半導(dǎo)體制造-刻蝕工藝介紹

/半導(dǎo)體制造—刻蝕工藝介紹摘要：自從半導(dǎo)體誕生以來，其很大程度上改變了人類的生產(chǎn)和生活.半導(dǎo)體除了在計算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用之外，還廣泛地應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)、自動遙控及國防科技領(lǐng)域.此外,在運輸（如汽車、輪船、飛機(jī))以及宇航上的應(yīng)用和作用也日益顯著。本文主要介紹半導(dǎo)體制造工藝中的刻蝕工藝?？涛g就是將光刻膠沒有覆蓋或保護(hù)的部分,以化學(xué)反應(yīng)或物理作用加以去除，以完成將圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的目的。隨著半導(dǎo)體制造大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,圖形加工線條越來越細(xì),硅片尺寸越來越大，對刻蝕工藝的要求也越來高。應(yīng)此，學(xué)習(xí)了解刻蝕工藝的十分必要。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體、刻蝕、硅片SemiconductorManufacturing—EtchingProcessIntroducedAbstract：Sincetheinceptionofthesemiconductor，whichgreatlychangedtheproductionofhumanlife.Inadditiontosemiconductorapplicationsinthecomputerfield,butalsowidelyusedincommunications，networking，automaticremotecontrolandnationaldefensescienceandtechnology。Inaddition,inthetransport(suchascars，boats，aircraft），andaerospaceapplicationsandontheincreasinglysignificantrole。Thispaperdescribestheetchingprocessofsemiconductormanufacturingprocess.Etchingthephotoresistisnotcoveredorprotectedpartofthechemicalreactionsorphysicaleffectstoberemovedtocompletethepatterntransfertothesiliconsurfaceofthegoal.Asthesemiconductormanufacturinglargescaleintegratedcircuittechnology，moreandmoredetailedgraphicsprocessinglines，wafersizeincreases，thedemandsontheetchingprocessincreasinglyhigh。Inresponsetothis，learningisnecessarytounderstandtheetchingprocess.KeyWords：Semiconductor、Etching、Wafers目錄TOC\o"1-3"\h\u2061前言 19493第1章半導(dǎo)體制造的基本工藝步驟 2145281。1氧化 2258311.2光刻和刻蝕 3298691.3擴(kuò)散和離子注入 4275451。4金屬化 511089第2章刻蝕工藝及方法介紹 6310122.1刻蝕工藝及方法介紹 6146932。2濕法刻蝕 7187872.2.1二氧化硅的刻蝕 8320902.2.2硅的刻蝕 8294582.2。3金屬鋁的刻蝕 9257932.2.4其他濕法刻蝕 10164182.3干法蝕刻 11250552。3.1二氧化硅的干法刻蝕 12208522。3.2氮化硅的干法刻蝕 12294422.3.3鋁合金的干法刻蝕 13126442.3.4干法刻蝕的其他用途 1329005第3章刻蝕的去膠 14214643。1溶劑去膠 14192203.2氧化去膠 14142603.3等離子體去膠 1511786第4章刻蝕的終點檢測 17155734.1終點檢測方法 1719844.1。1光發(fā)射分光儀法 1769184。1.2激光干涉法測量 17141594。2刻蝕的損傷 1824504.2.1等離子體引起的損傷 18248674。2.2等離子體引起的微粒污染 1825686總結(jié) 207738謝辭 2117031參考文獻(xiàn) 22前言如今，半導(dǎo)體在人們?nèi)粘Ｉ钪?，可以說無處不在.它除了應(yīng)用于計算機(jī)領(lǐng)域之外，還廣泛地應(yīng)用在通信、消費類電子產(chǎn)品,自動控制以及國防科技領(lǐng)域。半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展與電子學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、機(jī)械加工等科技領(lǐng)域緊密聯(lián)系.半導(dǎo)體制造集成電路的發(fā)展也極大地推動了這些領(lǐng)域的發(fā)展。這些科技領(lǐng)域的重大發(fā)明創(chuàng)造項目也廣泛地應(yīng)用到集成電路技術(shù)上。由于，半導(dǎo)體制造過程工藝繁多,其工藝也不完全相同，但其經(jīng)典工藝還是相同的,所以本文主要對半導(dǎo)體制造過程的刻蝕工藝進(jìn)行介紹。本文分為4個部分，第一部分簡要介紹半導(dǎo)體制造的基本工藝步驟,第二部分為半導(dǎo)體刻蝕工藝介紹，第三部分為刻蝕工藝的去膠，第四部分為刻蝕工藝的終端檢測。第1章半導(dǎo)體制造的基本工藝步驟半導(dǎo)體制造工藝處理過程是最復(fù)雜和最苛刻的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。它由數(shù)百萬個單元處理步驟的復(fù)雜序列組成，這些步驟必須近乎無瑕疵地完成。如討論整個工藝過程步驟是十分困難的，因此本章將討論如圖（1—1）和圖（1—2)給出一個簡單工藝制造流程，這些流程包括氧化、光刻、刻蝕、離子注入和金屬化。圖1—1：(a)n型硅晶片原材料；（b）通過干或濕氧化后的硅片；（c）涂敷光刻膠；（d)光刻膠通過掩模板曝光1.1氧化一般來說,SiO2的作用是作為大部分器件結(jié)構(gòu)中絕緣體，或在器件制造過程中作為擴(kuò)散或離子注入的阻擋層.在p-n結(jié)（圖1—1）中，SiO2薄膜可用來界定區(qū)域。氧化的方法有兩種：濕法氧化和干法氧化.濕法氧化的氧化劑是使用氧和水蒸氣的混合物。濕氧氧化具有較高氧化速率,可用于生長厚的氧化層.干氧氧化可獲得特性良好的Si-SiO2界面，所以通常用來生長器件的氧化物薄膜層。圖1—1（a）顯示一硅晶片原材料準(zhǔn)備進(jìn)行氧化處理.經(jīng)過氧化工藝處理后，就會在晶片的整個表面形成一層SiO2。為簡化討論,圖1—1（b）只顯示硅片表面的氧化層.1.2光刻和刻蝕光刻技術(shù)被用于界定p-n結(jié)的幾何形狀.形成SiO2層以后。在晶片表面使用高速旋轉(zhuǎn)機(jī)旋涂一層對紫外線敏感的光敏材料薄層,這種光敏材料被稱為光刻膠.之后將晶片放在溫度為80～100℃的環(huán)境下烘焙,目的是去除光刻膠中的溶劑,提高光刻膠黏附力。下一步驟使用紫外線光源，通過具有某種圖案的掩模板對涂有光刻膠晶片進(jìn)行曝光。根據(jù)光刻膠的類型,在晶片表面光刻膠涂層的曝光區(qū)域?qū)l(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，曝光在光線下的光刻膠涂層將發(fā)生聚合反應(yīng)而難以被刻蝕.聚合物區(qū)域在晶片放進(jìn)顯影液后依然存在，而被曝光的區(qū)域(在不透光的掩模板區(qū)域下)會溶解并清洗掉，如圖1—1（d）所示圖1-2：（a）顯影后的晶片；（b）SiO2去除的晶片；（c）光刻工藝處理后的晶片；（d)擴(kuò)散或離子注入形成p-n結(jié)；（e）光刻工藝處理后的晶片;（f）完整工藝處理后的晶片圖1-2（a）顯示了顯影后的晶片。晶片再次放入120～180℃溫度下烘焙20分鐘,以增強(qiáng)對稱底得黏附力，提高在即將進(jìn)行的刻蝕工藝處理中的腐蝕能力。然后使用氫氟酸（HF)作為酸刻蝕液來去除沒有被光刻膠抗蝕劑所保護(hù)的SiO2表面，如圖1—2(b）所示。最后使用化學(xué)溶劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝?nèi)ス饪棠z。圖1—2（c）顯示光刻膠光刻膠工藝處理以后除去部分氧化層區(qū)域的最終結(jié)果，此時晶片已經(jīng)完成了準(zhǔn)備工作,可以進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)散或離子注入的工藝步驟以形成p-n結(jié)。1.3擴(kuò)散和離子注入在擴(kuò)散方法中，沒有被SiO2保護(hù)的半導(dǎo)體表面暴露在相反類型的高濃度雜質(zhì)中，雜質(zhì)利用固態(tài)擴(kuò)散的方法進(jìn)入半導(dǎo)體晶格中.在離子注入方法中,摻雜離子被加速到較高的能量，然后注入半導(dǎo)體內(nèi)部。此時SiO2層作為雜質(zhì)擴(kuò)散或離子注入的阻擋層。隨后p-n結(jié)形成，見圖1—2(d）。由于摻入雜質(zhì)的橫向擴(kuò)散，重?fù)诫s區(qū)域要比光刻所開的窗口面積略微大些。1.4金屬化擴(kuò)散或離子注入步驟以后,歐姆接觸和互連線在隨后的金屬化工藝步驟中完成，如圖1-2（e）所示。金屬薄膜可以使用物理或化學(xué)氣相淀積的方法形成。光刻的工藝再次被使用,用來界定正面的連接點，如圖1—2（f）所示。在晶片背面也要進(jìn)行相似的金屬層和半導(dǎo)體之間的低電阻接觸。第2章刻蝕工藝及方法介紹2。1刻蝕工藝及方法介紹刻蝕就是用光刻的方法制成的光刻膠上的微細(xì)圖形結(jié)構(gòu),只能給出集成電路的形貌(又稱為潛影）,并不是真正的集成電路圖形結(jié)構(gòu)。為了獲得真正的集成電路結(jié)構(gòu)，還必須將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下面各層材料上面去?？墒蔷涂梢該?dān)當(dāng)這一任務(wù)：將曝光、顯影后的光刻微圖形中下層材料的裸露部分去除，即在這層材料上重視與光刻膠相同的微圖形.也可以這樣說,可是就是將沒有被光刻膠覆蓋或保護(hù)的部分，以化學(xué)反應(yīng)或物理作用加以去除，以完成將圖形轉(zhuǎn)移到硅片表面的目的。（如圖2-1所示)圖2-1：刻蝕轉(zhuǎn)移圖形示意圖應(yīng)該說，圖形轉(zhuǎn)移是借助于光刻和刻蝕共同完成的。硅片表面的一層薄膜可以是SiO2、Si3N4、Poly-Si、鋁合金（Alloy）、磷硅玻璃等。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，圖形加工的線條也越來越細(xì)，硅片尺寸越來越大，因此，對于刻蝕轉(zhuǎn)移圖形的重視精度和尺寸控制要求也越來越高.刻蝕可以分為濕法刻蝕和干法刻蝕.前者的主要特點是各向同性刻蝕；后者是利用等離子體來進(jìn)行各向異性刻蝕,可以嚴(yán)格控制縱向和橫向刻蝕。2。2濕法刻蝕濕法刻蝕是腐蝕液進(jìn)行刻蝕，又稱濕法化學(xué)腐蝕法.濕法刻蝕在半導(dǎo)體工藝中被廣泛地應(yīng)用，其腐蝕過程與一般化學(xué)反應(yīng)相識.由于是腐蝕樣品上沒有光刻膠覆蓋的部分，因此，理想的刻蝕應(yīng)當(dāng)對光刻膠不發(fā)生腐蝕或腐蝕速率很慢?？涛g不同材料所選擇的腐蝕液是不同的,所用的光刻膠對各種腐蝕劑都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在生產(chǎn)上往往用光刻膠對腐蝕劑的抗腐蝕能力作為衡量光刻膠質(zhì)量的一個重要標(biāo)志。濕法腐蝕尤其適合將多晶硅、氧化物、氮化物、金屬與Ⅲ—Ⅴ族化合物等作為整片（即覆蓋整個晶片表面)的腐蝕。濕法刻蝕的機(jī)制涉及了三個核心步驟，如圖2-2所示。反應(yīng)物由于擴(kuò)散傳遞到反應(yīng)表面,化學(xué)反應(yīng)在表面發(fā)生,且來自于表面的產(chǎn)物由擴(kuò)散清除.刻蝕劑溶液的擾動和溫度將影響刻蝕速率，該速率指單位時間由由刻蝕去除的薄膜量。在集成電路處理時，多數(shù)濕法刻蝕是如下進(jìn)行的：通過將晶圓片侵在化學(xué)溶劑中或通過將溶劑液噴灑到晶圓片上。對于浸泡刻蝕,圓片是浸在刻蝕溶劑液中的，且常常需要機(jī)械擾動，為的是確?？涛g的統(tǒng)一性和一致的刻蝕速率。噴灑蝕刻已經(jīng)逐漸替代了浸泡刻蝕，因為前者通過持續(xù)地將新鮮刻蝕劑噴灑到圓片表面,這樣便極大地增加了刻蝕速和一致性.圖2—2：濕法化學(xué)刻蝕基本機(jī)理在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上，高度一致的刻蝕速率是非常重要的。在一圓片之上，從圓片到圓片、從輪次到輪次以及對于功能尺寸和模式密度的任何變化,刻蝕速率必須是統(tǒng)一的.刻蝕速率的一致性由下式給定：(最大刻蝕速率—最小刻蝕速率)刻蝕速率的一致性（%）=——————-——————-—-×100%最大刻蝕速率+最小刻蝕速率2。2。1二氧化硅的刻蝕二氧化硅的濕法刻蝕通常利用稀釋的氫氟酸溶液，其中也可以加入氟化銨(NH4F)。加入氟化銨是提供緩沖的HF溶液（BHF），又稱作緩沖氧化層刻蝕(buffered-oxide—etch，BOE）.HF加入NH4F可以控制酸堿值，并且可以補(bǔ)充氟離子的缺乏，這樣可以維持穩(wěn)定的刻蝕效果。二氧化硅的整體反應(yīng)式：SiO2+6HF→H2SiF6+2H2OSiO2的刻蝕速率由腐蝕溶液，腐蝕劑的濃度、攪動與溫度決定.另外,密度、表面多孔度、微結(jié)構(gòu)與氧化物內(nèi)含的雜質(zhì)皆會影響刻蝕的速率.腐蝕液溫度一定時，SiO2的腐蝕速率取決于腐蝕液的配比及SiO2的摻雜程度，摻雜磷濃度越高，腐蝕速率越快,摻硼濃度越高，腐蝕速率越慢。SiO2對腐蝕的溫度十分敏感.溫度越高，腐蝕越高，腐蝕速率越快。因此要嚴(yán)格控制腐蝕液的溫度。腐蝕液攪動對腐蝕速率有一定的影響，一般講，硅片與腐蝕液的相對運動可以提高腐蝕速率和腐蝕均勻性。常見的方法有對流、鼓泡、機(jī)械振動（超聲波）和噴霧等。噴霧腐蝕速率最快、均勻性好、側(cè)向腐蝕最小,是一種很好的濕法刻蝕方法。超聲波腐蝕易引起浮膠、側(cè)向腐蝕嚴(yán)重，因此少用.在腐蝕剛開始使用時，F(xiàn)-量多,但使用一段時間后，F(xiàn)—量逐漸減少,腐蝕效果明顯消弱.為了提高F—濃度，腐蝕液中加入少量的NH4F,它能及時補(bǔ)充F—。因此，有人稱它為緩沖劑。為了保證重復(fù)性好,腐蝕液要每天更換.腐蝕液的pH值、腐蝕液的溫度、腐蝕時間之間關(guān)系要嚴(yán)格控制。2。2。2硅的刻蝕在TTL（晶體管-晶體管邏輯）電路有一種介質(zhì)隔離技術(shù)，那么這種隔離是如何形成的?一般用HF和HNO3 作為腐蝕液刻出槽來。其腐蝕速度與腐蝕液中兩種酸的比例關(guān)系很大。腐蝕有兩種方法進(jìn)行。1)先在硅表面上生長一層較厚且致密的SiO2層，然后利用光刻和刻蝕的方法把需要的刻槽上的SiO2腐蝕掉，這樣就裸露出硅來，然后再放入配制好的腐蝕液中（HNO3：HF=8:1（體積比））。這種腐蝕速度十分快，經(jīng)過2～3min，硅就被腐蝕出10～20μm深槽。腐蝕后去除表面SiO2層，就露出硅片表面，然后按照工藝重新生長SiO2作介質(zhì)隔離之用或其他加工。在腐蝕液中加入少量冰醋酸起到緩沖作用.硝酸是強(qiáng)氧化劑，它將單質(zhì)的硅氧化成SiO2，其反應(yīng)如下：3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO↑生成的SiO2不溶于水也不溶于HNO3,但能與HF生成可溶性絡(luò)合物，這樣硅就被腐蝕掉了.用金屬鋁作掩護(hù)膜，由于Al對HNO3和HF的抗蝕能力較強(qiáng)，可以在硅片表面用蒸發(fā)或者濺射方法生長一Al層，然后用光刻和刻蝕方法把槽部分的Al層去掉而裸露出硅，然后再把硅片進(jìn)入腐蝕液中腐蝕硅。以上兩種方法多都可以使用,但在使用時會發(fā)出大量熱量來，如不注意散熱或降溫，其腐蝕效果不好,因此腐蝕時都放在冰水中進(jìn)行。2.2。3金屬鋁的刻蝕在半導(dǎo)體干法刻蝕工藝中,根據(jù)待刻蝕材料的不同，可分為金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕.金屬刻蝕又可以分為金屬鋁刻蝕、金屬鎢刻蝕和氮化鈦刻蝕等。目前，金屬鋁作為連線材料,仍然廣泛用于DRAM和flash等存儲器，以及0。13um以上的邏輯產(chǎn)品中.金屬鋁刻蝕通常用到以下氣體:Cl2、BCl3、Ar、N2、CHF3和C2H4等。Cl2作為主要的刻蝕氣體，與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的可揮發(fā)的副產(chǎn)物AlCl3被氣流帶出反應(yīng)腔.BCl3一方面提供BCl3+，垂直轟擊硅片表面,達(dá)到各向異性的刻蝕.另一方面,由于鋁表面極易氧化成氧化鋁,這層自生氧化鋁在刻蝕的初期阻隔了Cl2和鋁的接觸,阻礙了刻蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。添加BCl3則利于將這層氧化層還原(如方程式1)，促進(jìn)刻蝕過程的繼續(xù)進(jìn)行.\Al2O3+3BCl3→2AlCl3+3BOCl（1)Ar電離生成Ar＋，主要是對硅片表面提供物理性的垂直轟擊。N2、CHF3和C2H4是主要的鈍化氣體，N2與金屬側(cè)壁氮化產(chǎn)生的AlxNy,CHF3和C2H4與光刻膠反應(yīng)生成的聚合物會沉積在金屬側(cè)壁,形成阻止進(jìn)一步反應(yīng)的鈍化層.一般來說，反應(yīng)腔的工藝壓力控制在6~14毫托。壓力越高，在反應(yīng)腔中的Cl2濃度越高，刻蝕速率越快。壓力越低，分子和離子的碰撞越少，平均自由程增加，離子轟擊圖形底部的能力增強(qiáng),這樣刻蝕反應(yīng)速率不會降低甚至于停止于圖形的底部。目前金屬刻蝕機(jī)臺廣泛采用雙射頻功率源設(shè)計,如應(yīng)用材料公司DPS（decoupleplasmasource）金屬刻蝕機(jī)臺。偏置功率用來加速正離子，提供垂直的物理轟擊,源功率用來提高反應(yīng)腔體內(nèi)的等離子體的濃度。這種雙功率的設(shè)計可以實現(xiàn)對離子體的能量和濃度的獨立控制，擴(kuò)大了刻蝕工藝的工藝窗口和性能。在金屬鋁的上下通常會淀積金屬鈦或氮化鈦，形成氮化鈦/鋁/氮化鈦/鈦的結(jié)構(gòu)。用來刻蝕鋁的Cl2與鈦反應(yīng)生成揮發(fā)性相對較低的TiCl4，刻蝕氮化鈦的速率只有刻蝕鋁的1/3～1/4，因此減少Cl2或是增加BCl3和偏置功率,都有利于提高氮化鈦和鈦的刻蝕速率。在金屬鋁中通常會加入少量的硅和銅來提高電子器件的可靠性。硅和Cl反應(yīng)生成揮發(fā)性的SiCl4，很容易被帶出反應(yīng)腔。銅與Cl反應(yīng)生成的CuCl2揮發(fā)性卻不高，因此需要加大物理性的離子轟擊把銅原子去掉，一般可以通過加大Ar和增加偏置功率來實現(xiàn).當(dāng)鋁刻蝕完成之后，硅片表面、圖形側(cè)壁和光刻膠表面殘留的Cl，會和鋁反應(yīng)生成AlCl3,繼而與空氣中的水分發(fā)生自循環(huán)反應(yīng)（如方程式2),造成對鋁的嚴(yán)重侵蝕（corrosion）。因此，在刻蝕工藝完成后，一般會用H2O和O2的等離子體把氯和光刻膠去除，并且在鋁表面形成氧化鋁來保護(hù)鋁.2。2。4其他濕法刻蝕1.氮化硅和多晶硅的刻蝕氮化硅薄膜可以在室溫下利用高濃度HF、緩沖HF溶液或是利用沸騰的磷酸溶液來腐蝕，由于濃度為85%的磷酸溶液在180℃時對二氧化硅的腐蝕非常慢,所以可利用它來作氮化硅相對二氧化硅的選擇性腐蝕。它對氮化硅的腐蝕速率一般為10nm／min，而對二氧化硅則低于1nm／min。然而在使用沸騰的磷酸腐蝕氮化硅時,將會遇到抗蝕劑吸附力的問題。為了得到較好的抗蝕劑圖案，我們可以在涂布抗蝕劑層前，在氮化硅薄膜上先淀積一薄膜氧化層，如此可先將抗蝕劑圖案轉(zhuǎn)移到氧化層；在接下來的氮化硅腐蝕中，此氧化層將當(dāng)成掩蔽層使用。腐蝕多晶硅與腐蝕單晶硅類似，然而因為多晶硅有較多的晶粒邊界，可想而知多晶硅的腐蝕速率要快得多。為了確保柵極氧化層不被侵蝕，腐蝕溶液通常要加以調(diào)整。摻雜物的濃渡和溫度可影響多晶硅的腐蝕速率.2.砷化鎵的刻蝕砷化鎵作為化合物半導(dǎo)體，在微電子產(chǎn)業(yè)也被廣泛的應(yīng)用。它的腐蝕與硅有很大差別。腐蝕砷化鎵采用陽極氧化法，即氧化還原反應(yīng)。也可以說，砷化鎵被腐蝕液中OH－氧化成三氧化鎵和三氧化砷。腐蝕液中的酸或堿再溶解這些氧化物，形成可溶性鹽類或絡(luò)化物.硅的腐蝕即有各向異性，也有各向同性。但是砷化鎵的腐蝕幾乎沒有真正的各向同性。因為鎵（111）面即砷（111)面地表面活性差異很大。表面為砷原子的砷面,每個原子有兩個非飽和鍵，其活性比鎵面高,而腐蝕速度也快。結(jié)果腐蝕液對砷面起拋光作用，而對鎵的腐蝕要慢的多,并且會顯示出表面特征及晶體缺陷傾向。因此，經(jīng)腐蝕以后的鎵會發(fā)霧或結(jié)霜。2.3干法蝕刻干法刻蝕種類很多，如光揮發(fā)、氣相腐蝕、等離子體腐蝕等.其優(yōu)點是：各向異性好,選擇比高，可控性、靈活性、重復(fù)性好,細(xì)線條操作安全，易實現(xiàn)自動化，無化學(xué)廢液，處理過程未引入污染,潔凈度高.缺點是:成本高，設(shè)備復(fù)雜。干法刻蝕主要形式有純化學(xué)過程,純物理過程（如離子銑），物理化學(xué)過程,常用的有反應(yīng)離子刻蝕RIE，離子束輔助自由基刻蝕ICP.干蝕刻是一類較新型，但迅速為半導(dǎo)體工業(yè)所采用的技術(shù)。其利用電漿(plasma）來進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜材料的蝕刻加工。其中電漿必須在真空度約10至0。001Torr的環(huán)境下，才有可能被激發(fā)出來；而干蝕刻采用的氣體,或轟擊質(zhì)量頗巨，或化學(xué)活性極高，均能達(dá)成蝕刻的目的。干蝕刻基本上包括離子轟擊與化學(xué)反應(yīng)兩部份蝕刻機(jī)制。偏離子轟擊效應(yīng)者使用氬氣，加工出來之邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4），經(jīng)激發(fā)出來的電漿，即帶有氟或氯之離子團(tuán)，可快速與芯片表面材質(zhì)反應(yīng).干蝕刻法可直接利用光阻作蝕刻之阻絕遮幕,不必另行成長阻絕遮幕之半導(dǎo)體材料。而其最重要的優(yōu)點，能兼顧邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高蝕刻率兩種優(yōu)點，換言之，本技術(shù)中所謂活性離子蝕刻已足以滿足次微米線寬制程技術(shù)的要求，而正被大量使用中。2.3.1二氧化硅的干法刻蝕SiO2在半導(dǎo)體器件制造中應(yīng)用得十分廣泛。主要應(yīng)用在MOS器件起隔離作用的場氧化層、MOS元器件的柵電極氧化層、金屬的介電材質(zhì)、鈍化層等。因此，對SiO2的干法刻蝕遠(yuǎn)比其他材質(zhì)機(jī)會多。SiO2干法刻蝕大多采用含氟化碳的等離子體。早期使用四氧化碳（CE4），現(xiàn)在用CHF3、C2F6和C3F8.現(xiàn)在CE4為例說明。在一個容器內(nèi)充CE4，當(dāng)壓強(qiáng)與所提供的電壓合適時，等離子體特有輝光放電現(xiàn)象立即產(chǎn)生,而CE4將等離子體內(nèi)高能量電子（約10eV以上）所轟擊，而產(chǎn)生各種離子原子等，其中F原子和CF4原子都要發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式如下:這些反應(yīng)就把SiO2的Si原子和F原子生成具有揮發(fā)的SiF4.這種作用雖然有化學(xué)反應(yīng)，但只要調(diào)整好CF4等離子體對硅片表面薄膜的離子轟擊，所生的高分子化合物，就可以獲得一個具有高刻蝕速率、高選擇比、對SiO2進(jìn)行等向刻蝕的反應(yīng)刻蝕.2.3.2氮化硅的干法刻蝕氮化硅有兩種用途:一是在SiO2表面在用LPCVD法淀積一層Si3N4層作為元器件的保護(hù)膜Si3N4的干法刻蝕方法和SiO2一樣，只不過Si—N鍵的鍵結(jié)強(qiáng)度介于Si-O鍵之間。如果用CF4或其他含氟的氣體來進(jìn)行刻蝕,則選擇性較差。以CF3的等離子體為例，對SiO2與Si的刻蝕選擇性約在10以上,但是對Si3N4與Si的選擇性僅在3~5之間，對Si3N4與SiO2的選擇性僅在2～4左右。近期改用NF3的等離子體進(jìn)行刻蝕，結(jié)果是比較理想的。2.3。3鋁合金的干法刻蝕當(dāng)鋁—硅-銅合金經(jīng)過氯離子刻蝕后，合金表面將殘留有氯或未被真空系統(tǒng)排除的Al—Cl3。如果這些殘留物未及時清除,當(dāng)硅片從RIE反應(yīng)器里取出之后,空氣中的水分將與這些殘留物中的氯和氯化物反應(yīng)生成HCL.生成HCL可以與Al和Cu形成Al和Cu形成AlCl3和CuCl2,然后這一層AlCl3會再與H2O繼續(xù)以上循環(huán)作用,會使Al被腐蝕。為了避免這種現(xiàn)象，就是在鋁被刻蝕之后,再增加一道工序除去這表面的殘留物以避免產(chǎn)生這種鋁合金被腐蝕現(xiàn)象?，F(xiàn)在生產(chǎn)上的做法是當(dāng)鋁合金被氯化物等等離子體刻蝕之后，施以CF4或CF3的高分子聚合反應(yīng)，在刻蝕后的鋁合金表面覆蓋一層高分子聚合物薄膜，如此便可以放在鋁合金在空氣中的腐蝕。另一種方法是在刻蝕后去膠之前，增加一道“水洗”或有機(jī)溶劑清洗，也可以達(dá)到防止鋁合金被腐蝕的效果。2.3.4干法刻蝕的其他用途除了上面介紹的刻蝕之外，還可以用它來進(jìn)行光刻膠的去除工作（去膠)，以彌補(bǔ)濕法去膠的不足。還可以用作各種表面清洗工作。硅片表面的清洗和反應(yīng)器內(nèi)腔的清洗工作.因為一些易于氧化的材料，用濕法清洗很容易被氧化。如果改用干洗法，就可以避免這一缺陷。目前使用得較多的是干法刻蝕的反應(yīng)室,可以與淀積金屬的鍍膜反應(yīng)室連接，經(jīng)干法清洗以去除硅片表面氧化層以后,可以保持在真空狀態(tài)下(不與大氣接觸）,再進(jìn)行表面鍍膜（此時表面氧化層幾乎不去考慮)，是金屬層與硅片接觸得更理想。在CVD淀積薄膜以后，在反應(yīng)室上淀積一層生成物，如果這一層生成物附著不好往往在生產(chǎn)產(chǎn)生微粒影響CVD淀積質(zhì)量。因此，要定期對反應(yīng)室進(jìn)行清洗工作.如果把這種等離子體干法應(yīng)用于CVD的清洗工作上,效果是十分好的.第3章刻蝕的去膠腐蝕完畢必須將光刻膠去掉，這一道工序叫去膠。常用方法有溶劑去膠、氧化去膠和等離子去膠.3.1溶劑去膠把帶有光刻膠的硅片浸在適當(dāng)?shù)娜軇﹥?nèi)，使聚合物膨脹，然后把膠擦去，稱為溶劑去膠。去膠劑一般是含氯的烴化物，如三氯乙烯。這些化合物含有較多的無機(jī)雜質(zhì),因此,會在襯底表面留下微量雜質(zhì),在制備MOS器件是，可能會引起不良后果.另外，洗滌周期長，操作較繁雜，故很少采用。當(dāng)然此法優(yōu)點是在常溫下進(jìn)行，不會是鋁層發(fā)生變化。3。2氧化去膠所謂氧化去膠是指利用氧化劑把光刻膠去掉。此法使用十分普遍,有人又稱為濕法去膠。常用的氧化劑是硫酸。它能是光刻膠中的碳被氧化而析出來。不過，碳微粒的析出要影響硅片的表面質(zhì)量，因此,在硫酸中還要加一些雙氧水（H2O2），使碳氧化成CO2析出。典型的氧化去膠是H2SO4:H2O2=3：1。也有人用硫酸和重鉻酸鉀配合.把硅片放在氧化劑中加熱到1000℃左右，光刻膠層被氧化成CO2和H2O而被除去。氧化去膠的優(yōu)點是洗滌過程十分簡便，即用去離子水沖洗就可以。但要注意，氧化劑對襯底表面也有腐蝕作用(盡管是十分輕微的）.有人又改用1號洗液（H2O2：NH4OH:H2O=5：2:1)去膠。反刻鋁的濕法去膠使用發(fā)煙硝酸,將硅片在里面浸泡2~3min,然后用去離子水沖洗，丙酮棉花擦洗。也可以放入二甲苯或丙酮中浸泡，使膠軟化，然后用丙酮棉花擦洗。目前常常把去膠和合金放在一起做。也就是將要去膠的硅片放入450～530℃的氧化爐中，通入大量的氧氣，使光刻膠生成CO2和H2O等揮發(fā)物質(zhì)并隨之排出。此法十分簡單，也不用硫酸等化學(xué)試劑，并能與合金結(jié)合在一起，簡化了工藝。但應(yīng)注意的操作時爐溫不能過高，否則會因此結(jié)特性變化或鋁層被氧化。3.3等離子體去膠等離子體去膠是近幾年發(fā)展起來的一種新工藝。它不需要化學(xué)試劑，也不需要加溫，因此,器件的特征和金屬鋁層都不受影響，這對提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性有好處.等離子體去膠設(shè)備見圖3—1。它的高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生11~12MHz的高頻圖3—1：等離子去膠示意圖訊號，接到石英管壁外的鋁平級電容或感應(yīng)線圈上。外加的高頻電磁場使通入石英管中的氧在高頻電場作用下電離，形成等離子區(qū)。其中活化的原子態(tài)氧，約占10％～20％，他們活性活潑、氧化能力強(qiáng)，將與光刻膠發(fā)生反應(yīng)，使之變成CO2、H2O、CO和其他揮發(fā)性氧化物而被機(jī)械泵排出，達(dá)到了去膠的目的。在工作時，系統(tǒng)的真空度達(dá)到3×10－2托，然后通入氧氣，并用針型閥門調(diào)節(jié)流量。高頻信號源的頻率是11～12MHz，輸出功率為150~200W.但由于各種損耗、實際輸入石英管內(nèi)只有幾十瓦，通入氧氣流量為8~30ml／min。再去膠過程中，氧氣流量大小直接影響去膠速度。當(dāng)氧氣流量為零時，去膠速率很小.逐漸增大氧氣流量，去膠速度增大。這說明氧氣在去膠的作用是十分明顯的。在輝光電離區(qū)，氧氣電離后有可能會生成臭氧與光刻膠反應(yīng)。當(dāng)氧氣流量增加時,活化氧原子數(shù)也增加，去膠速度加快，同時輝光后的顏色也會從淡紅色變?yōu)榘l(fā)亮。如氧氣流量過大，電離十分劇烈，石英管溫度上升，這樣溫度過高，會對金屬起不良作用,因此為了因為保證襯底溫度不超過150℃，此時氧氣流量定在8～30ml／min范圍。去膠速率除了與氧流量有關(guān)外,還隨著輸出功率增大而加快。原因是功率大，氧電離能力也強(qiáng)、活化劑原子數(shù)也增多，這樣去膠速度也大大提高。但亦要注意，石英管內(nèi)襯底溫度上升與屏極電壓成正比。即屏極電壓升高。所以生產(chǎn)中要是視具體情況定適當(dāng)?shù)臈l件，確保去膠的質(zhì)量。第4章刻蝕的終點檢測干法刻蝕不同于濕法刻蝕,對被刻蝕薄膜層下面一層材料，通常沒有足夠高的刻蝕選擇比，等離子體刻蝕的反應(yīng)室，必須裝有一個終點監(jiān)察設(shè)備,以便確定中止刻蝕時間.即需要一終點檢測系統(tǒng),以避免刻蝕到下一層材料去,這種檢測系統(tǒng)有兩種：光發(fā)射分光儀法和激光干涉測量法.有時也將這兩種方法同時使用。4.1終點檢測方法4。1。1光發(fā)射分光儀法光發(fā)射光儀法是通過分析氣體放電過程中處于激發(fā)態(tài)的原子和分子的外層電子返回基態(tài)時所發(fā)射的特征譜線的強(qiáng)度確定終點。在刻蝕過程中，激發(fā)態(tài)反應(yīng)生成物或反應(yīng)物所發(fā)出的光,具有反映該物質(zhì)特征光譜線。如圖4-1所示，用單色儀和光電倍比器來檢測這些特征光譜線的強(qiáng)度變化,可以分析出薄膜被刻蝕的況。圖4-1：終點檢測的光發(fā)射過程4.1.2激光干涉法測量激光干涉法測量是用射向硅片表面的激光來進(jìn)行測量。如果硅片上的薄膜是透明的，從被刻蝕薄膜反射回來的激光束和從薄膜底層反射回來的激光束彼此互相干涉.在被刻蝕層的厚度減小時，互相干涉程度也發(fā)生變化,也就是要么增強(qiáng)，要么減弱.可以用于干涉光度由最大值到最小值的時間間隔確定刻蝕速率。此法不僅可以確定刻蝕的終點，也可以測出正在進(jìn)行刻蝕的刻蝕速度.這種方法的缺點是只檢查硅片表面非常有限的一小部分刻蝕狀態(tài)。在被刻蝕表面時，從表面射回來的光也是非常微弱的，這樣有可能產(chǎn)生誤差。4.2刻蝕的損傷4.2。1等離子體引起的損傷等離子體內(nèi)包含有一定能量的離子、電子和處于激發(fā)態(tài)的分子。在這些處于激發(fā)態(tài)的離子重新組合時，釋放出來有幾個電子伏特的能量的光子。此外,離子和電子對晶片表面的轟擊，也可能造成機(jī)械損傷。等離子體引起的損傷形式多種多樣：如一個被俘獲的界面電荷、材料缺陷遷移到主體材料中、在材料表面由刻蝕生成的沉淀物引起的污染物引起污染等?？涛g的損傷可改變敏感器件的性質(zhì)。如肖特基二極管，它的整流能力會大幅度降低。在氧化物層接觸孔的刻蝕過程中，高分子聚合物的沉積，經(jīng)常引起高的接觸電阻；有時在刻蝕過程中,生成的低揮發(fā)性生成物，在刻蝕完之后，沒有被完全去除,會引起產(chǎn)品電性能的改變，影響穩(wěn)定性。比如用HBr和CuCl2在刻蝕多晶硅過程中,生成硅溴化物，在用Cl2刻蝕Au和Cu時,生成物就會有低揮發(fā)性的物質(zhì).在干法刻蝕Al線時，有可能使鋁導(dǎo)線受到腐蝕。因此在刻蝕完成以后，繼續(xù)加工之前,要把表面的污染物徹底去除并恢復(fù)被損傷的區(qū)域，這是非常重要的，有時在干法刻蝕以后再用濕法刻蝕液漂洗一下,這樣防治污染的效果很好。在反應(yīng)離子刻蝕過程中，由于對晶圓片的表面強(qiáng)烈的轟擊和等離子體的不均勻性,會造成硅片表面及柵極區(qū)電荷積累.這些電荷可能會引起柵極上二氧化硅的擊穿。此外，電子及離子流在不同位置上的不均勻性，也會引起電荷在某一局域過分集中造成表面擊穿現(xiàn)象。因此，不會造成污染或引起各層損傷程度最小的工藝和設(shè)備已經(jīng)引起人們的普遍的關(guān)注。4.2.2等離子體引起的微粒污染在刻蝕過程中，等離子體會在硅片表面造成大量微粒。這