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第一章绪论第二章现代CMOS工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成1微电子工艺学1SubstrateFilmdepositionPhotoresistapplicationDepositedFilmPhotoresistExposureDevelopmentEtchingResistremovalMaskEtchmaskLight22第十章刻蚀在微电子制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的。图形转移＝光刻＋刻蚀•Etchingofthinfilmsandsometimesthesiliconsubstrateareverycommonprocesssteps.•Usuallyselectivity,anddirectionalityarethefirstorderissues.•Selectivitycomesfromchemistry;directionalityusuallycomesfromphysicalprocesses.Modernetchingtechniquestrytooptimizeboth.刻蚀速率R(etchrate)单位时间的刻蚀厚度，典型值为几百至几千Å/min。刻蚀均匀性(etchuniformity)个基片内不同地方或几个基片之间刻蚀速率变化的百分比选择性S(Selectivity)刻蚀液对不同材料刻蚀速率的比值各项异性度Af(Anisotropy)沿衬底表面横向与纵向刻蚀速率的差异，0≤A≤1掩膜层下刻蚀(Undercut)横向单边的过腐蚀量刻蚀品质因素（figuresofmerit）12rS=r3待刻材料的刻蚀速率待刻材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率掩膜或下层材料的刻蚀速率latver=1frAr−横向刻蚀速率横向刻蚀速率纵向刻蚀速率纵向刻蚀速率a)isotropicb)anisotropicc)completelyanisotropicMoredirectionaletchingAf＝00Af1Af=1方向性：4过腐蚀（钻蚀）：假定S＝∞Uniformity/non-uniformity均匀性/非均匀性highlowhighlowR-RR+RU=Rhigh:最大刻蚀速率Rlow:最小刻蚀速率=1bAd−刻蚀要求:1.得到想要的形状（斜面还是垂直图形）2.过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10％，以保证整片刻蚀完全）3.选择性好4.均匀性和重复性好5.表面损伤小6.清洁、经济、安全两类刻蚀方法：¾湿法刻蚀—化学溶液中进行反应刻蚀，选择性好；¾干法刻蚀—气相化学刻蚀（选择性好）或物理刻蚀（方向性好），或二者兼而有之。55湿法化学刻蚀分类浸入式湿法刻蚀喷洒式湿法刻蚀刻蚀方式将基片浸入刻蚀溶液向基片上喷洒刻蚀溶液主要参数刻蚀液浓度、时间、温度以及溶液的搅拌方式优点刻蚀选择性好、设备简单、损伤少、产量（刻蚀速率）大缺点易污染、各向异性差（特别是对金属和氧化物），如果刻蚀速率和时间控制不精确，通常会有钻蚀（undercut）或侧蚀。10.1湿法化学刻蚀使用特定的溶液与需要被刻蚀的薄膜材料进行化学反应，选择性地刻蚀掉该薄膜层上未被掩蔽的部分。刻蚀过程包括三个基本阶段：¾反应物质量输运（Masstransport）到要被刻蚀的表面；¾在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应；¾反应产物从表面向外扩散的过程。6resistSiO2SiSiO2resist参数说明控制难度浓度溶液浓度（例如腐蚀二氧化硅的溶液NH4F与HF的比例）难度最大，因为刻蚀过程中溶液浓度一直在变时间硅片浸在湿法化学腐蚀液中的时间相对容易温度湿法化学腐蚀液的温度相对容易搅拌湿法化学腐蚀液的搅动完全控制有一定难度批数为减少颗粒污染，保持适当腐蚀强度，一定批次后必须更换溶液相对容易湿法刻蚀参数控制一般来说，湿法刻蚀的特征尺寸不小于3μm。目前，湿法化学刻蚀通常用于多晶硅、氧化物、氮化物、金属和Ш-Ⅴ族化合物的表面刻蚀。光刻胶被刻蚀薄膜刻蚀偏差基片湿法化学刻蚀造成的侧蚀788（1）各向同性刻蚀刻蚀剂（HNA）：硝酸（HNO3）+氢氟酸（HF）+水或醋酸（CH3COOH）（2）各向异性刻蚀硅的湿法化学刻蚀中，用一些方法可以实现定向刻蚀：¾掺杂浓度不一样，导致刻蚀速率不一样常用掺杂选择刻蚀液：HF／HNO3／CH3COOH（1:3:8），它对于重掺杂硅的刻蚀速率是轻掺杂硅刻蚀速率的15倍。¾不同晶面的原子键密度不一样，导致刻蚀速率不一样一些刻蚀剂对某一晶面的刻蚀速度比其它晶面快得多。对硅单晶，几乎所有各向异性刻蚀液的刻蚀速率均为：R（100）R（110）R（111）32222262Si4HNO=SiO+2HO+4NOSiO+6HF=HSiF+2HO+1.硅的刻蚀原子密度：111110100腐蚀速度：R(100)≅100R(111)54.7°SiO2（100）（111）W0Wbl02cot54.7bWWl=−°99通过（100）晶面上窗口图形的刻蚀如果在（100）面上（110）和（10）方向开一个正方形（或矩形）窗口，则当腐蚀液在（100）面上腐蚀晶体时，实际得到的是一个上宽下窄的四棱锥体。如果适当控制腐蚀时间，则得到的腐蚀坑为四棱台。1常用的硅各向异性刻蚀剂：•联氨（H2N-NH2）•乙二胺-邻苯二酚-水混合液（EPW，H2N(CH2)2NH2-C6H4(OH)2-H2O）•氢氧化钾（KOH）•四甲基氢氧化铵水溶液（TMAH，(CH3)4NOH）自终止1010（100）晶向硅刻蚀后的SEM照片硅各向异性刻蚀过程演示利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）结构多晶硅的刻蚀与单晶硅类似，但大量晶界存在使刻蚀速率明显增大，通常需调整刻蚀液以避免多晶硅下栅氧化层受到腐蚀。此外，掺杂浓度和温度对刻蚀速率也有一定影响。在MEMS器件制备上应用较多1212¾氢氟酸（HF）溶液刻蚀：¾氢氟酸缓冲溶液（BHF，bufferedHFsolution）或氧化层缓冲刻蚀液（BOE，bufferedoxideetch）：加入氟化铵（NH4F）→控制溶液pH值；补充氟离子在反应过程中的损耗，保持稳定的刻蚀速率；降低对光刻胶的刻蚀。¾气相HF刻蚀二氧化硅的刻蚀速率取决于刻蚀溶液浓度、温度和搅拌情况等因素。此外，氧化层的化学计量比、密度、孔隙率、微结构以及杂质浓度和类型等都对刻蚀速率有一定影响。3.氮化硅的刻蚀热磷酸（H3PO4）或常温下的浓HF溶液和BOE，可以对硅的氮化物进行刻蚀。温度为180°C时，85％的磷酸溶液可以二氧化硅为掩模对硅的氮化物进行选择性刻蚀，典型刻蚀速率为10nm/min。2622SiO+6HF=SiF+2HO+H43NHF=NH+HF2.二氧化硅的刻蚀3434232423SiNHPOHO=NONOHPOHSiO−−++↑+++1313部分绝缘体和导体的湿法化学刻蚀剂先将材料溶解，然后转变为可溶的盐类或化合物。先将材料溶解，然后转变为可溶的盐类或化合物。resistSiO2SiresistSiO2Si1410.2干法刻蚀在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：•湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性；•干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀分辨率较低；•湿法腐蚀需大量腐蚀性试剂，对人体和环境有害；•湿法腐蚀需大量化学试剂冲洗腐蚀剩余物，不经济。利用等离子体激活的化学反应或者利用高能离子束轰击完成去除物质的刻蚀方法。因为在刻蚀中不使用化学溶液，所以称为干法刻蚀。ReplacewetprocessesinVLSI–directional(anisotropic)etching,fasterandsimpler,(less)selectivebutdoesnotdegradePRadhesionassomewetstepsdo.1515干法刻蚀分类等离子刻蚀溅射刻蚀／离子铣反应离子刻蚀刻蚀原理辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生反应形成挥发性产物高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使其产生损伤并去除损伤两种方法结合刻蚀过程化学（物理效应很弱）物理化学＋物理主要参数刻蚀系统压力、功率、温度、气流以及相关可控参数优点各向异性好、工艺控制较易且污染少缺点刻蚀选择性相对较差、存在刻蚀损伤、产量小并无明显界限，化学反应和物理作用都可能发生，具体刻蚀模式取决于系统压力、温度、气流、功率及相关可控参数。SputteringoftheelectrodecontaminantsEtchingin“theplasmamode”Lossofefromtheplasma=positivebiasoftheplasma1616ElectrodeGroundGasinlet(Ar,CF4,O2)Gasoutlet,pumpMatchingnetworkRFgeneratorPlasmaRFpowerinputElectrodePlasmasheathsParallelplatesystemLowpressureTypicalRF-poweredplasmaetchsystemlookjustlikePECVDorsputteringsystems.刻蚀原理：辉光放电产生的活性粒子，与需要刻蚀的材料发生反应，形成挥发性产物.•Electrodeshaveequalareas(orwaferelectrodeisgroundedwithchamberandlarger)•Onlymoderatesheathvoltage(10-100V),soonlymoderateioniccomponent.Strongchemicalcomponent.•Etchingcanbefairlyisotropicandselective.•Smalldamage•Pressure100mtorr-1torr优点：有较高刻蚀速率、较好刻蚀选择性和较低刻蚀损伤。缺点：存在各向同性倾向。一、常用干法刻蚀系统1.等离子体刻蚀（PlasmaEtching）¾化学活性物质（反应剂，自由基）在等离子体中产生；¾反应剂扩散通过气体边界层到达衬底表面；¾反应剂被衬底表面吸附；¾衬底表面发生化学反应生成挥发性化合物；¾挥发性化合物从衬底表面解吸，通过扩散回到等离子体中，由真空装置抽出。1717Etchant(freeradical)creationMaskFilmEtchantadsorptionEtchanttransferEtchant/filmreactionByproductremovale-+Etchingdonebyreactiveneutralspecies,suchas“freeradicals”(e.g.F,CF3)→43e+CFCF+F+e−−→44F+SiSiFBindtootheratomsAdditiveslikeO2canbeusedwhichreactwithCF3andreduceCF3+Frecombination.\(moreF)higheretchrate.LargerO2concentration五个基本工艺步骤：18溅射刻蚀过程中，衬底在真空反应室内被置于负电位的固定器上。导入的氩气在反应室内离化成带正电荷的高能（500eV）氩离子，在电场中加速轰击位于阴极固定器上的衬底薄膜表面，如果轰击离子传递给被撞原子的能量比原子的结合能（几到几十eV）大，就会使被撞原子脱离原来位置飞溅出来，形成溅射刻蚀。优点：具有较好的各向异性。缺点：刻蚀选择性较差、刻蚀速率较小且会造成一定的刻蚀损伤。182.溅射刻蚀（IonBeamEtching，IBE）500eV•Canetchalmostanything.•Sputteretching,usesAr+.•Damagetowafersurfaceanddevicescano