【材料課件】第三章細(xì)加工中的刻蝕

1、第三章第三章 微細(xì)加工中的刻蝕和清洗工藝微細(xì)加工中的刻蝕和清洗工藝在微細(xì)加工中，刻蝕和清洗處理過程包括許多內(nèi)容。對(duì)于適當(dāng)取向的半導(dǎo)體薄片的鋸痕首先要機(jī)械拋光，以除去全部的機(jī)械損傷，之后進(jìn)行化學(xué)刻蝕和拋光，以獲得無(wú)損傷的光學(xué)平面。這種工藝往往能去除以微米級(jí)計(jì)算的材料表層。對(duì)薄片進(jìn)行化學(xué)清洗和洗滌，可以除去因操作和貯存而產(chǎn)生的污染，然后用熱處理的方法生長(zhǎng)si02(對(duì)于硅基集成電路)，或者沉積氮化硅(對(duì)于砷化鎵電路)，以形成初始保護(hù)層?？涛g過程和圖案的形成相配合。在保護(hù)膜層上刻出許多小窗，并通過該層保護(hù)膜進(jìn)行注入或擴(kuò)散，以便形成半導(dǎo)體區(qū)。重復(fù)這一過程，直到全部形成器件。進(jìn)一步的刻蝕和圖案形成的工藝，

2、還用于刻蝕單層或多層的金屬布線。通常這種工藝是沉積psg(磷硅玻璃)或氮化硅保護(hù)層。最后通過光刻的方法在鍵合區(qū)開孔，供引線的焊接及引出。刻蝕也包括半導(dǎo)體的化學(xué)加工，它是半導(dǎo)體制造工藝的一部分?？涛g工藝方法刻蝕工藝方法 化學(xué)刻蝕化學(xué)刻蝕包括材料簡(jiǎn)單地溶解于溶劑中，也包括材料變成可溶的化合物。這個(gè)過程有時(shí)在高溫中以氣相的形式完成。 等離子體刻蝕等離子體刻蝕 低溫氣體刻蝕工藝在制造技術(shù)中起著重要的作用。這種技術(shù)就是等離子體刻蝕，它是在氣體放電中，被刻蝕的材料與一種或多種物質(zhì)起反應(yīng)變成揮發(fā)態(tài)，從而達(dá)到刻蝕的目的。 離子銑離子銑 在許多刻蝕過程中，材料的去除是通過迅速移動(dòng)的惰性粒子(通常為氬)的動(dòng)量傳遞

3、來(lái)完成的。離子銑就是這種原理的刻蝕工藝，被稱作“原子級(jí)的噴砂”。 濺射濺射 另一種常用的工藝是濺射，它的基本特征類似于離子銑。這兩種技術(shù)需要形成氣體放電，以產(chǎn)生高速的氬離子。但是，活化物質(zhì)沒有真正參與刻蝕過程，因此稱為等離子體輔助加工。 反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕 “反應(yīng)離子刻蝕”是活化物質(zhì)與離子轟擊相結(jié)合的方法。系統(tǒng)離子轟擊的主要作用是使表面損傷，受損傷的表面可以通過活化物質(zhì)的化學(xué)作用而去除?；罨镔|(zhì)與基片的反應(yīng)因離子轟擊而得到增強(qiáng)，因此刻蝕速率大于兩個(gè)單獨(dú)過程的總和。第一節(jié)第一節(jié) 濕法化學(xué)刻蝕濕法化學(xué)刻蝕材料的濕法化學(xué)刻蝕，包括刻蝕劑到達(dá)材料表面和反應(yīng)產(chǎn)物離開表面的傳輸過程，也包括表面本身的

4、反應(yīng)。如果刻蝕劑的傳輸是限制加工的因素，則這種反應(yīng)受擴(kuò)散的限制。吸附和解吸也影響濕法刻蝕的速率，而且在整個(gè)加工過程中可能是一種限制因素。半導(dǎo)體技術(shù)中的許多刻蝕工藝是在相當(dāng)緩慢并受速率控制的情況下進(jìn)行的，這是因?yàn)楦采w在表面上有一污染層。因此，刻蝕時(shí)受到反應(yīng)劑擴(kuò)散速率的限制。污染層厚度常有幾微米，如果化學(xué)反應(yīng)有氣體逸出，則此層就可能破裂。濕法刻蝕工藝常常有反應(yīng)物產(chǎn)生，這種產(chǎn)物受溶液的溶解速率的限制。為了使刻蝕速率提高，常常使溶液攪動(dòng)，因?yàn)閿噭?dòng)增強(qiáng)了外擴(kuò)散效應(yīng)。 多晶和非晶材料的刻蝕是各向異性的。然而，結(jié)晶材料的刻蝕可能是各向同性，也可能是各向異性的，它取決于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的性質(zhì)。 晶體材料的各向同性刻

5、蝕常被稱作拋光刻蝕，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生平滑的表面。 各向異性刻蝕通常能顯示晶面，或使晶體產(chǎn)生缺陷。因此，可用于化學(xué)加工，也可作為結(jié)晶刻蝕劑。一、結(jié)晶材料的刻蝕一、結(jié)晶材料的刻蝕 單晶硅和砷化鎵可分為長(zhǎng)程有序和短程有序兩類，它們的刻蝕可能是各向同性的，也可能是各向異性的。 借助于直接化學(xué)溶解可以刻蝕結(jié)晶材料。對(duì)于氣相的情況，提高溫度是一種最普通的做法，如在外延生長(zhǎng)之前，半導(dǎo)體表面的制備就是這種情況。典型的刻蝕劑是鹵素及其化合物。對(duì)于硅的預(yù)先外延刻蝕，多使用hcl和sf6，而砷化鎵則使用hcl。 半導(dǎo)體的低溫刻蝕常用濕法化學(xué)刻蝕。首先使它們氧化，然后通過化學(xué)反應(yīng)而使氧化物溶解。在同一種刻蝕溶液中，由于混

6、有各種試劑，所以這兩步是同時(shí)進(jìn)行的。氧化的化學(xué)原理與陽(yáng)極氧化是相同的。然而，刻蝕過程陽(yáng)極和陰極不能由電池明確地確定，因?yàn)榘雽?dǎo)體表面上各點(diǎn)會(huì)無(wú)規(guī)則地表現(xiàn)出局部陽(yáng)極化和陰極化。氧化作用來(lái)自這些局部電解電池的作用，并產(chǎn)生相當(dāng)大的刻蝕電流，其電流強(qiáng)度可超過100acm2。 在一段時(shí)間內(nèi)，局部面積(大于原子尺度)既起陽(yáng)極作用又起陰極作用。如果兩者作用的時(shí)間粗略相等，刻蝕就均勻；相反，就發(fā)生選擇性刻蝕。半導(dǎo)體表面的缺陷特性、刻蝕液的溫度、刻蝕液的雜質(zhì)，以及半導(dǎo)體刻蝕液表面的吸附過程等因素，對(duì)確定刻蝕液的選擇性和刻蝕速率方面都起重要作用。 氧化物的形成使半導(dǎo)體表面上出現(xiàn)了阻擋層，阻止進(jìn)一步的氧化。因此，需要

7、加入另一種化學(xué)物質(zhì)，使氧化物成為可溶于水的化合物或絡(luò)合物。 可選用的化學(xué)物質(zhì)相當(dāng)多，除含有cn和nh4基的鹽外，酸和堿也可用。 氫氟酸對(duì)硅的刻蝕最常用。砷化鎵系列則常使用硫酸、磷酸和檸檬酸或者氫氧化銨作刻蝕劑。二、硅的濕法刻蝕二、硅的濕法刻蝕 硅的刻蝕最普通使用的刻蝕劑是hno3、hf和醋酸的混合物溶液。其陽(yáng)極反應(yīng)式為si十2h+si2+si2+與(oh)結(jié)合成si2+十2(0h)si(oh)2 而氫氧化硅再分解生成氧化硅和氫氣，即si(oh)2sio2十h2氫氟酸可溶解二氧化硅，其反應(yīng)式為sio2十6hfh2sif6十2h2o 攪拌可使復(fù)合物h2sif6離開硅片附近。因此，這種反應(yīng)稱為復(fù)合反

8、應(yīng)。 在陽(yáng)極氧化中，si十2h+si2+所要求的空穴由電池供應(yīng)。在硅刻蝕的反應(yīng)中，空穴由局部陰極的no2的還原反應(yīng)產(chǎn)生，這種反應(yīng)稱為自動(dòng)催化作用，因?yàn)槠渲械囊恍┓磻?yīng)產(chǎn)物促進(jìn)了本身的反應(yīng)。當(dāng)少量的hno2雜質(zhì)出現(xiàn)時(shí)，其連續(xù)反應(yīng)過程如下： hno2十hno3n2o4十h2o n2o22no2 2no2 2no2十2h+ 2no2十2h+2hno2 最后這反應(yīng)式產(chǎn)生的hno2，再按第一個(gè)反應(yīng)式開始進(jìn)行反應(yīng)，使這個(gè)過程被催化。這些反應(yīng)的首要問題是受速率限制。 水可以作這種刻蝕液的稀釋劑，但采用醋酸更好，因?yàn)榇姿岬慕殡姵?shù)(615)比水的介電常數(shù)(81)小得多。醋酸作稀釋劑，可使硝酸分解得更少，而末分解

9、物質(zhì)的濃度更高。與水相比，醋酸在更廣的范圍內(nèi)仍可保持硝酸的氧化能力。因此，刻蝕液的氧化能力在其使用期間可維持恒定，這在集成電路制造中是十分重要的。 整個(gè)刻蝕過程以hno3自動(dòng)催化的誘發(fā)期開始。在誘發(fā)期之后，便是hno2的陰極還原作用，它不斷地提供空穴參加反應(yīng)。氧化產(chǎn)物在氫氟酸中起反應(yīng)，形成可溶的復(fù)合物h2sif6。所有這些過程在簡(jiǎn)單的刻蝕混合物內(nèi)產(chǎn)生。整個(gè)反應(yīng)為：si十hno3十6hfh2sif6十hno2十h2o十h2三、砷化鎵的濕法刻蝕三、砷化鎵的濕法刻蝕 對(duì)于砷化鎵，已研究出各種各樣的刻蝕方法。然而，這些方法中很少是真正各向同性的。這是因?yàn)間a(111)面和as(111)面的表面活潑性很

10、不相同。砷晶面上，每個(gè)原子有兩個(gè)不飽和鍵。雖然表面層有某些再排列的過程，但與鎵表面相比仍然有更大的活潑性，因而刻蝕速率大。結(jié)果，多數(shù)刻蝕劑在砷晶面上形成了拋光面，而對(duì)鎵晶面的刻蝕則慢得多，而且會(huì)顯出表面特征和晶體缺陷的傾向。因此，被刻蝕的ga(111)面的外表面會(huì)發(fā)霧或結(jié)霜。 當(dāng)半導(dǎo)體浸入電解質(zhì)時(shí)，原來(lái)分開的費(fèi)米能級(jí)在界面處拉平，電子電荷從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)，其反應(yīng)式為gaas十6h+ga3+十a(chǎn)s3+ga3+和as3+離子與電解液中的(oh)離子反應(yīng)，生成氧化物ga2o3和as2o2。氧化物在酸和堿中分解，由于酸和堿是刻蝕劑的一部分，因而形成可溶性的鹽和復(fù)合物。 砷化鎵最早的刻蝕液是在甲醇中

11、加入低濃度的溴。(oh)離子由甲醇提供，溴有雙重作用，它既是強(qiáng)氧化劑，又可使氧化產(chǎn)物分解形成可溶的溴化物。 br2ch3oh刻蝕液使用的濃度范圍很寬。濃度低時(shí)其刻蝕速率與溴的含量成線性關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，在ch3oh中，用體積比為0.05%的br2就可得到約占.075m/min的刻蝕速率。溴的濃度較高時(shí)（達(dá)10%），可獲得良好的表面拋光效果。因此，這種配方的刻蝕劑常用于除去切割損傷。 br2ch3oh刻蝕液的刻蝕速率隨晶面的不同而不同，as(111)面刻蝕速率最大，ga(111)面最小。一般來(lái)說(shuō)，各晶面刻蝕速率的比是as(111)面：ga(100)面：ga(111)面3：2：1。用快速刻蝕配方(即

12、溴的含量高)，則有更均勻的刻蝕速率。 除ga(111)面外，br2ch3oh刻蝕液可用來(lái)對(duì)所有主晶面拋光。為改善對(duì)ga(111)面的拋光，采用1ml的br2、20ml的ch3oh和300ml的膠體si02懸浮液時(shí)，其刻蝕速率約為02mmin。 許多砷化鎵刻蝕劑都采用強(qiáng)氧化劑h2o2，它與酸、堿的結(jié)合可把氧化產(chǎn)物溶解。h2so4、h3po4、hno3、hcl和檸檬酸，以及nh4oh和naoh都已被應(yīng)用。 1h2so4h2o2h2o刻蝕液刻蝕液在很寬的組分范圍內(nèi)都可使用這種刻蝕液。圖42為0時(shí)的等刻蝕曲線。這種刻蝕液的刻蝕速率隨溫度指數(shù)而增加，因此室溫的刻蝕速率是圖示值的35倍。h2so4和h2o

13、2的含量高時(shí)相應(yīng)于圖中的c和d的范圍，此時(shí)能產(chǎn)生鏡面。區(qū)域a中的組分含有較高的h2so4及h2o2，其刻蝕速率很大，并產(chǎn)生霧狀的外表面。區(qū)域b的配方產(chǎn)生的刻蝕速率很小，而且可以用來(lái)刻蝕坑一類的表面缺陷。2h3po4h2o2h2o刻蝕液刻蝕液磷酸與h2o2相結(jié)合是一種與摻雜濃度無(wú)關(guān)的刻蝕組分。圖63為這種刻蝕液的等刻蝕曲線，并給出四個(gè)有意義的區(qū)域a、b、c和d。在a、c和d區(qū)內(nèi)，刻蝕速率隨時(shí)間而線性變化；而在b區(qū)內(nèi)，刻蝕速率與時(shí)間的平方根成正比，這是因?yàn)榭涛g劑中h3po4的濃度高且較粘之故。因此，h2o2擴(kuò)散到砷化鎵是限制刻蝕速率的因素。在a、b和c區(qū)域內(nèi)，這種刻蝕組分對(duì)所有的主晶面有近似相等的

14、刻蝕速率，而對(duì)ga(111)面的刻蝕速率則慢一半。以體積比為h3po4；h2o2：h2o3：1：50所組成的刻蝕劑，對(duì)ga(111)面產(chǎn)生04mmin的刻蝕速率，對(duì)其它主晶面的刻蝕速率為08mmin。在c區(qū)，具有一定的各向異性刻蝕。3c3h4（oh）（cooh）3h2oh2o2h2o刻蝕液以醋酸為基礎(chǔ)的刻蝕液包含50(重量)的醋酸水溶液與濃h2o2按體積比為k：1的混合物，可在較寬的組分范圍內(nèi)使用，其刻蝕速率的范圍也相當(dāng)大。圖44表示刻蝕速率與k的函數(shù)關(guān)系?？涛g速率范圍為0.110nms。當(dāng)k2時(shí)，攪動(dòng)對(duì)刻蝕速率相當(dāng)靈敏。因?yàn)榭涛g速率的限制，取決于砷化鎵表面的氧化產(chǎn)物的去除。醋酸對(duì)去除氧化物很

15、有效。它對(duì)于主晶面的刻蝕速率基本是相同的，而對(duì)ga(111)面的刻蝕速率約為其他晶面的60。4nh4ohh2o2h2o刻蝕液刻蝕液 這種刻蝕液可用來(lái)刻蝕ga(111)面，亦可刻蝕其他主晶面。其組成是1ml的nh4oh和700ml的h2o2，對(duì)as(100)面、(111)面及ga(111)面的刻蝕速率約為03mmin。這種配方的刻蝕液可認(rèn)為是真正的各向同性刻蝕液。然而，改變組分可使其呈現(xiàn)各向異性的特性。相比之下，這種刻蝕液的優(yōu)點(diǎn)是有效期比br2ch3oh為長(zhǎng)，這對(duì)晶片的制備很重要。5naohh2o2h2o刻蝕液刻蝕液 這種刻蝕液在刻蝕特性上與銨堿配方相似。已證明，1摩爾的naoh和076摩爾的h

16、2o2組成的刻蝕液對(duì)(100)晶面在30時(shí)的刻蝕速率約為02mmin，在55時(shí)的刻蝕速率可增加到10mmin。四、各向異性濕法刻蝕四、各向異性濕法刻蝕 通過對(duì)材料表面層的連續(xù)溶解可對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行刻蝕。由于(111)面是密堆積低指數(shù)面，因此該面的刻蝕速率最慢。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刻蝕受反應(yīng)速率限制時(shí)，上述預(yù)測(cè)是正確的，因?yàn)榭涛g速率低，就不會(huì)產(chǎn)生那么多的熱。由擴(kuò)散限制的刻蝕及快速產(chǎn)生局部溫升的刻蝕，有可能在各個(gè)方向上得到均勻的刻蝕。 近年來(lái)各向異性刻蝕的研究已集中在對(duì)半導(dǎo)體材料的化學(xué)加工上。這種方法已被用于分割梁式引線器件及半導(dǎo)體芯片、微波二極管傾斜面的刻蝕、v形槽和垂直槽的刻蝕等方面。擇優(yōu)刻蝕已成為器件和

17、集成電路工藝的基礎(chǔ)。非電子學(xué)應(yīng)用也需要使用各向異性刻蝕，如油墨噴射印刷機(jī)的精密噴嘴的加工。由于111是密堆積面，故該面刻蝕最慢。根據(jù)這個(gè)理由，100面刻蝕最快，而110面的刻蝕速率處于中間。對(duì)硅的刻蝕已證明了這一點(diǎn)，而且對(duì)這種材料的各向異性刻蝕都遵循這一準(zhǔn)則。 與硅不同，砷化鎵是一種極性半導(dǎo)體，并且在ga(111)面和as(111)面上有不同的活性。尤其是在砷原子終端的as(111)面有高的反應(yīng)性，通常比其他面刻蝕得更快。因此，對(duì)硅晶面刻蝕快慢的順序總是(100)面、(110)面和(111)面，而(111)面刻蝕最慢。對(duì)砷化鎵的刻蝕順序通常是as(111)面、ga(100)面、ga(110)面

18、和ga(111)面。通常硅的很多刻蝕劑都具有很高的各向異性特點(diǎn)，但對(duì)于砷化鎵就沒有這種情況。事實(shí)上，砷化鏡的刻蝕有時(shí)并沒有顯示出上述所列的順序。硅(100)面的各向異性刻蝕的效應(yīng)如圖45所示。圖中還標(biāo)出掩模窗口的取向。假設(shè)對(duì)所有(111)面的刻蝕速率是相同的，則對(duì)(100)與(111)面的刻蝕速率之比，一般大于25。對(duì)于這種情況，在某一時(shí)間之后，刻蝕出的剖面呈梯形。而最后卻刻蝕出v形槽，如圖65的虛線所示。實(shí)際上，在(111)面上的刻蝕速率較小，因此會(huì)出現(xiàn)某種程度的鉆蝕。 圖46(a)表示同一種情況的砷化鎵，其各向異性刻蝕的作用是相當(dāng)不同的，因?yàn)間a(111)面刻蝕最慢，as(111)面刻蝕最

19、快。結(jié)果，這個(gè)刻蝕剖面對(duì)于某一方向呈梯形，并在另一方向有突然下降的尾部。因此，較高指數(shù)面不是砷面就是鎵面。刻蝕角并不像硅那樣精確到5474。然而，如果對(duì)110和110方向切開一個(gè)45的窗口，就可獲得一個(gè)矩形的刻蝕剖面，如圖46(b)所示。其他取向的砷化鎵和窗口，還可獲得各種各樣更復(fù)雜的剖面。下面介紹硅和砷化鎵的各向異性刻蝕及其刻蝕特性。1 硅的濕法刻蝕 硅通常使用的各向異性刻蝕液由koh水溶液或與異丙醇混合組成。一般在80的19(重量)的koh水溶液中進(jìn)行刻蝕，刻蝕速率為(110)面：(111)面400：1，在(110)面上的刻蝕速率為059mmin。刻蝕液稀釋會(huì)降低這一比率，不過刻蝕速率可以

20、更好地控制。用異丙醇液代替水，能更好地控制刻蝕速率，但為了避免刻蝕過程中酒精的蒸發(fā)。需要一個(gè)冷凝裝置。 聯(lián)氨和水組成的刻蝕液已用于集成電路v形槽的各向異性刻蝕?？涛g液的組分為100g的n2h4和50ml的水，使用溫度為100。這樣，對(duì)(100)面的刻蝕速率為3mmin，對(duì)(111)面的刻蝕速率約為03mmin。 由乙二胺、鄰苯二酚和水的混合物(epw)組成的一系列刻蝕劑都可用于硅的刻蝕。其典型配方由17ml乙二胺、3g鄰苯二酚和8ml水組成，在110時(shí)各晶面的刻蝕速率為(100)：(110)：(111)50：30：3mh。降低刻蝕液的水含量，可使刻蝕速率減小。同樣，可用聯(lián)氨代替乙二胺作為溶劑。

21、 epw刻蝕劑通常在接近沸點(diǎn)時(shí)使用。因此，刻蝕必須在冷凝裝置中進(jìn)行。溫度低時(shí)，刻蝕速率較小，可用于多晶硅的細(xì)線刻蝕。有時(shí)在epw溶液中加入催化劑(二氮雜苯或重氮化合物)，對(duì)某些epw配方有雙倍的刻蝕速率。2砷化鎵的濕法刻蝕砷化鎵的濕法刻蝕 對(duì)于砷化鎵拋光刻蝕劑，幾乎全部都顯示出一定的各向異性刻蝕。同時(shí)，由于砷化鎵有極性，故各向異性刻蝕通常不像硅那樣具有選擇性。溴和甲醇在某種程度上顯示出各向異性的性能。1(重量)的溴溶液與甲醇混合，對(duì)各晶面的刻蝕速率比為as(110)：as(111)：ga(100)：ga(111) 6：5；4：1。這種組分對(duì)(110)面的刻蝕速率約為1mmin。 nh4ohh2

22、o2h2o刻蝕液也具有各向異性刻蝕的能力。由nh4oh：h2o2：h2o20：7：973組成的刻蝕液，對(duì)各晶面的刻蝕速率為ga(111)：as(100)：as(111)0037：012：02mmin。 上述兩種刻蝕液的缺點(diǎn)是它們會(huì)破壞光刻膠。因此，必須使用sio2掩模。含有磷酸的刻蝕劑就沒有這個(gè)問題，而且磷酸也有很好的刻蝕性能。h3po4h2o2h2o刻蝕液可以像各向異性刻蝕劑一樣，在圖43中的c區(qū)使用。體積比為1：9：1的組分對(duì)各晶面的刻蝕速率為as(110)：as(111)：ga(100)：ga(111)5：42：3：1.5min。 c3h4（oh）（cooh）3h2oh2o2h2o刻蝕液

23、也可使用光刻膠掩模。這種刻蝕劑對(duì)高k值(參見圖44)有極好的性能(k值超過10)。 總之，對(duì)砷化鎵尚未有十分滿意的拋光刻蝕液。但是，多數(shù)配方都有一定程度的各向異性刻蝕能力。一般來(lái)說(shuō)，低刻蝕速率的組分比高刻蝕速率的組分有更好的各向異性。為了增強(qiáng)刻蝕劑的各向異性的特性，常在低溫中進(jìn)行刻蝕。五、結(jié)晶學(xué)刻蝕五、結(jié)晶學(xué)刻蝕 結(jié)晶學(xué)刻蝕可以顯示位錯(cuò)與半導(dǎo)體表面相截的區(qū)域。位錯(cuò)與有關(guān)的應(yīng)力場(chǎng)一起存在于原材料中，也可在摻雜耦合和氧化生長(zhǎng)等誘導(dǎo)過程中產(chǎn)生。位錯(cuò)位表面勢(shì)產(chǎn)生高度的定域化漂移。如果刻蝕速度較慢，并受反應(yīng)速率的限制，則應(yīng)有選擇地刻蝕該區(qū)域。如果刻蝕速度很快，則會(huì)生成大量的熱，使這些定域的變化模糊不清。

24、 結(jié)晶學(xué)刻蝕劑一般采用慢速刻蝕劑，而且常由同一種成分組成(如拋光刻蝕劑)。在使用時(shí)常常加入一種或多種重金屬離子，它在刻蝕時(shí)極易析出，從而提供刻蝕區(qū)域的視覺對(duì)比度。 1硅的結(jié)晶學(xué)刻蝕硅的結(jié)晶學(xué)刻蝕 對(duì)于硅，最普遍使用的結(jié)晶學(xué)刻蝕劑中，達(dá)斯(dash)刻蝕劑具有歷史價(jià)值，因?yàn)樗巡牧蟽?nèi)的位錯(cuò)和表面刻蝕的凹槽圖形聯(lián)系起來(lái)。這種刻蝕需要浸入幾小時(shí)才能完全有效。雪特爾(sirtl)等人利用鉻鹽作氧化劑，又提供了重金屬離子，使這些刻蝕劑在幾分鐘內(nèi)可刻蝕出凹槽圖形，并已得到廣泛應(yīng)用。雪特爾刻蝕劑有利于各向異性刻蝕，對(duì)硅的(111)面最為有利。通過刻蝕作用可刻出三角形凹槽。塞科(secco)刻蝕劑是各向同性的

25、，可形成圓形或橢圓形刻蝕槽，對(duì)硅(100)面及(111)面是等效的。賴特(wright)刻蝕劑使用硝酸銅起電鍍劑作用，因此刻出的凹槽更清晰。其刻蝕特性是各向異性的，可用于硅(100)面和(111)面上，其凹槽的幾何形狀提供了有關(guān)結(jié)晶學(xué)取向缺陷的信息。 2砷化鎵的結(jié)晶學(xué)刻蝕砷化鎵的結(jié)晶學(xué)刻蝕 目前已經(jīng)研究出了砷化鎵用的許多結(jié)晶學(xué)刻蝕劑。因?yàn)樯榛売袠O化性質(zhì)，能比較容易地識(shí)別快速刻蝕的as(111)面和慢速刻蝕的ga(111)面。這些晶面的刻蝕槽趨于三角形。但在(001)面上的刻蝕槽呈矩形，因?yàn)樵诳涛g時(shí)鎵面和砷面的刻蝕速率不同。 顯示(100)和(110)方向的刻蝕凹槽對(duì)于砷化鎵特別有用，因?yàn)樵谥?/p>

26、作激光器及其他光電子器件時(shí)這些面是裸露的。cro3作為氧化劑與agno3和hf一起可作為實(shí)際應(yīng)用的刻蝕液，在65時(shí)使用，并要迅速攪拌以便去除半導(dǎo)體表面的殘留物。 用于硅的所有結(jié)晶學(xué)刻蝕劑也可用于砷化鎵。例如，雪特爾刻蝕劑被廣泛用于顯示砷化鎵(100)和(110)方向的刻蝕特性。這種刻蝕劑十分特別，在缺陷位置上形成一些小丘，而不是普通的刻槽。位錯(cuò)刻蝕在砷化鎵界面的刻鈾及其他化合物半導(dǎo)體的刻蝕中，得到了廣泛應(yīng)用。其配方為cro3和agno3兩部分組成的ab位錯(cuò)溶液，用在切口的面上，可以指示出由多層外延而形成的成分變化。 向異性刻蝕的刻蝕液也可作凹糟刻蝕。稀釋的溴甲醇組分可在砷化鎵中作凹槽刻蝕，以h

27、3po4和h2o2為主的刻蝕劑同樣可作凹槽刻蝕。 六、非晶膜的刻蝕六、非晶膜的刻蝕 在制造集成電路時(shí)，需要把不同的薄膜材料腐蝕成各種各樣的圖形。這些薄膜的性質(zhì)大多是透明、非晶或多晶的材料。它們不是長(zhǎng)程有序的。因此，濕法化學(xué)刻蝕在性質(zhì)上通常是各向同性的，即刻蝕劑在掩膜層下面橫向擴(kuò)展，其擴(kuò)展的數(shù)值大致等于刻蝕的深度。在許多情況下，光刻膠與薄膜的界面存在應(yīng)力，加上毛細(xì)管現(xiàn)象，故在該界面區(qū)域經(jīng)常引起過分的鉆蝕，甚至使光刻膠剝離或撕裂。若薄膜和半導(dǎo)體之間的界面有應(yīng)力，就可能出現(xiàn)過分的鉆蝕。sio2si界面就是一個(gè)例子。在氧化物中開窗口的過程，可能導(dǎo)致氧化物硅界面層附近的si02處發(fā)生鉆蝕。在極端情況下，

28、可以導(dǎo)致氧化物層的脫落。如圖47所示，在淺擴(kuò)散高速晶體管的制造中有時(shí)會(huì)遇到這一問題。1薄膜材料的刻蝕特點(diǎn)及常用刻蝕劑薄膜材料的刻蝕特點(diǎn)及常用刻蝕劑 薄膜材料刻蝕所用的化學(xué)物與溶解這一類物體的材料是相同的，其作用是將材料轉(zhuǎn)變成可溶性的鹽或復(fù)合物。對(duì)于每種材料，都有多種刻蝕化學(xué)物可選用，它們的特性取決于膜的參數(shù)(如膜的微結(jié)構(gòu)、疏松度和膜的形成過程)，同時(shí)也取決于所提供的前加工過程的性質(zhì)。它一般有下述特點(diǎn)： (1)膜材料比相應(yīng)的體材料更容易刻蝕。因此，必須用稀釋的刻蝕劑，以便控制刻蝕速率。 (2)受照射的膜一般將被迅速刻蝕。這種情況，包括離子注入的膜，電子束蒸發(fā)生成的膜，甚至前工序中曾在電子束蒸發(fā)環(huán)

29、境中受照射的膜。而某些光刻膠受照射則屬于例外，因?yàn)檫@是由于聚合作用而變得更難刻蝕的緣故。負(fù)性膠就是一例。 (3)內(nèi)應(yīng)力大的膜將迅速被刻蝕。膜的應(yīng)力通常由沉積溫度、沉積技術(shù)和基片溫度所控制。 (4)微觀結(jié)構(gòu)差的薄膜，包括多孔膜和疏松結(jié)構(gòu)的膜，將被迅速刻蝕。這樣的膜，?？梢酝ㄟ^高于生長(zhǎng)溫度的熱處理使其致密化。致密化的膜的刻蝕速率比一般生長(zhǎng)的薄膜要慢。 (5)化合物的刻蝕速率更大。氮化硅就是一個(gè)很好的例子。 (6)混合物膜常比單一成分的膜刻蝕得快。因?yàn)橐环N成分的膜的刻蝕，常常引起薄膜空隙率隨潮濕表面的增加而迅速增加。磷硅玻璃（psg）就是一個(gè)很好的例子。 2sio2膜的濕法刻蝕 在硅和砷化鎵工藝中，

30、sio2膜廣泛地用作覆蓋層。由復(fù)合反應(yīng)的有關(guān)方程得知，sio2易被氫氟酸腐蝕。實(shí)際上，這種反應(yīng)由稀釋的氫氟酸溶液就可實(shí)現(xiàn)。為避免氟化物離子的損失，用nh4f作緩沖劑。nh4f的加入，產(chǎn)生了從控制到流動(dòng)是一致的刻蝕特性。這個(gè)過程減少了氫氟酸對(duì)光刻膠的腐蝕。這種刻蝕成分通常稱為“緩沖氫氟酸”刻蝕劑(bhf)。 通常bhf經(jīng)稀釋后才使用，這樣可降低刻蝕速率。其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理相當(dāng)復(fù)雜，而且與刻蝕劑中的hf和hf2離子的濃度有關(guān)。這些物質(zhì)的相對(duì)濃度與溶液的ph值有關(guān)。一般的bhf溶液，其ph值約為3，它幾乎全部由hf2離子組成。 熱生長(zhǎng)及沉積形成的sio2膜，都可以在bhf中刻蝕。然而，沉積膜(在350

31、一500時(shí)由sih4生長(zhǎng)工藝沉積)的刻蝕率比熱氧化物(在10001200下生長(zhǎng))更快。在450沉積的sio2膜，在bhf中的刻蝕速率約為300nms，但對(duì)干燥的熱氧化物，其刻蝕速率只有90100nms。沉積膜在10001200熱處理15min左右就變得致密，使刻蝕速率降到與熱氧化膜的刻蝕速率相近。3磷硅玻璃磷硅玻璃(psg)濕法刻蝕濕法刻蝕 psg比sio2有更低的沉積應(yīng)力，而且能阻擋輕堿離子的擴(kuò)散。它主要用作硅器件的鈍化層及熱處理前砷化鎵晶片的覆蓋層。在350500下通過sih4和ph3的同時(shí)氧化便可生長(zhǎng)psg。 psg容易在hf和bhf中刻蝕，刻蝕速率隨玻璃中p2o5含量的增加而增加。因?yàn)?/p>

32、hf刻蝕sio2，使玻璃變得疏松，p2o5便迅速溶解于水中。一般含8mol的p2o5的psg，在bhf中的刻蝕速率為550nmmin，而對(duì)末摻雜的sio2，其刻蝕速率約為250nmmin。同一種膜，在1100熱處理致密后，其刻蝕速率大大降低，對(duì)psg來(lái)說(shuō)，刻蝕速率為300nmmin，而對(duì)sio2，則為80nmmin。 為使刻蝕特性最佳化，可以使用各種不同的bhf稀釋液。此外，以hf和hno3混合物為主的刻蝕液稱為p型刻蝕劑，它對(duì)sio2和psg膜的刻蝕更為有用。 p型刻蝕劑的刻蝕速率，隨薄膜的非晶含量而成對(duì)數(shù)增加。一般末摻雜的熱生長(zhǎng)氧化模，其刻蝕速率約為018nms。而通過硅掩模磷擴(kuò)散后，形成

33、psg(約16mol的p2o5)的刻蝕速率約為50nms。p型刻蝕劑對(duì)去除sio2層上的磷擴(kuò)散所形成的psg尤其有用，但在使用時(shí)需要注意：p型刻蝕劑與露出的硅接觸時(shí)，會(huì)使硅溶解。4混合氧化物的濕法刻蝕混合氧化物的濕法刻蝕 混合氧化物包括硼硅玻璃(bsg)，znosio2和sno2sio2，它們都可作為摻雜源。bsg可作為硅的p型摻雜氧化物源，而znosio2和sno2sio2則分別作為砷化鎵的p型和n型摻雜源。它們的生長(zhǎng)是在350450c下通過sih4和適量的摻雜氫化物或烷基(分別是乙硼烷、二乙基鋅和四甲基錫)的同時(shí)氧化而進(jìn)行的。因?yàn)閟io2是主要成分，因此可用hf和bhf對(duì)它們刻蝕。在刻蝕過

34、程中，sio2溶于hf中，使膜的結(jié)構(gòu)變得疏松，因而對(duì)分解更敏感。 摻雜氧化物常用稀釋的bhf作刻蝕劑。一般來(lái)說(shuō)，刻蝕速率隨b2o3含量而增加，但有時(shí)在刻蝕bsg膜時(shí)可觀察到一些反常的現(xiàn)象。 當(dāng)加有掩模的硅片進(jìn)行硼摻雜時(shí)，會(huì)形成一薄層bsg。要去除這層薄膜，可使用一種稱為r型刻蝕劑或s型刻蝕劑的刻蝕方法，即可留下底層的sio2。這兩種刻蝕劑都是由p型刻蝕劑的配方改進(jìn)而來(lái)的，它在去除bsg薄層的能力方面，其速率比p型刻蝕劑約快56倍。5氮化硅的濕法刻蝕氮化硅的濕法刻蝕 氮化硅(通常寫作sin)是一種惰性的致密材料，它對(duì)于鈉和鎵是一種極好的擴(kuò)散阻擋層。為此，它被廣泛用作硅集成電路的保護(hù)層，也可作為離

35、子注入后砷化鎵退火時(shí)的覆蓋層。它的保護(hù)特性一般優(yōu)于sio2和psg。然而，在氮化硅上刻蝕圖案較困難，并在很大程度上取決于其生長(zhǎng)工藝。 sin膜可用hf和bhf刻蝕。然而，即使升高溫度，刻蝕速率也極低。此外，在刻蝕時(shí)光刻膠也會(huì)受到損壞。一般來(lái)說(shuō)，cvd(sih4-nh3工藝)生長(zhǎng)的sin膜的刻蝕速率是生長(zhǎng)溫度的函數(shù)。在800生長(zhǎng)的sin膜，濃hf對(duì)它的刻蝕速率約為100nmmin，而在1100生長(zhǎng)的膜則降低到14nmmin。sin膜在bhf中的刻蝕速率更低，如在1100生長(zhǎng)的膜，其刻蝕速率約為0515nm/min。 在氮化物和光刻膠之間沉積一層鉬作二次掩模，可避免光刻膠受破壞。用正常的光刻工藝可

36、以刻蝕這層鉬膜，并可得到邊緣輪廓清晰的圖形。光刻膠被剝?nèi)ブ?，鉬膜就成為氮化硅層的刻蝕掩模。sio2膜上的覆蓋層常使用氮化硅。若碰到這種情況，hf和bhf就不能使用。因?yàn)閔f和bhf都能溶解sio2，從而造成嚴(yán)重的鉆蝕。因此，通常以沸騰的h3po3來(lái)代替，并使用回流蒸發(fā)器避免刻蝕劑成分發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，用cvd技術(shù)生長(zhǎng)的sin膜，其刻蝕速率約為10nmmin，而熱生長(zhǎng)的sio2的刻蝕速率約為12nmmin。在相同條件下，硅的刻蝕速率小于03nmmin。因此，這種工藝可用在硅表面暴露的場(chǎng)合。圖48為這三種膜的刻蝕速率比較曲線。在許多情況下，必須以同樣的速率刻蝕相繼的sin和sio2層，如mno

37、s(金屬氮化物氧化物半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)管的柵氧化層的刻蝕便是這樣。在80一90的hf和甘油的混合物中，通過調(diào)節(jié)混合物的濃度就可提供相等的刻蝕速率。一般來(lái)說(shuō)，hf的濃度為13moll，并在80下約以10nmmin的相等速率刻蝕sio2和cvd的sin膜。sin膜的刻蝕速率對(duì)于少量氧的摻入極其靈敏。一般情況下，sin在hf和bhf中的刻蝕速率隨氧的含量而增加，而sin在h3po4中的刻蝕速率卻因氧的摻入而減少。通常在1000生長(zhǎng)并含有7的sio2的sixoynz膜，在濃hf中的刻蝕速率為35nmmin，而對(duì)于含50sio2的膜，其刻蝕速率可高達(dá)500nmmin。此外，應(yīng)該注意到，在低溫下通過等離子體增

38、強(qiáng)cvd生長(zhǎng)的sin膜合有大量的氫。因此，其刻蝕速率比普通工藝生長(zhǎng)的要快。6多晶硅和半絕緣多晶硅的濕法刻蝕多晶硅和半絕緣多晶硅的濕法刻蝕用來(lái)刻蝕硅的刻蝕劑，也可用來(lái)刻蝕摻雜和末摻雜的多晶硅。它們的刻蝕速率相當(dāng)快，以致使薄膜圖形的邊緣不清晰。然而，對(duì)于多晶硅，可以適當(dāng)改進(jìn)刻蝕劑。通常是降低hf的含量，提高h(yuǎn)no3和hf的比率，增加稀釋劑。用這種配方的刻蝕劑，對(duì)末摻雜膜的刻蝕速率約為150750nmmin。對(duì)于摻雜薄膜的刻蝕速率，在很大程度上取決于晶粒尺寸和摻雜濃度。半絕緣多晶硅(sipos)是生長(zhǎng)硅時(shí)進(jìn)行氧摻雜而形成的，因此它可以在稀釋的bhf液中刻蝕。這種刻蝕劑可以溶解其中的sio2。sipo

39、s膜的刻蝕速率，主要取決于摻入膜中的氧的合量。通常膜中的合氧量約為20，而稀釋的bhf對(duì)這種膜的刻蝕速率約為200nmmin。7硅化物薄膜的濕法刻蝕硅化物薄膜的濕法刻蝕 在濕化學(xué)法刻蝕中，硅化物的刻蝕是極困難的。雖然有幾種刻蝕劑是可用的，但刻蝕速率極慢，而且刻蝕劑也會(huì)損壞光刻膠膜。因此，必須使用輔助掩模。通常需要使用等離子體輔助刻蝕的方法刻蝕硅化物。8金屬薄膜的濕法刻蝕金屬薄膜的濕法刻蝕 在集成電路的制造工藝中使用了各種各樣的金屬膜。金屬膜應(yīng)包括歐姆接觸膜、肖特基阻擋層和導(dǎo)電金屬布線。此外，金屬膜在硅和砷化鎵集成電路中還可作為多層金屬系統(tǒng)的擴(kuò)散阻擋層。 (1)鋁的刻蝕鋁的刻蝕 鋁是最重要的金屬

40、，可用于歐姆接觸肖特基阻擋層和連接引線。鋁的刻蝕可采用各種酸性成分的刻蝕劑，使用最普通的是以h3po4和hno3混合物為主體的刻蝕劑。由于hno3會(huì)刻蝕砷化鎵，所以砷化鎵上的鋁的刻蝕應(yīng)采用以hcl和水為主體的刻蝕液。 (2)金和銀的刻蝕金和銀的刻蝕 金可作集成電路的梁式引線和用于多層連接系統(tǒng)，也可在砷化鎵集成電路中作肖特基阻擋層和歐姆接觸的金屬。金可用王水刻蝕，但不實(shí)際，因?yàn)橥跛蓳p壞大多數(shù)光刻膠和金屬掩模。金的刻蝕通常采用kr(氪)和i2(碘)在水中的稀釋液。使用這種刻蝕劑可用光刻膠作掩模。但是，這種刻蝕劑不透明，所以在加工過程中必須邊觀察邊漂洗。金的刻蝕也可采用其他刻劑，但它們大多含有有毒

41、氰化物。 對(duì)于n型砷化鎵，銀和金一樣，可作阻擋層而用于肖特基器件。銀鈦結(jié)合還可用于多層金屬布線。與金不同的是，銀在酸性和堿性刻蝕劑中容易被刻蝕。 (3)鉻的刻蝕鉻的刻蝕 鉻與金結(jié)合可用于金屬布線和歐姆接觸，鉻也可作為硬表面的光掩模。鉻的特征是表面有一層薄氧化物鈍化層，故在刻蝕之前，必須先破壞這一鈍化層。鈍化層的去除，可通過薄膜與某些正電性的金屬線(如鋁和鋅)瞬間接觸能放出氫的方法來(lái)完成，然后在許多種酸液中刻蝕這層薄膜。4)鉬和鎢的刻蝕鉬和鎢的刻蝕 這兩種金屬可作硅mos器件的難熔金屬柵及用于砷化鎵的肖特基二極管中。鉬鎢都有多種效果良好的刻蝕劑。 (5)鉑和鈀刻蝕鉑和鈀刻蝕 鉑和鈀在砷化鎵器件中

42、可作肖特基阻擋層和歐姆接觸。將這些金屬沉積并經(jīng)熱轉(zhuǎn)變成硅化物，便可用來(lái)制作淺結(jié)硅器件的肖特基阻擋層及歐姆接觸。在應(yīng)用時(shí)，熱處理后接著應(yīng)去除末反應(yīng)的金屬。由于鉑的硅化物與王水不起反應(yīng)，故可用“稀”王水去除鉑。而鈀則可以在許多不同的溶液中刻蝕。 第二節(jié)第二節(jié) 等離子體刻蝕等離子體刻蝕 等離子體化學(xué)，可認(rèn)為是部分電離氣體(包含離子、電子和基團(tuán))中的化學(xué)反應(yīng)。在11000pa的壓強(qiáng)下，利用高頻放電很容易得到電離物質(zhì)。放電中的自由電子從電場(chǎng)中獲得能量，而在與氣體分子的碰撞中又損失其能量。電子通過與分子的彈性碰撞或非彈性碰撞，把能量傳給了分子。彈性碰撞只傳輸了極少量的能量，因?yàn)殡娮雍头肿拥馁|(zhì)量比極小(10

43、-5)。非彈性碰撞可以傳輸很大一部分能量給分子，而使分子激發(fā)。這一過程產(chǎn)生了活性亞穩(wěn)態(tài)粒子。例如，在相當(dāng)簡(jiǎn)單的氧等離子體中，已經(jīng)確定有29種不同的反應(yīng)。這種等離子體的特征是氣體分子和電子之間不存在熱平衡，典型的電子溫度為10000k，而氣體的溫度卻只有50100。等離子體中電子的濃度很低，約為1091012cm3的數(shù)量級(jí)。因此，等離子體可看作是在相對(duì)冷的介質(zhì)中活性粒子的集合。正是這些活性粒子及其特性，才能使等離子體應(yīng)用于刻蝕中。 典型的等離子體刻蝕系統(tǒng)如圖49所示。它由一個(gè)高頻激發(fā)的石英反應(yīng)室構(gòu)成?？捎谜婵毡冒逊磻?yīng)室的氣壓抽到所要求的壓強(qiáng)。一種或多種氣體的混合氣，通過可調(diào)閥充入反應(yīng)室中，而反應(yīng)

44、產(chǎn)物則由真空泵抽除。在此系統(tǒng)中的等離子體刻蝕主要是由活性化學(xué)物質(zhì)起作用的，但電子轟擊和離子轟擊也同樣發(fā)生，其結(jié)果將導(dǎo)致濺射而使表面受污染、輻射損傷以及造成基片上深淺不同的刻蝕。實(shí)際上，只要把基片放在一個(gè)導(dǎo)電的網(wǎng)內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)就能得到很大的改善。由于導(dǎo)電網(wǎng)的屏蔽作用，便使基片不受轟擊。此外，還可以消除基片受到不均勻電場(chǎng)的影響。否則，由于局部受熱會(huì)使基片的刻蝕不均勻。當(dāng)反應(yīng)物質(zhì)的壽命足夠長(zhǎng)時(shí)，可使它們從等離子體區(qū)擴(kuò)散到隧道加工室。其效果特別好。 當(dāng)利用等離子體刻蝕使圖形從一層轉(zhuǎn)移到另一層時(shí)，刻蝕的均勻性就成為最重要的考慮因素。圖49(b)是一種新的隧道式反應(yīng)器，它裝有多個(gè)氣體入口，使刻蝕的均勻性得到

45、一定程度的改善。當(dāng)刻蝕速率較慢、反應(yīng)器負(fù)荷較輕、基片間距較大時(shí)，基片刻蝕的均勻性可達(dá)3。當(dāng)刻蝕速率太高和基片之間靠得太近時(shí)，反應(yīng)劑物質(zhì)的擴(kuò)散就會(huì)成為限制因素，可使刻蝕的不均勻性增大10倍。另一種等離子體的刻蝕方法是采用平板電極的反應(yīng)器，如圖410所示。在這種反應(yīng)器中，基片的放置與氣流垂直，故可得到更好的刻蝕均勻性。由于基片處于等離子體中，便充分利用了活性物質(zhì)。同時(shí)，基片也垂直于高頻(rf)電場(chǎng)，使所有離子的運(yùn)動(dòng)更有方向性。這樣，刻蝕便具有良好的各向異性。當(dāng)化學(xué)活潑物質(zhì)和迅速運(yùn)動(dòng)的粒子同時(shí)存在時(shí)，基片材料的脫附便大大增加，從而產(chǎn)生良好的刻蝕效果。這種類型的等離子體刻蝕稱為反應(yīng)離子刻蝕。等離子體刻

46、蝕的優(yōu)勢(shì)等離子體刻蝕的優(yōu)勢(shì) (1)干法刻蝕加工避免了由于液態(tài)刻蝕劑的毛細(xì)管現(xiàn)象而引起的光刻膠的鉆蝕問題。采用平板反應(yīng)器，由于其機(jī)理是動(dòng)量的遷移而使材料去除，所以能得到各向異性的刻蝕效果。 (2)作為刻蝕劑的氣體，其用量很少，因此污染也很少。雖然有些氣體有毒或易爆炸(如co和o2)，但因用量很少，故處理也較容易。 (3)對(duì)一種或多種反應(yīng)物或排除物進(jìn)行光譜監(jiān)控時(shí)，便可指示刻蝕的終點(diǎn)。 (4)等離子體加工可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可采用盒式裝片、自動(dòng)抽氣和真空鎖輸送等先進(jìn)方法。一、光刻膠的去除一、光刻膠的去除 等離子體技術(shù)最先用于集成電路加工，主要是去除已曝光的負(fù)性光刻膠。傳統(tǒng)的去膠方法是濕法，它主要有兩種。一

47、種是把光刻膠放在熱氧化劑(如h2so4h2o2混合物)中進(jìn)行處理，即所謂“燒去法”；另一種是把光刻膠浸泡在熱的碳?xì)渎然锏幕旌衔?如三氯乙烯、氯苯等)中，使光刻膠泡脹而從基片脫落。 濕法刻蝕需要大量有腐蝕性的化學(xué)藥品，并會(huì)損傷底層的薄膜，特別是容易損傷金屬布線。因?yàn)榻饘倌ぽ^柔軟(如金和鋁)，而且易受酸和堿的腐蝕(特別是鋁)。在vlsi中，由于需要很細(xì)的線條，故不能采用濕法刻蝕，只好利用等離子體去膠技術(shù)。 等離子體去膠亦稱為等離子體“灰化”。通常是把涂有光刻膠的基片置于氧等離子體中并采用隧道式反應(yīng)器。 在4050便可使光刻膠氧化或“燒去”，而起主要作用的是氧的游離基o*，其反應(yīng)產(chǎn)物有co、co2

48、和h2o。 加于等離子體的高頻功率約100300w，對(duì)于涂有厚為1m光刻膠的基片的處理時(shí)間為510min。光刻膠的去除速率取決于氣體的壓強(qiáng)及流量、高頻功率、基片溫度和每次去膠的基片數(shù)目。 去除光刻膠的過程受擴(kuò)散過程所控制，因此去膠速率與基片之間的間隙和基片直徑有關(guān)?？涛g速率在基片的周邊較快，而在基片的中心較慢，就是因?yàn)槭軘U(kuò)散過程所限制的緣故。由于光刻膠下面的材料(如硅、砷化鎵、鋁、金、二氧化硅和氮化硅等)幾乎不受等離子體的作用，所以等離子體去膠可進(jìn)行得很徹底，可使光刻膠被全部除凈，而下面的薄膜材料卻無(wú)任何損傷。利用近代的光刻膠，不會(huì)在基片上留下任何殘留物，所以清洗的工作量很少，可將其立即用于后

49、一工序。 等離子體刻蝕或等離子體輔助處理的一個(gè)共同問題是輻射損傷，它會(huì)導(dǎo)致低閡值mos器件柵氧化物層具有快界面態(tài)。利用隧道反應(yīng)器的屏蔽裝置，或者在300400進(jìn)行退火可減少這種損傷，但對(duì)于氧化物的這種損傷卻難以完全消除。 慢界面態(tài)也可能產(chǎn)生，特別是當(dāng)?shù)入x子體刻蝕的時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)更容易發(fā)生。其主要原因是輕的堿金屬離子由光刻膠進(jìn)入氧化物層中。一般只能通過高溫加熱才能將其除去。在mos電路中，柵氧化層上的除膠一般不采用等離子體除膠法，但用等離子體方法為金屬柵除膠則沒有這樣的問題。 等離子體對(duì)硅的清潔處理十分有效，它可以除去硅表面上的有機(jī)化合物污染，這在隨后進(jìn)行的干法熱氧化中可產(chǎn)生高質(zhì)量的柵氧化層，也可除

50、去等離子體清洗產(chǎn)生的損傷層。 砷化鎵在沉積金屬膜之前，是不希望用等離子體進(jìn)行清潔處理的，因?yàn)樯榛壍倪x擇性濺射會(huì)形成砷空位，這就增大了漏電電流并降低了理想化系數(shù)。 二、刻蝕的負(fù)載效應(yīng)二、刻蝕的負(fù)載效應(yīng)在等離子體反應(yīng)中，控制刻蝕速率的加工參量可以用實(shí)驗(yàn)的方法作優(yōu)化處理。從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，刻蝕的速率與放入基片的數(shù)量有關(guān)，準(zhǔn)確地說(shuō)是與基片的總面積有關(guān)。當(dāng)刻蝕的面積較小時(shí)，刻蝕速率增大；而當(dāng)刻蝕面積較大時(shí)，便要增加刻蝕時(shí)間。硅和氮化硅在cf4等離子體中的刻蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖411所示。圖中的刻蝕曲線說(shuō)明了負(fù)載效應(yīng)的現(xiàn)象。 三、圖形的刻蝕三、圖形的刻蝕把圖形轉(zhuǎn)移到下層薄膜的刻蝕工藝要比等離子體除膠困難得多。如果

51、用光刻膠圖形作掩模，則要求光刻膠不受等離子體的刻蝕或受刻蝕的速率要比下層薄膜低得多。若不能這樣，則需要附加一掩模層，使圖形先轉(zhuǎn)移到附加層上，再由附加層作掩模。當(dāng)然，附加層的材料是不受等離子體刻蝕的。因此，在圖形刻蝕過程中，選擇性刻蝕是很重要的考慮因素。此外，刻蝕的均勻性也十分重要，必須控制鉆蝕的影響。所以在vlsi制造中常用反應(yīng)離子刻蝕的方法，因?yàn)檫@種方法可以把定向的離子轟擊和活性物質(zhì)的反應(yīng)結(jié)合起來(lái)，從而產(chǎn)生幾乎無(wú)鉆蝕的各向異性的刻蝕效果。最常用的薄膜(包括硅和砷化鎵)在氧等離子體中都不被刻蝕。因此，為了刻蝕這些材料，已研究了各種新型的刻蝕劑及其混合物。選擇性的刻蝕特性是十分重要的，并已受到極

52、大的重視。1氟化物刻蝕圖形的機(jī)理氟化物刻蝕圖形的機(jī)理 硅及其化合物薄膜的圖形刻蝕，與硅和砷化鎵的加工工藝相似。這些薄膜包括多晶硅、sio2、psg、摻雜sio2和si3n4，它們可用含氟的物質(zhì)進(jìn)行刻蝕。已對(duì)多種氟化物進(jìn)行研究，如cf4、c2f6和c3f8等。其中cf4應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗址€(wěn)定。在等離子體中，cf4的反應(yīng)如下： e-+cf4cf3+f*+2e- 氟游離基f*是主要的活性物質(zhì)，它可刻蝕硅而轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氣態(tài)物質(zhì)sif4 。另外，cf3+2具有很強(qiáng)的還原特性，在刻蝕sio2中起重要作用，因?yàn)樗墒箂io2還原為sio。氮化硅的刻蝕是與f*直接反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，即 12 f*+si3n4

53、3 sif4+2n2若在cf4 中加入110(體積)的氧會(huì)使氟原子的數(shù)量迅速增加，這是由于原子氧或分子氧與cf3+反應(yīng)的結(jié)果。在反應(yīng)中也會(huì)產(chǎn)生co。由圖412可見，氟的輻射波長(zhǎng)為704nm，co的輻射波長(zhǎng)為482nm。圖中同時(shí)給出硅的刻蝕速率，其變化趨勢(shì)與氟輻射強(qiáng)度的變化一致。 2用用cf4-o2等離子體刻蝕圖形等離子體刻蝕圖形 硅化玻璃薄膜通常由sih4 和ph3、b2h6或者ash3的熱氧化處理而成。這種薄膜在cf4 o2等離子體中可以迅速被刻蝕，刻蝕速率與玻璃膜生長(zhǎng)的溫度(450650)無(wú)關(guān)，也與cf4等離子體的氧含量(66以下)無(wú)關(guān)，但是刻蝕速率隨玻璃中摻雜劑的增加而成線性增大。對(duì)于重

54、摻雜氧化物(1021摻雜原子cm3)，在cf4-o2等離子體中的刻蝕速率，是cvd法制備的無(wú)摻雜sio2的210倍。氮化硅亦可在cf4-o2 等離子體中刻蝕，其刻蝕速率比sio2稍高些。在cf4-4o2的等離子體中，各種膜的典型刻蝕速率之比為sisi3n4sio2azl3501732.51。利用cf4 等離子體刻蝕psg或si3n4保護(hù)層上的窗口，是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。原因是鋁不為氟等離子體所刻蝕，因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生的氟化鋁膜非常致密而且不揮發(fā)，可防止鋁被進(jìn)一步刻蝕。在硅上的氧化物或氮化物膜上刻蝕一個(gè)窗口，卻是很困難的事。因?yàn)楣璧目涛g速率比sio2快310倍，所以必須很小心控制這一刻蝕步驟，才不會(huì)刻蝕薄膜下

55、面的硅?？梢酝ㄟ^監(jiān)視氟輻射譜線的強(qiáng)度的方法，確定是硅或者是sio2被刻蝕。另種方法是，通過控制刻蝕氣體中氧的含量來(lái)改變加工的選擇性。氧的變化會(huì)相應(yīng)引起cf3+和f*的量的變化。隨著cf3+的增加sio2的刻蝕速率也增加，而硅的刻蝕速率則受到f*的影響。這種方法的主要問題是當(dāng)氧的含量超過8時(shí)，光刻膠的刻蝕速率會(huì)迅速增加。 3用用cf4-h2等離子體刻蝕圖形等離子體刻蝕圖形還有一種方法是利用cf4-h2等離子體刻蝕圖形。h2加入cf4中會(huì)產(chǎn)生如下的輔助反應(yīng)： 2f*+ h22hf這使系統(tǒng)的氟濃度降低，因而硅的刻蝕速率也降低。采用這種方法，sio2si的刻蝕速率之比可達(dá)35。這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是等

56、離子體中沒有氧，故對(duì)光刻膠無(wú)刻蝕作用。圖413為光刻膠，sio2和si的刻蝕速率與等離子體中氫的濃度的關(guān)系。 由于上述反應(yīng)中產(chǎn)生的hf在排氣處理過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，因此采用了合氟量較少的c3f8。這種方法可得到sio2si的刻蝕速率之比為56，并大大減少了污染。利用這種刻蝕劑的等離子體刻蝕，只限于平板反應(yīng)器，因?yàn)榉磻?yīng)性物質(zhì)的復(fù)合時(shí)間非常短。 離子輔助刻蝕加工的各向異性的特性，可以從sio2掩模層和硅在cf4等離子體的刻蝕中看到。sio2的刻蝕取決于cf3+離子。在平板反應(yīng)器中有很明顯的各向異性，但是硅的刻蝕主要取決于中性的氟游離基f*，其傳輸過程由擴(kuò)散所控制，其刻蝕的剖面如圖414所示。4

57、鋁和砷化鎵的等離子體刻蝕鋁和砷化鎵的等離子體刻蝕 用o2或者cf4o2等離子體來(lái)刻蝕鋁是不可能的，因?yàn)樯傻难趸锘蚍锓浅Ｖ旅芮也粨]發(fā)。鋁的刻蝕可用氯或其化合物，其活性物質(zhì)為cl+、c1+2和c1*。用ccl4氣體可產(chǎn)生游離基ccl3*和c1*，即 ccl4ccl3*+ c1* ccl3*具有很強(qiáng)的還原能力，可用來(lái)破壞氧化鋁表面層，而金屬鋁則被氯刻蝕而生成揮發(fā)性的氯化鋁。 用等離子體產(chǎn)生活性氯基的一個(gè)主要問題是活性氯基的再?gòu)?fù)合時(shí)間非常短，所以刻蝕應(yīng)該在平板反應(yīng)器中進(jìn)行。因?yàn)榛煞旁谧羁拷入x子體的位置上，如圖410所示。砷化鎵在氧或cf4等離子體中也不能刻蝕，因?yàn)榉锸侨埸c(diǎn)很高的固體，

58、所以砷化鎵上面的psg或si3n4覆蓋層，很容易利用cf4-o2等離子體刻蝕?？捎寐鹊入x子體刻蝕砷化鎵，刻蝕氣體常用ccl4 、hcl或c12?？涛g必須在平板反應(yīng)器中進(jìn)行，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的壽命很短，而且利用平板反應(yīng)器中離子的定向轟擊，有助于去除表面的碳而增強(qiáng)刻蝕的效果。難熔金屬，如鉬、鎢、鈦和鉭等的刻蝕，可采用cf4或cf4-o2等離子體。它們的刻蝕速率相近，約為1015nmmin (高頻功率為100w)；它們的硅化物亦可以用cf4-4o2等離子體刻蝕。四、用于干法刻蝕中的終點(diǎn)檢測(cè)四、用于干法刻蝕中的終點(diǎn)檢測(cè) 近幾年來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，對(duì)微細(xì)加工不斷提出更高的要求。在干法刻蝕中，影響

59、刻蝕質(zhì)量和重復(fù)性的因素很多，如刻蝕氣體的組分、流量、壓強(qiáng)、射頻功率、 反應(yīng)器的起始溫度、芯片的幾何圖形、刻蝕層的厚度和成分，以及不可忽視的殘余氣體等。它們不同程度地影響刻蝕特性。要精確控制這些因素使其達(dá)到所需的要求是極為復(fù)雜和不現(xiàn)實(shí)的。但是，可將上述各種因素的作用歸結(jié)到對(duì)刻蝕終點(diǎn)的影響上。用終點(diǎn)檢測(cè)來(lái)控制工藝以達(dá)到所需的要求，是一種簡(jiǎn)單可行的方法。所謂終點(diǎn)檢測(cè)法，就是應(yīng)用某種測(cè)試手段實(shí)時(shí)檢測(cè)刻蝕中樣品和等離子狀態(tài)等變化的方法。 在干法刻蝕中，終點(diǎn)檢測(cè)的方法很多，歸納起來(lái)有幾種：發(fā)射光譜法、激光干涉測(cè)定法、質(zhì)譜測(cè)定法、阻抗監(jiān)視法、朗謬爾探針法，以及壓強(qiáng)監(jiān)控法等。其中發(fā)射光譜法是一種有實(shí)用價(jià)值的重

60、要方法。發(fā)射光譜法作終點(diǎn)檢測(cè)的基本方法 (1)測(cè)量并記錄刻蝕氣體的發(fā)射光譜； (2)觀測(cè)刻蝕過程中的等離子體發(fā)射光譜； (3)從發(fā)光光譜中進(jìn)行原子、分子等的識(shí)別，找出參與刻蝕的粒子和刻蝕所生成的粒子； (4)比較兩種情況下的光譜，從中找出哪些對(duì)刻蝕過程敏感的譜線(或譜帶)作為檢測(cè)信號(hào)，通過測(cè)繪該譜線的發(fā)射強(qiáng)度隨刻蝕時(shí)間的變化，作出終點(diǎn)檢測(cè)特性曲線，并根據(jù)曲線的變化趨勢(shì)而定出終點(diǎn)來(lái)。 氧等離子體去膠，多晶硅、二氧化硅、氮化硅等干法工藝中都采用了終點(diǎn)檢測(cè)的方法。它是一種檢測(cè)反應(yīng)物或生成物的譜線強(qiáng)度隨時(shí)間變化的方法。第三節(jié) 微細(xì)加工中的清洗工藝 半導(dǎo)體晶片都要經(jīng)過切片、研磨、拋光、包裝等物理處理。這