r1 S 选择性 r2
rlat 方向性 A 1 rvert
干法刻蚀 纯物 理刻 蚀
反应离子刻蚀RIE 增加方向性、选择 性的方法CF4/O2
纯化 学刻 蚀
SiO2——HF
MEMS
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第五章 刻蚀原理
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反应等离子体刻蚀技术与设备
一个反应等离子体刻蚀反应器包括一个真空腔、抽气泵系统、电源供应 产生器、压力探测器、流量控制器与终点探测器等。
10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比
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第五入少量H2， 可使CFx：F*的浓度比 增加。 从而使SiO2:Si 及Si3N4：Si的腐蚀速 率比增大
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第五章 刻蚀原理
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增加F/C比（加氧气），可以增加刻蚀速率 减少F/C比（加氢气），刻蚀过程倾向于形成高分子膜
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终点控制
干法刻蚀必须配备一个用来探测刻蚀工艺结束点的监视器，即终点探 测系统。激光干涉度量法用来持续控制晶片表面的刻蚀速率与终止点。 在刻蚀过程中，从晶片表面反射的激光会来回振荡，这个振荡的发生是 因为刻蚀层界面的上界面与下界面的反射光的相位干涉。因此这一层材 料必须透光或半透光才能观测到振荡现象。振荡周期与薄膜厚度的变化 关系为：
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第五章 刻蚀原理 刻蚀方向性的增加
增加离子轰击（物理刻蚀分量） 侧壁增加抑制物（inhibitor） DRIE
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第五章 刻蚀原理
本节课主要内容 什么是图形转移技术？ 刻蚀的两个关键问题？ 湿法腐蚀：
Si——HNA各向同性 ——KOH各向异性
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光刻＋刻蚀
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第五章 刻蚀原理
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反射系数（任意单位）
硅化物
多晶硅
硅化物/多晶硅刻蚀实验曲线 刻蚀时间（任意单位）
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第五章 刻蚀原理
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Sputtering mode：硅 片置于右侧电极，该 电极接地（反应腔体 通常也接地，则增大 该电极有效面积）； 右侧暗区电压差小， 通过离子轰击的物理 刻蚀很弱
反应的实质，打破C-F、Si-Si键，形成挥发性的Si-F硅卤化物。
CΘF +Si ΘSi = Si-F + 17kcal/mol
反应需要一个净正能量，CF4本身不会直接刻蚀硅。等离子体高能量
的电子碰撞会使CF4分子分裂生产自由的氟原子和分子团，使得形成 SiF是能量有利的。
等离子刻蚀基本原理 半导体制造工艺基础
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第五章 刻蚀原理
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化学刻蚀
物理刻蚀
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第五章 刻蚀原理
离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching
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无离子，XeF2对Si不刻蚀 纯Ar离子，对Si不刻蚀 Ar离子和XeF2相互作用， 刻蚀速率很快
物理过程（如离子轰 击造成的断键/晶格 损伤、辅助挥发性反 应产物的生成、表面 等离子体刻蚀的化学和物理过 抑制物的去除等）将 有助于表面化学过程 程并不是两个相互独立的过程， /化学反应的进行 而且相互有增强作用
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SiCl4
TiCl4
等离子刻蚀基本原理 半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
刻蚀方程式 为何处在等离子体环境下进行刻蚀
在我们的工艺中，是用CF4和O2来刻蚀扩散后的硅片，其刻蚀原理如下：
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CF4 = CFx* + (4-x) F* (x≤3) Si + 4 F* = SiF4 ↑
SiO2 + 4 F* = SiF4 + O2↑
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第五章 刻蚀原理
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刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制
刻蚀机制
刻蚀工艺包括5个步骤： 1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生； 2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面； 3、反应物被表面吸收； 4、通过化学反应产生挥发性化合物； 5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。 基本刻蚀方式为： 物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面； 化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。 化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向 同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与 高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。
刻蚀速率R (etch rate) 刻蚀均匀性 (etch uniformity) 选择性S (Selectivity) 各项异性度A (Anisotropy) 掩膜层下刻蚀 (Undercut) 单位时间刻蚀的薄膜厚度。对产 率有较大影响 一个硅片或多个硅片或多批硅片 上刻蚀速率的变化 不同材料之间的刻蚀速率比 刻蚀的方向性 A=0, 各项同性；A=1, 各项异性 横向单边的过腐蚀量
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第五章 刻蚀原理
例1：SiO2采用HF腐蚀
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实 BOE：buffered oxide etching 际 用 或BHF: buffered HF 例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA）
加入NH4F缓冲液：弥补 F和降低对胶的刻蚀
例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀
各 向 同 性
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第五章 刻蚀原理
氧气的作用
在CF4进气中加入少量氧气会提高硅和二氧化硅的刻蚀 速率。人们认为氧气与碳原子反应生成 CO2 ，这样从等离 子体中去掉一些碳，从而增加F的浓度，这些成为富氟等离 子体。往CF4等离子体中每增加 12%的氧气，F浓度会增加 一个数量级，对硅的刻蚀速率增加一个数量级。
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（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差
（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体 和环境有害 （4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩 余物，不经济
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第五章 刻蚀原理
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干法刻蚀
化学刻蚀（各项同性，选择性好） ——等离子体激活的化学反应(等离子体刻蚀)
物理刻蚀（各向异性，选择性差） ——高能离子的轰击 (溅射刻蚀) 离子增强刻蚀（各向异性，选择性较好） ——反应离子刻蚀
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第五章 刻蚀原理
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第五章 刻蚀原理
等离子体探测
大多数的等离子体工艺中发出的射线范围在红外光到紫外光之间，一 个简单的缝隙方法是利用光学发射光谱仪（OES）来测量这些发射光谱 的强度与波长的关系。利用观测到的光谱波峰与已知的发射光谱比较， 通过可以决定出中性或离子物质的存在。物质相对的密度，也可以通过 观察等离子体参数改变时光强度的改变而得到。这些由主要刻蚀剂或副 产物所引起的发射信号在刻蚀终点开始上升或下降。
大多数的等离子体抗蚀机，除了三极RIE外，都无法提供独立控制等离子 体参数的能力。导致轰击损伤的严重问题。ECR结合微波电源与静电场 来驱使电子沿磁场线作一定角频率的回旋。当此频率等于外加微波频率 时，电子能量与外加磁场产生共振耦合，造成大量的分解与电离。
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第五章 刻蚀原理
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其他高密度等离子体刻蚀机
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第五章 刻蚀原理
HNA各向同性腐蚀
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自终止
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第五章 刻蚀原理
利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS （MicroElectroMechanical Systems）结构
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第五章 刻蚀原理
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湿法腐蚀的缺点
在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀 所替代： （1）湿法腐蚀是各向同性，干法可以是各向异性
由于ULSI的线宽持续缩小，逼近传统的RIE系统极限，除了ECR系统外， 其他形式的高密度等离子体源（HDP），如电感耦合等离子体源 （ICP）、变压器耦合等离子体源（TCP）、表面波耦合等离子体源 （SWP）也已开始发展。这些设备拥有高等离子体密度与低工艺压强。 另外，HDP等离子体源对衬底的损伤较小（因为衬底有独立的偏压源与 侧电极电势），并有高的的各向异性（因为在低压下工作但有高活性的 等离子体密度）。 然而，由于其复杂且成本较高，这些系统可能不会使用于非关键性的工 艺，如侧壁间隔与平坦化工艺。
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第五章 刻蚀原理
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1000 低压整批RIE 100 单片晶片RIE
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低于高密度 ECR，ICP
桶状等离 子体刻机
1
1
10
100
1000
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第五章 刻蚀原理
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反应离子刻蚀（RIE）
平行板系统
RF
RF
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第五章 刻蚀原理
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电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀机
6. 清洁、经济、安全
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第五章 刻蚀原理
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刻蚀过程包括三个步骤：
– 反应物质量输运（Mass transport）到要被刻 蚀的表面 – 在反应物和要被刻蚀的膜表面之间的反应 – 反应产物从表面向外扩散的过程
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第五章 刻蚀原理 湿法刻蚀
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反应产物必 须溶于水或 是气相
半导体制造工艺基础
第五章 刻蚀原理
介电板 RF
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等离子体
RF
变压器耦合等离子体反应设备示意图
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第五章 刻蚀原理
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集成等离子体工艺
半导体晶片都是在洁净室里加工制作，以减少大气中的尘埃污染。当器 件尺寸缩小，尘埃的污染成为一个严重的问题。为了减少尘粒的污染， 集成等离子体设备利用晶片操作机将晶片置于高真空环境中从一个反应 腔移到另一个反应腔。同时可以增加产率。