微細(xì)加工-11-刻蝕

第

11

章刻蝕去膠顯影（第

1次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第

2

次圖形轉(zhuǎn)移）選擇曝光

對(duì)刻蝕的要求

1、適當(dāng)?shù)目涛g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(nèi)、片間、批次間）刻蝕均勻性一般為。大量硅片同時(shí)刻蝕時(shí)，刻蝕速率會(huì)減小，這稱為刻蝕的

負(fù)載效應(yīng)。

3、選擇比大選擇比指對(duì)不同材料的刻蝕速率的比值。

4、鉆蝕小

5、對(duì)硅片的損傷小

6、安全環(huán)保

鉆蝕（undercut）現(xiàn)象對(duì)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，有嚴(yán)重的鉆蝕?？涛g技術(shù)濕法干法化學(xué)刻蝕電解刻蝕離子銑刻蝕（物理作用）等離子體刻蝕（化學(xué)作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學(xué)作用）

刻蝕技術(shù)的種類與濕法化學(xué)刻蝕相比，干法刻蝕對(duì)溫度不那么敏感，工藝重復(fù)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(chǎn)生的化學(xué)廢物也少得多。

11.1濕法刻蝕

濕法刻蝕是一種純粹的化學(xué)反應(yīng)過程。

優(yōu)點(diǎn)

1、應(yīng)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(diǎn)的控制；

3、操作簡單，成本低，適宜于大批量加工。

缺點(diǎn)

1、為各向同性腐蝕，容易出現(xiàn)鉆蝕；

2、由于液體存在表面張力，不適宜于腐蝕極細(xì)的線條；

3、化學(xué)反應(yīng)時(shí)往往伴隨放熱與放氣，導(dǎo)致腐蝕不均勻。

常用腐蝕液舉例

1、SiO2

腐蝕液

BHF：28

mlHF+170

mlH2O+113

gNH4F

2、Si

腐蝕液

Dashetch:1

mlHF+3

mlHNO3+10

mlCH3COOH

Sirtletch:1

mlHF+1

mlCrO3(5

M

水溶液)Silveretch:2

mlHF+1

mlHNO3+2

mlAgNO3（0.65

M

水溶液），（用于檢測(cè)外延層缺陷）

Wrightetch:60

mlHF+30

mlHNO3+60

mlCH3COOH+60

mlH2O+30

mlCrO3(1g

in

2

mlH2O)+2g(CuNO3)23H2O，（此腐蝕液可長期保存）

3、Si3N4

腐蝕液

HFH3PO4(140oC~200oC)

4、Al

腐蝕液

4

mlH3PO4+1mlHNO3+4

mlCH3COOH+1mlH2O，（35

nm/min）

0.1MK2Br4O7+0.51

MKOH+0.6

MK3Fe(CN)6

，（1

m/min，腐蝕時(shí)不產(chǎn)生氣泡）

5、Au

腐蝕液

王水：3

mlHCl+1mlHNO3

，（25~50

m/min）

4gKI+1gI+40

mlH2O（0.5~1

m/min，不損傷光刻膠）

11.3干法刻蝕基本分類等離子體刻蝕（化學(xué)作用）反應(yīng)離子刻蝕（物理化學(xué)作用）離子銑刻蝕（物理作用）

11.4等離子體刻蝕

一、等離子體刻蝕機(jī)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(fā)態(tài)的游離基

和

化學(xué)性質(zhì)活潑的中性原子團(tuán)。正是利用游離基和中性原子團(tuán)與被刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng)，來達(dá)到刻蝕的目的。對(duì)硅基材料的基本刻蝕原理

是用“硅--鹵”鍵代替“硅--硅”鍵，從而產(chǎn)生揮發(fā)性的硅鹵化合物。

刻蝕硅基材料時(shí)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(huì)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(qiáng)化學(xué)反應(yīng)性的原子團(tuán)。

CF4

等離子體對(duì)

Si

和

SiO2

有很高的刻蝕選擇比，室溫下可高達(dá)

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(duì)Si的刻蝕速率

；摻入少量氫氣則可提高對(duì)

SiO2的刻蝕速率，從而適合刻蝕

Si

上的

SiO2。

二、等離子體刻蝕反應(yīng)器

1、圓筒式反應(yīng)器這種反應(yīng)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(chǎn)生損傷，同時(shí)可使刻蝕均勻。VacuumpumpGasinRFelectrodeRFgeneratorWafersQuartzboatWafersReactionchamber

典型工藝條件射頻頻率：13.56MHz

射頻功率：300~600W

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）：0.1~10Torr

分辨率：2

m

1、為各向同性腐蝕，存在側(cè)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(yīng)器的

缺點(diǎn)

2、負(fù)載效應(yīng)大，刻蝕速率隨刻蝕面積的增大而減小；

2、平板式反應(yīng)器射頻源陰極陽極氣體硅片放在陽極上。這種刻蝕以化學(xué)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(jìn)原子團(tuán)與硅片之間的化學(xué)反應(yīng)，提高刻蝕速率，同時(shí)使刻蝕具有一定的各向異性，使分辨率有所提高。非揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物在側(cè)壁的淀積也可實(shí)現(xiàn)一定程度的各向異性刻蝕。

典型工藝條件射頻頻率：13.56MHz

工作氣體：F

基、Cl

基（可加少量

He、Ar、H2、O2等）

氣壓：10-2~1Torr

分辨率：0.5~1

m

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(jī)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(dāng)傳遞給固體原子的能量超過其結(jié)合能（幾到幾十電子伏特）時(shí)，固體原子就會(huì)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(shí)，可再將其它晶格原子碰撞出來。

選擇離子的原則

令，可得，且，這時(shí)靶原子可獲得最大能量，即。所以為獲得最好的濺射效果，應(yīng)選擇入射離子使其質(zhì)量盡可能接近靶原子。

1、質(zhì)量質(zhì)量為

M2

的靶原子從質(zhì)量為

M1

的入射離子獲得的能量為

2、要求入射離子對(duì)被刻蝕材料的影響盡量小

3、容易獲得例如，若要對(duì)

SiO2

進(jìn)行濺射加工，根據(jù)要求

2，入射離子應(yīng)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(duì)比較容易獲得的。

相對(duì)濺射率：在單位離子束電流密度下，單位時(shí)間內(nèi)加工表面的減薄量，記為

濺射率與入射角的關(guān)系

入射角：靶平面法線與入射離子束的夾角，記為。

濺射率：由一個(gè)入射離子濺射出來的原子或分子的數(shù)目，也稱為濺射產(chǎn)率，記為

S

。濺射率

S

是入射角的函數(shù)。030o60o90o式中，n

代表被濺射材料的原子密度。

濺射率與離子能量的關(guān)系式中，V0

為臨界電壓，對(duì)金屬靶約為

25

V。入射離子能量更高時(shí)，離子將進(jìn)入固體內(nèi)較深的區(qū)域，這時(shí)表面濺射反而減小，成為

離子注入

。幾種常用材料的相對(duì)濺射率（條件：Ar+，1

kV，1mA/cm2，5×10-5

Torr，單位

nm/min）

Si:36，

GaAs:260，SiO2(熱氧化):42，

Al:44，Au:160，Cr:20，

KTER:39，

AZ1350:60，

PMMA:84，

上述數(shù)據(jù)說明，離子濺射的選擇比很差。

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

~10-4Torr，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(shè)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(yōu)點(diǎn)：無需掩模與光刻膠，刻蝕深度范圍大。

缺點(diǎn)：刻蝕效率低，設(shè)備復(fù)雜昂貴。接地電極（陽極）等離子體區(qū)（亮區(qū)）電位降區(qū)（暗區(qū)）浮空電極（陰極）射頻發(fā)生器工作原理（以射頻型為例）

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

三、離子束濺射刻蝕的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1、入射離子有很強(qiáng)的方向性，為各向異性刻蝕，無側(cè)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(jìn)行，刻蝕過程不易受污染。

缺點(diǎn)

1、選擇比差對(duì)不同材料的刻蝕速率的差別小于3倍，對(duì)光刻膠及下層材料的選擇比常接近于1:1，甚至對(duì)光刻膠的刻蝕速率更快。選擇比差的后果是，第一，當(dāng)采用掩模方式時(shí)，刻蝕深度受到限制；第二，刻蝕終點(diǎn)難以控制，容易損傷下層材料。

2、刻蝕速度慢，效率低

4、有再淀積效應(yīng)

3、有側(cè)向刻蝕

5、圖形邊緣出現(xiàn)溝槽簡稱為

RIE，但是其更恰當(dāng)?shù)拿Q應(yīng)該是離子輔助刻蝕。

11.6反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)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(qū)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(qū)別是要通入腐蝕性氣體如

Cl

基、F

基氣體，而離子銑刻蝕用的是惰性氣體。陰極多孔陽極射頻源氣體

反應(yīng)離子刻蝕具有等離子體刻蝕的刻蝕速率快的優(yōu)點(diǎn)，而且比等離子體刻蝕還要快，同時(shí)又具有離子銑刻蝕的各向異性因而分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。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(xué)活性；2、離子轟擊可使反應(yīng)氣體更容易穿透表面的阻礙物而達(dá)到反應(yīng)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(cè)面的刻蝕要快得多。當(dāng)使用某些混合氣體如

BCl3、CCl4、SiCl4，反應(yīng)過程會(huì)在側(cè)壁上形成保護(hù)性的聚合物薄膜，進(jìn)一步提高了各向異性。

典型工藝條件射頻頻率：13.56

MHz

工作氣體：Cl

基、F

基氣壓：10-1~10-3Torr

分辨率：0.1~0.2

m刻蝕速率：100~

200

nm/min

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(duì)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(xiàn)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(shí)，減少刻蝕時(shí)的沾污，降低刻蝕損傷。

11.9剝離技術(shù)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(dāng)采用正膠時(shí)，獲得的金屬圖形與掩模版上的圖形相反，這與采用負(fù)膠及刻蝕工藝所得到的結(jié)果相同。

光刻膠的剖面輪廓有

頂切式、底切式

和

直壁式

三種。

對(duì)于剝離工藝，為了使有膠區(qū)和無膠區(qū)的金屬薄膜很好地分離，希望獲得底切式的輪廓。對(duì)

PMMA

正性光刻膠在采取雙層膠技術(shù)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物理刻蝕為各向異性，無鉆蝕，分辨率好；化學(xué)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(xué)刻蝕的選擇比大。可以通過調(diào)節(jié)工作氣體的種類、氣壓、電極方式和電壓等來控制刻蝕剖面的形狀和選擇比。

11.10小結(jié)

1、工作氣體若只采用

Ar

等惰性氣體，則發(fā)生純物理的濺射刻蝕；若只采用

F

基、Cl

基等活潑氣體，則發(fā)生純化學(xué)的等離子體刻蝕。而混合氣體的刻蝕速率遠(yuǎn)大于兩類單一氣體刻蝕速率之和。

2、氣壓氣壓越低，物理作用越強(qiáng)；氣壓越高，化學(xué)作用越強(qiáng)。

3、電極若晶片置于陰極，則物理作用較強(qiáng)；若晶片置于陽極，則物理作用較弱；在圓筒式反應(yīng)器中，晶片不置于電極上，則無物理作用。