chap8刻蝕工藝

1、1,刻蝕工藝(Etch),基本概念 定義：用光刻方法制成的微圖形，只給出了電路的行貌，并不是真正的器件結(jié)構(gòu)。因此需將光刻膠上的微圖形轉(zhuǎn)移到膠下面的各層材料上去，這個(gè)工藝叫做刻蝕。,2,兩大關(guān)鍵問(wèn)題： 選擇性 方向性：各向同性/各向異性,待刻材料的刻蝕速率,掩膜或下層材料的刻蝕速率,橫向刻蝕速率,縱向刻蝕速率,圖形轉(zhuǎn)移光刻刻蝕,3,目的：把經(jīng)過(guò)曝光, 顯影后的光刻膠微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。,4,8.10 VLSI對(duì)圖形轉(zhuǎn)移的要求,保真度 選擇比 均勻性 清潔度,5,保真度： A=|dfdm| / 2h 1A 0,各向異性腐蝕：方向不同，腐蝕特性不同

2、。 各向同性腐蝕：不同方向的腐蝕特性相同,6,選擇比：指兩種不同材料在腐蝕的過(guò)程中被腐蝕的速率比。 如SiO2的刻蝕中 對(duì)光刻膠和硅的腐蝕速率很低 對(duì)SiO2的腐蝕速率很很高,7,均勻性,平均厚度h，厚度變化因子， 1 0，最厚處h*(1+ ),最薄處h*(1 ) 平均刻蝕速率V，速度變化因子， 1 0，最大速度V*(1+ ),最小速度V*(1 ),8,刻蝕時(shí)間差,TMTm= h*(1+ ) / V*(1- ) h*(1 ) / V*(1+ ) 粗細(xì)線條兼顧，折中 潔凈度 防止沾污,9,刻蝕的性能參數(shù),10,A0 0A1 A=1,方向性：,11,刻蝕要求: 1. 得到想要的形狀（斜面還是垂直圖

3、形） 2. 過(guò)腐蝕最?。ㄒ话阋筮^(guò)腐蝕10，以保證整片刻蝕完全） 3. 選擇性好 4. 均勻性和重復(fù)性好 5. 表面損傷小 6. 清潔、經(jīng)濟(jì)、安全,兩類刻蝕方法： 濕法刻蝕化學(xué)溶液中進(jìn)行反應(yīng)腐蝕，選擇性好 干法刻蝕氣相化學(xué)腐蝕（選擇性好）或物理腐蝕（方向性好），或二者兼而有之,12,刻蝕過(guò)程包括三個(gè)步驟： 反應(yīng)物質(zhì)量輸運(yùn)（Mass transport）到要被刻蝕的表面 在反應(yīng)物和要被刻蝕的膜表面之間的反應(yīng) 反應(yīng)產(chǎn)物從表面向外擴(kuò)散的過(guò)程,13,8.11 刻蝕方法,濕法刻蝕：利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕的方法。,14,濕法刻蝕,反應(yīng)產(chǎn)物必須溶于水或是氣相,15,各 向 同 性,16,

4、例4：Si采用KOH腐蝕,Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-,硅濕法腐蝕由于晶向而產(chǎn)生的各向異性腐蝕,17,原子密度： 腐蝕速度：R(100) 100 R(111),18,HNA各向同性腐蝕,自終止,19,20,濕法的刻蝕原理：濕法是接觸型腐蝕，以HF酸腐蝕SiO2為例： SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O此反應(yīng)的產(chǎn)物是氣態(tài)的 SiF4和水,其反應(yīng)速率R可用 Arrhenius方程描述：R = R0exp(-Ea/kT)，其中R0是常數(shù)，Ea是反應(yīng)的激活能，k是玻耳茲曼常數(shù)，T是溫度,21,濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用：磨片、拋

5、光、清洗、腐蝕. 優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低. 缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對(duì)圖形的控制性較差.,22,濕法腐蝕特點(diǎn)： 1.其反應(yīng)物必須是氣體或能溶于刻蝕劑的物質(zhì)，否則會(huì)造成反應(yīng)物的沉淀，從而影響刻蝕正常進(jìn)行。 2.一般濕法腐蝕是各向同性的，刻蝕中腐蝕液不但侵入到縱向方向，而且在側(cè)向也會(huì)受到侵蝕。,23,3.濕法刻蝕過(guò)程伴有放熱和放氣過(guò)程。放熱造成刻蝕局部溫度升高，引起化學(xué)反應(yīng)速度加快，反過(guò)來(lái)，又會(huì)加劇反應(yīng)放熱，使刻蝕反應(yīng)處于不受控制的惡性循環(huán)中，使質(zhì)量極差。在加工時(shí)采用攪拌或超聲波等方法來(lái)消除局部溫度升高。放氣會(huì)造成局部氣泡凝聚，使速率變慢或停止，造成缺陷，也可以通過(guò)攪拌來(lái)趕

6、走氣泡，有時(shí)也可以在腐蝕液中加入少量氧化劑去除氣泡。,24,干法刻蝕：主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等)與材料。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過(guò)轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的。 橫向腐蝕小,鉆蝕小,無(wú)化學(xué)廢液,分辨率高,細(xì)線條 操作安全，簡(jiǎn)便；處理過(guò)程未引入污染：易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，表面損傷小 缺點(diǎn):成本高,設(shè)備復(fù)雜,25,v濕法干法結(jié)合 v濕法去表層膠，干法去底膠,26,濕法腐蝕的缺點(diǎn),在大規(guī)模集成電路制造中，濕法腐蝕正被干法刻蝕所替代： （1）濕法腐蝕是各向同性，干法可以是各向異性 （2）干法腐蝕能達(dá)到高的分辨率，濕法腐蝕較差 （3）濕法腐蝕需大量的腐

7、蝕性化學(xué)試劑，對(duì)人體和環(huán)境有害 （4）濕法腐蝕需大量的化學(xué)試劑去沖洗腐蝕劑剩余物，不經(jīng)濟(jì),27,8.12干法刻蝕,一.干法刻蝕原理 基本原理：腐蝕劑氣體與被腐蝕樣品表面接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)腐蝕,28,化學(xué)刻蝕（各項(xiàng)同性，選擇性好） 等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)(等離子體刻蝕) 物理刻蝕（各向異性，選擇性差） 高能離子的轟擊 (濺射刻蝕) 離子增強(qiáng)刻蝕（各向異性，選擇性較好） 反應(yīng)離子刻蝕,29,濺射與離子束銑蝕：通過(guò)高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差 等離子刻蝕(Plasma Etching)：利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對(duì)襯底損傷較小，

8、但各向異性較差 反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡(jiǎn)稱為RIE)：通過(guò)活性離子對(duì)襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù),30,干法刻蝕特點(diǎn)： 干法刻蝕的優(yōu)點(diǎn)在于是各向異性的刻蝕。因此，干法刻蝕的主要任務(wù)是如何實(shí)現(xiàn)在垂直方向上的刻蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向刻蝕速率，以便使光刻在薄膜上的轉(zhuǎn)移圖案與掩膜版上原圖相同。,31,反應(yīng)腔加上射頻電場(chǎng)，刻蝕氣體放電產(chǎn)生等離子體，等離子體處于激發(fā)態(tài)，有很強(qiáng)的化學(xué)活性，撞擊在硅片上，發(fā)生反應(yīng)，腐蝕硅化物。 1.多晶硅、氧化硅

9、、氮化硅，采用CF4刻蝕,兩類物質(zhì)的腐蝕：,32,CF4 CF3+F* CF3 CF2+F* CF2 CF+F* Si+4F* SiF4 SiO2+4F* SiF4 +O2 Si3N4+4F* 3SiF4 +2N2,33,2.鋁及其合金-氯基CCl4,CHCl3,3.難熔金屬氯基或氟基 TaSiX+nFTaF5+SiF4 TaSiX+nClTaCl5+SiCl4 4.光刻膠O2,34,二. 常用材料的腐蝕劑,35,三.影響刻蝕速度的條件,氣體壓力 氣體流量 射頻功率 溫度 負(fù)載效應(yīng) 腐蝕劑選擇比,36,刻鋁中的問(wèn)題,鋁表面的氧化鋁難刻 中間產(chǎn)物AlCl4,BCl3淀積在表面，阻止刻蝕,37,去

10、膠,等離子去除膠底膜 紫外光分解去膠原理:光刻膠薄膜在強(qiáng)紫外光照射下, 分解為可揮發(fā)性氣體（如CO2、H2O），被側(cè)向空氣帶走。,38,四.等離子刻蝕設(shè)備,圓筒型 平板型,39,40,反應(yīng)離子刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖(硅片接地),41,反應(yīng)離子刻蝕結(jié)構(gòu)示意圖,42,雙向等離子刻蝕示意圖,43,8.13 光刻質(zhì)量分析,一、光刻的質(zhì)量要求： 光刻的質(zhì)量直接影響到器件的性能，成品率和可靠性。對(duì)其有如下要求，刻蝕的圖形完整性好，尺寸準(zhǔn)確，邊緣整齊，線條陡直；圖形內(nèi)無(wú)針孔，圖形外無(wú)小島，不染色；硅片表面清潔，無(wú)底膜；圖形套刻準(zhǔn)確。 光刻膠的質(zhì)量和放置壽命(6個(gè)月). 顆粒0.2m, 金屬離子含量很少 化學(xué)穩(wěn)定,

11、光/熱穩(wěn)定度 粘度,44,二、光刻的質(zhì)量分析 （1）影響分辨率的因素： A、光刻掩膜版與光刻膠的接觸; B、曝光光線的平行度; C、掩膜版的質(zhì)量和套刻精度直接影響光刻精度; D、小圖形引起逛衍射; E、光刻膠膜厚度和質(zhì)量的影響： F、曝光時(shí)間的影響： G、襯底反射影響：H、顯影和刻蝕的影響：,45,（2）浮膠： 在顯影或刻蝕時(shí)，硅片表面上的膠膜會(huì)起皺，呈桔皮狀或大面積膠膜脫落。這種現(xiàn)象稱為溶膠或脫膠。出現(xiàn)原因如下。 1）操作環(huán)境濕度過(guò)大：當(dāng)操作室內(nèi)空氣中的水分較多時(shí)，二氧化硅很容易將水吸到表面，造成膠膜與硅片表面粘附不好，在顯影時(shí)就產(chǎn)生溶膠。 2）硅片面膜上不干凈：硅片表面生長(zhǎng)的薄層，由于表面

12、不干凈，那么與光刻膠粘附力下降，造成了溶膠。,46,3）前烘不足或過(guò)度：前烘，膠膜內(nèi)還留有溶劑未揮發(fā)掉，顯影時(shí)會(huì)造成溶膠。但是前烘過(guò)度，膠膜硬化，抗蝕力下降，也會(huì)出現(xiàn)溶膠現(xiàn)象。 4）曝光或顯影不合適：曝光時(shí)間不足，膠膜的光化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有進(jìn)行完全就浸入顯影液中，會(huì)造成膠膜溶解引起溶膠。顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，膠膜會(huì)軟化。顯影液從底部浸入，引起膠膜脫落。,47,（3）小島： 所謂小島是指殘留在光刻窗口上局部細(xì)小的二氧化硅層，在擴(kuò)散時(shí)，這些小島阻擋了雜質(zhì)的擴(kuò)散，使得P-N結(jié)不平坦，半導(dǎo)體器件特性受到了影響，造成反向漏電增加，甚至極間穿通。產(chǎn)生小島的原因： 1）在光刻版上不透光區(qū)域中存在小孔或透光點(diǎn)，則在硅片表面

13、上留有小島。,48,2）在光刻膠中有顆粒狀不溶性物資殘留在硅片表面，使得局部小區(qū)域的二氧化硅腐蝕不掉形成小島。 3）曝光過(guò)度，使得局部區(qū)域顯影不干凈，或顯影不完全，殘留在膠膜底部，腐蝕以后產(chǎn)生小島。,49,（4）針孔 針孔是由于膠膜不完整而在光刻窗口外的二氧化硅層上產(chǎn)生細(xì)小孔洞。這些孔洞使不該擴(kuò)散的區(qū)域，雜質(zhì)也擴(kuò)進(jìn)去了，造成P-N結(jié)短路、漏電、低擊穿。產(chǎn)生針孔的原因有： 1）光刻掩膜版上有黑斑，阻擋了光線照射，使該區(qū)域上的膠膜未曝光，而被顯影液溶解，經(jīng)刻蝕以后便形成了針孔。 2）操作過(guò)程中塵埃玷污，特別是在涂膠過(guò)程中，塵埃落到了膠表面，這樣就起了阻擋光線的作用，形成針孔。,50,3）感光劑中有

14、顆粒狀物質(zhì)或灰塵，或者膠太稀薄，轉(zhuǎn)速太快，使得膠膜過(guò)于薄而出現(xiàn)面積較大的針孔。 4）硅片表面質(zhì)量不好，有顆粒狀凹坑，也會(huì)形成針孔。 5）曝光不當(dāng)。光刻膠聚合反應(yīng)不完全，或曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)生鄒膠，腐蝕時(shí)掩膜失效，形成了針孔。,51,（5）毛刺、鉆蝕腐蝕時(shí)，如果腐蝕液浸入光刻膠膜的邊緣，使圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽擴(kuò)散的氧化層或鋁條的完整性，滲透腐蝕較輕，圖形邊緣出現(xiàn)針孔的局部破壞，習(xí)慣上稱為毛刺。若圖形邊緣腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)鋸齒狀或花斑狀的破壞，稱為鉆蝕。當(dāng)二氧化硅掩蔽膜窗口存在毛刺和鉆蝕時(shí)，會(huì)引起側(cè)面擴(kuò)散結(jié)的不平衡，使結(jié)特性變壞，影響器件的成品率和可靠性。產(chǎn)生原因：,52,1）基片表面不清潔，存在油污、灰塵或水汽，使光刻膠和氧化層粘附不良，引起毛刺或局部鉆蝕。 2）氧化層表面存在磷硅玻璃，特別是磷的濃度較大時(shí)，表面與光刻膠粘附性不好，耐蝕性能差，容易造成鉆蝕。 3）光刻膠中存在顆粒狀物質(zhì)，造成局部粘附不良. 4）顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，圖形邊緣發(fā)生鉆溶，腐蝕時(shí)造成毛刺或鉆蝕 5）掩膜版圖形的邊緣有毛刺或缺陷等等。,53,總結(jié),1.光刻的定義 2.光刻的目的 3.光刻三要素 4.光刻的原理 5.光刻工藝流程（各個(gè)步