微电子工艺原理与技术 第11章 刻蚀.ppt

RIE对被刻蚀衬底的损伤 各种干法刻蚀的比较 刻蚀不同介质的工艺气体 为刻蚀不同的介质，需要不同的工艺气体，主要有： 等离子刻蚀中化学与物理变量的控制 主要控制的物理和化学变量有： 反应腔压强； 刻蚀功率； 反应产物； 反应器几何结构； 等离子体气体成分； 各向异性程度； 负载效应和终点灵敏性； 8.等离子体的电场方向。 实用的等离子体刻蚀工艺必须满足下列条件： 反应产物是挥发性的； 选择比率高； 刻蚀速率快； 具有好的终点灵敏性； 5.有好的各向异性刻蚀速率。 6. 高压等离子体刻蚀 高压等离子体刻蚀的特点是： 腔体压强高：~500mTorr。等离子体粒子的平均自由程小于腔体尺寸； 功率低，等离子体中的离子能量低，刻蚀主要依靠等离子体的化学反应； 下面以CF4为工艺气体，刻蚀Si、SiO2和Si3N4为例，讲述高压等离子体刻蚀的原理： 刻蚀 Si 用硅-卤键代替硅-硅键，生成挥发性的硅卤化物。 在CF4中，打破C-F键的能量是105kcal/mol，打破Si-Si 键的能量是42.2kcal/mol。用CF4刻蚀Si，这两种能量的和必须小于Si-F键的键能：130kcal/mol。 C v F + Si v Si = Si -F + 17 kcal/mol v 表示键打破 用CF4刻蚀Si和SiO2 等离子体化学相当复杂，简要地介绍用CF4作工艺气体，对Si和SiO2的刻蚀。 等离子刻蚀的机理包括物理作用和化学作用。辉光放电后，高能电子轰击CF4分子，使C-F键断裂，产生CF3+等许多离子和CF3、CF2、CF、C、F等原子团，其中，CF3+是最丰富的离子。高活性原子团和正离子轰击放置于阴极表面的圆片，使Si-Si键断裂，产生不饱和键表面，并与F原子结合成有挥发性的SiF4， 直接排离表面，形成刻蚀的结果。而形成的SiF2是与表面Si成键结合的，与后续F和CFx原子团的继续结合，也能排离表面。如后图所示。 C虽然也能与表面Si的不饱和键结合，但SiC是非挥发的，不起刻蚀作用，反而会屏蔽F与Si的结合，降低刻蚀效果。 CF4等离子体刻蚀Si的机理 1.在腔体中通入少量O2能使C以CO2形式排除，提高刻蚀 效果。加入12%的O2，可增加一个量级的F浓度，对硅的刻蚀速率也提高一个数量级。更大的氧浓度将使硅表面氧化，反而降低刻蚀速率。所以 CF4-O2是刻蚀Si和多晶硅的合适气体。 几种刻蚀技巧 * * 微电子工艺原理与技术 （09 研究生） 第十一章 刻蚀 主要内容 刻蚀的品质指标； 湿法刻蚀； 化学机械抛光； 等离子刻蚀的分类； 5.反应离子刻蚀； 6.高压等离子刻蚀； 7.等离子刻蚀的终点检测； 8.离子铣； 9.剥离技术。 1. 刻蚀的品质指标 刻蚀是在光刻后将图形转移到圆片上的必要工艺。刻蚀分湿法和干法。刻蚀好坏的指标主要有： 刻蚀速率 即单位时间内刻蚀介质的厚度。太高和太低的刻蚀速率都不可取，通常选用每分几百到几千埃的速率。应注意单片和多片同时刻蚀的速率差别。 2.刻蚀的均匀性 指每圆片不同区域的刻蚀速率（厚度）的一致性。在多片同时刻蚀时也可指片与片间刻蚀速率的差别。 3.刻蚀的选择性 指刻蚀时对圆片上不同介质刻蚀速率的差别。通常选择性越高越好，一般为15：1以上。 4.刻蚀的方向性 指刻蚀时介质的不同方向（一般指纵向和横向）的刻蚀速率差别，通常越高越好。 5. 钻蚀 指对光刻胶掩膜下的侧向刻蚀。各种刻蚀方法都不能获得完全陡直的界面，但选择性好的刻蚀方法可以得到较小的侧向刻蚀。 离子铣是利用惰性气体离子轰击的完全物理行为，几乎没有侧向刻蚀。而湿法刻蚀则完全利用化学行为，有最大的侧向刻蚀。 刻蚀损伤 指在刻蚀过程中对衬 底的损伤。特别是对 衬底中器件性能的影 响。 2. 湿法刻蚀 湿法刻蚀工艺是完全的化学反应过程。它由三个步骤组成：刻蚀剂与圆片表面接触；刻蚀剂与暴露介质发生化学反应，生成可溶性副产物；从圆片表面排除反应生成物。为了使湿法刻蚀在光刻后的暴露介质上均匀地进行，必须做到下面几点： 必须保证光刻窗口的彻底显影，不留残胶。通常在湿法腐蚀前将圆片在O2等离子体中处理10秒，以去除底膜。 要保证腐蚀液的浓度、温度均匀。通常采用搅拌或晃动的方法实现，但大批量腐蚀时要及时更换腐蚀液。 3. 在腐蚀液与介质反应有气体生成时，采用合适的方法去除吸附在腐蚀窗口的气泡。超声除气虽然效果好，但会使光刻胶移位或脱落，通常还是采用搅拌法。 湿法腐蚀的特点 湿法腐蚀有以下特点： 各向同性，纵向和横向腐蚀速率相同； 优良的选择性，对不同的材料采用不同的腐蚀液； 工艺控制性差，温度、浓度等对腐蚀有很大影响； 工艺过程中产生气泡、颗粒等影响腐蚀