微細加工-11-刻蝕

第

11

章刻蝕去膠顯影（第

1次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第

2

次圖形轉(zhuǎn)移）選擇曝光

對刻蝕的要求

1、適當?shù)目涛g速率通常要求刻蝕速率為每分鐘幾十到幾百納米。

2、刻蝕的均勻性好（片內(nèi)、片間、批次間）刻蝕均勻性一般為。大量硅片同時刻蝕時，刻蝕速率會減小，這稱為刻蝕的

負載效應。

3、選擇比大選擇比指對不同材料的刻蝕速率的比值。

4、鉆蝕小

5、對硅片的損傷小

6、安全環(huán)保

鉆蝕（undercut）現(xiàn)象對刻蝕速率的各向異性的定量描述式中，RL

和

RV

分別代表橫向刻蝕速率和縱向刻蝕速率。

A

=

1

表示理想的各向異性，無鉆蝕；A

=

0

表示各向同性，有嚴重的鉆蝕?？涛g技術濕法干法化學刻蝕電解刻蝕離子銑刻蝕（物理作用）等離子體刻蝕（化學作用）反應離子刻蝕（物理化學作用）

刻蝕技術的種類與濕法化學刻蝕相比，干法刻蝕對溫度不那么敏感，工藝重復性好；有一定的各向異性；等離子體中的顆粒比腐蝕液中的少得多；產(chǎn)生的化學廢物也少得多。

11.1濕法刻蝕

濕法刻蝕是一種純粹的化學反應過程。

優(yōu)點

1、應用范圍廣，適用于幾乎所有材料；

2、選擇比大，易于光刻膠的掩蔽和刻蝕終點的控制；

3、操作簡單，成本低，適宜于大批量加工。

缺點

1、為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)鉆蝕；

2、由于液體存在表面張力，不適宜于腐蝕極細的線條；

3、化學反應時往往伴隨放熱與放氣，導致腐蝕不均勻。

常用腐蝕液舉例

1、SiO2

腐蝕液

BHF：28

mlHF+170

mlH2O+113

gNH4F

2、Si

腐蝕液

Dashetch:1

mlHF+3

mlHNO3+10

mlCH3COOH

Sirtletch:1

mlHF+1

mlCrO3(5

M

水溶液)Silveretch:2

mlHF+1

mlHNO3+2

mlAgNO3（0.65

M

水溶液），（用于檢測外延層缺陷）

Wrightetch:60

mlHF+30

mlHNO3+60

mlCH3COOH+60

mlH2O+30

mlCrO3(1g

in

2

mlH2O)+2g(CuNO3)23H2O，（此腐蝕液可長期保存）

3、Si3N4

腐蝕液

HFH3PO4(140oC~200oC)

4、Al

腐蝕液

4

mlH3PO4+1mlHNO3+4

mlCH3COOH+1mlH2O，（35

nm/min）

0.1MK2Br4O7+0.51

MKOH+0.6

MK3Fe(CN)6

，（1

m/min，腐蝕時不產(chǎn)生氣泡）

5、Au

腐蝕液

王水：3

mlHCl+1mlHNO3

，（25~50

m/min）

4gKI+1gI+40

mlH2O（0.5~1

m/min，不損傷光刻膠）

11.3干法刻蝕基本分類等離子體刻蝕（化學作用）反應離子刻蝕（物理化學作用）離子銑刻蝕（物理作用）

11.4等離子體刻蝕

一、等離子體刻蝕機理在低溫等離子體中，除了含有電子和離子外，還含有大量處于

激發(fā)態(tài)的游離基

和

化學性質(zhì)活潑的中性原子團。正是利用游離基和中性原子團與被刻蝕材料之間的化學反應，來達到刻蝕的目的。對硅基材料的基本刻蝕原理

是用“硅--鹵”鍵代替“硅--硅”鍵，從而產(chǎn)生揮發(fā)性的硅鹵化合物。

刻蝕硅基材料時的刻蝕氣體有

CF4、C2F6

和

SF6

等。其中最常用的是

CF4。

CF4

本身并不會直接刻蝕硅。等離子體中的高能電子撞擊CF4分子使之裂解成

CF3、CF2

、C

和

F，這些都是具有極強化學反應性的原子團。

CF4

等離子體對

Si

和

SiO2

有很高的刻蝕選擇比，室溫下可高達

50，所以很適合刻蝕

SiO2

上的

Si

或多晶

Si。

在

CF4

中摻入少量其它氣體可改變刻蝕選擇比。摻入少量氧氣可提高對Si的刻蝕速率

；摻入少量氫氣則可提高對

SiO2的刻蝕速率，從而適合刻蝕

Si

上的

SiO2。

二、等離子體刻蝕反應器

1、圓筒式反應器這種反應器最早被用于去膠，采用的刻蝕氣體是

O2。后來又利用

F

基氣體來刻蝕硅基材料。屏蔽筒的作用是避免晶片與等離子體接觸而產(chǎn)生損傷，同時可使刻蝕均勻。VacuumpumpGasinRFelectrodeRFgeneratorWafersQuartzboatWafersReactionchamber

典型工藝條件射頻頻率：13.56MHz

射頻功率：300~600W

工作氣體：

O2（去膠）

F

基（刻蝕

Si、Poly-Si、Si3N4等）

F

基

+

H2（刻蝕

SiO2等）氣壓（真空度）：0.1~10Torr

分辨率：2

m

1、為各向同性腐蝕，存在側(cè)向鉆蝕，分辨率不高；

3、均勻性差；

4、不適于刻蝕

SiO2

和

Al。筒式等離子體刻蝕反應器的

缺點

2、負載效應大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減??；

2、平板式反應器射頻源陰極陽極氣體硅片放在陽極上。這種刻蝕以化學刻蝕為主，也有微弱的物理濺射刻蝕作用。離子的能量可以促進原子團與硅片之間的化學反應，提高刻蝕速率，同時使刻蝕具有一定的各向異性，使分辨率有所提高。非揮發(fā)性的反應產(chǎn)物在側(cè)壁的淀積也可實現(xiàn)一定程度的各向異性刻蝕。

典型工藝條件射頻頻率：13.56MHz

工作氣體：F

基、Cl

基（可加少量

He、Ar、H2、O2等）

氣壓：10-2~1Torr

分辨率：0.5~1

m

離子銑刻蝕

又稱為

離子束濺射刻蝕。

11.5離子銑

一、離子濺射刻蝕機理

一次濺射：入射離子直接將晶格位置上的原子碰撞出來。入射離子以高速撞擊固體表面，當傳遞給固體原子的能量超過其結(jié)合能（幾到幾十電子伏特）時，固體原子就會脫離其晶格位置而被濺射出來。這是一種

純粹的物理過程。二次濺射：被入射離子碰撞出來的晶格原子，若具有足夠的能量時，可再將其它晶格原子碰撞出來。

選擇離子的原則

令，可得，且，這時靶原子可獲得最大能量，即。所以為獲得最好的濺射效果，應選擇入射離子使其質(zhì)量盡可能接近靶原子。

1、質(zhì)量質(zhì)量為

M2

的靶原子從質(zhì)量為

M1

的入射離子獲得的能量為

2、要求入射離子對被刻蝕材料的影響盡量小

3、容易獲得例如，若要對

SiO2

進行濺射加工，根據(jù)要求

2，入射離子應在惰性氣體離子

Ar+、Kr+

和

Xe+中選擇，又因

Si

原子和

O2

分子的原子量分別是

28

和

32，而

Ar+、Kr+

和

Xe+

的原子量分別是

40、84

和

131，所以采用

Ar+

離子的效果是最好的。而且Ar+

離子也是相對比較容易獲得的。

相對濺射率：在單位離子束電流密度下，單位時間內(nèi)加工表面的減薄量，記為

濺射率與入射角的關系

入射角：靶平面法線與入射離子束的夾角，記為。

濺射率：由一個入射離子濺射出來的原子或分子的數(shù)目，也稱為濺射產(chǎn)率，記為

S

。濺射率

S

是入射角的函數(shù)。030o60o90o式中，n

代表被濺射材料的原子密度。

濺射率與離子能量的關系式中，V0

為臨界電壓，對金屬靶約為

25

V。入射離子能量更高時，離子將進入固體內(nèi)較深的區(qū)域，這時表面濺射反而減小，成為

離子注入

。幾種常用材料的相對濺射率（條件：Ar+，1

kV，1mA/cm2，5×10-5

Torr，單位

nm/min）

Si:36，

GaAs:260，SiO2(熱氧化):42，

Al:44，Au:160，Cr:20，

KTER:39，

AZ1350:60，

PMMA:84，

上述數(shù)據(jù)說明，離子濺射的選擇比很差。

2、掩模方式離子束濺射刻蝕通常采用光刻膠作掩模。有兩種類型的刻蝕裝置。

(1)離子源與加工室分離的，如考夫曼型，離子源氣壓為10-2

~10-4Torr，加工室氣壓為

10-5

~10-7

Torr。

(2)離子源與加工室一體的，如射頻型，氣壓為

10-2

Torr。

二、離子束濺射刻蝕裝置

1、聚焦方式離子束濺射刻蝕設備的基本原理與聚焦離子束曝光裝置相同，離子源通常采用

LMIS。也可采用等離子體型，離子通常用

Ar+。

優(yōu)點：無需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。

缺點：刻蝕效率低，設備復雜昂貴。接地電極（陽極）等離子體區(qū)（亮區(qū)）電位降區(qū)（暗區(qū)）浮空電極（陰極）射頻發(fā)生器工作原理（以射頻型為例）

典型工藝條件射頻頻率：13.56

MHz

直流偏壓：50~3000

V

工作氣體（離子）：Ar

氣壓（真空度）：約

10-2

Torr

分辨率：0.1

m

三、離子束濺射刻蝕的特點

優(yōu)點

1、入射離子有很強的方向性，為各向異性刻蝕，無側(cè)向鉆蝕，刻蝕分辨率高；

2、能刻蝕任何材料，一次能刻蝕多層材料；

3、刻蝕在高真空中進行，刻蝕過程不易受污染。

缺點

1、選擇比差對不同材料的刻蝕速率的差別小于3倍，對光刻膠及下層材料的選擇比常接近于1:1，甚至對光刻膠的刻蝕速率更快。選擇比差的后果是，第一，當采用掩模方式時，刻蝕深度受到限制；第二，刻蝕終點難以控制，容易損傷下層材料。

2、刻蝕速度慢，效率低

4、有再淀積效應

3、有側(cè)向刻蝕

5、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽簡稱為

RIE，但是其更恰當?shù)拿Q應該是離子輔助刻蝕。

11.6反應離子刻蝕反應離子刻蝕裝置可分為平板式與六角形式。與平板式等離子體刻蝕相比，區(qū)別是將硅片放在陰極上，而等離子體刻蝕是將硅片放在陽極上。與離子銑刻蝕相比，區(qū)別是要通入腐蝕性氣體如

Cl

基、F

基氣體，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體。陰極多孔陽極射頻源氣體

反應離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優(yōu)點，而且比等離子體刻蝕還要快，同時又具有離子銑刻蝕的各向異性因而分辨率高的優(yōu)點。離子的轟擊起到了多種作用。1、離子轟擊提供的能量提高了表面層的化學活性；2、離子轟擊可使反應氣體更容易穿透表面的阻礙物而達到反應層；3、還有輕微的物理濺射刻蝕作用。由于離子轟擊的方向性，遭受離子轟擊的底面比未遭受離子轟擊的側(cè)面的刻蝕要快得多。當使用某些混合氣體如

BCl3、CCl4、SiCl4，反應過程會在側(cè)壁上形成保護性的聚合物薄膜，進一步提高了各向異性。

典型工藝條件射頻頻率：13.56

MHz

工作氣體：Cl

基、F

基氣壓：10-1~10-3Torr

分辨率：0.1~0.2

m刻蝕速率：100~

200

nm/min

11.8高密度等離子體（HDP）刻蝕提高刻蝕速率的方法之一是提高等離子體的密度。若對等離子體施加額外的電場與磁場，可以急劇增加自由電子的碰撞幾率，在相同或者更低的氣壓與功率下增加離化率，從而提高等離子體的密度。

最早用于刻蝕的高密度等離子體是電子回旋共振等離子體（ECR），而現(xiàn)在用得最多的是電感耦合等離子體（ICP）。

高密度等離子體能夠提供高濃度低能量的離子，因而能在提高刻蝕速率的同時，減少刻蝕時的沾污，降低刻蝕損傷。

11.9剝離技術剝離工藝可用于制造

IC

的金屬互連線。曝光顯影淀積金屬去膠

剝離工藝中，當采用正膠時，獲得的金屬圖形與掩模版上的圖形相反，這與采用負膠及刻蝕工藝所得到的結(jié)果相同。

光刻膠的剖面輪廓有

頂切式、底切式

和

直壁式

三種。

對于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無膠區(qū)的金屬薄膜很好地分離，希望獲得底切式的輪廓。對

PMMA

正性光刻膠在采取雙層膠技術或氯苯浸泡等一些特殊措施后，可以形成底切式，而且膠膜較厚，所以在剝離工藝中常采用

PMMA

膠。頂切式底切式直壁式物理刻蝕為各向異性，無鉆蝕，分辨率好；化學刻蝕為各向同性，有鉆蝕，分辨率差。物理刻蝕的選擇比??；化學刻蝕的選擇比大?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)工作氣體的種類、氣壓、電極方式和電壓等來控制刻蝕剖面的形狀和選擇比。

11.10小結(jié)

1、工作氣體若只采用

Ar

等惰性氣體，則發(fā)生純物理的濺射刻蝕；若只采用

F

基、Cl

基等活潑氣體，則發(fā)生純化學的等離子體刻蝕。而混合氣體的刻蝕速率遠大于兩類單一氣體刻蝕速率之和。

2、氣壓氣壓越低，物理作用越強；氣壓越高，化學作用越強。

3、電極若晶片置于陰極，則物理作用較強；若晶片置于陽極，則物理作用較弱；在圓筒式反應器中，晶片不置于電極上，則無物理作用。