chap刻蚀工艺解析实用实用教案.ppt

1两大关键问题：选择性方向性：各向同性(ɡè xiànɡ tónɡ xìnɡ)/各向异性待刻材料(cáiliào)的刻蚀速率掩膜或下层(xiàcéng)材料的刻蚀速率横向刻蚀速率纵向刻蚀速率图形转移过程演示图形转移＝光刻＋刻蚀第1页/共54页第一页，共55页2•目的：把经过曝光,￿显影后的光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉(qù￿diào),￿即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形第2页/共54页第二页，共55页38.10￿￿VLSI对图形转移对图形转移(zhuǎnyí)的要求的要求v保真度保真度v选择选择(xuǎnzé)比比v均匀性均匀性v清洁度清洁度第3页/共54页第三页，共55页4dmdmdfdfdfdm保真度：A=|df－dm| / 2h 1

5选择比：指两种不同材料在腐蚀的过程(guòchéng)中被腐蚀的速率比如SiO2的刻蚀中对光刻胶和硅的腐蚀速率很低对SiO2的腐蚀速率很很高第5页/共54页第五页，共55页6均匀(jūnyún)性v平均(píngjūn)厚度h，厚度变化因子，v1￿≤￿￿≤0，最厚处h*(1+￿),最薄处h*(1－￿)v平均(píngjūn)刻蚀速率V，速度变化因子，v1￿≤￿￿≤0，最大速度V*(1+￿),最小速度V*(1－￿￿)第6页/共54页第六页，共55页7v刻蚀时间差TM－Tm=[￿h*(1+￿ )￿/￿V*(1-￿ )￿]￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿－[h*(1－￿ )￿/￿V*(1+￿ )]粗细线条兼顾，折中洁净度防止(fángzhǐ)沾污第7页/共54页第七页，共55页8刻蚀速率刻蚀速率R(etch rate)单位时间刻蚀的薄膜厚度对产率单位时间刻蚀的薄膜厚度对产率有较大影响有较大影响刻蚀均匀性刻蚀均匀性(etch uniformity)一个硅片或多个硅片或多批硅片上一个硅片或多个硅片或多批硅片上刻蚀速率的变化刻蚀速率的变化选择性选择性S(Selectivity)不同材料之间的刻蚀速率比不同材料之间的刻蚀速率比各项异性度各项异性度A(Anisotropy)刻蚀的方向性刻蚀的方向性A=0, 各项同性；各项同性；A=1, 各项异性各项异性掩膜层下刻蚀掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量横向单边的过腐蚀量刻蚀的性能参数第8页/共54页第八页，共55页。

9A＝0 0

第12页/共54页第十二页，共55页13湿法刻蚀反应(fǎnyìng)产物必须溶于水或是气相第13页/共54页第十三页，共55页14BOE：buffered oxide etching或BHF: buffered HF加入NH4F缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀实际用各向同性例1：SiO2采用HF腐蚀例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀第14页/共54页第十四页，共55页15例4：Si采用(cǎiyòng)KOH腐蚀各向异性Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2++ + 2H2 + 4OH-硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀第15页/共54页第十五页，共55页16原子密度：<111> > <110> > <100>腐蚀(fǔshí)速度：R(100) 100 R(111)第16页/共54页第十六页，共55页17HNA各向同性(ɡè xiànɡ tónɡ xìnɡ)腐蚀自终止(zhōngzhǐ)第17页/共54页第十七页，共55页18利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanical Systems）结构第18页/共54页第十八页，共55页。

19v湿法的刻蚀原理：湿法是接触型腐蚀，以HFHF酸腐蚀SiO2SiO2为例：vSiO2 SiO2 + + 4HF 4HF = = SiF4 SiF4 + + 2H2O2H2O此反应的产物是气态的 SiF4SiF4和水, ,其反应速率R R可用vArrheniusArrhenius方 程 (fāngchéng)(fāngchéng)描述：R R = = R0exp(-Ea/kT)R0exp(-Ea/kT)，其中R0R0是常数，EaEa是反应的激活能，k k是玻耳兹曼常数，T T是温度第19页/共54页第十九页，共55页20•湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广 泛 应 用 ： 磨 片 、 抛 光(pāoguāng)(pāoguāng)、清洗、腐蚀. .• 优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低. .• 缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差. .第20页/共54页第二十页，共55页21•湿法腐蚀特点：•1.其反应物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物的沉淀，从而影响(yǐngxiǎng)刻蚀正常进行•2.一般湿法腐蚀是各向同性的，刻蚀中腐蚀液不但侵入到纵向方向，而且在侧向也会受到侵蚀。

第21页/共54页第二十一页，共55页22•3.湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程放热造成刻蚀局部温度升高，引起化学反应速度(sùdù)加快，反过来，又会加剧反应放热，使刻蚀反应处于不受控制的恶性循环中，使质量极差在加工时采用搅拌或超声波等方法来消除局部温度升高放气会造成局部气泡凝聚，使速率变慢或停止，造成缺陷，也可以通过搅拌来赶走气泡，有时也可以在腐蚀液中加入少量氧化剂去除气泡第22页/共54页第二十二页，共55页23v干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子(lízǐ)(lízǐ)体中的离子(lízǐ)(lízǐ)或游离基( (处于激发态的分子、原子及各种原子基团等) )与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的v横向腐蚀小, ,钻蚀小, ,无化学废液, ,分辨率高, ,细线条v操作安全，简便；处理过程未引入污染：易于实现自动化，表面损伤小v缺点: :成本高, ,设备复杂第23页/共54页第二十三页，共55页24• •v v v v湿法干法湿法干法(ɡàn fǎ)(ɡàn fǎ)(ɡàn fǎ)(ɡàn fǎ)结合结合• •v v v v湿法去表层胶，干法湿法去表层胶，干法(ɡàn fǎ)(ɡàn fǎ)(ɡàn fǎ)(ɡàn fǎ)去底胶去底胶第24页/共54页第二十四页，共55页。

25湿法腐蚀(fǔshí)的缺点•在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：•（1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以(kěyǐ)是各向异性•（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差•（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害•（4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济第25页/共54页第二十五页，共55页268.128.12干法刻蚀干法刻蚀•一.干法刻蚀原理•基本原理：腐蚀剂气体与被腐蚀样品表面接触(jiēchù)来实现腐蚀第26页/共54页第二十六页，共55页27ü化学刻蚀（各项同性，选择性好）ü——等离子(lízǐ)体激活的化学反应(等离子(lízǐ)体刻蚀)ü物理刻蚀（各向异性，选择性差）ü——高能离子(lízǐ)的轰击 (溅射刻蚀)ü ü离子(lízǐ)增强刻蚀（各向异性，选择性较好）ü——反应离子(lízǐ)刻蚀第27页/共54页第二十七页，共55页28•溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差•ð ð等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现(shíxiàn)(shíxiàn)刻蚀。

选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差•ð ð反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching，简称为RIE)RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点目前，RIERIE已成为VLSIVLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术第28页/共54页第二十八页，共55页29•干法刻蚀特点：•干法刻蚀的优点在于是各向异性的刻蚀因此，干法刻蚀的主要任务是如何实现在垂直方向(fāngxiàng)上的刻蚀速率远远大于横向刻蚀速率，以便使光刻在薄膜上的转移图案与掩膜版上原图相同第29页/共54页第二十九页，共55页30￿￿￿￿￿￿￿￿￿反应腔加上射频电场，刻蚀气体放电产生等离子体(děnglízǐtǐ)，等离子体(děnglízǐtǐ)处于激发态，有很强的化学活性，撞击在硅片上，发生反应，腐蚀硅化物1.多晶硅、氧化硅、氮化硅，采用CF4刻蚀两类物质(wùzhì)的腐蚀：第30页/共54页第三十页，共55页31CF4￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿CF3+F*CF3￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿CF2+F*CF2￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿CF+F*Si+4F*￿￿￿￿￿￿￿￿￿SiF4SiO2+4F*￿￿￿￿￿￿￿￿￿SiF4￿￿￿+O2Si3N4+4F*￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿3SiF4￿￿￿+2N2第31页/共54页第三十一页，共55页。

322.铝及其合金(héjīn)----氯基CCl4,CHCl33.难熔金属(jīnshǔ)－－氯基或氟基TaSiX+nF－－TaF5+SiF4TaSiX+nCl－－TaCl5+SiCl44.光刻胶－－－O2第32页/共54页第三十二页，共55页33二.￿常用(chánɡ￿yònɡ)材料的腐蚀剂第33页/共54页第三十三页，共55页34三.影响刻蚀速度(sùdù)的条件v气体压力v气体流量v射频功率v温度v负载效应(xiàoyìng)v腐蚀剂选择比第34页/共54页第三十四页，共55页35刻铝中的问题(wèntí)v铝表面的氧化铝难刻v中间产物(chǎnwù)AlCl4,BCl3淀积在表面，阻止刻蚀第35页/共54页第三十五页，共55页36去胶v等离子去除胶底膜v紫外光分解去胶原理:光刻胶薄膜在强紫外光照射下,￿分解为可挥发性气体（如CO2、H2O），被侧向(cè￿xiànɡ)空气带走第36页/共54页第三十六页，共55页37四四. .等离子刻蚀设备等离子刻蚀设备(shèbèi)(shèbèi)v圆筒型v平板(píngbǎn)型第37页/共54页第三十七页，共55页38第38页/共54页第三十八页，共55页。

39反应离子(lízǐ)刻蚀结构示意图(硅片接地)第39页/共54页第三十九页，共55页40反应(fǎnyìng)离子刻蚀结构示意图第40页/共54页第四十页，共55页41双向等离子刻蚀示意图第41页/共54页第四十一页，共55页428.13￿光刻质量光刻质量(zhìliàng)分析分析￿•一、光刻的质量要求：• 光刻的质量直接影响到器件(qìjiàn)(qìjiàn)的性能，成品率和可靠性对其有如下要求，刻蚀的图形完整性好，尺寸准确，边缘整齐，线条陡直；图形内无针孔，图形外无小岛，不染色；硅片表面清洁，无底膜；图形套刻准确•光刻胶的质量和放置寿命(6(6个月). ).•颗粒<0.2m, <0.2m, 金属离子含量很少•化学稳定, , 光/ /热稳定度•粘度第42页/共54页第四十二页，共55页43•二、光刻的质量分析•（1 1）影响分辨率的因素：•A A、光刻掩膜版与光刻胶的接触; ;•B B、曝光光线的平行度; ;•C C、掩膜版的质量和套刻精度直接(zhíjiē)(zhíjiē)影响光刻精度; ;•D D、小图形引起逛衍射; ;•E E、光刻胶膜厚度和质量的影响：•F F、曝光时间的影响：•G G、衬底反射影响：H H、显影和刻蚀的影响：第43页/共54页第四十三页，共55页。

44•（2 2）浮胶：•在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会起皱，呈桔皮状或大面积胶膜脱落这种现象称为溶胶或脱胶出现原因如下•1 1）操作环境湿度过大：当操作室内空气中的水分较多时，二氧化硅很容易(róngyì)(róngyì)将水吸到表面，造成胶膜与硅片表面粘附不好，在显影时就产生溶胶•2 2）硅片面膜上不干净：硅片表面生长的薄层，由于表面不干净，那么与光刻胶粘附力下降，造成了溶胶第44页/共54页第四十四页，共55页45•3）前烘不足或过度：前烘，胶膜内还留有溶剂未挥发掉，显影时会造成(zào￿chénɡ)溶胶但是前烘过度，胶膜硬化，抗蚀力下降，也会出现溶胶现象•4）曝光或显影不合适：曝光时间不足，胶膜的光化学反应没有进行完全就浸入显影液中，会造成(zào￿chénɡ)胶膜溶解引起溶胶显影时间过长，胶膜会软化显影液从底部浸入，引起胶膜脱落第45页/共54页第四十五页，共55页46•（3 3）小岛：•所谓小岛是指残留在光刻窗口上局部(júbù)(júbù)细小的二氧化硅层，在扩散时，这些小岛阻挡了杂质的扩散，使得P-NP-N结不平坦，半导体器件特性受到了影响，造成反向漏电增加，甚至极间穿通。

产生小岛的原因：•1 1）在光刻版上不透光区域中存在小孔或透光点，则在硅片表面上留有小岛第46页/共54页第四十六页，共55页47•2 2）在光刻胶中有颗粒状不溶性物资残留在硅片表面，使得局部小区域的二氧化硅腐蚀不掉形成小岛•3 3）曝光过度，使得局部区域显影不干净(gānjìng)(gānjìng)，或显影不完全，残留在胶膜底部，腐蚀以后产生小岛第47页/共54页第四十七页，共55页48•（4 4）针孔•针孔是由于胶膜不完整而在光刻窗口外的二氧化硅层上产生细小孔洞这些孔洞使不该扩散的区域，杂质也扩进去了，造成P-NP-N结短路、漏电、低击穿产生针孔的原因有：•1 1）光刻掩膜版上有黑斑，阻挡了光线照射，使该区域上的胶膜未曝光，而被显影液溶解，经刻蚀以后便形成了针孔•2 2）操作过程中尘埃玷污，特别是在涂胶过程中，尘埃落到了胶表面(biǎomiàn)(biǎomiàn)，这样就起了阻挡光线的作用，形成针孔第48页/共54页第四十八页，共55页49•3）感光剂中有颗粒状物质或灰尘，或者胶太稀薄，转速太快，使得胶膜过于薄而出现(chūxiàn)面积较大的针孔•4）硅片表面质量不好，有颗粒状凹坑，也会形成针孔。

•5）曝光不当光刻胶聚合反应不完全，或曝光时间过长，发生邹胶，腐蚀时掩膜失效，形成了针孔第49页/共54页第四十九页，共55页50•（5 5）毛刺、钻蚀腐蚀时，如果腐蚀液浸入光刻胶膜的边缘，使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或铝条的完整性，渗透腐蚀较轻，图形边缘出现(chūxiàn)(chūxiàn)针孔的局部破坏，习惯上称为毛刺若图形边缘腐蚀严重，出现(chūxiàn)(chūxiàn)锯齿状或花斑状的破坏，称为钻蚀当二氧化硅掩蔽膜窗口存在毛刺和钻蚀时，会引起侧面扩散结的不平衡，使结特性变坏，影响器件的成品率和可靠性产生原因：第50页/共54页第五十页，共55页51•1）基片表面不清洁，存在油污、灰尘或水汽，使光刻胶和氧化层粘附不良，引起毛刺或局部钻蚀•2）氧化层表面存在磷硅玻璃，特别是磷的浓度较大时，表面与光刻胶粘附性不好(bù￿hǎo)，耐蚀性能差，容易造成钻蚀•3）光刻胶中存在颗粒状物质，造成局部粘附不良.•4）显影时间过长，图形边缘发生钻溶，腐蚀时造成毛刺或钻蚀•5）掩膜版图形的边缘有毛刺或缺陷等等第51页/共54页第五十一页，共55页52总结(zǒngjié)•1.光刻的定义•2.光刻的目的•3.光刻三要素•4.光刻的原理•5.光刻工艺流程（各个步骤(bùzhòu)定义、目的及方法）•6.分辨率7.光刻胶及其组分•8.光刻胶的分类•9.多层光刻胶工艺，双层光刻胶工艺顶层胶和底层胶作用，两种双层光刻胶工艺•10.抗反射涂层工艺￿定义，作用第52页/共54页第五十二页，共55页。

53•11.紫外线曝光三种方式•12.移相掩模（PSM）•13.电子束曝光的原理•14.邻近效应(xiàoyìng)•15.各向异性腐蚀，各向同性腐蚀，选择比•16.湿法刻蚀,干法刻蚀，各自特点•17.干法刻蚀分类，各自原理•18.光刻的质量要求•19.影响分辨率的因素•20.光刻的质量分析包括那些问题第53页/共54页第五十三页，共55页54感谢您的欣赏(xīnshǎng)！第54页/共54页第五十四页，共55页内容(nèiróng)总结1对SiO2的腐蚀速率很很高均匀性/非均匀性湿法刻蚀——化学溶液中进行(jìnxíng)反应腐蚀，选择性好3.湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程v湿法去表层胶，干法去底胶1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性——等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀)——高能离子的轰击 (溅射刻蚀)——反应离子刻蚀1）在光刻版上不透光区域中存在小孔或透光点，则在硅片表面上留有小岛感谢您的欣赏第五十五页，共55页。