半導(dǎo)體制造工藝教案8-刻蝕

1、課題序號(hào)2授課班級(jí)075電子1、2授課課時(shí)8授課形式講授授課章節(jié)名稱主題8、刻蝕使用教具多媒體教學(xué)目的1、了解刻蝕工22、掌握干法刻蝕的應(yīng)用3、了解干法刻蝕的質(zhì)量控制教學(xué)重點(diǎn)干法刻蝕的應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)干法刻蝕的質(zhì)量控制更新、補(bǔ)充、刪節(jié)內(nèi)容課外作業(yè)教學(xué)后記授課主要內(nèi)容或板書(shū)設(shè)計(jì)第8章刻蝕8.1 引言8.2 刻蝕工藝8.3 干法刻蝕的應(yīng)用8.4 干法刻蝕的質(zhì)量控制課堂教學(xué)安排教學(xué)過(guò)程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟#A刻蝕（Etching）是把進(jìn)行光刻前所淀積的薄膜（厚度約在數(shù)百到數(shù)十納米）中沒(méi)有被光刻膠覆蓋和保護(hù)的部分，用化學(xué)或物理的方式去除，以完成轉(zhuǎn)移掩膜圖形到薄膜上面的目的，如圖所示?？涛g圖形轉(zhuǎn)移示意圖新授1

2、）濕法刻蝕是利用合適的化學(xué)試劑將未被光刻膠保護(hù)的晶圓部分分解，然后形成可溶性的化合物以達(dá)到去除的目的。2）干法刻蝕是利用輝光（GlowDischarge）的方法產(chǎn)生帶電離子以及具有高濃度化學(xué)活性的中性原子和自由基，這些粒子和晶圓進(jìn)行反應(yīng)，從而將光刻圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上?？涛g的要求1 .圖形轉(zhuǎn)換的保真度高2 .選擇比3 .均勻性4 .刻蝕的清潔5 .2刻蝕工藝5.1.1 濕法刻蝕最早的刻蝕技術(shù)是利用溶液與薄膜間所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，來(lái)去除薄膜未被光刻膠覆蓋的部分，從而達(dá)到刻蝕的目的。這種刻蝕方式就是濕法刻蝕技術(shù)。濕法刻蝕又稱濕化學(xué)腐蝕，其腐蝕過(guò)程與一般化學(xué)反應(yīng)相似。由于是腐蝕樣品上沒(méi)有光刻膠覆蓋部分，因

3、此，理想的腐蝕應(yīng)當(dāng)是對(duì)光刻膠不發(fā)生腐蝕或腐蝕速率很慢?？涛g不同材料所選取的腐蝕液是不同的。1）濕法刻蝕的反應(yīng)生成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)生成物沉淀，從而影響刻蝕正常進(jìn)行。2）濕法刻蝕是各向異性的，刻蝕中腐蝕液不但浸入到縱向方向，而且也在側(cè)向進(jìn)行腐蝕。3）濕法刻蝕過(guò)程伴有放熱和放氣過(guò)程。1）反應(yīng)物擴(kuò)散到被刻蝕材料的表面。2）反應(yīng)物與被刻蝕材料反應(yīng)。3）反應(yīng)后的產(chǎn)物離開(kāi)刻蝕表面擴(kuò)散到溶液中，隨溶液被排除。5.1.2 干法刻蝕干法刻蝕是以等離子體來(lái)進(jìn)行薄膜刻蝕的一種技術(shù)。在干法刻蝕過(guò)程中，不涉及溶液，所以稱為干法刻蝕。1）物理刻蝕是利用輝光放電將氣體（比如僦氣）解離成帶正電的

4、離子，再利用偏壓將帶正電的離子加速，轟擊在被刻蝕薄膜的表面，從而將被刻蝕物質(zhì)的原子轟擊出去。2）化學(xué)刻蝕又叫做等離子刻蝕，它與物理刻蝕完全不同，它是利用等離子體，將反應(yīng)氣體解離，然后借助離子與薄膜之間的化學(xué)反應(yīng)，把裸露在等離子體中的薄膜，反應(yīng)生成揮發(fā)性的物質(zhì)而被真空系統(tǒng)抽離。1 .等離子體的概念2 .等離子體的產(chǎn)生方式（1）氣體放電法通常把在電場(chǎng)作用下，氣體被擊穿而導(dǎo)電的現(xiàn)象稱為氣體放電。（2）射線輻照法射線輻照法是利用各種射線或粒子束輻照，使得氣體電離而產(chǎn)生等離子體。3 .2.3兩種刻蝕方法的比較濕法刻蝕是在水溶液下進(jìn)行的，所以刻蝕速度較快，同時(shí)選擇度較高,但刻蝕時(shí)是各向同性腐蝕，也就是說(shuō)，

5、除了在縱向進(jìn)行腐蝕以外，在橫向上也會(huì)有腐蝕，這樣就造成圖形轉(zhuǎn)換時(shí)保真度較低，因此，濕法刻蝕不能滿足超大規(guī)模集成電路制造的要求。光刻校樽膜襯底b卜祝法和怯干法刻蝕與濕法刻蝕效果的比較8.3干法刻蝕的應(yīng)用8.3.1 介質(zhì)膜的刻蝕集成電路工藝中所廣泛用到的介質(zhì)膜主要是SiO2膜及Si3N4膜。1.二氧化硅的干法刻蝕代女地棚向注圈HWP結(jié)構(gòu)圖等離子體擴(kuò)散腔外圍磁場(chǎng)(1)氧的作用在CF4中加入氧后，氧會(huì)和CF4反應(yīng)釋放出F原子，因而增加F原子的含量，則增加了Si與SiO2的刻蝕速率，并消耗掉部分C,使得等離子體中碳與氟的比例下降。比潸分析儀商卻術(shù)出口陽(yáng)配盤歸帝/B-Ani力計(jì).外性渣9Ofrh04,TM

6、P冷卻水入LlJI_-'J1c16MH7Q00.1D.20.30.40.55在CE*一。士?jī)?nèi)的比例%】(2)氫的作用60(,=U1/ES/銀朗更贏4020高分子反應(yīng)00.10,2030了0.5出在CF&-%內(nèi)的比例(%)(3)反應(yīng)氣體在目前的半導(dǎo)體刻蝕制備中，大多數(shù)的干法刻蝕都采用CHF3與氯氣所混合的等離子體來(lái)進(jìn)行SiO2的刻蝕。2.氮化硅(Si3N4)的干法刻蝕抽真空?qǐng)A筒形結(jié)構(gòu)示意圖8.3.2多晶硅膜的刻蝕在MOS器件中，柵極部分起著核心的作用，因此柵極的寬度需要嚴(yán)格控制，因?yàn)樗砹薓OS器件的溝道長(zhǎng)度，從而與MOS器件的特性息息相關(guān)。因此，多晶硅的刻蝕必須嚴(yán)格地將掩膜上

7、的圖形轉(zhuǎn)移到多晶硅薄膜上。此外，刻蝕后的輪廓也很重要，如柵極多晶硅刻蝕后側(cè)壁有傾斜時(shí)，將會(huì)遮蔽源極和漏極的離子分布，造成雜質(zhì)分布不均勻，通道的長(zhǎng)度將隨傾斜程度的不同而改變。同時(shí)，刻蝕時(shí)要求Si對(duì)SiO2的選擇性要高，如果多晶硅覆蓋在很?。ㄐ∮?0nm）的柵極氧化層上，如果氧化層被穿透，氧化層下面的源一漏極間的Si將很快被刻蝕。因此，若采用CF4、CF6等氟離子為主的等離子體來(lái)刻蝕多晶硅，則不太合適，較低的選擇比會(huì)對(duì)器件造成損壞。8.3干法刻蝕的應(yīng)用除此之外，此類氣體還具有負(fù)載效應(yīng)，負(fù)載效應(yīng)是指當(dāng)被刻蝕的材料裸露在等離子體中的面積較大的刻蝕速率比面積小的慢，也就是局部腐蝕速率不均勻。8.3.3金

8、屬的干法刻蝕金屬鋁是目前半導(dǎo)體器件及集成電路制造中應(yīng)用最多的導(dǎo)電材料。因?yàn)殇X的導(dǎo)電性能良好，價(jià)格低廉，而且鋁膜的淀積和刻蝕都比較方便，所以鋁電極幾乎占了所有半導(dǎo)體器件及集成電路中的導(dǎo)電體。但是，隨著元器件的集成度和工藝的進(jìn)一步提高，采用金屬鋁作為電極引線也遇到了困難。這是由于在高溫下，硅原子和鋁原子容易向彼此間擴(kuò)散，從而產(chǎn)生被稱為“尖刺”的現(xiàn)象，導(dǎo)致鋁引線與MOS管接觸不好。此外，當(dāng)鋁線線條寬度設(shè)計(jì)得十分細(xì)小時(shí)，由于“電遷移”現(xiàn)象，引發(fā)鋁原子的移動(dòng)，使得鋁絲斷開(kāi)。因此，后來(lái)，人們采用銅線來(lái)取代鋁線，也有采用鋁？硅？銅合金來(lái)代替金屬鋁。但是，鋁還是目前集成電路和半導(dǎo)體器件中主流的導(dǎo)電引線。1 .

9、鋁的刻蝕2 .鋁合金的刻蝕1）將晶圓以大量的去離子水清洗。2）刻蝕之后，晶圓還在真空中時(shí)以氧氣等離子體將掩膜去除并在鋁合金表面形成氧化層來(lái)保護(hù)鋁合金。3）在晶圓移出刻蝕腔前，以氟化物的等離子體做表面處理，如CF4、CHF3,將殘留的氯置換成氟，形成A1F3,或在鋁合金表面形成一層聚合物來(lái)隔離鋁合金與氯的接觸。3 .鴇的回蝕4 .銅的腐蝕5 .3.4光刻膠的去除晶圓表面薄膜材料腐蝕完畢，必須將光刻膠去除掉，這一工序稱為去膠。常用的去膠方法有溶劑去膠、氧化去膠和等離子體去膠。下面分別加以闡述。1 .溶劑去膠2 .氧化去膠3 .等離子體去膠|一芮發(fā)|祖眼什電門等離子體去膠設(shè)備示意圖1）系統(tǒng)真空度要達(dá)到3X12-2Torr（1Torr=133.322Pa）,然后通入氧氣，并用針型閥門調(diào)節(jié)流量。2）高頻信號(hào)源的頻率是1112MHz,輸出功率為150200W。3）通入氧氣的流量4 .4干法刻蝕的質(zhì)量控制光學(xué)放射頻譜分析光學(xué)放射原理1 .光學(xué)放射頻譜分析2 .激光干涉測(cè)量激光干涉測(cè)量圖形1）激光束要聚焦在晶圓的被刻蝕區(qū)，且該區(qū)域的面積應(yīng)足夠大。2）必須對(duì)準(zhǔn)在該區(qū)域上，因而增加了設(shè)備鏡片的設(shè)計(jì)難度。3）被激光照射的區(qū)域溫度升