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集成电路 工艺 原理

仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼 435 室. 集成电路 工艺 原理. 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. 图形转移过程演示. 图形转移＝光刻＋刻蚀. 两大关键问题： 选择性

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集成电路 工艺 原理

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Presentation Transcript

  1. 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 集成电路工艺原理

  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. 图形转移过程演示 图形转移＝光刻＋刻蚀 • 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

  4. 刻蚀的性能参数

  5. 过腐蚀（钻蚀）： A＝0 0<A<1 A=1 假定S＝时 Uniformity/non-uniformity 均匀性/非均匀性 Rhigh: 最大刻蚀速率 Rlow: 最小刻蚀速率 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. 例1：SiO2采用HF腐蚀 实际用 例2：Si采用HNO3和HF腐蚀（HNA） BOE：buffered oxide etching 或BHF: buffered HF 加入NH4F缓冲液：弥补F和降低对胶的刻蚀 例3：Si3N4采用热磷酸腐蚀 各 向 同 性

  10. 各向异性 硅湿法腐蚀由于晶向而产生的各向异性腐蚀 例4：Si采用KOH腐蚀 Si + 2OH- + 4H2O Si(OH)2++ + 2H2 + 4OH-

  11. 价键密度：<111> > <110> > <100> 腐蚀速度：R(100) 100 R(111)

  12. HNA各向同性腐蚀 自终止

  13. 利用Si的各向异性湿法腐蚀制作的MEMS（MicroElectroMechanical Systems）结构

  14. 在大规模集成电路制造中，湿法腐蚀正被干法刻蚀所替代：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 湿法腐蚀的缺点

  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. 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 离子增强刻蚀-Ion Enhanced etching • 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. SiCl4 TiCl4 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. CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2和Si3N4的腐蚀速率CF4中添加少量O2可增加对Si，SiO2和Si3N4的腐蚀速率 硅、Si3N4和SiO2刻蚀 Si+4F*SiF4 SiO2+4F*SiF4 +O2 Si3N4+12F*3SiF4 +2N2 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. DRIE 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）

  26. Ashing 灰化去胶——适合大多高分子材料

  27. 光刻＋刻蚀 什么是图形转移技术？ 刻蚀的两个关键问题？ 方向性 选择性 湿法腐蚀： Si——HNA各向同性 ——KOH各向异性 SiO2——HF 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 MEMS

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