光刻與刻蝕工藝

1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing第六章 光刻與刻蝕工藝張道禮張道禮 教授教授Email: Email: zhang-zhang-Voice: 87542894Voice: 87542894圖形轉(zhuǎn)移光 刻刻 蝕薄膜制備摻 雜 擴散摻雜離子注入摻雜物理氣相淀積化學(xué)氣相淀積外 延微電子單項工藝6.1 6.1 概述概述 基本工藝步驟：平面工藝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)今的集成電路(IC)工藝。顯示平面工藝的幾個主要步驟包含氧化(oxidation)、光刻(1ithography)、離子注入(ion implant)和金屬化(metallization)。6.1 6.1 概述概述

2、氧化：氧化：高品質(zhì)SiO2的成功開發(fā)，是推動硅(Si)集成電路成為商用產(chǎn)品主流的一大動力。一般說來， SiO2可作為許多器件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴散或離子注入的阻擋層。如在p-n結(jié)的制造過程中， SiO2薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。圖 (a)顯示一無覆蓋層的硅晶片，正準(zhǔn)備進行氧化步驟。在氧化步驟結(jié)束后，一層SiO2就會均勻地形成在晶片表面。為簡化討論，圖 (b)只顯示被氧化晶片的上表層。6.1 6.1 概述概述光刻光刻技術(shù)被用來界定p-n結(jié)的幾何形狀。在形成SiO2之后。利用高速旋轉(zhuǎn)機，將晶片表面旋涂一層對紫外光敏感的材料，稱為光刻膠(photo-resist)。將晶片從旋轉(zhuǎn)機拿下

3、之后圖 (c)，在80C100C之間烘烤。以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化光刻膠，加強光刻膠與晶片的附著力。如圖 (d)所示，下一個步驟使用UV光源，通過一有圖案的掩模版對晶片進行曝光。對于被光刻膠覆蓋的晶片在其曝光的區(qū)域?qū)⒁罁?jù)光刻膠的型態(tài)進行化學(xué)反應(yīng)。而被暴露在光線中的光刻膠會進行聚合反應(yīng)，且在刻蝕劑中不易去除。聚合物區(qū)域在晶片放進顯影劑(developer)后仍然存在，而未被曝光區(qū)域(在不透明掩模版區(qū)域之下)會溶解并被洗去。6.1 6.1 概述概述圖 (a)為顯影后的晶片。晶片再次于120180 之間烘烤20min，以加強對襯底的附著力和即將進行的刻蝕步驟的抗蝕能力。然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕

4、液來移除沒有被光刻膠保護的一。氧化硅表面，如圖4(b)所示。最后，使用化學(xué)溶劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠。圖 (c)顯示光刻步驟之后，沒有氧化層區(qū)域(一個窗戶)的最終結(jié)果。晶片此時已經(jīng)完成準(zhǔn)備工作，可接著用擴散或離子注入步驟形成p-n結(jié)。6.1 6.1 概述概述在擴散擴散方法中，沒有被SiO2保護的半導(dǎo)體表面暴露在相反型態(tài)的高濃度雜質(zhì)中。雜質(zhì)利用固態(tài)擴散的方式，進入半導(dǎo)體晶格。在離子注入時，將欲摻雜的雜質(zhì)離子加速到一高能級，然后注入半導(dǎo)體內(nèi)。 SiO2可作為阻擋雜質(zhì)擴散或離子注入的阻擋層。在擴散或離子注入步驟之后，p-n結(jié)已經(jīng)形成，如圖(d)所示。由于被注入的離子橫向擴散

5、或橫向散開(lateral straggle，又譯橫向游走)的關(guān)系，P型區(qū)域會比所開的窗戶稍微寬些。6.1 6.1 概述概述在擴散或離子注入步驟之后，歐姆接觸和連線在接著的金屬化金屬化步驟完成圖 (e)。金屬薄膜可以用物理氣相淀積和化學(xué)氣相淀積來形成。光刻步驟再度用來定義正面接觸點，如圖 (f)所示。一相似的金屬化步驟可用來定義背面接觸點，而不用光刻工藝。一般而言，低溫(500。C)的退火步驟用來促進金屬層和半導(dǎo)體之間的低電阻接觸點。隨著金屬化的完成，p-n結(jié)已經(jīng)可以工作了。6.1 6.1 概述概述 圖形轉(zhuǎn)移(pattern transfer)是微電子工藝的重要基礎(chǔ)，其作用是使器件和電路的設(shè)計

6、從圖紙或工作站轉(zhuǎn)移到基片上得以實現(xiàn)，我們可以把它看作是一個在襯底上建立三維圖形的過程，包括光刻和刻蝕兩個步驟。 光刻 (lithography，又譯圖形曝光 )：使用帶有某一層設(shè)計幾何圖形的掩模版(mask)，通過光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過曝光和顯影，使光敏的光刻膠在襯底上形成三維浮雕圖形。將圖案轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體晶片上的感光薄膜層上(稱為光致光刻膠、光刻膠或光阻，resist，簡稱光刻膠)的一種工藝步驟。 這些圖案可用來定義集成電路中各種不同區(qū)域，如離子注入、接觸窗(contact window)與壓焊墊(bonding-pad)區(qū)。而由光刻所形成的光刻膠圖案，并不是電路器件的最終部分，而只是電路圖形

7、的印模。 6.1 6.1 概述概述 在集成電路制造中，主要的光刻設(shè)備是利用紫外光(0.20.4m)的光學(xué)儀器。 刻蝕：在光刻膠掩蔽下，根據(jù)需要形成微圖形的膜層不同，采用不同的刻蝕物質(zhì)和方法在膜層上進行選擇性刻蝕。 這樣，去掉光刻膠以后，三維設(shè)計圖形就轉(zhuǎn)移到了襯底的相關(guān)膜層上。圖形轉(zhuǎn)移工藝是如此重要，以至一種微電子工藝技術(shù)的水平通常以光刻和刻蝕的圖形線寬（特征尺寸）表示。6.1 6.1 概述概述光刻（lithography）是以一種被稱為光刻膠的光敏感聚合物為主要材料的照相制版技術(shù)。集成電路發(fā)明至今，電路集成度提高了六個數(shù)量級以上，主要歸功于光刻技術(shù)的進步。非光學(xué)曝光光學(xué)曝光 遮蔽式曝光投影式曝

8、光曝光方式電子束曝光X 射線曝光超紫外光曝光離子束曝光8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝光刻工藝的重要性源于兩個方面： a. 微電子制造需進行多次光刻，耗費總成本的30。因此光刻是主流微電子制造過程中最復(fù)雜、昂貴和關(guān)鍵的工藝； b. 隨著器件和電路特征尺寸的不斷縮小，光刻工藝已成為微電子技術(shù)進一步發(fā)展的主要瓶頸。 在目前基礎(chǔ)上進一步縮小光刻圖形尺寸會遇到一系列技術(shù)上甚至理論上的難題，因此大批科學(xué)家和工程師正在從光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、精密機械、自動控制以及電子技術(shù)等不同途徑對光刻技術(shù)進行深入的研究和探索。 8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝以ULSI為例，對光刻技術(shù)的基本要求包括幾個方面：a. 高分辨

9、率：以線寬作為光刻水平的標(biāo)志；b. 高靈敏度光刻膠：為提高產(chǎn)量，希望曝光時間盡量短；c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影響比其它工藝更為嚴(yán)重；d. 精密的套刻對準(zhǔn)：一般器件結(jié)構(gòu)允許套刻誤差為線寬的10；e. 對大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻難度更大。層次索引接觸孔（14層）第一層金屬（15層）有源區(qū)（3層）柵（10層）1m 1m1.2m1.2m0.8 - 1.5m8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝光刻膠 光刻膠（photoresist，又稱光致抗蝕劑）是一類對輻照敏感的、由碳、氫、氧等元素組成的有機高分子化合物，這類化合物中均含有一種可以由特定波長的光引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的感光劑（PAC: pho

10、toactive compound）。依其對光照的反應(yīng)分成正性光刻膠與負(fù)性光刻膠。 在一定外界條件（如曝光）的作用下，光刻膠的分子結(jié)構(gòu)由于光化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生變化，進而引起其化學(xué)、物理或機械性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化，例如在顯影液中的溶解度發(fā)生變化，由可溶性變?yōu)椴豢扇苄曰蛘呦喾?。這樣，光刻膠感光部分與未感光部分在顯影液中的溶解速度就出現(xiàn)差異。在微電子工藝中，就是利用光刻膠的這一特性來進行光刻的。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝正膠和負(fù)膠圖形轉(zhuǎn)移 光刻膠通?？煞譃檎阅z和負(fù)性膠兩類，兩者經(jīng)曝光和顯影后得到的圖形正好相反。顯影時，正膠的感光區(qū)較易溶解而未感光區(qū)不溶解，所形成的光刻膠圖形是掩模版圖形的正映象。負(fù)膠

11、的情況正相反，顯影時感光區(qū)較難溶解而未感光區(qū)溶解，形成的光刻膠圖形是掩模版圖形的負(fù)映象。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝光學(xué)光刻使用的正膠通常含有三種主要成分：酚醛樹脂、感光劑和有機溶劑。曝光前的光刻膠基本上不溶于顯影液。曝光時，感光劑 如 g 線（436 nm）和 i 線（365 nm）光刻時正膠中的重氮醌（DNQ），因吸收光能而導(dǎo)致化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在顯影液中的溶解度比曝光前高出很多（約100倍）。顯影后，感光部分光刻膠被溶解去除。正膠 斷鏈交聯(lián)負(fù)膠8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)在光學(xué)圖形曝光中，分辨率的好壞是由衍射來決定的。在電子束圖形曝光中。分辨率并非由衍射光決定(因

12、為具有數(shù)個千電子伏或是更高的能量的電子，其對應(yīng)的波長比0.1nm更短)而是由電子散射決定。當(dāng)電子穿過光刻膠與下層的基材時，這些電子將經(jīng)歷碰撞而造成能量損失與路徑的改變因此這些入射電子在行進中會散開，直到它們的能量完全損失或是因背散射而離開為止。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝圖(a)為用計算機計算的初始能量為20keV的100個電子軌跡，射入厚硅襯底上一個厚度為0.4m的PMMA薄膜層。此電子束沿z軸方向入射，所有的電子軌跡都投影在xz平面上。此圖定性顯示電子分布在一個橢圓形的梨狀區(qū)域內(nèi)。而其直徑大小與電子的穿透深度約為同一數(shù)量級(約3.5m)。另外，許多電子也

13、因經(jīng)歷背散射碰撞而從硅襯底反向行進進入PMMA光刻膠再離開。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝圖(b)顯示在光刻膠與襯底界面中，正散射與背散射電子的歸一化分布。由于背散射的關(guān)系，這些散射電子可以有效地輻照到距曝光束中心點幾微米的區(qū)域。將這些環(huán)繞區(qū)域光照的劑量加起來，可知當(dāng)電子束曝光某一個區(qū)域，將會影響到附近區(qū)的曝光，此現(xiàn)象稱為鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)的限制會發(fā)生在圖案間的空間很小時，而修正鄰近效應(yīng)的方法是將圖案分割成更小的區(qū)域。將每一個小區(qū)域的入射電子劑量作一些調(diào)整，使其與周圍其他小區(qū)域散射的電子劑量合起來，恰為正確的曝光劑量。真空氦氣環(huán)境二、X 射線曝光 X射線曝光（XRL）有望取代光學(xué)曝光

14、進行100nm 超微細(xì)加工。它采用類似于接近式光學(xué)曝光的遮蔽式曝光方法， X 射線通過1:1的掩模進行曝光，掩模位置距襯底1040m。 X 射線曝光有效利用了電子束曝光高分辨率的特點（理論分辨率高于 50nm），且比電子束曝光更適于大規(guī)模生產(chǎn)。但 X射線曝光也存在一些問題尚待解決，如X 射線不易聚焦，易導(dǎo)致圖形畸變；掩模版制備比較困難等等。接近式X射線曝光系統(tǒng)示意8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝 XRL圖形曝光極有潛力繼承光學(xué)圖形曝光來制作100nm的集成電路。當(dāng)利用同步輻射光儲存環(huán)進行批量生產(chǎn)時，一般選擇X射線源。它提供一個大的聚光通量，且可輕易容納10-20臺光刻機。 XRL是利用類似光學(xué)

15、遮蔽接近式曝光的一種遮蔽式曝光。掩模版為XRL系統(tǒng)中最困難且關(guān)鍵的部分，而且X射線掩模版的制作比光學(xué)掩模版來得復(fù)雜。為了避免X射線在光源與掩模版間被吸收，通常曝光都在氦的環(huán)境下完成?？梢岳秒娮邮饪棠z來作為X射線光刻膠，因為當(dāng)X射線被原子吸收，原子會進入激發(fā)態(tài)而射出電子。激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)時，會釋放出X射線，此X射線被原子吸收，故此過程一直持續(xù)進行。所有這些過程都會造成電子射出，所以光刻膠在X射線照射下，就相當(dāng)于被大量的二次電子照射。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝 X 射線曝光時，波長一般選擇在 0.24 nm 之間。掩模是X射線曝光系統(tǒng)中最困難和最關(guān)鍵的部分，X 射線掩模版的材料組成、結(jié)

16、構(gòu)形式和制作工藝比光學(xué)掩模復(fù)雜得多。掩模襯底：低原子序數(shù)材料（如碳化硅、氮化硼、硅、鈹?shù)龋?LPCVD 制成薄膜片（1-2 m）。吸收體薄膜：高原子序數(shù)材料（如鉭、鎢、金及其合金），蒸發(fā)、射頻濺射或電鍍法制成薄膜（約0.5 m）。掩模圖形：電子束掃描光刻和干法刻蝕、精細(xì)電鍍等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝X 射線空白掩模版基板制備工藝 由于X 射線有很強的穿透力，通常用于深紫外曝光的光刻膠在 X射線波段靈敏度非常低，曝光效率通常會下降12個數(shù)量級。針對特定波長的X 射線，可以通過在光刻膠合成時摻入特定雜質(zhì)來大幅提高靈敏度。此外，可以使用電子束光刻膠作為X 射線光刻膠。8

17、.2 8.2 光刻工藝光刻工藝三、超紫外光曝光 超紫外光曝光（EUV）是很有希望的下一代曝光技術(shù)。超紫外光波長1014 nm，在不降低產(chǎn)出率情況下，最小線寬可達30nm （以PMMA為光刻膠）。但曝光系統(tǒng)制造難度很大，且光刻工藝需在真空中進行。EUV 曝光系統(tǒng)示意8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝激光產(chǎn)生的等離子體或是同步輻射(synchrotron radiation)可提供波長為10nm14nm的極遠(yuǎn)紫外光光源給EUV系統(tǒng)。EUV的曝光是利用掩模版的反射，而掩模版圖案做在吸收膜上，此吸收膜則淀積在多層覆蓋的平硅襯底或玻璃襯底做成的掩模版空片(mask blank)上。EUV反射光是由掩模版上

18、的非圖案區(qū)(無吸收層區(qū))，通過四倍的微縮照相將圖案轉(zhuǎn)移至晶片上的薄光刻膠層。EUV圖形曝光已經(jīng)證實可利用波長為13nm的光源，在PMMA光刻膠上制作出50nm的圖案。然而，制造EUV曝光系統(tǒng)將面臨幾項挑戰(zhàn)，因為所有的材料對EUV光都有強的吸收能力，所以曝光過程必須在真空下進行。照相機必須使用反射透鏡器件，而這些鏡子必須覆蓋多層的覆蓋層，如此才可以產(chǎn)生四分之一波長的布喇格反射分布。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝另外，掩模版空片必須要覆蓋多層膜，以便在波長為10nm14nm得到最大的反射率。四、離子束曝光 像電子束一樣，當(dāng)具有一定能量的離子束照射光刻膠時，可使光刻膠的溶解特性發(fā)生變化，它本質(zhì)上是

19、離子注入技術(shù)的另一種應(yīng)用。注入光刻膠中的離子通過彈性和非彈性碰撞，使光刻膠分子量或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溶解特性發(fā)生變化。 由于離子的質(zhì)量較大，散射作用比電子弱，幾乎不存在鄰近效應(yīng)，因此離子束曝光比光學(xué)、X 射線或電子束曝光技術(shù)具有更高的分辨率。離子束曝光的另一個特點是，許多光刻膠（如PMMA）對離子比對電子更為靈敏，因此可縮短曝光時間。 離子束曝光系統(tǒng)有兩種：掃描聚焦束系統(tǒng)和掩模束系統(tǒng)。前者類似電子束的裝置，離子源來源于 Ga+ 或 H+。后者類似于5倍微縮光學(xué)分步重復(fù)投影系統(tǒng)，通過圖形掩模將100eV 的氫離子進行投影。 離子束曝光的主要問題是對掩模版要求高。為提高分辨率，掩模襯底材料要盡

20、量薄（0.1m ），制備難度很大。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝離子束曝光比光學(xué)、X射線與電子束圖形曝光技術(shù)有更高的分辨率，因為離子有較高的質(zhì)量而且比電子有較小的散射。它最主要的應(yīng)用為修補光學(xué)圖形曝光用的掩模版，因此市面上有專門針對此用途而設(shè)計的系統(tǒng)問世。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝下圖為能量60keV的50個氫離子注入PMMA及不同襯底中的電腦模擬軌跡。在深度為0.4m時，所有離子散開的范圍為0.1m請與電子束情況作比較。在硅襯底中，背散射幾乎完全消失，只有以金為襯底時有少量的背散射。然而，離子束圖形曝光可能遭受到隨機(或離散)空間電荷的影響而使離子束變寬。8.2 8.2 光刻工藝光刻

21、工藝不同光刻技術(shù)比較先前討論的圖形曝光方法，都有100nm的或更好分辨率。每種都有其限制：光學(xué)法的衍射現(xiàn)象、電子束的鄰近效應(yīng)、X射線的掩模版制作復(fù)雜、EUV的掩模版空片的制作困難、離子束的隨機空間電荷效應(yīng)。對于IC的制造，多層掩模版是必需的，然而，所有的掩模版層并不需要都用相同的圖形曝光方法。采用混合與配合的方法，可利用每一種圖形曝光工藝的優(yōu)點來改善分辨率與提供產(chǎn)率。根據(jù)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會的設(shè)想，IC制作技術(shù)將在2010年時會達到50nm。對于每一代新技術(shù)，由于要求更小的特征尺寸與更嚴(yán)格的套準(zhǔn)容差，圖形曝光技術(shù)更成為推動半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝 微電子工業(yè)之所以能夠

22、持續(xù)發(fā)展，是因為可以將越來越小的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上的技術(shù)一直在不斷提高。目前，主要的光刻設(shè)備仍是光學(xué)曝光系統(tǒng)。限制光學(xué)曝光分辨率的主要因素是衍射。由于準(zhǔn)分子激光器、光刻膠化學(xué)、分辨率增強技術(shù)（如 PSM、OAI 和 OPC）和高數(shù)值孔徑技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)曝光在100nm 線寬以下仍是主流技術(shù)。 電子束曝光是納米工藝中制作掩模和探索新器件的較好技術(shù)選擇。其他的曝光技術(shù)有超紫外光（EUV）、X 射線和離子束曝光等。雖然各種方法都具有 100 nm 或更高的分辨率，但每種方法都有自己的局限。目前還沒有一種方法可以明顯地取代光學(xué)曝光，但是混合匹配法可以利用每一種曝光方法的優(yōu)點來提高分辨率，同時使產(chǎn)出率達到

23、最大。8.2 8.2 光刻工藝光刻工藝各種 曝光系統(tǒng)的比較光學(xué)電子束超紫外光X 射線離子束曝光機源激光燈絲激光等離子體同步加速器離子束衍射限制有沒有有有沒有曝光法折射折射折射直接光照全區(qū)折射分布掃描是是是是步進最高分辨率（m）0.10 R（110） R（111）。 (100)、(110)與(111)的腐蝕速率比為100：16：1。一些刻蝕劑，如聯(lián)氨（H2N-NH2）、乙二胺-鄰苯二酚 -水三元混合液（EPW，H2N(CH2)2NH2-C6H4(OH)2-H2O）、氫氧化鉀（KOH）和四甲基氫氧化銨水溶液（TMAH，(CH3)4NOH）等，可以對單晶硅進行各向異性刻蝕。這種濕法刻蝕方法在MEMS

24、器件制備上應(yīng)用較多。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝?yán)枚趸璁?dāng)掩蔽層，對晶向(oriented)的硅做各向異性腐蝕，會產(chǎn)生清晰的V型溝槽，溝槽的邊緣為(111)晶面，且與(100)的表面有54.7o的夾角，如圖(a)左邊的圖。如果打開的圖案窗足夠大或是腐蝕時間足夠短，則會形成一個U型的溝槽，如圖(a)右邊的圖。 如果使用的是晶向的硅，實際上會在溝槽的邊緣得到兩個垂直的面，這兩個面為(111)的晶面，如圖(b)所示。我們可以用大的各向異性腐蝕速率來制作亞微米線寬的器件結(jié)構(gòu)。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝如果打開的圖案窗足夠大或是腐蝕時間足夠短，則會形成一個U型的溝槽，底部面積的寬度為：02

25、 cot54.7bWWl或02bWWl8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝（100）晶向硅片刻蝕后的SEM照片8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝如果使用的是 晶向的硅，實際上會在溝槽的邊緣得到兩個垂直的面，這兩個面為(111)的晶面。1108.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝二、二、 二氧化硅的刻蝕二氧化硅的刻蝕 二氧化硅的濕法刻蝕通常采用添加或不添加氟化銨（NH4F）的氫氟酸（HF）稀釋溶液，化學(xué)反應(yīng)式為： 在HF中加入 NH4F 可以控制溶液的 pH 值，并且補充氟離子在反應(yīng)過程中的損耗，保持穩(wěn)定的刻蝕速率： 加入氟化銨的氫氟酸溶液稱為氫氟酸緩沖溶液（BHF: buffered HF solutio

26、n）或氧化層緩沖刻蝕液（BOE: buffered oxide etch）。二氧化硅的刻蝕速率取決于刻蝕溶液濃度、溫度和攪拌情況等因素。此外，氧化層的化學(xué)計量比、密度、孔隙率、微結(jié)構(gòu)以及雜質(zhì)濃度和類型等都對刻蝕速率有一定影響。 2622SiO + 6HF = SiF + 2H O + H43NH F = NH + HF8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝三、氮化硅和多晶硅的刻蝕三、氮化硅和多晶硅的刻蝕 加熱的磷酸（H3PO4）或常溫下的濃HF溶液和BOE，可以對硅的氮化物進行刻蝕。溫度為180C時，85的磷酸溶液可以以二氧化硅為掩模對硅的氮化物進行選擇性刻蝕，典型刻蝕速率為10 nm/min。 煮

27、沸的磷酸會使光刻膠黏附力降低，因此在涂覆光刻膠前，在氮化物上淀積一層氧化物。圖形先轉(zhuǎn)移到二氧化硅層上，然后以其為掩蔽刻蝕氮化硅。 多晶硅的刻蝕與單晶硅類似，但大量晶界的存在使刻蝕速率明顯增大，因此通常需要調(diào)整刻蝕液以避免多晶硅下面的柵氧化層受到腐蝕。此外，摻雜濃度和溫度對多晶硅的刻蝕速率也有一定影響。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝四、鋁的刻蝕四、鋁的刻蝕 鋁和鋁合金薄膜通常用加熱的磷酸（H3PO4）、硝酸（HNO3）、醋酸（CH3COOH）和去離子水的混合溶液（73：4% : 3.5% : 19.5%）進行刻蝕，刻蝕溫度為 3080C，可用二氧化硅進行掩蔽。 鋁的濕法刻蝕過程：硝酸先使鋁氧化

28、，然后磷酸分解氧化鋁，由于鋁刻蝕過程中生成的氣體（氫氣）會影響刻蝕的均勻性，通常在刻蝕液中加入少量的醋酸。 鋁的濕法刻蝕速率取決于刻蝕液濃度、溫度、攪拌情況、鋁薄膜中的雜質(zhì)和合金類型等因素，如鋁中摻入銅時刻蝕速率會降低。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝四、鋁的刻蝕四、鋁的刻蝕 介質(zhì)與金屬薄膜的濕法腐蝕通常利用化學(xué)溶液來完成，這些化學(xué)溶液會把整塊材料溶解，然后轉(zhuǎn)變成可溶的鹽類或復(fù)合物。通常薄膜比塊狀材料的腐蝕速率更快。此外，微結(jié)構(gòu)差、內(nèi)建應(yīng)力、變更化學(xué)組成比或光照等，都將使薄膜的腐蝕速率變快。右表為一些有用的介質(zhì)與金屬薄膜的腐蝕劑。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝五、五、 砷化鎵的刻蝕砷化鎵的刻

29、蝕 最常用的砷化鎵濕法刻蝕液是H2SO4-H2O2-H2O、Br2-CH3OH、NaOH-H2O2、NH4OH-H2O2-H2O 以及 H3PO4-H2O2-H2O體系。 砷化鎵的多種濕法刻蝕液中，只有極少數(shù)是各向同性的。這是因為（111）鎵面與（111）砷面的表面活性差異太大。大部分刻蝕液都能使砷面成為拋光面，但是對鎵面容易顯示出晶體缺陷，且刻蝕速率很慢。例如 H2SO4 : H2O2 : H2O8 : 1 : 1的刻蝕液，對（111）鎵面的刻蝕速率是0.8 m/min，對其它各面是0.4 m/min。H3PO4 : H2O2 : H2O3 : 1 : 50 的刻蝕液，對（111）鎵面的刻蝕

30、速率是0.4 m/min，對其它各面則是0.8 m/min。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝材料刻蝕液刻蝕速率（nm/min）SiO2HFNH4F（BOE）100HFHNO3H2O（P刻蝕液）12Si3N4HFNH4F（BOE）0.5H3PO410AlH3PO4HNO310HAc H3PO4 H2O30AuKII21000MoH3PO4HNO3 HAc H2O500PtHNO3 HCl H2O50WKH2PO4K3Fe(CN)6 KOH160部分絕緣體和導(dǎo)體的濕法化學(xué)刻蝕劑部分絕緣體和導(dǎo)體的濕法化學(xué)刻蝕劑8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝干法刻蝕：干法刻蝕：在圖案轉(zhuǎn)移的操作過程中，由圖形曝光工藝

31、所形成的光刻膠圖案，用來當(dāng)作刻蝕下層材料的掩蔽層圖(a)。這些下層材料大多是非晶系或多晶系的薄膜(如二氧化硅、氮化硅與淀積金屬)。當(dāng)使用濕法化學(xué)腐蝕劑時，腐蝕速率一般為各向同性(isotropic，亦即水平方向與垂直方向的腐蝕速率一樣)，如圖(b)的例子所示。假設(shè)hf為下層材料的厚度，l為光刻膠底下的側(cè)面鉆蝕距離，我們可以定義各向異性的比值A(chǔ)f為11,10lffvlRAAhR 各向異性度：8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝濕法化學(xué)腐蝕的主要缺點是：掩蔽層下面的橫向鉆蝕(undercut)現(xiàn)象，這個結(jié)果會使腐蝕圖案的分辨率降低。實際上，各向同性腐蝕薄膜的厚度應(yīng)該是我們預(yù)期分辨率的三分之一或是更小，

32、如果圖案要求的分辨率遠(yuǎn)小于薄膜的厚度，就必須使用各向異性腐蝕(anisotropic etching，即1Af0)。實際上，Af的值盡量選擇靠近1。圖(c)顯示當(dāng)Af=1時的極限情形，此時l一0(或Rl一0)。在甚大規(guī)模集成電路中，為了從光刻膠圖案上得到高準(zhǔn)確度的圖案轉(zhuǎn)移，發(fā)展了干法刻蝕方法(Af=1)。干法刻蝕與等離子體輔助刻蝕其實是同義詞。許多等離子體輔助刻蝕技術(shù)是利用低壓放電形式的等離子體操作。干法刻蝕包含了等離子體刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching，RIE)、濺射刻蝕、磁場增強反應(yīng)離子刻蝕(magnetically enhanced RIE，MERIE)、反應(yīng)

33、離子束刻蝕與高密度等離子體(highdensity plasma，HDP)刻蝕。光刻膠絕緣層襯底hAf0lAf18.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝干法刻蝕原理：利用等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)或者利用高能離子束轟擊完成去除物質(zhì)的刻蝕方法。因為在刻蝕中不使用化學(xué)溶液，所以稱為干法刻蝕。 干法刻蝕分 類等離子刻蝕濺射刻蝕離子銑反應(yīng)離子刻蝕刻蝕原理輝光放電產(chǎn)生的活性粒子與需要刻蝕的材料發(fā)生反應(yīng)形成揮發(fā)性產(chǎn)物高能離子轟擊需要刻蝕的材料表面，使其產(chǎn)生損傷并去除損傷兩種方法結(jié)合刻蝕過程化學(xué)（物理效應(yīng)很弱）物理化學(xué)物理主要參數(shù)刻蝕系統(tǒng)壓力、功率、溫度、氣流以及相關(guān)可控參數(shù)優(yōu) 點各向異性好、工藝控制較易且污染少缺 點

34、刻蝕選擇性相對較差、存在刻蝕損傷、產(chǎn)量小8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝2022-5-4149常用干法刻蝕技術(shù)： 干法刻蝕的反應(yīng)裝置通常包括真空腔、泵系統(tǒng)、電源供應(yīng)產(chǎn)生裝置、壓力傳感器、氣流控制單元以及端點檢測器等組成部份。每種刻蝕系統(tǒng)通過特定的壓強組合、電極類型以及等離子體源頻率來控制兩種基本的刻蝕機制 化學(xué)刻蝕與物理刻蝕?？涛g裝置結(jié)構(gòu)刻蝕機制壓強范圍（Torr）圓筒等離子體刻蝕化學(xué)0.110順流等離子體刻蝕化學(xué)0.110反應(yīng)離子刻蝕（RIE）化學(xué)物理0.011磁增強反應(yīng)離子刻蝕化學(xué)物理0.011磁約束三極型反應(yīng)離子刻蝕化學(xué)物理0.0010.1電子回旋共振（ECR）等離子體刻蝕化學(xué)物理0.0

35、010.1感應(yīng)變壓器耦合等離子體刻蝕（ICP/ TCP）化學(xué)物理0.0010.1表面波耦合等離子體刻蝕（SWP）化學(xué)物理0.0010.18.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝不同類型干法刻蝕系統(tǒng)的離子能量和壓力范圍比較11101001000101001000低壓間歇式RIE單硅片RIE低壓高密度ECR、ICP圓筒等離子體刻蝕壓強（mTorr）離子能量（eV）8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝干法刻蝕與濕法刻蝕的不同之處在于對下層材料的刻蝕選擇性較差。因此，干法刻蝕系統(tǒng) 通常裝配監(jiān)視系統(tǒng)來指示刻蝕工藝結(jié)束的時間，稱為終點檢測系統(tǒng)（end-point detection system）。對襯底表面的激光干

36、涉測量可以連續(xù)地監(jiān)視刻蝕速率并且確定終點位置。在刻蝕過程中，薄膜表面反射激光造成光硅化物多晶硅層刻蝕表面的相對反射率（氦氖激光：632.8nm）2dn8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝強度的振蕩，振蕩周期與薄膜厚度的變化相關(guān)： ，刻蝕終點由干涉振幅的停止來指示。1、等離子體刻蝕 ：等離子體刻蝕是利用基態(tài)或中性激發(fā)態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，將固態(tài)薄膜去除。等離子體刻蝕通常被氣體放電所形成的帶能量離子所增強或引發(fā)。等離子體刻蝕工藝過程包括五個基本步驟：化學(xué)活性物質(zhì)（反應(yīng)劑）在等離子體中產(chǎn)生；反應(yīng)劑以擴散方式通過氣體邊界層到達襯底表面；在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性化合物；揮發(fā)性化合物從襯底表面解吸，通過

37、擴散回到等離子體中，由真空裝置抽出。 優(yōu)點：有較高刻蝕速率、較好刻蝕選擇性和較低刻蝕損傷。 缺點：存在各向同性傾向。等離子體刻蝕的基本步驟等離子體氣流（1）產(chǎn)生各種刻蝕劑（2）向襯底表面擴散 （3）吸附（4）反應(yīng)（5）解吸、擴散回到等離子體氣流氣體邊界層8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝基本等離子體理論基本等離子體理論等離子體是部分或完全電離的氣體，包含正離子、負(fù)離子與一些未被電離的分子。當(dāng)電場強度加到足夠大時，使氣體擊穿電離就產(chǎn)生了等離子體。等離子體由某些方式釋放出的自由電子所引發(fā)，例如負(fù)偏壓電極的場發(fā)射所釋放的自由電子。這些自由電子從電場中獲得動能，在穿越氣體的過程中與氣體分子碰撞而損失能量

38、。碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)移使得氣體分子電離（也就是釋放出電子）。這些釋放出來的自由電子再從電場獲得動能，此步驟一直重復(fù)產(chǎn)生。因此，當(dāng)外加的電壓大于擊穿電壓時，在反應(yīng)腔體中就會形成持續(xù)地等離子體。在干法刻蝕時，等離子體中的電子濃度相當(dāng)?shù)?，大概的?shù)值為109cm-31012cm-3。在壓強為1Torr時，氣體分子的濃度為電子濃度的104107倍，因此導(dǎo)致氣體的平均溫度為50100，所以等離子體輔助干法刻蝕是一種低溫工藝。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝基本刻蝕方式基本刻蝕方式物理方式：物理方式：濺射刻蝕。正離子高速轟擊表面后在等離子體中產(chǎn)生的少量負(fù)離子無法到達晶片表面，因此在等離子體刻蝕中并未扮演任何

39、直接的角色?；瘜W(xué)方式：化學(xué)方式：等離子體產(chǎn)生的中性反應(yīng)物與物質(zhì)表面相互作用產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物?；瘜W(xué)方式有高腐蝕速率、高的選擇比與低的離子轟擊導(dǎo)致的缺陷，但有各向同性的刻蝕輪廓。物理方式可以產(chǎn)生各向同性的輪廓，但伴隨低的選擇比與高的離子轟擊導(dǎo)致的缺陷。將二者結(jié)合，即可得到各向異性輪廓、合理的選擇比與適度降低離子轟擊所導(dǎo)致的缺陷。如反應(yīng)離子刻蝕（RIE），它利用物理機制輔助化學(xué)刻蝕或產(chǎn)生反應(yīng)離子參與化學(xué)刻蝕 。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝二、等離子體探測等離子體探測等離子體探測大多數(shù)的等離子體工藝中發(fā)出的射線范圍在紅外光到紫外光之間，一個簡單的分析方法是利用光學(xué)發(fā)射

40、光譜儀(optical emission spectroscopy，OES)來測量這些發(fā)射光譜的強度與波長的關(guān)系。利用觀察到的光譜波峰與已知的發(fā)射光譜比較，通?？梢詻Q定出中性或離子物質(zhì)的存在。物質(zhì)相對的濃度，也可以通過觀察等離子體參數(shù)改變時光強度的改變而得到。這些由主要刻蝕劑或副產(chǎn)物所引起的發(fā)射信號在刻蝕終點開始上升或下降。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝終點控制終點控制干法刻蝕與濕法化學(xué)腐蝕的不同點在于干法刻蝕對下層材料無法呈現(xiàn)足夠的選擇比。因此，等離子體反應(yīng)器必須配備一個用來探測刻蝕工藝結(jié)束點的監(jiān)視器，也就是終點探測(end point detection)系統(tǒng)。激光干涉度量法(1aser

41、 interferometry)用來持續(xù)監(jiān)控晶片表面的刻蝕速率與終止點。在刻蝕過程中，從晶片表面反射的激光會來回振蕩，這個振蕩的發(fā)生是因為刻蝕層界面的上界面與下界面的反射光的相位干涉。因此這一層材料必須透光或半透光才能觀察到振蕩現(xiàn)象。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝下圖為硅化物/多晶硅柵劑蝕時的典型信號。振蕩周期與薄膜厚度的變化關(guān)系為其中d為一個反射光周期對應(yīng)的薄膜厚度的變化，為激光的光波長，n為刻蝕層的折射率。例如，對多晶硅而言，利用波長 =632.8nm的氦氖激光光源，所測得的d=80nm。2dn8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝等離子體刻蝕系統(tǒng)示意等離子體刻蝕系統(tǒng)示意8.3 8.3 刻蝕工

42、藝刻蝕工藝2、濺射刻蝕 濺射刻蝕過程中，襯底在真空反應(yīng)室內(nèi)被置于負(fù)電位的固定器上。導(dǎo)入的氬氣在反應(yīng)室內(nèi)離化成帶正電荷的高能（500eV）氬離子。氬離子在電場中加速轟擊位于陰極固定器上的襯底薄膜表面，如果轟擊離子傳遞給被撞原子的能量比原子的結(jié)合能（幾到幾十eV）大，就會使被撞原子脫離原來位置飛濺出來，形成濺射刻蝕。 優(yōu)點：具有較好的各向異性。 缺點：刻蝕選擇性較差、刻蝕速率較小且會造成一定的刻蝕損傷。濺射刻蝕系統(tǒng)示意8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝3、反應(yīng)離子刻蝕 反應(yīng)離子刻蝕是一種介于濺射刻蝕和等離子體刻蝕之間的干法刻蝕技術(shù)。在這種刻蝕方法中，同時利用了物理濺射和化學(xué)反應(yīng)的刻蝕機制。 與濺射刻

43、蝕的主要區(qū)別是，反應(yīng)離子刻蝕使用的不是惰性氣體，而是與等離子體刻蝕相同的活性氣體。由于在反應(yīng)離子刻蝕中化學(xué)和物理作用都有助于實現(xiàn)刻蝕，因此可以靈活地選取工作條件以獲得最佳刻蝕效果。 優(yōu)點：具有較高刻蝕速率、較好各向異性效果、較好刻蝕選擇性和較低刻蝕損傷，是目前微電子工藝中應(yīng)用最廣泛的干法刻蝕技術(shù)。 缺點：刻蝕終點難以檢測。 隨著微電子器件特征尺寸的不斷減小，傳統(tǒng)RIE 系統(tǒng)刻蝕的極限正在逼近。目前，高密度等離子體源（如ECR、ICP、TCP以及SWP等）發(fā)展迅速，它們可以提供較高的等離子體濃度（10111012cm-3）和較低的工作壓強（ 20 mTorr），具有更高的刻蝕速率和更好的刻蝕選擇

44、性。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝一、反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕已被廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)。在平行板系統(tǒng)中，晶片被rf電容耦合的下電極托住，這樣可使接地電極具有大出許多的面積，因為事實上腔體本身即為接地電極。較大的接地區(qū)域結(jié)合較低的工作壓強(500mTorr)，使晶片表面具有大而且為負(fù)的偏壓，導(dǎo)致晶片受到能量充沛的離子轟擊。 此刻蝕系統(tǒng)的選擇比比傳統(tǒng)的桶狀(barrel)刻蝕系統(tǒng)選擇比要低，這是由于強烈物理濺射的關(guān)系。然而，選擇比可通過選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)刻蝕來改善。例如，另外也可以用三極組態(tài)的RIE系統(tǒng)來代替，如圖所示8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝4.電子回旋共振大

45、部分的平行板等離子體刻蝕機，除了三極RIE例外，都無法提供獨立控制等離子體參數(shù)(如電子能量、等離子體密度與反應(yīng)物密度)的能力，因此離子轟擊導(dǎo)致?lián)p傷成為一個嚴(yán)重的問題。ECR反應(yīng)器結(jié)合微波電源與一靜磁場來驅(qū)使電子沿磁場線作一定角頻率的回旋。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝當(dāng)此頻率等于外加微波的頻率時，電子能量與外加電場產(chǎn)生共振耦合，造成大量的分解與電離(ECR為10-2，相對于RIE的10-6)。右圖顯示ECR反應(yīng)腔組成，微波功率通過微波窗耦合進入ECR等離子體源區(qū)域。磁場由磁場線圈提供，ECR等離子體系統(tǒng)也可用于薄膜淀積。ECR等離子體可高效率地將反應(yīng)物激活，并使得薄膜淀積在室溫下即可完成而不

46、需要熱激活。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝5、其他高密度等離子體刻蝕機由于ULSI的線寬持續(xù)縮小，逼近傳統(tǒng)的RIE系統(tǒng)極限。除了ECR系統(tǒng)外，其他形式的高密度等離子體源(HDP)，如電感耦合等離子體源(inductively coupled plasma，ICP)、變壓器耦合等離子體源(transformer coupled plasma，TCP)與表面波耦合等離子體源(surfacewave coupled plasma，SWP)也已開始發(fā)展。這些設(shè)備擁有高等離子體密度(1011cm-31012cm-3)與低工藝壓強(20 mTorr)，另外它們允許晶片底部平板可獨立接上電源，如此可以降低

47、離子能量(晶片偏壓)與離子通量(主電源供應(yīng)的等離子體密度)的耦合。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝集成等離子體工藝：半導(dǎo)體晶片都是在潔凈室里加工制作，以減少大氣中的塵粒污染。當(dāng)器件尺寸縮小，塵粒的污染成為一嚴(yán)重的問題。為了減少塵粒的污染，集成等離子體設(shè)備利用晶片操作機將晶片置于真空環(huán)境中從一個反應(yīng)腔移到另一個反應(yīng)腔。集成等離子體加工設(shè)備同時也可以增加產(chǎn)率。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝下圖顯示了一使用集成設(shè)備對多層(Tiw/AlCu/TiW)金屬互連導(dǎo)線的刻蝕工藝過程。集成設(shè)備它將AlCu刻蝕反應(yīng)腔、TiW刻蝕反應(yīng)腔與鈍化層剝蝕(strip passivation)反應(yīng)腔組合在一起。集成設(shè)備

48、有經(jīng)濟上的優(yōu)勢，因為晶片較少暴露于污染的環(huán)境中且只需較少的操作，從而有較高的成品率。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝被刻蝕材料刻蝕劑硅深溝槽HBr / NF3 / O2 / SF6硅淺溝槽HBr / Cl2 / O2多晶硅HBr / Cl2 / O2, HBr / O2, BCl3 / Cl2, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4 / Cl2, HBr / Cl2 AlSiCuBCl3 / Cl2 / N2WSF6, NF3 / Cl2 TiWSF6WSi, TiSi2, CoSi2CF4 / Cl2, CF2Cl2 / NF3, Cl2 / N2 / C2F6Si3N4CHF3 / O

49、2, CH2F2, CH2CHFSiO2CF4 / CHF3 / Ar, C2F6, CH2F2, C5F8GaAsBCl3/Ar不同刻蝕工藝中的刻蝕劑8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝反應(yīng)等離子體刻蝕的應(yīng)用反應(yīng)等離子體刻蝕的應(yīng)用等離子體刻蝕系統(tǒng)已由應(yīng)用于簡單的、整批的光刻膠剝蝕快速發(fā)展到大的單片晶片加工?？涛g系統(tǒng)為符合深亞微米器件的圖案轉(zhuǎn)移，從傳統(tǒng)的反應(yīng)離子刻蝕機持續(xù)改進到高密度等離子體刻蝕機。除了刻蝕設(shè)備外，刻蝕中的化學(xué)劑也是影響刻蝕工藝性能的關(guān)鍵角色。發(fā)展一套刻蝕工藝通常要通過調(diào)整大量的工藝參數(shù)來將刻蝕速率、選擇比、輪廓控制、臨界尺寸、工藝導(dǎo)致?lián)p傷等最佳化。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝

50、被刻蝕材料被刻蝕材料刻蝕用的化學(xué)藥品刻蝕用的化學(xué)藥品深Si溝槽HBr/NF3/O2/SF6淺Si溝槽HBr/Cl2/O2多晶硅HBr/Cl2/O2, HBr/O2, BCl3/Cl2, SF6AlBCl3/Cl2, SiCl4/Cl2, HBr/Cl2AlSiCuBCl3/Cl2N2W只有SF6, NF3/Cl2TiW只有SF6WSi2，TiSi2，CoSi2CCl2F2/NF3, CF4/Cl2, Cl2/N2/C2F6SiO2CF4/CHF3/Ar, C2F6, C3F8/CO, C5F8,CH2F2Si3N4CHF3/O2, CH2F2, CH2CHF28.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝硅

51、溝槽刻蝕當(dāng)器件尺寸縮小時，晶片表面用作隔離DRAM存儲單元的儲存電容與電路器件間的區(qū)域也會相對減少。這些表面隔離區(qū)域可以利用硅晶片的深溝槽刻蝕，再填入適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或?qū)w物質(zhì)來減少其所占的面積。深溝槽深度通常超過5m，主要是用于形成儲存電容。淺的溝槽其深度通常不會超過1m，一般用于器件間的隔離。氯基或溴基的化學(xué)劑對硅有高刻蝕速率，且對以二氧化硅為掩蔽層的硅刻蝕有高選擇比。HBr+NF3+SF6+O2混合氣體可用于形成深度約為7m的溝槽電容，此混合氣體也用于淺溝槽的刻蝕。亞微米的深硅溝槽刻蝕時，常可觀察到與高寬比有關(guān)的刻蝕(亦即刻蝕速率隨高寬比改變)，這是因深窄溝槽中的離子與中性原子的輸運會受到限制

52、。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝下圖顯示硅溝槽的平均刻蝕速率與高寬比有關(guān)，有大高寬比的溝槽比小高寬比的溝槽的刻蝕速率要慢。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝多晶硅與多晶硅化物柵極刻蝕多晶硅與多晶硅化物柵極刻蝕多晶硅與多晶硅化物(即多晶硅上覆蓋有低電阻金屬硅化物，稱為polycide)常用作MOS器件的柵極材料。各向異性刻蝕及對柵極氧化層的高選擇比是柵極刻蝕時最重要的需求，例如，對1G DRAM而言，其選擇比需超過150(即多晶硅化物與柵氧化層的刻蝕速率比為150：1)。要同時得到高選擇比與各向異性刻蝕，對大部分的離子增強刻蝕工藝是困難的，因此可使用多重步驟的工藝，其中各個不同的刻蝕步驟可分別針

53、對各向異性和選擇比來最佳化。另一方面，為符合各向異性刻蝕與高選擇比的要求，等離子體技術(shù)的趨勢是利用一相對低的功率產(chǎn)生低壓與高密度的等離子體。大多數(shù)氯基與溴基化合物可用于柵極刻蝕而得到所需要的各向異性與選擇比。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝介質(zhì)刻蝕介質(zhì)刻蝕定義介電層(尤其是二氧化硅與氮化硅)的圖案是先進半導(dǎo)體制造技術(shù)中的關(guān)鍵工藝。因為具有較高的鍵結(jié)合能量，介質(zhì)的刻蝕必須利用氟基增強等離子體。垂直的圖案輪廓可通過側(cè)壁鈍化(sidewall passivation)來實現(xiàn)，通常將含碳的氟化物加入等離子體中(如CF4、CHF3、C4F8)。必須使用轟擊能量較高的離子才能將此聚合物形成的鈍化層從氧化層

54、上去除，以及將反應(yīng)物質(zhì)與氧化物表面混合形成SiF，的產(chǎn)物。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝金屬導(dǎo)線刻蝕IC制造中，金屬層的刻蝕是一個相當(dāng)重要的步驟。鋁、銅與鎢是金屬導(dǎo)線常用的材料。這些材料通常需要各向異性刻蝕。氟與鋁反應(yīng)產(chǎn)生非揮發(fā)性的AlF3，AlF3在1 240時，其蒸氣壓只有1Torr。氯基(如Cl2/BCl3的混合物)化學(xué)劑常用于鋁的刻蝕。氯對鋁有極高的化學(xué)刻蝕速率并且在刻蝕時會有橫向鉆蝕(undercut)現(xiàn)象。將含碳?xì)怏w(如CHF3)或是氮氣加入反應(yīng)中，可在側(cè)壁產(chǎn)生鈍化層而得到各向異性刻蝕。暴露于大氣環(huán)境中是鋁刻蝕的另一問題。Al側(cè)壁上殘留的氯與光刻膠容易與常壓下的水氣形成HCl，此

55、HCl會腐蝕鋁。在晶片暴露于大氣環(huán)境之前，先臨場(in-situ，或譯同次)通入CF4等離子體，用F取代Cl；然后再通入氧等離子體來去除光刻膠；緊接著立刻將晶片浸入去離子水中，如此即可避免Al的腐蝕。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝下圖為晶片上0.35m的TiN/Al/Ti線與間隔，置于外環(huán)境下72h?？梢娂词归L期暴露于大氣環(huán)境中，鋁金屬并沒有產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝在ULSI電路中，銅金屬材料是廣受矚目的后起之秀。銅有較小的電阻率(約1.7cm)，而且銅比鋁或鋁合金有較佳的抗電遷移的能力。然而由于銅的鹵化物揮發(fā)性較低，室溫下的等離子體刻蝕并不容易?？涛g銅膜的工藝溫度需要

56、高于200。因此，銅的金屬導(dǎo)線制作使用嵌入式(damascence)工藝而不用干法刻蝕。嵌入式工藝包含幾個步驟：先在平坦的介電層上刻蝕出溝槽或渠道，然后將金屬(如銅或鋁)填入溝槽中來作為連接導(dǎo)線。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝在兩層嵌入式(dual damascence)工藝中，如右圖所示，牽涉了另一層，即除了上述溝槽外，還需將一系列的洞(亦即接觸孔或通孔)刻蝕出來并以金屬填入。填完后。再以化學(xué)機械拋光(CMP)將金屬與介質(zhì)的表面平坦化。嵌入式工藝的優(yōu)點是免掉了金屬刻蝕的步驟，而銅刻蝕正是IC工業(yè)從鋁改成銅導(dǎo)線時最擔(dān)心的技術(shù)問題。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝LPCVD鎢(W)已廣泛用于接

57、觸孔填塞與第一層金屬層，這是因為鎢有完美的淀積均勻覆蓋性。氟基與氯基化合物均可刻蝕鎢，且生成揮發(fā)性產(chǎn)物。利用鎢全面回蝕(blanket W etchback)得到鎢插栓(W plug)是鎢刻蝕的一項重要應(yīng)用。下圖所示為以LPCVD全面性地將鎢淀積在TiN的阻擋層上。此工藝常使用兩段式步驟：首先90的鎢以高刻蝕速率來刻蝕，然后選用W對TiN有高選擇比的刻蝕劑以較低的刻蝕速率將其余的鎢去除。8.3 8.3 刻蝕工藝刻蝕工藝自從80年代后期用多晶硅成功制作旋轉(zhuǎn)式微馬達于硅芯片上以來，微機電系統(tǒng)(microelectromechanical systems，MEMS)迅速引起人們的注意。硅材料的微機電

58、系統(tǒng)，采用許多成熟的硅基集成電路技術(shù)。這種方式使得微機電系統(tǒng)產(chǎn)品類似于集成電路，可整批制造，廉價推廣。除了利用集成電路技術(shù)之外，微機電系統(tǒng)本身亦發(fā)展出一些特殊的新技術(shù)，我們將探討三種特殊的刻蝕技術(shù)：本體微細(xì)加工、表面微細(xì)加工和LIGA工藝。8.4 8.4 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)本體微細(xì)加工技術(shù)本體微細(xì)加工技術(shù)：通過刻蝕單晶硅的襯底而形成器件(如傳感器與制動器)，在襯底上的薄膜上形成圖案來定義隔離區(qū)與功能轉(zhuǎn)換器件。各向異性的濕法化學(xué)腐蝕技術(shù)具有高分辨率并能精確地控制尺寸。8.4 8.4 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)通常本體微細(xì)加工器件使用雙面工藝形成自隔離的結(jié)構(gòu)，其一面封閉在于凈的封裝下，而另一面則暴露于

59、所欲測量的機械或化學(xué)等環(huán)境中接受信號。雙面結(jié)構(gòu)即使工作在對于微電子器件不利的環(huán)境中亦非常堅固。一些簡單的機械器件，如膈膜(diaphragm)式壓力傳感器、薄膜(membrane)和懸梁壓阻式加速度傳感器(cantilever-beam piezoresistive acceleration sensor)在商業(yè)上多以此技術(shù)制造。右圖描述一簡單硅膠薄膜的制作過程8.4 8.4 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)表面微細(xì)加工技術(shù)表面微細(xì)加工技術(shù)：單純以薄膜制作整個器件。在本體和薄膜材料制作的結(jié)構(gòu)之間有一些不同。本體微細(xì)加工器件的尺寸為毫米范圍，但表面微細(xì)加工器件的尺寸則為微米范圍。表面微細(xì)加工技術(shù)可通過薄膜的

60、層層堆疊構(gòu)成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的器件，而多層的本體器件卻難以構(gòu)成。自由懸空與可移動的部分可以通過犧牲層來制作。右圖為靜電馬達的犧牲層刻蝕流程。8.4 8.4 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)8.4 8.4 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)LIGALIGA工藝：工藝：LIGA為德文圖形曝光、電鑄、制模的縮寫(Lithographic，GaIvanoformung，Abformung)它包含三個基本工藝步驟：圖形曝光、電鑄(electroplating)與制模(molding)。LIGA工藝以同步加速器產(chǎn)生的X射線為光源基礎(chǔ)。LIGA工藝可以用各種材料制作側(cè)面尺寸為微米大小與高度為數(shù)百微米的微結(jié)構(gòu)。它的可能應(yīng)用范圍涵蓋微電子、傳感器、微光