此保护膜可保护多晶硅的侧壁，进⽽形成⾮等向性刻蚀。使⽤Cl2等离⼦体对多晶硅的刻蚀速率⽐使⽤F原⼦团慢很多，为兼顾刻蚀 速率与选择⽐，有⼈使⽤SF6⽓体中添加SiCl4或CHCl3。SF6的⽐例越⾼，刻蚀速率越快；⽽SiCl4或CHCl3的⽐例越⾼，
多晶硅/SiO2的刻蚀选择⽐越⾼，刻蚀越趋向⾮等向性刻蚀。除了Cl和F的⽓体外，溴化氢(HBr)也是⼀种常
⽤的⽓体，因为在⼩于0.5µm的制程中，栅极氧化层的厚度将⼩于10nm，⽤HBr等离⼦体时多晶硅/SiO2的刻蚀选择⽐⾼于以C
l为主的等离⼦体。4.⾦属的⼲法刻蚀⾦属刻蚀主要是互连线及多层⾦属布线的刻蚀，⾦属刻蚀有以下⼏个要求：
⾼刻蚀速率(⼤于1000nm/min)；⾼选择⽐，对掩蔽层⼤于4:1，对层间介质⼤于20:1；⾼的刻蚀均匀性；关键尺⼨控制好；⽆等
离⼦体损伤：残留污染物少；不会腐蚀⾦属。①铝的刻蚀。铝是半导体制备中最主要的导线材料，具有电阻低、易于淀积和刻蚀等优点。铝刻蚀通常采⽤加⼊卤化物的氯基⽓体，最常⽤的是BCl3。因为铝在常温下表⾯极易氧化⽣成氧化铝
，氧化铝阻碍了刻蚀的正常进⾏，⽽BCl3可将⾃然氧化层还原、保证刻蚀的进⾏，⽽且BCl3还容易与氧⽓和⽔反应，可吸收反应腔内的⽔汽 和氧⽓，从⽽降低氧化铝的⽣成速率。1.4质量评价⼀、⼲法刻蚀的终点监测近⼏年发展起来的⼲法刻蚀
⼯艺，为了提⾼刻蚀精度，深⼊研究刻蚀机理，实现刻蚀设备的⾃动化，需要解决⼯艺过程的监控问题，特别是精确控制刻蚀终点。因为⼲法刻蚀的
选择性不如湿法，终点监控不当极易造成过腐蚀，甚⾄破坏下层图形。早期的监控⽅法是计时法。假设被刻蚀材料的膜厚已知，先通过实验确定刻蚀 速率，然后在⼯艺过程中，由计时确定终点。但由于影响刻蚀速率的因素太多(如压⼒、温度、流量、⽓体配⽐等)，刻蚀速率难于重复(如前所述
，对铝的等离⼦体刻蚀更是如此)，不能满⾜⼯艺要求。表1-1⼏种等离⼦体刻蚀终点检测⽅法⼆、⼲
法刻蚀的质量检测
刻蚀⼯艺的最后⼀步是进⾏检查以确保刻蚀的质量，通常都是⽤⾃动检测系统进⾏的。检测的项⽬以及⽅法见表1-2。表1-2刻蚀
质量检测半导体刻蚀⼯艺简介1.1概述1.2湿法刻蚀1.3⼲法刻蚀1.4质量评价1.1概述⼴义⽽
⾔，刻蚀技术包含了所有将材质表⾯均匀移除或是有选择性的部分去除的技术，可⼤体分为湿法刻蚀与⼲法刻蚀两种⽅式。本情景针对半导体制造
⼯艺中所⽤的刻蚀技术做详细介绍，内容将包括湿法刻蚀和⼲法刻蚀技术的原理，以及Si、SiO2、Si3N4、多晶硅及⾦属等各种不同材料
刻蚀⽅⾯的应⽤。将重点描述⼲法刻蚀技术，并将涵盖刻蚀反应器、终点探测以及等离⼦体导致损伤等的介绍。1.2湿法刻蚀⼯艺
湿法刻蚀⼜称为湿化学刻蚀法，主要是借助刻蚀剂与待刻材料之间的化学反应将待刻膜层溶解达到刻蚀的⽬的。湿法刻蚀的反应产
物必须是⽓体或可溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应物的沉淀，影响刻蚀的正常进⾏。湿法刻蚀的进⾏，通常先利⽤氧化
剂(如Si和Al刻蚀时的HNO3)将被刻蚀材料氧化成氧化物(例如SiO2、Al2O3)，再利⽤另⼀种溶剂(如Si刻蚀中的HF和A1
刻蚀中的H3PO4)将形成的氧化层溶解并随溶液排出。如此便可达到刻蚀的效果。刻蚀分三步进⾏：①刻蚀剂扩散⾄
待刻材料的表⾯；②刻蚀剂与待刻材料反应；③反应产物离开刻蚀表⾯扩散⾄溶液当中，随溶液排出。缺点：湿
法刻蚀多是各向同性的，在将图形转移到硅⽚上时，刻蚀后会向横向发展，这会造成图形失真，不适合得到3µm以下的线宽。
要控制湿法刻蚀的速率，通常可通过改变溶液浓度和反应温度等⽅法实现。溶液浓度增加会加快湿法刻蚀时反应物到达及离开被刻蚀薄膜表⾯
的速率，反应温度可以控制化学反应速率的⼤⼩。选择⼀个湿法刻蚀的⼯艺，除了刻蚀溶液的选择外，也应注意掩膜是否适⽤。⼏种常见物质的
湿法刻蚀介绍1、硅的湿法刻蚀单晶硅与多晶硅的刻蚀都是通过与硝酸和的混合溶剂反应来完成的。其过程是硝
酸先将硅氧化成⼆氧化硅，再利⽤溶解掉产⽣的⼆氧化硅，反应如下：Si⼗
4HNO3→Si02⼗2H20⼗4NO2
Si02⼗6HF→H2SiF6⼗2H202、⼆氧化硅的湿法刻蚀通常采⽤溶液完成，由于刻蚀速率太⾼，⼯业难
以控制。因此，在实际应⽤时需经过氟化铵的稀释。氟化铵可避免氟化物离⼦的消耗，以保持
稳定的刻蚀速率。典型的⼆氧化硅刻蚀剂是氟化铵与氢
氟酸以6:1的体积⽐混合，它对氧化层的刻蚀速率约为1000?/min，其反应如下：SiO2⼗
6HF→H2SiF6⼗2H2wifi温控器
煤仓疏松机O3、氮化硅的湿法刻蚀Si3N4在半导体⼯艺中主要是作为场氧化层在进⾏氧化⽣长时的屏蔽膜及半导体器件完成主要制备流程后的保护层
。可以使⽤加热180oC，85%的H3PO4溶液刻蚀Si3N4，其刻蚀速率与Si3N4的⽣长⽅式有关，例如：⽤PECVD⽅式⽐⽤
⾼温LPCVD⽅法得到的Si3N4的刻蚀速率快很多。由于⾼温Si3N4会造成光刻胶的剥落。在进⾏有图形的Si3N4湿法刻蚀时，必
须使⽤SiO2作掩膜。⼀般来说，Si3N4的湿法刻蚀⼤多应⽤于整⾯的剥除。对于有图形的Si3N4刻蚀，则应采⽤⼲法刻蚀的⽅式。
4、⾦属铝的湿法刻蚀集成电路中，⼤多数电极引线都是由铝或铝合⾦形成的。铝刻蚀的⽅法很多，⽣产上常⽤的是经过加
热的磷酸、硝酸、醋酸以及⽔的混合溶液，典型的⽐例是80:5:5:10。硝酸的作⽤主要是提⾼刻蚀速率，若太多会影响光刻胶的抗蚀能⼒；
醋酸是⽤来提⾼刻蚀均匀性的。刻蚀温度⼀般介于35～45oC之间，刻蚀反应如下：2Al⼗
6H3PO4→2Al(H2PO4)
3⼗3H2刻蚀时会有氢⽓泡产⽣，这些⽓泡附着在铝的表⾯抑制铝刻蚀的进⾏，造成刻蚀的不均匀，醋酸就是⽤来
降低界⾯张⼒避免这种问题发⽣的。综上所述，湿法刻蚀设备简单、⼯艺操作⽅便，⼀般的常规⽣产均能满⾜要求。但各向同性
刻蚀性太强，容易出现横向钻蚀现象，如图7-1所⽰难以控制线宽，⽽且刻蚀剂⼤多为腐蚀性较强的试剂，安全性较差。所以，已逐渐被⼲法刻蚀
代替。
硅⽚SiO2薄膜氢腐酸等腐蚀液
光刻胶（光致抗腐剂）横向钻蚀图7-1湿法刻蚀出现横向钻蚀现象1.3⼲法刻蚀⼯艺⼲法刻蚀物理性刻蚀化学性刻蚀
反应离⼦刻蚀物理性刻蚀物理性刻蚀是利⽤辉光放电将⽓体(如Ar⽓)电离成带正电的离⼦，再利⽤偏压将离⼦加速，
溅击在被刻蚀物的表⾯⽽将被刻蚀物的原⼦击出，该过程完全是物理上的能量转移，故称为物理性刻蚀。优点：具有⾮常好的⽅向性．可获得
接近垂直的刻蚀轮廓缺点：离⼦是全⾯均匀地溅射在芯⽚上，光刻胶和被刻蚀材料同时被刻蚀，造成刻蚀选择性偏低。同时，被击出的物质
并⾮挥发性物质，这些物质容易⼆次沉积在被刻蚀薄膜的表⾯及侧壁。化学性刻蚀⼜称等离⼦体刻蚀，是利⽤等离
⼦体将刻蚀⽓体电离并形成带电离⼦、分⼦及反应性很强的原⼦团，它们扩散到被刻蚀薄膜表⾯后与被刻蚀薄膜的表⾯原⼦反应⽣成具有挥发性的反
应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利⽤化学反应，故称为化学性刻蚀。优点与缺点：具有较⾼的掩膜/底层的选择⽐及等
向性解决⽅法：在刻蚀不需要图形转移的步骤(如光刻胶的去除)中应⽤纯化学刻蚀。反应离⼦刻蚀（RIE)⽅法：结合物
理性的离⼦轰击与化学反应优点：兼具⾮等向性与⾼刻蚀选择⽐双重优点加⼊离⼦轰击的作⽤：①破坏被刻蚀材质表⾯的化学键以
提⾼反应速率。②将⼆次沉积在被刻蚀薄膜表⾯的产物或聚合物打掉，以使被刻蚀表⾯能充分与刻蚀⽓体接触。3）选择⽐：被刻蚀
材料的刻蚀速率与掩膜或底层的刻蚀速率的⽐值，选择⽐的控制通常与⽓体种类、⽐例、等离⼦体的偏压功率、反应温度等有关系。4）刻蚀轮廓
：—般⽽⾔越接近90度越好，只有在少数特例中，如在接触孔或⾛线孔的制作中，为了使后续⾦属溅镀⼯艺能有较好的阶梯覆盖能⼒⽽故意使其
刻蚀轮廓⼩于90度。通常，刻蚀轮廓可利⽤⽓体的种类、⽐例和偏压功率等⽅⾯的调节进⾏控制。⼀、⼲法刻蚀设备
最常见的刻蚀设备是使⽤平⾏板电极的反应器。⾼密度等离⼦体刻蚀机具有⾼等离⼦体密度和低离⼦轰击损伤等优点，已成为设备开发研究的热点
，典型的设备有电⼦回旋共振式等离⼦体刻蚀机、变压耦合式等离⼦体刻蚀机、感应耦合等离⼦体刻蚀机和螺旋波等离⼦体刻蚀机。
等离⼦体刻蚀系统应包括下列⼏个基本部件：反应腔、射频电源、⽓体流量控制器、真空系统、电极等。在本作业中，将介绍
现今较为常⽤的刻蚀设备。1.反应离⼦刻蚀机反应离⼦刻蚀机系统中包含了⼀个⾼真空的反应腔，腔内有两个呈平⾏板
状的电极，⼀个电极与腔壁接地，另⼀个电极则接在射频产⽣器上，如图7-2(a)所⽰。这种刻蚀
系统对离⼦有加速作⽤，使离⼦以⼀定的速度
撞击待刻薄膜，因此刻蚀过程是物理与化学反应的共同进⾏。图7-2(a)RIE设备⽰意图图7-2(b)三极式RIE设备⽰意图
图7-2(c)RIE原理图图7-3⽇本芝浦Mechatronics株式会社⽣产的适⽤于不同尺⼨单晶硅圆⽚的反应离⼦刻蚀装置
2．磁场强化活性离⼦刻蚀机如图7-4所⽰，磁场强化活性离⼦刻蚀系统(MERIE)是在传统的RIE 中加上永久
磁铁或线圈，产⽣与晶⽚平⾏的磁场，此磁场与电场垂直。电⼦在该磁场作⽤下将以螺旋⽅式运动，如此⼀来，可避免电⼦与腔壁发⽣碰撞，增加电
⼦与分⼦碰撞的机会并产⽣较⾼密度的等离⼦体。然⽽，因为磁场的存在，将使离⼦与电⼦的偏转⽅向不同⽽分离，造成不均匀性及天线效应的产⽣
，所以磁场常设计为旋转磁场。MERIE的操作压⼒与RIE相似，约在1～100Pa之间，所以也不适合⽤于0.5µm以下线宽的刻蚀。
图7-4磁场强化活性离⼦刻蚀设备⽰意图3．电⼦回旋共振式等离⼦体刻蚀机电⼦回旋共振(ECR)系统利⽤微波以及外
加磁场来产⽣光密度等离⼦体。当电⼦回旋率与外加微波频率相同时，外加电场与电⼦的移动将发⽣共振，产⽣⾼离⼦化的等离⼦体。电⼦回旋共振
刻蚀系统如图7-5所⽰。该系统有等离⼦体产⽣腔和扩散腔两个腔。微波由波导管穿过⽯英窗进⼊等离⼦体产⽣腔，电⼦与微波共
振产⽣⾼密度的等离⼦体，这些离⼦体在附加磁铁的作⽤下移动⾄晶⽚表⾯，反应刻蚀。图7-5电⼦回旋共振式等离⼦体刻蚀设备⽰意图4
发光二极管封装
.感应耦合式等离⼦体刻蚀机与螺旋波等离⼦体刻蚀机感应耦合式等离⼦体刻蚀系统(ICP)的结构如图7-6所⽰，在反应器
上⽅有⼀介电层窗，其上⽅有螺旋缠绕的线圈，通过此感应线圈在介电层窗下产⽣等离⼦体。等离⼦体产⽣的位置与晶⽚之间只有⼏个平均⾃由程的
稀疏化距离，故只有少量的等离⼦体密度损失，可获得⾼密度的等离⼦体。⼆、半导体⼯艺中常⽤材料的⼲法刻蚀1.⼆氧化硅的
⼲法刻蚀①刻蚀原理。氧化物的等离⼦体刻蚀⼯艺⼤多采⽤含有氟碳化合物的⽓体进⾏刻蚀。使⽤的⽓体有CF4、C3F8、CHF3
等，常⽤的是CF4和CHF3。CF4的刻蚀速率很⾼但对多晶硅的选择⽐不好，CHF3的聚合物⽣产速率较⾼。⾮等离⼦体状态下的氟碳化合
物化学稳定性较⾼，且其化学键⽐SiF的化学键强，所以不会与硅或硅的氧化物反应。以CF4为例，整个刻蚀反应过程如下：
CF4→2F+CF2SiO2+4F→SiF4+2OSi+4F→SiF4域名库
SiO2+2CF2→SiF4+2COSi+2CF2→SiF4+2C氟原⼦
与硅的反应速率⾮常快，约为⼆氧化硅的10～1000倍，因此RIE反应系统中，CF4被电离为CF2，这样可得到较⾼的⼆氧化硅与硅的刻
蚀选择⽐。通常，氟碳化合物⽓体中，碳原⼦占的⽐例越⾼，形成的聚合物越多，这样会得到⾼的刻蚀选择⽐但刻蚀速率也越低。所以，在有些刻蚀
系统中，会通过增加硅源(四氟化硅)来增加氟原⼦以改变氟碳原⼦⽐。②选择⽐的改变。现今半导体⼯艺中，SiO2的⼲法刻蚀主要
⽤于接触孔与⾦属间介电层连接洞的⾮等向性刻蚀⽅⾯。前者在SiO2下⽅的材料是Si，后者则是⾦属层，通常是TiN，因此SiO2的刻蚀
蚀刻工艺中，SiO2与Si或TiN的刻蚀选择⽐是⼀个很重要的因素。在反应⽓体中加⼊氧后，氧会和氟碳化合物反应放出
氟原⼦同时消耗掉⼀部分碳，改变了氟碳原⼦⽐。反应如下：CF4+O→COF2+2F氧⽓的
加⼊可改变⼆氧化硅与硅的刻蚀速率⽐，当氧⽓浓度约为20%～40%时，⼆氧化硅的刻蚀速率明显⾼于硅的刻蚀速率，氧⽓浓度达到40%以后
，⼆者的刻蚀速率⼜开始接近。也可通过加⼊氢⽓来降低硅的刻蚀速率，氢⽓的浓度约为40%时，硅的刻蚀速率⼏乎为0，⽽⼆氧化硅的刻蚀速率
却基本不受影响。2.氮化硅的⼲法刻蚀Si3N4在半导体⼯艺中主要⽤在两个地⽅：①⽤作器件区的防⽌氧化保护层(厚约100nm)；②作为器件的钝化保护层。3.多晶硅的⼲法刻蚀在MOSFET器件的制备中，需要严格地控制栅极的宽度，因为它决定了MOSFET器件的沟道长度，进⽽与器件的特性息息相关。刻蚀多晶硅时，必须淮确地将掩膜上的尺⼨转移到多晶硅上。除此之外，刻蚀后的轮廓也很重要，如多晶硅刻蚀后栅极侧壁有倾斜时，将会屏蔽后续⼯艺中源极和漏极的离⼦注⼊，造成杂质分布不均，沟道的长度会随栅极倾斜的程度⽽改变。改⽤Cl2等离⼦体对多晶硅进⾏刻蚀，Cl2与多晶硅的反应⽅程式如下所⽰：
Cl2→2ClSi+2Cl→SiCl2SiCl2+2Cl→SiCl4SiCl2会形成⼀层聚合物保护膜，反应⽅程式如下：nSiCl2→n(SiCl2)
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