1、1,集成电路工艺原理,仇志军 邯郸校区物理楼435室,2,大纲,第一章 前言 第二章 晶体生长 第三章 实验室净化及硅片清洗 第四章 光刻 第五章 热氧化 第六章 热扩散 第七章 离子注入 第八章 薄膜淀积 第九章 刻蚀 第十章 接触与互连 第十一章 后端工艺与集成 第十二章 未来趋势与挑战,3,两大关键问题： 选择性方向性：各向同性/各向异性,待刻材料的刻蚀速率,掩膜或下层材料的刻蚀速率,横向刻蚀速率,纵向刻蚀速率,图形转移光刻刻蚀,4,刻蚀的性能参数,5,A0 0A1 A=1,方向性：,6,刻蚀要求: 1. 得到想要的形状（斜面还是垂直图形） 2. 过腐蚀最小（一般要求过腐蚀10，以保证整
2、片刻蚀完全） 3. 选择性好 4. 均匀性和重复性好 5. 表面损伤小 6. 清洁、经济、安全,两类刻蚀方法：湿法刻蚀化学溶液中进行反应腐蚀，选择性好干法刻蚀气相化学腐蚀（选择性好）或物理腐蚀（方向性好），或二者兼而有之,7,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,8,湿法刻蚀,反应产物必须溶于水或是气相,9,各 向 同 性,10,例4：Si采用KOH腐蚀,Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2+ + 2H2 + 4OH-,硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀,11,
3、原子密度： 腐蚀速度：R(100) 100 R(111),12,HNA各向同性腐蚀,自终止,13,14,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（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,15,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,16,化学刻蚀 物理刻蚀,17
4、,离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching,等离子体刻蚀的化学和物理过程并不是两个相互独立的过程，而且相互有增强作用,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、表面抑制物的去除等）将有助于表面化学过程/化学反应的进行,18,典型的RF等离子刻蚀系统和PECVD或溅射系统类似,19,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,RIE mode：硅片置于
5、面积较小的左侧电极，右电极仍接地；左侧暗区电压差大，通过离子轰击的物理刻蚀很强,20,反应离子刻蚀（RIE）：常用刻蚀气体为含卤素的物质，如CF4，SiF6，Cl2，HBr等，加入添加气体如：O2，H2，Ar等。O2 用于刻蚀光刻胶。,反应产物必须是气相或者易挥发（volatile）,21,CF4等离子体,22,Si+4F*SiF4SiO2+4F*SiF4 +O2Si3N4+12F*3SiF4 +2N2,硅、Si3N4和SiO2刻蚀,CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2和Si3N4的腐蚀速率,少量添加气体可增加选择性,10%O2可获得最大的Si/SiO2刻蚀比,23,在CF4中加入少量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,24,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,25,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,26,27,28,本节课主要内容,干法刻蚀,纯物理刻蚀,纯化学刻蚀,反应离子刻蚀RIE 增加方向性、选择性的方法CF4/O2,湿法腐蚀： SiHNA各向同性KOH各向异性SiO2HF,MEMS,
