第六章：刻蚀.
刻蚀要求：
在0.15微米技术中，刻蚀多晶硅对栅氧化硅的选 择比大于 150：1，以防止栅氧化层穿通。
2. 单晶硅的刻蚀
工艺目的：主要形成IC的STI槽和垂直电容槽 工艺方法： 刻蚀气体： SF6 ＋Ar 刻蚀系统：平行板式ICP－RIE系统 工作压力：小于10mTorr 刻蚀机理：
刻蚀示意图
刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀
湿法刻蚀
把硅片放在化学腐蚀液里，有选择地去除表面层 材料的过程。
干法刻蚀
把硅片放在气体等离子体中，有选择地去除表面
层材料的过程。
各向同性刻蚀：侧向与纵向腐蚀速度相同 各向异性刻蚀：侧向腐蚀速度远远小于纵向腐蚀 速度，侧向几乎不被腐蚀。
（a）各向同性刻蚀剖面
些刻蚀参数在工艺中非常重要。
刻蚀参数
刻蚀现象
1. 刻蚀速率 2. 刻蚀偏差 3. 选择比 4. 均匀性
6. 残留物 7. 聚合物 8. 等离子体诱导损伤 9. 颗粒沾污和缺陷
5. 刻蚀剖面
1. 刻蚀速率
刻蚀速率是指刻蚀过程中去除表面层材料的速度。
刻蚀速率＝△d/t
△d-去掉薄层材料的厚度（单位:A/min 或nm/min） t-刻蚀时间（单位:min）
刻蚀机理： 在RF作用下工艺气体分解电离：
CHF3 ＋Ar＋He ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ HF ＋ F ＋
Ar+＋He+
CF3是刻蚀SiO2的主要活性基，与SiO2发生化学反
应：
4CF3＋ 3SiO2 → 3SiF4 ↑＋ 2CO2 ↑＋ 2CO↑
刻蚀机理（续）： 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：Ar＋、CF3＋，
硅的干法刻蚀
工艺目的：在CMOS工艺中，形成MOS栅电极，是
特征尺寸刻蚀。
1. 多晶硅的刻蚀
工艺方法：
刻蚀气体：Cl2 ＋Ar
刻蚀系统：平行板式RIE或ICP-RIE系统
工作压力：小于0.1Torr，0.25微米以下≤10mTorr
刻蚀机理：
气体分解电离： Cl2 ＋Ar ＋2e→ Cl+ ＋ Cl＋Ar+ Cl活性基与Si化学反应： 4Cl ＋ Si→ SiCl4 ↑ 物理和化学混合刻蚀 为什么不用SF6等F基气体？ Cl基气体刻蚀多晶硅对下层的栅氧化层有较高的 选择比
BCl3用于铝表面的Al2O3的刻蚀
CHF3用于刻蚀铝上层的抗反射膜（TiN）和铝
下层的Ti
金属铝的刻蚀步骤多，工艺复杂
6.5 湿法刻蚀
湿法去胶
1. 丙酮浸泡或超声浸泡
2. H2SO4：H2O2 ＝1：1，120℃
（用于硅片沉积金属前的去胶）
3. 发烟硝酸侵泡（用于刻蚀完金属铝的去胶）
漂洗硅片
聚合物（Polymer）的形成
8. 等离子体诱导损伤
等离子体诱导损伤有两种情况：
1）等离子体在MOS晶体管栅电极产生陷阱电荷引 起薄栅氧化硅的击穿。 2）带能量的离子对暴露的栅氧化层或双极结表面 上的氧化层进行轰击，使器件性能退化。
9. 颗粒沾污和缺陷
颗粒沾污和缺陷由等离子体产生，是刻蚀中经常 遇到的问题，应尽量减少。
5. 终点检测
终点检测的常用方法：光发射谱法
光发射谱法终点检测机理：
在等离子体刻蚀中，反应基团与被刻蚀材料反应的
同时，基团被激发并发出特定波长的光，利用带波
长过滤器的探测器，探测等离子体中的反应基团发 光强度的变化来检测刻蚀过程是否结束。
6.4 干法刻蚀的应用
刻蚀材料的种类：介质、硅和金属三类 ULSI对刻蚀的挑战
化学刻蚀：CF3
H的作用：以HF的形式除去一些腐蚀Si的活性基
（F原子）提高对下层Si的选择比
He的作用：做为稀释剂改善刻蚀均匀性
2. 氮化硅的刻蚀
工艺目的: 在CMOS工艺中，通常为了形成MOS
器件的有源区和钝化窗口
工艺方法：
刻蚀气体：CF4＋O2＋N2
刻蚀系统：同氧化硅的刻蚀 工作压力：同氧化硅的刻蚀
3. 最小的光刻胶脱落或粘附问题
4. 好的片内、片间、批间的刻蚀均匀性
5. 化学品使用费用低
干法刻蚀的缺点（与湿法刻蚀比）
1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤
3. 设备昂贵
6.2 刻蚀参数及现象
在刻蚀工艺中，刻蚀参数用来描述刻蚀效果的 好坏，决定光刻胶图形向硅片转移的质量。这
指被刻蚀图形
的侧壁形状
6. 残留物
刻蚀残留物是刻蚀以后留在硅片表面不想要的材 料 ，湿法去胶时能去除残留物。
7. 聚合物
聚合物是由光刻胶或刻蚀气体中的碳和其它物质
组成的化合物。
聚合物的优点：在刻蚀图形侧壁上形成抗腐蚀膜， 阻挡侧壁的腐蚀提高各向异性，获得良好的腐蚀 剖面。
聚合物的缺点：在反应室的任何地方都有聚合物， 影响纵向的刻蚀速率，增加反应室的清洗工作。
6.3 干法刻蚀原理
1. 刻蚀过程
1）刻蚀气体进入反应腔（以CF4为例）
2）RF电场使反应气体分解电离，产生等离子体
3）等离子体包括高能电子、离子、原子、自由基等
（CF4＋3e→ CF3 + ＋ CF2++ ＋ CF3 ＋ F）
4）反应正离子轰击样品表面－各向异性刻蚀（物理
刻蚀）
1. 刻蚀过程
5）反应正离子吸附表面 6）反应元素（自由基和反应原子）和表面膜的表 面反应－各向同性刻蚀（化学刻蚀） 7）副产物解吸附 8）副产物去除
（a）0时刻
（b）t1时刻
SiO2对下层Si的选择比 SiO2对下层Si的选择比 ＝（△dsio2/t1）÷（△dsi/（t3－t2））
（c）t2时刻
（d）t3时刻
4. 均匀性
刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片
上的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过
刻蚀。
5. 刻蚀剖面
刻蚀剖面是
第六章： 刻 蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念：
用化学或物理的方法，有选择地去除硅片表面层
材料的过程称为刻蚀。
刻蚀的工艺目的：
把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复 制掩膜版图形的目的。
刻蚀是在硅片上复制图形的最后图形转移工艺，
是集成电路制造的重要工艺之一。
刻蚀主要分三种：金属刻蚀、介质刻蚀、硅刻蚀
HF：H2O ＝50：1漂SiO2
煮去LOCOS的Si3N4
浓磷酸 180 ℃
本章作业
1. 什么是刻蚀？（即回答刻蚀的概念），刻 蚀的工艺目的是什么？ 2. 列举5个刻蚀参数 3. 描述反应离子刻蚀（即回答反应离子刻蚀 机理）
③等离子体中的反应正离子在自偏置电场中加速得 到能量轰击样片表面，这种离子轰击不仅对样片 表面有一定的溅射作用形成物理刻蚀，而且提高 了表面层自由基和反应原子或原子团的化学活性，
加速与样片的化学反应。
④由于离子轰击的方向性，遭受离子轰击的底面比
未遭受离子轰击的侧面的刻蚀要快得多，达到了
很好的各向异性。
刻蚀机理：
在RF作用下工艺气体分解电离：
CF4 ＋O2＋N2 ＋3e→ CF3 + ＋ CF3 ＋ F ＋O+＋N+
F是主要活性基与Si3N4发生化学反应： 12F＋ Si3N4 → 3SiF4 ↑＋ 2N2↑ 物理和化学混合刻蚀，物理刻蚀：CF3＋，化学刻 蚀：F O2/N2的作用:稀释F基的浓度降低对下层SiO2的刻 蚀速率
三极平行板RIE反应器
ICP-RIE 刻蚀机 ICP部分
传片腔
高密度等离子体反应离子刻蚀的特点：
1）高刻蚀速率
等离子体中反应基密度大增加了刻蚀速率
2）高方向性
系统中引入磁场使反应离子具有高方向性，可获
得高深宽比的槽；
3）小轰击损伤
系统的自偏压低，反应离子的能量低，因而减小
对Si片表面的轰击损伤。
介质的干法刻蚀
工艺目的：刻蚀氧化硅通常是为了制作接触孔和 通孔
工艺方法： 刻蚀气体：（CF4＋H2＋Ar＋He）或（CHF3 ＋Ar ＋He）
1. 氧化硅的刻蚀
刻蚀系统：平行板式或桶式RIE系统，0.25微米以 下采用ICP－RIE系统
工作压力：≤0.1Torr，0.25微米以下≤10mTorr
1. 刻蚀过程
干法刻蚀过程示意图
刻蚀作用
2. 等离子体的电势分布
①当刻蚀机电极加上射频功率后，反应气体电离形成辉光 放电的等离子体；
（射频电压：交流有效值几百伏、射频频率13.56MHz）
②在正负半周的射频电压作用下，快速运动的电子离开等 离子体轰击上下电极，使接电源的电极产生一个相对地为 负的自偏置直流电压；
（b）各向异性刻蚀剖面
湿法刻蚀是各向同性刻蚀，用化学方法，不能实 现图形的精确转移，适用于特征尺寸≥3μｍ的情况
干法刻蚀是各向异性刻蚀，用物理和化学方法，
能实现图形的精确转移，是集成电路刻蚀工艺的
主流技术。
干法刻蚀的优点（与湿法刻蚀比）
1. 刻蚀剖面各向异性，非常好的侧壁剖面控制 2. 好的CD控制
反应器
平行板RIE反应器
刻蚀机理
反应离子刻蚀属于物理和化学混合刻蚀，主流技术
