第九章 掺杂
【教学内容及教学过程】 8.1 引言
8.1.1 刻蚀的概念
刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图8⁃1所示。
图 8-1 刻蚀图形转移示意图
1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。
2)干法刻蚀是利用辉光(Glow Discharge)的方法产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。 8.1.2 刻蚀的要求 1.图形转换的保真度高 2.选择比 3.均匀性 4.刻蚀的清洁 8.2 刻蚀工艺 8.2.1 湿法刻蚀
最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。 1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应生成物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。
2)湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。 3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。 1)反应物扩散到被刻蚀材料的表面。 2)反应物与被刻蚀材料反应。
3)反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排除。 8.2.2 干法刻蚀
干法刻蚀是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。在干法刻蚀过程中，不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。
1)物理刻蚀是利用辉光放电将气体(比如氩气)解离成带正电的离子，再利用偏压将带正电的离子加速，轰击在被刻蚀薄膜的表面，从而将被刻蚀物质的原子轰击出去。 2)化学刻蚀又叫做等离子刻蚀，它与物理刻蚀完全不同，它是利用等离子体，将反应气体解离，然后借助离子与薄膜之间的化学反应，把裸露在等离子体中的薄膜，反应生成挥发性的物质而被真空系统抽离。 1.等离子体的概念 2.等离子体的产生方式
(1)气体放电法 通常把在电场作用下，气体被击穿而导电的现象称为气体放电。
(2)射线辐照法 射线辐照法是利用各种射线或粒子束辐照，使得气体电离而产生等离子体。 8.2.3 两种刻蚀方法的比较
湿法刻蚀是在水溶液下进行的，所以刻蚀速度较快，同时选择度较高，但刻蚀时是各向同性腐蚀，也就是说，除了在纵向进行腐蚀以外，在横向上也会有腐蚀，这样就造成图形转换时保真度较低，因此，湿法刻蚀不能满足超大规模集成电路制造的要求。
图8-2 干法刻蚀与湿法刻蚀效果的比较 8.3 干法刻蚀的应用 8.3.1 介质膜的刻蚀
集成电路工艺中所广泛用到的介质膜主要是SiO2膜及Si3N4膜。 1.二氧化硅的干法刻蚀
图8-3 HWP结构图 8.3 干法刻蚀的应用
图8-4 等离子体扩散腔外围磁场 (1)氧的作用 在CF4中加入氧后，氧会和CF4反应释放出F原子，
因而增加F原子的含量，则增加了Si与SiO2的刻蚀速率，并消耗掉部分C，使得等离子体中碳与氟的比例下降。
图8-5 所占百分比与Si和Si的 刻蚀速率的关系
(2)氢的作用
图8-6 所占百分比与Si和Si刻速率的关系
(3)反应气体 在目前的半导体刻蚀制备中，大多数的干法刻蚀都采用CHF3与氯气所混合的等离子体来进行SiO2的刻蚀。 2.氮化硅(Si3N4)的干法刻蚀
图8-7 圆筒形结构示意图 8.3.2 多晶硅膜的刻蚀
在MOS器件中，栅极部分起着核心的作用，因此栅极的宽度需要严格控制，因为它代表了MOS器件的沟道长度，从而与MOS器件的特性息息相关。因此，多晶硅的刻蚀必须严格地将掩膜上的图形转移到多晶硅薄膜上。此外，刻蚀后的轮廓也很重要，如栅极多晶硅刻蚀后侧壁有倾斜时，将会遮蔽源极和漏极的离子分布，造成杂质分布不均匀，通道的长度将随倾斜程度的不同而改变。同时，刻蚀时要求Si对SiO2的选择性要高，如果多晶硅覆盖在很薄（小于20nm）的栅极氧化层上，如果氧化层被穿透，氧化层下面的源—漏极间的Si将很快被刻蚀。因此，若采用CF
4、CF6等氟离子为主的等离子体来刻蚀多晶硅，则不太合适，较低的选择比会对器件造成损坏。
除此之外，此类气体还具有负载效应，负载效应是指当被刻蚀的材料裸露在等离子体中的面积较大的刻蚀速率比面积小的慢，也就是局部腐蚀速率不均匀。 8.3.3 金属的干法刻蚀
金属铝是目前半导体器件及集成电路制造中应用最多的导电材料。因为铝的导电性能良好，价格低廉，而且铝膜的淀积和刻蚀都比较方便，所以铝电极几乎占了所有半导体器件及集成电路中的导电体。但是，随着元器件的集成度和工艺的进一步提高，采用金属铝作为电极引线也遇到了困难。这是由于在高温下，硅原子和铝原子容易向彼此间扩散，从而产生被称为“尖刺”的现象，导致铝引线与MOS管接触不好。此外，当铝线线条宽度设计得十分细小时，由于“电迁移”现象，引发铝原子的移动，使得铝丝断开。因此，后来，人们采用铜线来取代铝线，也有采用铝⁃硅⁃铜合金来代替金属铝。但是，铝还是目前集成电路和半导体器件中主流的导电引线。 1.铝的刻蚀 2.铝合金的刻蚀
1)将晶圆以大量的去离子水清洗。 2)刻蚀之后，晶圆还在真空中时以氧气等离子体将掩膜去除并在铝合金表面形成氧化层来保护铝合金。
3)在晶圆移出刻蚀腔前，以氟化物的等离子体做表面处理，如CF
4、CHF3，将残留的氯置换成氟，形成AlF3,或在铝合金表面形成一层聚合物来隔离铝合金与氯的接触。 3.钨的回蚀 4.铜的腐蚀
8.3.4 光刻胶的去除
晶圆表面薄膜材料腐蚀完毕，必须将光刻胶去除掉，这一工序称为去胶。常用的去胶方法有溶剂去胶、氧化去胶和等离子体去胶。下面分别加以阐述。 1.溶剂去胶 2.氧化去胶 3.等离子体去胶
图8-8 等离子体去胶设备示意图
1)系统真空度要达到3×12-2Torr(1Torr=133.322Pa)，然后通入氧气，并用针型阀门调节流量。 2)高频信号源的频率是11~12MHz，输出功率为150~200W。 3)通入氧气的流量
8.4 干法刻蚀的质量控制 分析光学放射原理
图8-9 光学放射频谱 1.光学放射频谱分析 2.激光干涉测量
图8-10 激光干涉测量图形
1)激光束要聚焦在晶圆的被刻蚀区，且该区域的面积应足够大。 2)必须对准在该区域上，因而增加了设备镜片的设计难度。 8.4 干法刻蚀的质量控制
3)被激光照射的区域温度升高而影响刻蚀速率，造成刻蚀速率与不受激光照射区域的不同。 4)如果被刻蚀的表面粗糙不平，则所测得的信号将很弱。 3.质谱分析
1)部分物质的质量/电荷比相同，如N
2、CO、Si等，使得检测同时拥有这些成分的刻蚀时无法判断刻蚀是否完成。
2)从空腔取样的结果会影响刻蚀终点的检测。 3)设备不容易安装到各种刻蚀机上。 【作业布置】
【课后分析】
