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一、刻蚀的目的和方法1、目的∶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∶￿￿￿a）湿法腐蚀---用化学溶液腐蚀无胶保护的膜，生成溶于水￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿的副产物￿￿优点∶简单、方便，成本低，各向同性腐蚀的多，选择性高￿￿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￿￿￿￿￿b）干法腐蚀---用等离子体等方法选择腐蚀￿￿优点∶各向异性腐蚀，横向腐蚀小，适合刻细线条￿￿缺点∶设备复杂(fùzá)、成本高，表面有一定的损伤第1页/共37页第一页，共38页二、刻蚀质量二、刻蚀质量(zhìliàng)参数参数1、各向异性度、各向异性度Af B=df -dm B＞＞0 or B＜＜0，， 各向同性各向同性(ɡè xiànɡ tónɡ xìnɡ)腐蚀时腐蚀时B=2 hf ，， 各向异性刻蚀时各向异性刻蚀时B=0第2页/共37页第二页，共38页3、刻蚀选择(xuǎnzé)比Sfm4、负载、负载(fùzài)效应（不同的待刻负载效应（不同的待刻负载(fùzài)下，刻蚀速率不同。

下，刻蚀速率不同)2、刻蚀速率、刻蚀速率(sùlǜ)R(nm/min)第3页/共37页第三页，共38页三、湿法腐蚀(fǔshí)特点:￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿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BIAS同时他主要适用于大尺寸条宽的器件生产优缺点:￿￿￿1:优点:￿￿低成本(chéngběn)，高产出，高可靠性以及其优良的选择￿比￿￿￿￿2:￿缺点:￿A:腐蚀液及DI￿WATER的成本(chéngběn)比干法腐蚀用气体成本(chéngběn)高；￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿湿法腐蚀(fǔshí)的特点及其优缺点第4页/共37页第四页，共38页B:在处理化学(huàxué)药液时给人带来安全问题;C: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￿E:￿排风问题￿￿￿￿￿￿￿￿第5页/共37页第五页，共38页6湿法腐蚀(fǔshí)机理湿法腐蚀的产生一般可分为3步:￿￿1:￿反应物(指化学药剂)扩散到反应表面￿￿2:￿实际反￿应(化学反应)￿￿3:反应生成物通过(tōngguò)扩散脱离反应表面￿￿￿￿￿反应时可能存在多种反应机理,许多反应是一种或多种反应共同作用的结果第6页/共37页第六页，共38页。

2024/9/117影响(yǐngxiǎng)湿法腐蚀的因素1:￿掩膜材料(主要指光刻胶)2:须腐蚀(fǔshí)膜的类型(如SIO2,POLY￿,￿SILICON等)3:腐蚀(fǔshí)速率4:浸润与否第7页/共37页第七页，共38页2024/9/118影响(yǐngxiǎng)腐蚀速率的因素￿￿1:腐蚀槽的温度￿￿2:￿膜的类型(如SIO2,POLY￿,￿SILICON等)￿￿3:￿晶向￿￿￿<111>￿￿<100>￿￿4:￿膜的形成(是热生长形成或掺杂形成)￿￿5:￿膜的密度￿￿6:￿腐蚀时的作业(zuòyè)方式(喷淋，浸没或是旋转)第8页/共37页第八页，共38页2024/9/119￿￿7:￿药液成分的变化￿￿8:￿腐蚀(fǔshí)时有无搅动或对流等￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿所有上述因素均是￿查找异常原因的因素,同时膜的掺杂类型及含量也影响R，因为外加的掺杂剂改变了膜的密度，例如掺P的氧化层比热氧化层R快得多，而掺B的氧化层比热氧化层R要慢得多第9页/共37页第九页，共38页1、SiO2腐蚀⑴⑴反应剂输送到表面；⑵⑵腐蚀剂在表面选择(xuǎnzé)、控制反应而腐蚀；⑶⑶反应副产物离开表面。

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，减少制，减少(jiǎnshǎo)对光刻胶的损伤对光刻胶的损伤第10页/共37页第十页，共38页2、氮化硅腐蚀∶￿￿￿￿￿￿￿￿￿Si3N4的湿法腐蚀∶￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿ ，腐蚀速率R~10nm/min，￿Si3N4/SiO2典型选择比10∶1；对Si3N4￿/Si，腐蚀选择比为30∶13、多晶硅腐蚀液为￿￿￿￿￿￿￿￿缺点(quēdiǎn)∶由于SiO2和多晶硅的厚度都是随颜色周期￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿变化，所以终点不易控制4、铝膜腐蚀180ºC的热磷酸的热磷酸(lín suān)中进行中进行HF∶ ∶HNO3=35∶ ∶170℃热磷酸热磷酸(lín suān),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 或磷酸酸(lín suān)：硝酸：乙酸：硝酸：乙酸=77：：3：：20第11页/共37页第十一页，共38页5、硅的腐蚀a）各向同性腐蚀：￿HF：HNO3∶HC2H3O2(乙酸）￿￿￿￿￿￿￿￿任何比例均可，只是R不同。

b）各向异性(ɡè￿xiànɡ￿yì￿xìnɡ)腐蚀∶￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿KOH系列和EPW系列KOH:异丙醇:水=23.4:13.5:63,￿<100>晶向的腐蚀速率比<111>晶向快100倍腐蚀液中无HF,可用SiO2作掩膜<111>晶向腐蚀晶向腐蚀(fǔshí)速率较速率较慢慢第12页/共37页第十二页，共38页Example application : Field Emission Tips第13页/共37页第十三页，共38页b、轻掺杂自停止腐蚀、轻掺杂自停止腐蚀(fǔshí)液：液： HF:HNO3:CH3COOH=1:3:8, （（P型硅变黑），对任何重掺杂（型硅变黑），对任何重掺杂（>1019）比轻掺杂快）比轻掺杂快15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）各向异性腐蚀自停止(tíngzhǐ)技术（选择性腐技术（选择性腐蚀）蚀）a、浓硼自停止、浓硼自停止(tíngzhǐ)（掺杂选择性腐蚀（掺杂选择性腐蚀)氢氧化钾、氢氧化钾、EPW腐蚀液，对浓硼腐蚀速率腐蚀液，对浓硼腐蚀速率(sùlǜ)大大大大减小减小第14页/共37页第十四页，共38页。

小结小结(xiǎojié)：： (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金属(jīnshǔ) 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(jīnshǔ)第15页/共37页第十五页，共38页16￿￿￿￿(zài￿xiàn)湿法腐蚀异常第16页/共37页第十六页，共38页。

四、干法刻蚀1、高压等离子(lízǐ)刻蚀￿￿￿￿￿￿比较高的气压的等离子(lízǐ)体离子(lízǐ)的能量低，主要靠等离子(lízǐ)体的化学作用主要源气为CF4.￿￿￿￿￿￿￿￿第17页/共37页第十七页，共38页ExamplesSi & SiO2源气源气CF4+O2，氧气增加，碳含量，氧气增加，碳含量(hánliàng)减少，氟含量减少，氟含量(hánliàng)增加，增加硅的腐速增加，增加硅的腐速CF4+H2,使使F离子减少，增加离子减少，增加(zēngjiā)了对二氧化硅的腐了对二氧化硅的腐速速第18页/共37页第十八页，共38页How to Control Selectivity ?第19页/共37页第十九页，共38页ExampleReason:第20页/共37页第二十页，共38页 AluminumPhoto ResistCF4+O2 （SiO2上）CF4+ H2 （Si上）Si3N4第21页/共37页第二十一页，共38页金属铝互连线刻蚀金属铝互连线刻蚀*1)铝和金属复合铝和金属复合(fùhé)层层---通常用氯基气体来刻铝纯氯刻蚀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，如加入对侧壁进行钝化，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量并能很好的控制侧壁剖面为减少微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，通常加入少量的负载效应，通常加入少量的N2VLSI/ULSI技术中，多层金属复技术中，多层金属复合合(fùhé)膜的复杂性给刻蚀带来了困难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---防止侵蚀防止侵蚀(qīnshí)残留物残留物的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刻蚀后马上去除残留的侵蚀(qīnshí)性性生成物对铝而言，侵蚀生成物对铝而言，侵蚀(qīnshí)性生性生成成物是物是AlCl3 or AlBr3,它们与水反它们与水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！第22页/共37页第二十二页，共38页 Next,CF4+O2Polysilicon First, CF4+H2H2 可以可以(kěyǐ)消消除除F，从而可以，从而可以(kěyǐ)在侧壁形成在侧壁形成不挥发的富不挥发的富C化化合物，起到保护合物，起到保护作用作用第23页/共37页第二十三页，共38页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异性刻蚀优点：优点：定向定向(dìnɡ xiànɡ)性好，实用性强；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:注意注意(zhù yì)：刻蚀的不均匀性和残：刻蚀的不均匀性和残留留第24页/共37页第二十四页，共38页3、反应离子刻蚀（RIE）￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿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。

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￿￿￿￿￿源气可以是氯气和CF4￿常用的是氯气掺杂(chān￿zá)的硅或多晶硅在氯气中的腐蚀与掺杂(chān￿zá)浓度有很大的关系，重掺杂(chān￿zá)的腐速大于轻掺杂(chān￿zá)的￿￿￿￿氯气以化学方法吸附在硅表面，阻碍Cl原子￿的进一步吸收受离子轰击使表面加快刻蚀￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿用氯刻蚀铝时注意用氯刻蚀铝时注意(zhù yì)刻蚀后及时刻蚀后及时处理处理以去除表面的以去除表面的Cl离子第25页/共37页第二十五页，共38页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，还有物理的问题，还有物理(wùlǐ)损伤和杂质推进损伤和杂质推进第26页/共37页第二十六页，共38页4、高密度等离子、高密度等离子(HDP)刻蚀刻蚀在先进在先进(xiānjìn)的制造技术中刻蚀关的制造技术中刻蚀关键层的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(zhèndàng)（（ECR) b.电感耦合等离子体（电感耦合等离子体（ICP) c.双等离子体双等离子体源（源（DPS)第27页/共37页第二十七页，共38页5、如何提高选择比a）侧壁沉积(chénjī)聚合物b）添加气体，提高选择比第28页/共37页第二十八页，共38页不同的气体(qìtǐ)比例，选择性不同c）温度对选择性的影响第29页/共37页第二十九页，共38页d）反应生成保护膜，也能提高）反应生成保护膜，也能提高(tí gāo)腐蚀的选择性腐蚀的选择性 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第30页/共37页第三十页，共38页。

干法刻蚀小结干法刻蚀小结(xiǎojié)：：1）干法刻蚀剂）干法刻蚀剂 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 Cl2第31页/共37页第三十一页，共38页2）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的原子团具的原子团具有强的反应性，它们不断轰击有强的反应性，它们不断轰击(hōngjī)表面，从而达到刻蚀的目的表面，从而达到刻蚀的目的2)离子铣离子铣: 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,各向异各向异性刻蚀性刻蚀.可刻蚀化合物可刻蚀化合物,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)感应耦合感应耦合反应器第32页/共37页第三十二页，共38页五、五、 刻蚀设计考虑刻蚀设计考虑(kǎolǜ)a、膜厚变化的影响、膜厚变化的影响b、膜刻蚀速率的变、膜刻蚀速率的变化的影响化的影响第33页/共37页第三十三页，共38页c、考虑过腐蚀、考虑过腐蚀(fǔshí)d、考虑掩模的、考虑掩模的 变化变化第34页/共37页第三十四页，共38页Example :Etching of Deep Trenches第35页/共37页第三十五页，共38页用于制作用于制作(zhìzuò)沟槽，沟槽，IC中的隔离，中的隔离，MEMS中的体硅传感中的体硅传感器等 电容沟槽电容沟槽(ɡōu cáo)要求光洁度、要求光洁度、接近垂直的侧壁、正确的深度和圆接近垂直的侧壁、正确的深度和圆滑的底角及顶角，要求很高，采用滑的底角及顶角，要求很高，采用多步工艺实现。

其中加入碳对侧壁多步工艺实现其中加入碳对侧壁钝化，防止侧壁被横向侵蚀钝化，防止侧壁被横向侵蚀第36页/共37页第三十六页，共38页感谢您的观赏(guānshǎng)！第37页/共37页第三十七页，共38页内容(nèiróng)总结一、刻蚀的目的和方法4、负载效应（不同的待刻负载下，刻蚀速率不同3:反应生成物通过扩散脱离反应表面4: 膜的形成(是热生长形成或掺杂形成)1)铝和金属(jīnshǔ)复合层---通常用氯基气体来刻铝蚀与掺杂浓度有很大的关系，重掺杂3)反应离子刻蚀(RIE)4)高密度等离子体(HDP)：其中加入碳对侧壁钝化，防止侧壁被横向侵蚀感谢您的观赏第三十八页，共38页。