半导体制造-刻蚀工艺介绍

半导体制造-刻蚀工艺介绍

摘要:自从半导体诞生以来，其很大程度上改变了人类的生产和生活。半导体除了在计算机领域应用之外，还广泛地应用于通信、网络、自动遥控及国防科技领域。此外，在运输（如汽车、轮船、飞机）以及宇航上的应用和作用也日益显著。本文主要介绍半导体制造工艺中的刻蚀工艺。刻蚀就是将光刻胶没有覆盖或保护的部分，以化学反应或物理作用加以去除，以完成将图形转移到硅片表面的目的。随着半导体制造大规模集成电路技术的发展，图形加工线条越来越细，硅片尺寸越来越大，对刻蚀工艺的要求也越来高。应此，学习了解刻蚀工艺的十分必要。

关键词：半导体 、 刻蚀 、 硅片

Semiconductor Manufacturing-Etching Process Introduced Abstract:Since the inception of the semiconductor, which greatly changed the production of human life. In addition to semiconductor applications in the computer field, but also widely used in communications, networking, automatic remote control and national defense science and technology. In addition, in the transport (such as cars, boats, aircraft), and aerospace applications and on the increasingly significant role. This paper describes the etching process of semiconductor manufacturing process. Etching the photoresist is not covered or protected part of the chemical reactions or physical effects to be removed to complete the pattern transfer to the silicon surface of the goal. As the semiconductor manufacturing large scale integrated circuit technology, more and more detailed graphics processing lines, wafer size increases, the demands on the etching process increasingly high. In response to this, learning is necessary to understand the etching process.

Key Words: Semiconductor 、Etching 、Wafers

前言................................................................ 1

第1章 半导体制造的基本工艺步骤..................................... 2

1.1氧化......................................................... 2

1.2光刻和刻蚀................................................... 3

1.3扩散和离子注入............................................... 4

1.4金属化....................................................... 5

第2章 刻蚀工艺及方法介绍........................................... 6

2.1刻蚀工艺及方法介绍........................................... 6

2.2湿法刻蚀..................................................... 7

2.2.1二氧化硅的刻蚀 ......................................... 8

2.2.2硅的刻蚀 ............................................... 8

2.2.3金属铝的刻蚀 ........................................... 9

2.2.4其他湿法刻蚀 .......................................... 10

2.3干法蚀刻.................................................... 11

2.3.1二氧化硅的干法刻蚀 .................................... 12

2.3.2氮化硅的干法刻蚀 ...................................... 12

2.3.3铝合金的干法刻蚀 ...................................... 13

2.3.4干法刻蚀的其他用途 .................................... 13

第3章 刻蚀的去胶.................................................. 14

3.1溶剂去胶.................................................... 14

3.2氧化去胶.................................................... 14

3.3等离子体去胶................................................ 15

第4章 刻蚀的终点检测.............................................. 17

4.1终点检测方法................................................ 17

4.1.1光发射分光仪法 ........................................ 17

4.1.2激光干涉法测量 ........................................ 17

4.2刻蚀的损伤.................................................. 18

4.2.1等离子体引起的损伤 .................................... 18

4.2.2等离子体引起的微粒污染 ................................ 18

总结............................................................... 20

谢 辞.............................................................. 21

参考文献........................................................... 22

如今，半导体在人们日常生活中，可以说无处不在。它除了应用于计算机领域之外，还广泛地应用在通信、消费类电子产品，自动控制以及国防科技领域。半导体集成电路的发展与电子学、数学、物理、化学、机械加工等科技领域紧密联系。半导体制造集成电路的发展也极大地推动了这些领域的发展。这些科技领域的重大发明创造项目也广泛地应用到集成电路技术上。

由于，半导体制造过程工艺繁多，其工艺也不完全相同，但其经典工艺还是相同的，所以本文主要对半导体制造过程的刻蚀工艺进行介绍。本文分为4个部分，第一部分简要介绍半导体制造的基本工艺步骤，第二部分为半导体刻蚀工艺介绍，第三部分为刻蚀工艺的去胶，第四部分为刻蚀工艺的终端检测。

第1章 半导体制造的基本工艺步骤

半导体制造工艺处理过程是最复杂和最苛刻的大规模生产技术。它由数百万个单元处理步骤的复杂序列组成，这些步骤必须近乎无瑕疵地完成。如讨论整个工艺过程步骤是十分困难的，因此本章将讨论如图（1-1）和图（1-2）给出一个简单工艺制造流程，这些流程包括氧化、光刻、刻蚀、离子注入和金属化。

图1-1：(a) n型硅晶片原材料；（b ）通过干或湿氧化后的硅片；

（c ）涂敷光刻胶；（d ）光刻胶通过掩模板曝光

1.1氧化

一般来说，SiO 2的作用是作为大部分器件结构中绝缘体，或在器件制造过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。在p-n 结（图1-1）中，SiO 2薄膜可用来界定区域。

氧化的方法有两种：湿法氧化和干法氧化。湿法氧化的氧化剂是使用氧和水蒸气的混合物。湿氧氧化具有较高氧化速率，可用于生长厚的氧化层。干氧氧化可获得特性良好的Si-SiO 2界面，所以通常用来生长器件的氧化物薄膜层。图1-1（a ）显示一硅晶片原材料准备进行氧化处理。经过氧化工艺处理后，就会在晶片的整个表面形成一层SiO 2。为简化讨论，图1-1（b ）只显示硅片表面的氧化层。

1.2光刻和刻蚀

光刻技术被用于界定p-n 结的几何形状。形成SiO 2层以后。在晶片表面使用高速旋转机旋涂一层对紫外线敏感的光敏材料薄层，这种光敏材料被称为光刻胶。之后将晶片放在温度为80~100℃的环境下烘焙，目的是去除光刻胶中的溶剂，提高光刻胶黏附力。

下一步骤使用紫外线光源，通过具有某种图案的掩模板对涂有光刻胶晶片进行曝光。根据光刻胶的类型，在晶片表面光刻胶涂层的曝光区域将发生相应的化学反应，曝光在光线下的光刻胶涂层将发生聚合反应而难以被刻蚀。聚合物区域在晶片放进显影液后依然存在，而被曝光的区域（在不透光的掩模板区域下）会溶解并清洗掉，如图1-1（d ）所示

图1-2：（a ）显影后的晶片；（b ）SiO 2去除的晶片；（c ）光刻工艺处理后的晶片；（d ）扩散

或离子注入形成p-n 结；（e ）光刻工艺处理后的晶片；（f ）完整工艺处理后的晶片

图1-2（a ）显示了显影后的晶片。晶片再次放入120~180℃温度下烘焙20分钟，以增强对称底得黏附力，提高在即将进行的刻蚀工艺处理中的腐蚀能力。然后使用氢氟酸（HF ）作为酸刻蚀液来去除没有被光刻胶抗蚀剂所保护的SiO 2表面，如图1-2（b ）所示。最后使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥去光刻胶。图1-2（c ）显示光刻胶光刻胶工艺处理以后除去部分氧化层区域的最终结果，此时晶片已经完成了准备工作，可以进行后续的扩散或离子注入的工艺步骤以形成p-n 结。

1.3扩散和离子注入

在扩散方法中，没有被SiO 2保护的半导体表面暴露在相反类型的高浓度杂质中，杂质利用固态扩散的方法进入半导体晶格中。在离子注入方法中，掺杂离子被加速到较高的能量，然后注入半导体内部。此时SiO 2层作为杂质扩散或离

子注入的阻挡层。随后p-n 结形成，见图1-2（d ）。由于掺入杂质的横向扩散，重掺杂区域要比光刻所开的窗口面积略微大些。

1.4金属化

扩散或离子注入步骤以后，欧姆接触和互连线在随后的金属化工艺步骤中完成，如图1-2（e ）所示。金属薄膜可以使用物理或化学气相淀积的方法形成。光刻的工艺再次被使用，用来界定正面的连接点，如图1-2（f ）所示。在晶片背面也要进行相似的金属层和半导体之间的低电阻接触。

第2章 刻蚀工艺及方法介绍

2.1刻蚀工艺及方法介绍

刻蚀就是用光刻的方法制成的光刻胶上的微细图形结构，只能给出集成电路的形貌（又称为潜影），并不是真正的集成电路图形结构。为了获得真正的集成电路结构，还必须将光刻胶上的图形转移到光刻胶下面各层材料上面去。可是就可以担当这一任务：将曝光、显影后的光刻微图形中下层材料的裸露部分去除，即在这层材料上重视与光刻胶相同的微图形。也可以这样说，可是就是将没有被光刻胶覆盖或保护的部分，以化学反应或物理作用加以去除，以完成将图形转移到硅片表面的目的。（如图2-1所示）

图2-1：刻蚀转移图形示意图

应该说，图形转移是借助于光刻和刻蚀共同完成的。硅片表面的一层薄膜可以是SiO 2、Si 3N 4、Poly-Si 、铝合金（Alloy ）、磷硅玻璃等。

随着大规模集成电路技术的发展，图形加工的线条也越来越细，硅片尺寸越来越大，因此，对于刻蚀转移图形的重视精度和尺寸控制要求也越来越高。

刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。前者的主要特点是各向同性刻蚀；后者是利用等离子体来进行各向异性刻蚀，可以严格控制纵向和横向刻蚀。

2.2湿法刻蚀

湿法刻蚀是腐蚀液进行刻蚀，又称湿法化学腐蚀法。湿法刻蚀在半导体工艺中被广泛地应用，其腐蚀过程与一般化学反应相识。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖的部分，因此，理想的刻蚀应当对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。

刻蚀不同材料所选择的腐蚀液是不同的，所用的光刻胶对各种腐蚀剂都具有较强的适应性，在生产上往往用光刻胶对腐蚀剂的抗腐蚀能力作为衡量光刻胶质量的一个重要标志。湿法腐蚀尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与Ⅲ-Ⅴ族化合物等作为整片（即覆盖整个晶片表面）的腐蚀。

湿法刻蚀的机制涉及了三个核心步骤，如图2-2所示。反应物由于扩散传递到反应表面，化学反应在表面发生，且来自于表面的产物由扩散清除。刻蚀剂溶液的扰动和温度将影响刻蚀速率，该速率指单位时间由由刻蚀去除的薄膜量。在集成电路处理时，多数湿法刻蚀是如下进行的：通过将晶圆片侵在化学溶剂中或通过将溶剂液喷洒到晶圆片上。

对于浸泡刻蚀，圆片是浸在刻蚀溶剂液中的，且常常需要机械扰动，为的是确保刻蚀的统一性和一致的刻蚀速率。喷洒蚀刻已经逐渐替代了浸泡刻蚀，因为前者通过持续地将新鲜刻蚀剂喷洒到圆片表面，这样便极大地增加了刻蚀速和一致性。

图2-2：湿法化学刻蚀基本机理

在半导体生产线上，高度一致的刻蚀速率是非常重要的。在一圆片之上，从圆片到圆片、从轮次到轮次以及对于功能尺寸和模式密度的任何变化，刻蚀速率必须是统一的。刻蚀速率的一致性由下式给定：

（最大刻蚀速率—最小刻蚀速率）

刻蚀速率的一致性（%）=————————————————× 100% 最大刻蚀速率+最小刻蚀速率

2.2.1二氧化硅的刻蚀

二氧化硅的湿法刻蚀通常利用稀释的氢氟酸溶液，其中也可以加入氟化铵（NH 4F) 。加入氟化铵是提供缓冲的HF 溶液（BHF) ，又称作缓冲氧化层刻蚀（buffered-oxide-etch,BOE) 。HF 加入NH 4F 可以控制酸碱值，并且可以补充氟离子的缺乏，这样可以维持稳定的刻蚀效果。二氧化硅的整体反应式：

SiO 2+6HF → H 2SiF 6+2H2O

SiO 2的刻蚀速率由腐蚀溶液，腐蚀剂的浓度、搅动与温度决定。另外，密度、表面多孔度、微结构与氧化物内含的杂质皆会影响刻蚀的速率。

腐蚀液温度一定时，SiO 2的腐蚀速率取决于腐蚀液的配比及SiO 2的掺杂程度，掺杂磷浓度越高，腐蚀速率越快，掺硼浓度越高，腐蚀速率越慢。

SiO 2对腐蚀的温度十分敏感。温度越高，腐蚀越高，腐蚀速率越快。因此要严格控制腐蚀液的温度。

腐蚀液搅动对腐蚀速率有一定的影响，一般讲，硅片与腐蚀液的相对运动可以提高腐蚀速率和腐蚀均匀性。常见的方法有对流、鼓泡、机械振动(超声波) 和喷雾等。喷雾腐蚀速率最快、均匀性好、侧向腐蚀最小，是一种很好的湿法刻蚀方法。超声波腐蚀易引起浮胶、侧向腐蚀严重，因此少用。

在腐蚀刚开始使用时，F —量多，但使用一段时间后，F —量逐渐减少，腐蚀效果明显消弱。为了提高F 浓度，腐蚀液中加入少量的NH 4F, 它能及时补充F 。因此，有人称它为缓冲剂。为了保证重复性好，腐蚀液要每天更换。腐蚀液的pH 值、腐蚀液的温度、腐蚀时间之间关系要严格控制。 ——

2.2.2硅的刻蚀

在TTL （晶体管—晶体管逻辑）电路有一种介质隔离技术，那么这种隔离是如何形成的？一般用HF 和HNO 3

作为腐蚀液刻出槽来。其腐蚀速度与腐蚀液

中两种酸的比例关系很大。腐蚀有两种方法进行。

1）先在硅表面上生长一层较厚且致密的SiO 2层，然后利用光刻和刻蚀的方法把需要的刻槽上的SiO 2腐蚀掉，这样就裸露出硅来，然后再放入配制好的腐蚀液中（HNO 3：HF=8:1（体积比））。这种腐蚀速度十分快，经过2~3min，硅就被腐蚀出10~20μm 深槽。腐蚀后去除表面SiO 2层，就露出硅片表面，然后按照工艺重新生长SiO 2作介质隔离之用或其他加工。在腐蚀液中加入少量冰醋酸起到缓冲作用。硝酸是强氧化剂，它将单质的硅氧化成SiO 2，其反应如下：

3Si+4HNO3=3SiO2+2H2O+4NO↑

生成的SiO 2不溶于水也不溶于HNO 3，但能与HF 生成可溶性络合物，这样硅就被腐蚀掉了。

2）用金属铝作掩护膜，由于Al 对HNO 3和HF 的抗蚀能力较强，可以在硅片表面用蒸发或者溅射方法生长一Al 层，然后用光刻和刻蚀方法把槽部分的Al 层去掉而裸露出硅，然后再把硅片进入腐蚀液中腐蚀硅。

以上两种方法多都可以使用，但在使用时会发出大量热量来，如不注意散热或降温，其腐蚀效果不好，因此腐蚀时都放在冰水中进行。

2.2.3金属铝的刻蚀

在半导体干法刻蚀工艺中，根据待刻蚀材料的不同，可分为金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。金属刻蚀又可以分为金属铝刻蚀、金属钨刻蚀和氮化钛刻蚀等。目前，金属铝作为连线材料，仍然广泛用于DRAM 和flash 等存储器，以及0.13um 以上的逻辑产品中。

金属铝刻蚀通常用到以下气体：Cl 2、BCl 3、Ar 、 N 2、CHF 3和C 2H 4等。Cl 2作为主要的刻蚀气体，与铝发生化学反应，生成的可挥发的副产物AlCl3被气流带出反应腔。BCl 3一方面提供BCl 3+，垂直轰击硅片表面，达到各向异性的刻蚀。另一方面，由于铝表面极易氧化成氧化铝，这层自生氧化铝在刻蚀的初期阻隔了Cl 2和铝的接触，阻碍了刻蚀的进一步进行。添加BCl 3 则利于将这层氧化层还原（如方程式1），促进刻蚀过程的继续进行。Al 2O 3 + 3BCl3 → 2AlCl3 + 3BOCl （1）

Ar 电离生成Ar ＋，主要是对硅片表面提供物理性的垂直轰击。 N 2、CHF 3和C 2H 4是主要的钝化气体，N 2与金属侧壁氮化产生的AlxNy ，CHF 3和C 2H 4

与光刻胶反应生成的聚合物会沉积在金属侧壁，形成阻止进一步反应的钝化层。一般来说，反应腔的工艺压力控制在6~14毫托。压力越高，在反应腔中的Cl2浓度越高，刻蚀速率越快。压力越低，分子和离子的碰撞越少，平均自由程增加，离子轰击图形底部的能力增强，这样刻蚀反应速率不会降低甚至于停止于图形的底部。

目前金属刻蚀机台广泛采用双射频功率源设计，如应用材料公司DPS （decouple plasma source）金属刻蚀机台。偏置功率用来加速正离子，提供垂直的物理轰击，源功率用来提高反应腔体内的等离子体的浓度。这种双功率的设计可以实现对离子体的能量和浓度的独立控制，扩大了刻蚀工艺的工艺窗口和性能。

在金属铝的上下通常会淀积金属钛或氮化钛，形成氮化钛/铝/氮化钛/钛的结构。用来刻蚀铝的Cl 2与钛反应生成挥发性相对较低的TiCl 4，刻蚀氮化钛的速率只有刻蚀铝的1/3~1/4,因此减少Cl 2或是增加BCl 3和偏置功率，都有利于提高氮化钛和钛的刻蚀速率。

在金属铝中通常会加入少量的硅和铜来提高电子器件的可靠性。硅和Cl 反应生成挥发性的SiCl 4，很容易被带出反应腔。铜与Cl 反应生成的CuCl 2挥发性却不高，因此需要加大物理性的离子轰击把铜原子去掉，一般可以通过加大Ar 和增加偏置功率来实现。

当铝刻蚀完成之后，硅片表面、图形侧壁和光刻胶表面残留的Cl ，会和铝反应生成AlCl 3， 继而与空气中的水分发生自循环反应（如方程式2），造成对铝的严重侵蚀（corrosion ）。因此，在刻蚀工艺完成后，一般会用H 2O 和O 2的等离子体把氯和光刻胶去除, 并且在铝表面形成氧化铝来保护铝。

2.2.4其他湿法刻蚀

1. 氮化硅和多晶硅的刻蚀

氮化硅薄膜可以在室温下利用高浓度HF 、缓冲HF 溶液或是利用沸腾的磷

酸溶液来腐蚀，由于浓度为85%的磷酸溶液在180℃时对二氧化硅的腐蚀非常慢，所以可利用它来作氮化硅相对二氧化硅的选择性腐蚀。它对氮化硅的腐蚀速率一般为10nm ／min ，而对二氧化硅则低于1nm ／min 。然而在使用沸腾的磷酸腐蚀氮化硅时，将会遇到抗蚀剂吸附力的问题。为了得到较好的抗蚀剂图案，我们可以在涂布抗蚀剂层前，在氮化硅薄膜上先淀积一薄膜氧化层，如此可先将抗蚀剂图案转移到氧化层；在接下来的氮化硅腐蚀中，此氧化层将当成掩蔽层使用。

腐蚀多晶硅与腐蚀单晶硅类似，然而因为多晶硅有较多的晶粒边界，可想而知多晶硅的腐蚀速率要快得多。为了确保栅极氧化层不被侵蚀，腐蚀溶液通常要加以调整。掺杂物的浓渡和温度可影响多晶硅的腐蚀速率。

2. 砷化镓的刻蚀

砷化镓作为化合物半导体，在微电子产业也被广泛的应用。它的腐蚀与硅有很大差别。腐蚀砷化镓采用阳极氧化法，即氧化还原反应。也可以说，砷化镓被腐蚀液中OH －氧化成三氧化镓和三氧化砷。腐蚀液中的酸或碱再溶解这些氧化物，形成可溶性盐类或络化物。硅的腐蚀即有各向异性，也有各向同性。但是砷化镓的腐蚀几乎没有真正的各向同性。因为镓（111）面即砷（111）面地表面活性差异很大。表面为砷原子的砷面，每个原子有两个非饱和键，其活性比镓面高，而腐蚀速度也快。结果腐蚀液对砷面起抛光作用，而对镓的腐蚀要慢的多，并且会显示出表面特征及晶体缺陷倾向。因此，经腐蚀以后的镓会发雾或结霜。

2.3干法蚀刻

干法刻蚀种类很多，如光挥发、气相腐蚀、等离子体腐蚀等。其优点是：各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。缺点是：成本高，设备复杂。干法刻蚀主要形式有纯化学过程，纯物理过程（如离子铣），物理化学过程，常用的有反应离子刻蚀RIE ，离子束辅助自由基刻蚀ICP 。

干蚀刻是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆

(plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。

干蚀刻基本上包括离子轰击与化学反应两部份蚀刻机制。偏离子轰击效应者

使用氩气，加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏化学反应效应者则采氟系或氯系气体(如四氟化碳CF 4) ，经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。

干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点，能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点，换言之，本技术中所谓活性离子蚀刻已足以满足次微米线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。

2.3.1二氧化硅的干法刻蚀

SiO 2在半导体器件制造中应用得十分广泛。主要应用在MOS 器件起隔离作用的场氧化层、MOS 元器件的栅电极氧化层、金属的介电材质、钝化层等。因此，对SiO 2的干法刻蚀远比其他材质机会多。SiO 2干法刻蚀大多采用含氟化碳的等离子体。早期使用四氧化碳（CE 4），现在用CHF 3、C 2F 6和C 3F 8。

现在CE 4为例说明。在一个容器内充CE 4，当压强与所提供的电压合适时，等离子体特有辉光放电现象立即产生，而CE 4将等离子体内高能量电子（约10eV 以上）所轰击，而产生各种离子原子等，其中F 原子和CF 4原子都要发生化学反应，其反应式如下：

这些反应就把SiO 2的Si 原子和F 原子生成具有挥发的SiF 4。

这种作用虽然有化学反应，但只要调整好CF 4等离子体对硅片表面薄膜的离子轰击，所生的高分子化合物，就可以获得一个具有高刻蚀速率、高选择比、对SiO 2进行等向刻蚀的反应刻蚀。

2.3.2氮化硅的干法刻蚀

氮化硅有两种用途：一是在SiO 2表面在用LPCVD 法淀积一层Si 3N 4层作为元器件的保护膜

Si 3N 4的干法刻蚀方法和SiO 2一样，只不过Si-N 键的键结强度介于Si-O 键之间。如果用CF 4或其他含氟的气体来进行刻蚀，则选择性较差。以CF 3的等离

子体为例，对SiO 2与Si 的刻蚀选择性约在10以上，但是对Si 3N 4与Si 的选择性仅在3~5之间，对Si 3N 4与SiO 2的选择性仅在2~4左右。近期改用NF 3的等离子体进行刻蚀，结果是比较理想的。

2.3.3铝合金的干法刻蚀

当铝-硅-铜合金经过氯离子刻蚀后，合金表面将残留有氯或未被真空系统排除的Al-Cl 3。如果这些残留物未及时清除，当硅片从RIE 反应器里取出之后，空气中的水分将与这些残留物中的氯和氯化物反应生成HCL 。生成HCL 可以与Al 和Cu 形成Al 和Cu 形成AlCl 3和CuCl 2，然后这一层AlCl 3会再与H 2O 继续以上循环作用，会使Al 被腐蚀。

为了避免这种现象，就是在铝被刻蚀之后，再增加一道工序除去这表面的残留物以避免产生这种铝合金被腐蚀现象。

现在生产上的做法是当铝合金被氯化物等等离子体刻蚀之后，施以CF 4或CF 3的高分子聚合反应，在刻蚀后的铝合金表面覆盖一层高分子聚合物薄膜，如此便可以放在铝合金在空气中的腐蚀。另一种方法是在刻蚀后去胶之前，增加一道“水洗”或有机溶剂清洗，也可以达到防止铝合金被腐蚀的效果。

2.3.4干法刻蚀的其他用途

除了上面介绍的刻蚀之外，还可以用它来进行光刻胶的去除工作（去胶），以弥补湿法去胶的不足。

还可以用作各种表面清洗工作。硅片表面的清洗和反应器内腔的清洗工作。因为一些易于氧化的材料，用湿法清洗很容易被氧化。如果改用干洗法，就可以避免这一缺陷。目前使用得较多的是干法刻蚀的反应室，可以与淀积金属的镀膜反应室连接，经干法清洗以去除硅片表面氧化层以后，可以保持在真空状态下（不与大气接触），再进行表面镀膜（此时表面氧化层几乎不去考虑），是金属层与硅片接触得更理想。

在CVD 淀积薄膜以后，在反应室上淀积一层生成物，如果这一层生成物附着不好往往在生产产生微粒影响CVD 淀积质量。因此，要定期对反应室进行清洗工作。如果把这种等离子体干法应用于CVD 的清洗工作上，效果是十分好的。

第3章 刻蚀的去胶

腐蚀完毕必须将光刻胶去掉，这一道工序叫去胶。常用方法有溶剂去胶、氧化去胶和等离子去胶。

3.1溶剂去胶

把带有光刻胶的硅片浸在适当的溶剂内，使聚合物膨胀，然后把胶擦去，称为溶剂去胶。去胶剂一般是含氯的烃化物，如三氯乙烯。这些化合物含有较多的无机杂质，因此，会在衬底表面留下微量杂质，在制备MOS 器件是，可能会引起不良后果。另外，洗涤周期长，操作较繁杂，故很少采用。当然此法优点是在常温下进行，不会是铝层发生变化。

3.2氧化去胶

所谓氧化去胶是指利用氧化剂把光刻胶去掉。此法使用十分普遍，有人又称为湿法去胶。常用的氧化剂是硫酸。它能是光刻胶中的碳被氧化而析出来。不过，碳微粒的析出要影响硅片的表面质量，因此，在硫酸中还要加一些双氧水（H 2O 2），使碳氧化成CO 2析出。典型的氧化去胶是H 2SO 4：H 2O 2=3:1.也有人用硫酸和重铬酸钾配合。

把硅片放在氧化剂中加热到1000℃左右，光刻胶层被氧化成CO 2和H 2O 而被除去。

氧化去胶的优点是洗涤过程十分简便，即用去离子水冲洗就可以。但要注意，氧化剂对衬底表面也有腐蚀作用（尽管是十分轻微的）。有人又改用1号洗液（H 2O 2：NH 4OH:H2O=5:2:1）去胶。

反刻铝的湿法去胶使用发烟硝酸，将硅片在里面浸泡2~3min，然后用去离子水冲洗，丙酮棉花擦洗。也可以放入二甲苯或丙酮中浸泡，使胶软化，然后用丙酮棉花擦洗。

目前常常把去胶和合金放在一起做。也就是将要去胶的硅片放入450~530℃的氧化炉中，通入大量的氧气，使光刻胶生成CO 2和H 2O 等挥发物质并随之排出。此法十分简单，也不用硫酸等化学试剂，并能与合金结合在一起，简化了工艺。但应注意的操作时炉温不能过高，否则会因此结特性变化或铝层被氧化。

3.3等离子体去胶

等离子体去胶是近几年发展起来的一种新工艺。它不需要化学试剂，也不需要加温，因此，器件的特征和金属铝层都不受影响，这对提高产品质量和可靠性有好处。

等离子体去胶设备见图3-1。它的高频信号发生器产生11~12MHz的高频

图3-1： 等离子去胶示意图

讯号，接到石英管壁外的铝平级电容或感应线圈上。外加的高频电磁场使通入石英管中的氧在高频电场作用下电离，形成等离子区。其中活化的原子态氧，约占10%~20%，他们活性活泼、氧化能力强，将与光刻胶发生反应，使之变成CO 2、H 2O 、CO 和其他挥发性氧化物而被机械泵排出，达到了去胶的目的。

在工作时，系统的真空度达到3×10－2托，然后通入氧气，并用针型阀门调节流量。高频信号源的频率是11~12MHz，输出功率为150~200W。但由于各种损耗、实际输入石英管内只有几十瓦，通入氧气流量为8~30ml／min 。

再去胶过程中，氧气流量大小直接影响去胶速度。当氧气流量为零时，去胶速率很小。逐渐增大氧气流量，去胶速度增大。这说明氧气在去胶的作用是十分明显的。在辉光电离区，氧气电离后有可能会生成臭氧与光刻胶反应。当氧气流量增加时，活化氧原子数也增加，去胶速度加快，同时辉光后的颜色也会从淡红色变为发亮。如氧气流量过大，电离十分剧烈，石英管温度上升，这样温度过高，会对金属起不良作用，因此为了因为保证衬底温度不超过150℃，此时氧气流量

定在8~30ml／min 范围。

去胶速率除了与氧流量有关外，还随着输出功率增大而加快。原因是功率大，氧电离能力也强、活化剂原子数也增多，这样去胶速度也大大提高。但亦要注意，石英管内衬底温度上升与屏极电压成正比。即屏极电压升高。所以生产中要是视具体情况定适当的条件，确保去胶的质量。

第4章 刻蚀的终点检测

干法刻蚀不同于湿法刻蚀，对被刻蚀薄膜层下面一层材料，通常没有足够高的刻蚀选择比，等离子体刻蚀的反应室，必须装有一个终点监察设备，以便确定中止刻蚀时间。即需要一终点检测系统，以避免刻蚀到下一层材料去，这种检测系统有两种：光发射分光仪法和激光干涉测量法。有时也将这两种方法同时使用。

4.1终点检测方法

4.1.1光发射分光仪法

光发射光仪法是通过分析气体放电过程中处于激发态的原子和分子的外层电子返回基态时所发射的特征谱线的强度确定终点。在刻蚀过程中，激发态反应生成物或反应物所发出的光，具有反映该物质特征光谱线。如图4-1所示，用单色仪和光电倍比器来检测这些特征光谱线的强度变化，可以分析出薄膜被刻蚀的况。

图4-1：终点检测的光发射过程

4.1.2激光干涉法测量

激光干涉法测量是用射向硅片表面的激光来进行测量。如果硅片上的薄膜是透明的，从被刻蚀薄膜反射回来的激光束和从薄膜底层反射回来的激光束彼此互

相干涉。在被刻蚀层的厚度减小时，互相干涉程度也发生变化，也就是要么增强，

要么减弱。可以用于干涉光度由最大值到最小值的时间间隔确定刻蚀速率。

此法不仅可以确定刻蚀的终点，也可以测出正在进行刻蚀的刻蚀速度。这种

方法的缺点是只检查硅片表面非常有限的一小部分刻蚀状态。在被刻蚀表面时，

从表面射回来的光也是非常微弱的，这样有可能产生误差。

4.2刻蚀的损伤

4.2.1等离子体引起的损伤

等离子体内包含有一定能量的离子、电子和处于激发态的分子。在这些处于

激发态的离子重新组合时，释放出来有几个电子伏特的能量的光子。此外，离子

和电子对晶片表面的轰击，也可能造成机械损伤。等离子体引起的损伤形式多种

多样：如一个被俘获的界面电荷、材料缺陷迁移到主体材料中、在材料表面由刻

蚀生成的沉淀物引起的污染物引起污染等。

刻蚀的损伤可改变敏感器件的性质。如肖特基二极管，它的整流能力会大幅

度降低。在氧化物层接触孔的刻蚀过程中，高分子聚合物的沉积，经常引起高的

接触电阻；有时在刻蚀过程中，生成的低挥发性生成物，在刻蚀完之后，没有被

完全去除，会引起产品电性能的改变，影响稳定性。比如用HBr 和CuCl 2在刻蚀

多晶硅过程中，生成硅溴化物，在用Cl 2刻蚀Au 和Cu 时，生成物就会有低挥发

性的物质。在干法刻蚀Al 线时，有可能使铝导线受到腐蚀。因此在刻蚀完成以

后，继续加工之前，要把表面的污染物彻底去除并恢复被损伤的区域，这是非常

重要的，有时在干法刻蚀以后再用湿法刻蚀液漂洗一下, 这样防治污染的效果很

好。

在反应离子刻蚀过程中，由于对晶圆片的表面强烈的轰击和等离子体的不均

匀性，会造成硅片表面及栅极区电荷积累。这些电荷可能会引起栅极上二氧化硅

的击穿。此外，电子及离子流在不同位置上的不均匀性，也会引起电荷在某一局

域过分集中造成表面击穿现象。因此，不会造成污染或引起各层损伤程度最小的

工艺和设备已经引起人们的普遍的关注。

4.2.2等离子体引起的微粒污染

在刻蚀过程中，等离子体会在硅片表面造成大量微粒。这些微粒是在等离子

体辉光放电过程中，通过化学反应或机械碰撞等形式形成的，激光散射分析表明，

在等离子刻蚀过程中，粒子在等离子层界面上聚集。由于等离子层边界与放硅片

的电极表面的电位差，带负电的粒子悬浮在等离子层界表面上。这些粒子的尺寸

在十分之几微米至四分之一微米之间，密度为107∕cm 3。当维持等离子体放电

的电源被切断时，这些粒子就会落到硅片表面上。在刻蚀过程中，包含氟元素在

刻蚀时所产生的氟化物地压强比较高。在电极材料或光刻材料变化时，也会引起

粒子的积聚，并局部引起等离子体电位升高。刻蚀设备的设计，特别是电极设计

十分重要，稍有不慎，就会影响刻蚀的清洁度。

通过适当控制关闭等离子体电源的过程，选择工艺化学物质和良好的设备设

计，都可以做到控制这些粒子所带来的污染。在工艺过程即将结束关断电源以前，

用适当的改变射频电源功率、气体流量、磁场的方法，可以去除悬浮在等离子体

壳层边界的微粒子。同时，粒子也来自等离子体中各种元素成分，所以要正确选

择化学物质。比较理想的状况是，通过合适的设备，在工艺中尽量把微粒子排向

室外。

如今半导体应用于人们日常生活的各个方面，在十分复杂的半导体制造过程

中刻蚀工艺在其中占有十分重要的地位。本文通过对刻蚀的简单介绍，可知半导

体刻蚀工艺简单的工作概要。

本文主要介绍了半导体的干法与湿法刻蚀、以及刻蚀的去胶技术和刻蚀的终

点检测，了解到其制造的基本要领。现如今半导体制造的产品在人们日常生活中，

可以说无处不在。它除了应用于计算机领域之外，还广泛地应用在通信、消费类

电子产品，自动控制以及国防科技领域。

从最开始的方案分析设计、到后来的系统分析选择，再到最后系统的实现，

本人从中学到了不少知识，也积累了很多半导体制造的经验。通过对这个工艺的

介绍与探讨，使得我自己半导体刻蚀工艺有了一个比较全面的了解，让我真正体

会了制造工艺思路和构架。但由于半导体制造的工艺复杂和成本高，论文设计还

有许多方面有所不足。

经过这次设计，我觉得自己学到了不少东西。归纳起来，主要有以下几点： 大学三年的时间都是在学习微电子理论基础知识，并未真正地去应用和实

践。但是通过这次设计及和实习中所学到的，使我学到到了更多平时没有接触到

的电路知识、半导体制造工艺以及相关的实践经验，发现了自己还有很多不足之

处。还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更

顺利、更好。

学会了怎样查阅资料和利用工具书。平时课堂上所学习的知识大多比较陈

旧，作为电子类专业的学生，由于专业特点自己更要积极查阅当前的最新半导体

制造资料。一个人不可能什么都学过，什么都懂，因此，当在设计过程中需要用

一些不曾学过的东西时，就要去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提

高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，补充最新的专业知识。

这个设计对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以进一步的消化

和巩固。设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。而且培养了吃苦耐劳的精

神以及相对应的工程意识，同学之间的友谊互助也充分的在设计当中体现出来

了。

最后，对在本次设计中给予指导的xx 老师表示衷心的感谢！

参考文献

[1] 林明祥，集成电路制造工艺，机械工业出版社，2005

[2] (美)Gary S.May Costas J.Spanos，半导体制造与控制基础，机械工业出版社，2009

[3]（美）施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002

[4]（美）夸克，（美）瑟达，半导体制造技术，电子工业出版社，2009

[5]（美）施敏，（美）梅勒瑞，半导体制造工艺基础，安徽大学出版社，2007