1、第 11 章 刻 蝕去膠顯影（第 1 次圖形轉移）刻蝕（第 2 次圖形轉移）選擇曝光微細加工-刻蝕 對刻蝕的要求 1、適當的刻蝕速率 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、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、安全環保 微細加工-刻蝕 鉆蝕（undercut）現象 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，

2、有嚴重的鉆蝕。微細加工-刻蝕刻蝕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；產生的化學廢物也少得多。 微細加工-刻蝕 11.1 濕法刻蝕 濕法刻蝕是一種純粹的化學反應過程。 優點 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

3、學反應時往往伴隨放熱與放氣，導致腐蝕不均勻。微細加工-刻蝕 常用腐蝕液舉例 1、SiO2 腐蝕液 BHF：28 ml HF + 170 ml H2O + 113 g NH4F 2、Si 腐蝕液 Dash etch: 1 ml HF + 3 ml HNO3 + 10 ml CH3COOH Sirtl etch: 1 ml HF + 1 ml CrO3 ( 5 M 水溶液 ) Silver etch: 2 ml HF + 1 ml HNO3 + 2 ml AgNO3（0.65 M 水溶液），（用于檢測外延層缺陷） Wright etch: 60 ml HF + 30 ml HNO3 + 60 ml

4、 CH3COOH + 60 ml H2O + 30 ml CrO3 ( 1g in 2 ml H2O ) + 2g (CuNO3)23H2O ，（此腐蝕液可長期保存） 微細加工-刻蝕 3、Si3N4 腐蝕液 HF H3PO4 ( 140oC 200oC ) 4、Al 腐蝕液 4 ml H3PO4 + 1ml HNO3 + 4 ml CH3COOH + 1ml H2O ， （35 nm/min） 0.1M K2Br4O7 + 0.51 M KOH + 0.6 M K3Fe(CN)6 ， （1 m/min ，腐蝕時不產生氣泡） 5、Au 腐蝕液 王水：3 ml HCl + 1ml HNO3 ，（2

5、5 50 m/min） 4g KI +1g I + 40 ml H2O（0.5 1 m/min，不損傷光刻膠）微細加工-刻蝕 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）微細加工-刻蝕 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 激發態的游離基 和 化學性質活潑的中性原子團。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 ，從而產生揮發性的硅鹵化合物。微細加工-刻蝕 刻蝕硅基材

6、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。微細加工-刻蝕 二、等離子體刻蝕反應器 1、圓筒式反應器 這種反

7、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生損傷，同時可使刻蝕均勻。Vacuum pumpGas inRF electrodeRFgeneratorWafersQuartz boatWafersReaction chamber微細加工-刻蝕 典型工藝條件 射頻頻率：13.56 MHz 射頻功率：300 600 W 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 10 Torr 分辨率：2 m 微細加工-刻蝕 1、為各

8、向同性腐蝕，存在側向鉆蝕，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小；微細加工-刻蝕 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。微細加工-刻蝕 非揮發性的反應產物在側壁的淀積也可實現一定程度的各向異性刻蝕。微細加工-刻蝕 典型工藝條件 射頻頻率：13.56 MHz 工作氣體：F 基、Cl 基（可加少量 He、Ar、H2、O2

9、 等） 氣壓：10-2 1 Torr 分辨率：0.5 1 m微細加工-刻蝕 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。微細加工-刻蝕 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量盡可能接近靶原子。

10、1、質量 質量為 M2 的靶原子從質量為 M1 的入射離子獲得的能量為微細加工-刻蝕 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。微細加工-刻蝕 相對濺射率：在單位離子束電流密度下，單位時間內加工表面的減薄量，記為 濺射率與入射角的關系 入射角：靶平面法線與入射

11、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目，也稱為濺射產率，記為 S 。濺射率 S 是入射角 的函數。030o60o90o 式中，n 代表被濺射材料的原子密度。微細加工-刻蝕 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，離子將進入固體內較深的區域，這時表面濺射反而減小，成為 離子注入 。微細加工-刻蝕 幾種常用材料的相對濺射率（條件：Ar+，1 kV，1mA/cm2，510-5 Torr，單位 nm/min） Si : 36， GaAs : 260， SiO2 (熱氧化) : 42， Al : 44， Au : 1

12、60， Cr : 20， KTER : 39， AZ1350 : 60， PMMA : 84， 上述數據說明，離子濺射的選擇比很差。微細加工-刻蝕 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 10-4 Torr ，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+。 優點：無需掩模

13、與光刻膠，刻蝕深度范圍大。 缺點：刻蝕效率低，設備復雜昂貴。微細加工-刻蝕接地電極（陽極）等離子體區（亮區）電位降區（暗區）浮空電極（陰極）射頻發生器 工作原理（以射頻型為例）微細加工-刻蝕 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微細加工-刻蝕 三、離子束濺射刻蝕的特點 優點 1、入射離子有很強的方向性，為各向異性刻蝕，無側向鉆蝕，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。微細加工-刻蝕 缺點 1、選擇比差 對不同材料

14、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，效率低微細加工-刻蝕 4、有再淀積效應 3、有側向刻蝕 5、圖形邊緣出現溝槽 微細加工-刻蝕 簡稱為 RIE，但是其更恰當的名稱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，區別是要通入腐蝕性氣體如 Cl 基、F 基氣體，而離子銑

15、刻蝕用的是惰性氣體。陰極多孔陽極射頻源氣體微細加工-刻蝕 反應離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優點，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 ，反應過程會在側壁上形成保護性的聚合物薄膜，進一步提高了各向異性。微細加工-刻蝕 典型工藝條件 射頻頻率：13.56

16、MHz 工作氣體：Cl 基、F 基 氣壓：10-1 10-3 Torr 分辨率：0.1 0.2 m刻蝕速率：100 200 nm/min微細加工-刻蝕 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。微細加工-刻蝕 11

17、.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果相同。微細加工-刻蝕 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，為了使有膠區和無膠區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微細加工-刻蝕 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。 物理刻蝕的選擇比小；化學刻蝕的選擇比大。 可以通過調節工作氣體的種類、氣壓、電