(vertical)各向同性腐蝕(Isotropicetch)在所有方向刻蝕速率相同(一般對化學(xué)反應(yīng)）各向異性腐蝕(Anisotropicetch)在不同方向刻蝕速率不同。

（一般針對物理刻蝕，如濺射等）6

選擇性由化學(xué)反應(yīng)決定;方向性由物理過程決定Selectivitycomesfromchemistry;directionalityusuallycomesfromphysicalprocesses.Modernetchingtechniquestrytooptimizeboth.要兼顧選擇性和方向性,優(yōu)化刻蝕工藝

工藝中刻蝕的選擇性和方向性7§9.1VLSI對圖形轉(zhuǎn)移的要求1圖形轉(zhuǎn)移的保真度A

定義：A＝V1/Vv式中，Vl為橫向腐蝕速率；Vv為縱向腐蝕速率?？涛g轉(zhuǎn)移圖形的三種常見情況8若用刻蝕層深度h和側(cè)向展寬|df－dm|代入，則

|df－dm|＝0，則A＝0表示圖形轉(zhuǎn)移中失真畸變最少，即各向異性刻蝕；|df－dm|＝2h，則A＝1表示圖形失真情況嚴(yán)重，即各向同性刻蝕；通常1>A>0；因此，各向異性是圖形轉(zhuǎn)移過程中保真度的反映9(a)各向異性腐蝕的極端情況，無橫向腐蝕；(b)各向同性腐蝕時，垂直腐蝕和橫向腐蝕相等，腐蝕圖形的邊緣形狀為1/4圓??；一般是介于(a)和(b)之間；102刻蝕的選擇比(Selectivity)式中，Rf為對薄膜(film)的刻蝕速率；Rm為對掩膜或襯底的刻蝕速率。一般要求Sfm在25-50之間比較合理；

S值的大小和工藝參數(shù)相關(guān)：濕法刻蝕過程：與腐蝕劑成份、濃度、溫度等有關(guān)；干法刻蝕過程：與等離子體參數(shù)、等離子體化學(xué)、氣壓、氣體流量等有關(guān)；11

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硅片上生長薄膜厚度的不均勻和各個部位刻蝕速率的不均勻會導(dǎo)致刻蝕圖形轉(zhuǎn)移的不均勻性；若片上薄膜最厚處厚度為h(1+δ);最薄處為h(1－δ)；片上最大刻蝕速率為v(1+ξ);最小刻蝕速率為v(1－ξ)；則有，可見，對硅片的刻蝕會存在(tM－tm)的時間差，即以tm為刻蝕時間，則膜厚部位未刻蝕盡，延長刻蝕時間則造成膜薄部位過刻蝕，影響其圖形轉(zhuǎn)移精度；3刻蝕的均勻性13過腐蝕overetch?有些情況需過腐蝕，彌補薄膜的不均勻性；為了去除臺階邊的殘余材料也需過腐蝕如超過Ws=Wr這一點還繼續(xù)進(jìn)行腐蝕，就出現(xiàn)過腐蝕；一般情況，都要求過腐蝕，以保證所有窗口干凈；14

ULSI對腐蝕的要求得到滿意的剖面(desiredprofile);最小的過腐蝕(undercut)

或偏差(bias);選擇性好（Selectivity);均勻性好，可重復(fù)性好

(Uniformandreproducible);對表面和電路損傷最小(Minimaldamagetosurfaceandcircuit);干凈、安全、經(jīng)濟(Clean,economical,andsafe);15§9.2濕法腐蝕濕法又稱為濕化學(xué)的腐蝕方法；一濕法腐蝕的工藝過程1，腐蝕液流至硅片表面；2，腐蝕液與裸露的膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性的副產(chǎn)品或氣體；3，反應(yīng)生成物從硅片表面移去；這三個步驟必須同時發(fā)生，最慢的一種稱為速率限制步驟，它決定著腐蝕(刻蝕)速率；161，腐蝕不同的材料需要采用不同的腐蝕劑；2，濕法腐蝕的反應(yīng)產(chǎn)物必須是氣體或能溶于腐蝕液的物質(zhì)，否則會造成反應(yīng)產(chǎn)物的沉淀從而影響腐蝕過程的正常進(jìn)行；3，一般說來濕法是各向同性的腐蝕；在特定溶液和材料的條件下可顯現(xiàn)為沿一定晶面的選擇性腐蝕；4，反應(yīng)過程常伴有放熱和放氣，影響刻蝕質(zhì)量；5，濕法腐蝕工藝本身的局限性，使得在特征尺寸小于3微米的工藝中很少采用；二濕法腐蝕的主要特點：17

SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O

腐蝕液由HF（40%）和NH4F水溶液混合組成；影響SiO2腐蝕的主要因素是腐蝕液的配比、腐蝕溫度、腐蝕時間和腐蝕方法；當(dāng)溫度一定時，SiO2的腐蝕速率取決于腐蝕液的配比和SiO2的摻雜程度:SiO2摻磷濃度越高，腐蝕速率越快；摻硼時則相反；腐蝕時間由SiO2厚度和選用的腐蝕速率決定，考慮到SiO2厚度的誤差，應(yīng)考慮一定的過腐蝕量；三常用介質(zhì)薄膜的濕法腐蝕工藝1SiO2的濕法腐蝕18

SiO2腐蝕時對溫度最敏感，溫度愈高，速率愈快，腐蝕時必須嚴(yán)格控制溫度(一般在30－40℃)；不同摻雜SiO2的腐蝕速率和腐蝕溫度的關(guān)系(a)摻磷SiO2；(b)摻硼SiO2；(c)不摻雜的SiO219腐蝕液的攪動方式對SiO2的腐蝕速率也有影響可見，噴霧腐蝕是一種較好的濕法腐蝕方法；

HF對SiO2與Si有著極高的選擇比，通?？珊糜?00/1；

SiO2在濕法腐蝕時是各向同性的；幾種腐蝕攪動方式的性能比較202Si3N4的腐蝕硬Si3N4可用180℃H3PO4腐蝕，由SiO2作掩蔽；硬Si3N4的腐蝕速率為100埃/分鐘;SiO2為10埃/分鐘；Si3N4、SiO2和Si在180℃磷酸中的腐蝕速率

Si3N4的種類:硬Si3N4－不含氧的純Si3N4，折射率為2.0;軟Si3N4－含氧和氫的Si3N4，折射率為1.5－2.0;213Si的濕法腐蝕常采用HF、HNO3和(CH3COOH)的混合物(HNA)；Si+HNO3+6HF=H2SiF6+HNO2+H2O+H2

對于多晶硅，由于腐蝕終點難以控制，腐蝕質(zhì)量不佳，現(xiàn)已基本上被干法刻蝕取代；

Si的各向異性腐蝕

采用NaOH、KOH腐蝕硅，其腐蝕速率沿(100)晶面最快，(110)次之，(111)晶面相對最慢；因此，對(100)的硅片表面，其深度方向的刻蝕呈現(xiàn)各向異性；

Si的各向同性腐蝕22硅的各向異性腐蝕示意圖234鋁腐蝕腐蝕液種類很多，效果較好的是由磷酸、硝酸、冰醋酸和水組成的混合腐蝕液。其中：磷酸主要起腐蝕鋁的作用，約占腐蝕液的80％；2Al+6H3PO4→2Al(H2PO4)3+3H2↑

硝酸與鋁反應(yīng)生成Al(NO3)3,增加硝酸可提高腐蝕速度，但含量過高會影響光刻膠的抗蝕能力；醋酸則能降低腐蝕液的表面張力，增加硅片與腐蝕液的浸潤效果，提高腐蝕的均勻性，同時具有緩蝕作用；24二種圖形轉(zhuǎn)移的方法(a)常規(guī)掩膜腐蝕法成形；(b)剝離(Lift-off)法成形；25

濕法腐蝕存在的主要問題(1)濕法腐蝕需消耗大量的腐蝕性化學(xué)試劑，對人體和環(huán)境都有害，在ULSI電路制造中，濕法腐蝕正被干法刻蝕所替代；(2)濕法腐蝕需消耗大量的去離子水去沖洗腐蝕劑剩余物，不經(jīng)濟；(3)濕法腐蝕是各向同性的，圖形的保真度較差；(4)濕法腐蝕的分辨率較差；26

§9.3干法刻蝕(Dryetching)

定義：干法刻蝕就是以等離子體來進(jìn)行薄膜刻蝕的一種技術(shù)，由于刻蝕過程中不涉及溶液，所以稱之為干法刻蝕；

干法刻蝕的原理包含著物理濺射和化學(xué)反應(yīng)兩個過程，在不同的刻蝕條件下其物理和化學(xué)作用則有所側(cè)重；27一等離子體刻蝕的基本分類等離子體刻蝕：

它是利用高頻輝光放電將反應(yīng)氣體的分子電離形成的自由基與薄膜間的化學(xué)反應(yīng)，把暴露在等離子體下的薄膜反應(yīng)生成揮發(fā)性的生成物，而后被真空系統(tǒng)抽離來進(jìn)行刻蝕的；

這種刻蝕方法主要是依靠化學(xué)反應(yīng)來刻蝕薄膜的，與濕法腐蝕方式類似，它有選擇性較好的優(yōu)點，但是各向異性就比較差；282反應(yīng)離子刻蝕(RIE)

這種方法是一種介于濺射刻蝕與等離子體刻蝕之間的干法刻蝕技術(shù)。刻蝕過程中，同時用物理和化學(xué)兩種反應(yīng)去除薄膜，兼具高選擇性和各向異性的優(yōu)點；29二等離子體刻蝕與反應(yīng)離子刻蝕的區(qū)別1等離子體刻蝕時，硅片放在反應(yīng)室構(gòu)成電容器的上下極板之間的基座上，上下極板間加射頻功率；平板型等離子刻蝕系統(tǒng)示意圖302反應(yīng)離子刻蝕時，硅片放在反應(yīng)室內(nèi)的功率電極上，且兩個電極的面積不等；平板型反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)俯視和側(cè)面圖31六角型反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)俯視和側(cè)面圖32等離子體刻蝕時反應(yīng)室的壓力在13－133Pa；反應(yīng)離子刻蝕時反應(yīng)室的壓力在0.13－13Pa；反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)的特點：產(chǎn)生的等離子體的平均自由程大大提高；增大了從等離子體到功率電極(陰極)的電壓差和離子撞擊能量；

——提高了刻蝕速率，獲得了各向異性刻蝕的功能，成為一種同時具備有高選擇性和各向異性刻蝕雙重優(yōu)點的刻蝕技術(shù)33三氣體等離子體的產(chǎn)生過程及其腐蝕作用

等離子體刻蝕裝置通常采用13.56MHz的射頻電源，以電容或電感耦合方式放電；在放電過程中，除了形成電子與離子之外，還可產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子團(tuán)，這些東西統(tǒng)稱為游離基。游離基具有高度的化學(xué)活性，正是它們與被腐蝕材料的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成揮發(fā)性的產(chǎn)物，使材料不斷被腐蝕；34例如，CF4是相當(dāng)惰性的氣體，它不與硅反應(yīng)，但當(dāng)放電時，CF4中的一種產(chǎn)物F（氟游離基），它與硅反應(yīng)形成揮發(fā)性的SiF4,,所以常常用它來腐蝕硅；

例如，O2在室溫下不顯著侵蝕光刻膠，但原子氧的產(chǎn)生迅速地轉(zhuǎn)變膠為CO，CO2和H2O的附產(chǎn)物,所以常常用它來腐蝕光刻膠；35四常用材料的等離子刻蝕原理與工藝1硅、多晶硅、Si3N4和SiO2的等離子刻蝕一般用CF4、SF6等氟基化合物作為腐蝕氣體；在放電過程中CF4介離成F*和CF3、CF2和CF等，游離基F*的化學(xué)活性最高，很容易與硅、多晶硅、Si3N4和SiO2等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)過程為：

CF4→CF3+F*；CF3→CF2+F*；CF2→CF+F*；

Si+4F*→SiF4↑；SiO2+4F*→SiF4↑+O2↑；Si3N4+12F*→3SiF4↑+2N2↑；362Si/SiO2的刻蝕選擇比

實驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整CF4等離子體對Si/SiO2的選擇比的方法，主要是控制等離子氣體的組成；Si和SiO2的刻蝕速率隨CF4中加入的O2含量的變化(1)CF4+O2刻蝕由圖可見，CF4+O2等離子體對SiO2和Si的刻蝕速率均增加，尤其對Si的刻蝕速率增加更迅速；但當(dāng)氧氣含量高于一定比例之后，則腐蝕速率下降；37

機理：除了氧可以抑止F原子在反應(yīng)器壁上的損耗外，并能作為一種反應(yīng)劑形成激活態(tài)的氟氧活性劑：式中，COF*壽命較長，當(dāng)它運動到硅片表面時發(fā)生如下反應(yīng)：COF*→F*+CO4F*+Si→SiF4

則在反應(yīng)過程中，生成的含氧化合物將消耗許多等離子體中的C原子，使得CF4等離子體內(nèi)的F原子數(shù)對C原子數(shù)的比例上升，導(dǎo)致刻蝕速率的增大；

當(dāng)氧含量太高之后，CF4的相對濃度變低，則導(dǎo)致刻蝕速率的下降；CF4+O2→F*+COF*+O*+CO+CO2+38(2)CF4+H2刻蝕

CF4等離子體中加入少量的H2，發(fā)現(xiàn)對于Si和SiO2的刻蝕效果與CF4中加入少量O2的效果正好相反；使SiO2的刻蝕速率比Si大得多，由此得到比較好的選擇比；Si/SiO2選擇比與CF4+H2組分的關(guān)系

機理：

H2+2F=2HF導(dǎo)致氟原子濃度的降低，使得CF4+H2等離子體對SiO2與Si的刻蝕速率遞減，選擇比提高；39氫氣濃度對光刻膠、SiO2和多晶硅刻蝕速率的影響40(3)不同C/F比氣體對SiO2/Si選擇比的影響

機理：當(dāng)F原子對SiO2進(jìn)行刻蝕時，SiO2內(nèi)的Si原子將被生成SiF4氣體，而氧原子將被釋出。由此使得F原子的濃度受刻蝕反應(yīng)消耗的影響較小，不易在其表面生成碳氟化合物；相反Si的表面則因為沒有氧原子的補充，F(xiàn)/C相對較低，所以，在Si表面會有碳氟聚合物產(chǎn)生，并覆蓋在Si表面，這就阻止了Si被進(jìn)一步刻蝕，因此有助于提高SiO2對Si的選擇比；413鋁的刻蝕(1)通常采用氯化物作為腐蝕劑。常用的氯化物氣體有CCl4、CHCl3、BCl3、PCl3和SiCl4及其混合的氣體等；有時還在其中加一定量的Cl2；(2)刻蝕鋁之前，必須首先去除自然氧化層：工作氣體中摻入Ar，在強電場作用下，以濺射和腐蝕相結(jié)合的方式進(jìn)行刻蝕；以BCl3蒸氣作工作氣體，利用輝光放電時產(chǎn)生的BCl2*和Cl*離子,BCl2*腐蝕Al2O3生成揮發(fā)性的氯氧化合物；Cl*與Al反應(yīng)生成揮發(fā)性的AlCl3；42(3)沾污對鋁刻蝕的影響水汽和O2的沾污