集成电路制造中的腐蚀工艺

集成电路制造中的腐蚀工艺

摘要：在集成电路制造过程中，需要光刻工艺将光刻版上的图形复制到硅片上，而腐蚀工

艺则是通过光刻胶来做保护，最后完成图形复制的任务。腐蚀结果的好坏会直接影响到硅片上的图形，这些图形则最终会在电路制作完成后对电路造成不同程度的影响。对于不同的材料，腐蚀工艺需要根据不同的腐蚀结果选取不同的腐蚀液或腐蚀气体，并通过大量的实验得到最佳的腐蚀结果。文章结合实际工作经验对在常规集成电路制造过程中的的几种材料在腐蚀工序的腐蚀做了简要的说明分析，对易出现的问题进行解决。

关键词：湿法腐蚀；干法腐蚀；等离子腐蚀；铝腐蚀

Etching for Integrated Circuit

MA Hong-jiang

The 47th Research Institute of China Electronics

TechnologyGroup,Shenyang,110032,China

Abstract: We need put the pattern on the wafer through

Photolithography ,but finally pattern will be keep down through Etch in IC manufacture .Result of etching will affect the pattern on the wafer ,finally all those factor will affect the circuit function after IC is finished .We need do enough experiment to decide the best way to etch different material by using different etchant or gas for

etching .This article analyses the result of different material in etching process in normal IC manufacture ,and it afford many method to solve so many questions that those are occurred easily in etching . Keywords : Wet Etch；Dry Etch ；Plasma Etch；Al Etch

引言

在集成电路的制造过程中，腐蚀工艺占有极其重要的地位。制造工艺中的光刻工艺是把需要的图形复制到硅片表面，但这样的图形只是光刻胶的图形，而光刻胶并不能担负起在硅片上留下最终图形的任务，这只能通过其后的腐蚀工艺来

完成。腐蚀使用适当的腐蚀液或腐蚀气体将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。因此所用的腐蚀液或腐蚀气体既能腐蚀掉裸露的衬底表面材料，又能保持对光刻胶很小的腐蚀程度，只有这样才能把所需的图形准确地刻蚀出来，达到将图形永久转移到硅片上的任务。刻蚀工艺的正确进行是很关键的，否则芯片将不能工作。更重要的是，一旦材料被刻蚀去掉，在刻蚀工程中所犯的错误将难以纠正。不正确刻蚀的硅片就只能报废，给硅片制造公司

【1】 带来损失。

腐蚀工艺主要分为两大类：湿法腐蚀和干法腐蚀。湿法腐蚀是指使用液体刻蚀剂为主要媒体的刻蚀技术，晶圆需要液体化学品或冲洗。干法腐蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术，晶圆不需要液体化学品或冲洗。

评价腐蚀工艺的主要参数有不完全刻蚀、过刻蚀、钻蚀、选择比和侧边的各

【2】 向异性/各向同性刻蚀。

以下将以湿法和干法以及腐蚀不同的材料分别来介绍集成电路制造中的腐蚀工艺。

1 湿法腐蚀

湿法腐蚀是采用较早的硅片腐蚀技术。其过程是将硅片浸没于装有刻蚀剂的槽中，通过腐蚀液与被腐蚀材料的化学反应来去掉衬底材料，达到将图形留到硅片上的任务。湿法腐蚀是一种各向同性的腐蚀方法。现在的集成电路制造过程中湿法腐蚀一般只是用在尺寸较大的情况下（大于3um）。另外湿法腐蚀仍然用来腐蚀硅片上的某些层或用来去除干法刻蚀后的残留物。

在目前的集成电路制造过程中，湿法腐蚀主要应用于硅湿法腐蚀、二氧化硅湿法腐蚀、铝膜湿法腐蚀、氮化硅湿法腐蚀。

1.1硅湿法腐蚀

典型的硅腐蚀是用含氮的物质与氢氟酸的混合水溶液。这一配比规则在控制腐蚀中成为一个重要的因素。在我所的工艺线中，硅的腐蚀即是背面腐蚀目的是消除硅片在减薄后所产生的应力及硅渣。腐蚀温度会对腐蚀效果产生很大的影响，所以腐蚀液配置后需放置一段时间恢复至室温方可使用。

而一些器件要求在晶圆上腐蚀出槽或沟。腐蚀配方要进行调整以使腐蚀速率

【3】 依靠硅片的取向。<111>取向的硅片以45°角<100>取向的硅片以“平”底腐蚀。

1.2氧化化硅湿法腐蚀

二氧化硅腐蚀是最普通的腐蚀层。其基本的腐蚀剂是氢氟酸（HF），它有腐蚀二氧化硅而不伤及硅的优点。然而，饱和浓度的氢氟酸在室温下的腐蚀速率约

【4】

为300?/s。这个速率对于一个要求控制的工艺来说太快了。在实际中，氢氟酸

（49%）与水货氟化铵与水混合。以氟化铵来缓冲会加速腐蚀速率氢离子的产生。这种腐蚀溶液称为缓冲氧化物腐蚀（buffered oxide etch）或BOE。BOE腐蚀速率和温度对应的关系如下图一：

图一 BOE腐蚀速率和温度对应的关系

对二氧化硅来说，热氧化和淀积的会有很大差异的腐蚀速率，在实际应用应注意加以区分。

1.3铝膜湿法腐蚀

对于铝和铝合金层有选择性的腐蚀溶液是基于磷酸的。但铝与磷酸反应的副产物是微小的氢气泡。这些气泡附在硅片表面并阻碍腐蚀反应。特殊配方铝腐蚀液可以缓和这个问题。典型的配比是磷酸：硝酸：冰乙酸：水=16:1:1:2。除此以外，在铝腐蚀过程中的搅拌或上下移动都都可以去除气泡，甚至有用超声波或兆频超声波来去除气泡的。

在腐蚀含有SI和Cu的合金铝后，表面往往会残留一层颗粒状物质，可以使用脱脂棉轻轻的将它们擦去或使用特定的腐蚀液将这些颗粒去除。

1.4氮化硅湿法腐蚀

氮化硅的湿法腐蚀液使用的是热磷酸（180℃），但光刻胶层经不起腐蚀剂的温度和高腐蚀速率，因此，湿法腐蚀氮化硅目前只是在选择性氧化（LOCOS）工艺中去除氮化硅的使用，而有源区氮化硅的腐蚀则采用干法腐蚀。

2干法腐蚀

干法腐蚀与湿法腐蚀相比因其具有腐蚀剖面的各向异性、好的CD控制、最小的光刻胶脱落或粘附问题、好的片内及片间和批次间的腐蚀均匀性、较低的化学制品使用和处理费用而成为现代集成电路制造过程中的主要腐蚀方法。当然，干法腐蚀也有一些缺点，那就是对下层材料差的腐蚀选择比、等离子体带来的器件损伤和昂贵的设备。

干法腐蚀设备的主要由硅片传输系统、热交换系统、真空系统、射频产生系统等部分组成。在干法腐蚀中，等离子体是最重要的腐蚀元素。在干法腐蚀系统中，腐蚀作用是通过化学作用或物理作用，或者是化学和物理的共同作用来实现的。在纯化学机理中，等离子体产生的反应元素与硅片表面的物资发生反应。为了获得高的选择比，进入腔体的气体都经过了慎重选择。等离子体化学刻蚀是各向同性的，因而线宽控制差。而纯物理机制的腐蚀选择比又差，又可能带来颗粒和化学污染。

现代的干法腐蚀大多是物理和化学混合作用机理，其中离子轰击改善化学腐蚀作用。腐蚀剖面可以通过调节等离子体条件和气体组分从各向同性向各向异性改变。这种物理和化学混合作用机理腐蚀能获得好的线宽控制并有不错的选择比。 2.1二氧化硅干法腐蚀

二氧化硅是一种绝缘材料，在集成电路制造中主要用做掺杂阻挡层、表面绝缘层以及介质层隔离，其干法腐蚀主要采用含氟的气体。目前我所使用的的工艺气体为三氟甲烷和氧气的混合气体，因为三氟甲烷对硅有很好选择比。衡量二氧化硅干法腐蚀的质量的参数主要有选择比，腐蚀速率等。而这些参数的最终实现是靠在干法腐蚀工程中对工艺菜单的射频功率、工艺气体、反应室压力、电极温度的调整。在实际的工艺调整中，这4个工艺参数对最终的腐蚀质量都会有影响，工艺调整的目的是将这些参数很好的融合在一起，找到最佳工艺方案。在实际工作当中，对腐蚀速率影响最大的为射频功率和气体流量。对于热氧化二氧化硅和淀积的二氧化硅干法腐蚀速率没有湿法腐蚀太大的差别。

2.2氮化硅干法腐蚀

氮化硅一般用于选择性氧化（LOCOS）中的有源区覆盖及最后的钝化保护层，因在这两步中湿法腐蚀都无法完成，所以采用干法刻蚀。氮化硅的干法腐蚀采用含氟的气体。目前我所使用的的工艺气体为三氟甲烷和氧气的混合气体。衡量干法腐蚀的质量的参数主要有选择比，腐蚀速率等。而这些参数的的最终实现是靠在干法腐蚀工程中对工艺菜单的射频功率、工艺气体、反应室压力、电极温度的调整。在实际的工艺调整中，这4个工艺参数对最终的腐蚀质量都会有影响，工艺调整的目的是将这些参数很好的融合在一起，找到最佳工艺方案。在没有终点检测的时候，因不同氮化硅厚度所显示出来的颜色差异很大，有时可以通过在设备窗口观察片面颜色来判定腐蚀的终点。 3.3多晶硅干法腐蚀

多晶硅的腐蚀在MOS电路中占有极其重要的位置，掺杂后的多晶硅是用做栅极的导电材料。腐蚀后的掺杂多晶硅的线宽决定了有源器件的栅长，而栅长确定了沟道长度并定义出了源漏电极的边界，如图二，可以看出，腐蚀后的多晶线宽直接影响到了晶体管的沟道长度进而影响性能。

图二 腐蚀后的掺杂多晶示意图

多晶硅的腐蚀必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和可重复性，而且又要求有高的各向异性，因为多晶硅栅在源/漏的注入过程中起阻挡层的作用，倾斜的侧壁会引起多晶硅栅结构下面部分的掺杂。因此对多晶硅腐蚀后的线宽至关重要。多晶硅腐蚀后的线宽均匀性与腐蚀速率有很大的关系，腐蚀速率过快，会导致侧壁聚合物生成速率变慢，致使侧壁聚合物还来不及生成反应气体已经与光刻胶下的多晶硅发生反应，导致侧向腐蚀。为了增加侧壁聚合物

的生成速率，必须降低多晶硅腐蚀速率。既要降低多晶硅的腐蚀速率，又要保证多晶硅在一定的时间内刻蚀完毕，如果腐蚀速率过慢会导致光刻胶遭受腐蚀，影响最终腐蚀后的线宽。多晶硅的刻蚀一般采用干法刻蚀。多晶硅的干法腐蚀采用含氯的气体。目前所使用的的工艺气体为氯气和氦气的混合气体，因为选择氯气会对下面的二氧化硅有很高的选择比。 3.4 铝干法腐蚀

金属铝主要用于集成电路制造过程中的互联线，在VLSI集成电路开发之前，主要的金属化工艺材料就是纯铝。但是晶圆表面的浅结是使用纯铝导线遇到的最大问题，铝和硅可以在合金温度下向彼此之间互相扩散，造成电路的失效和可靠性下降。而纯铝的另一个问题是电迁移，即在一定的电流下，铝会发生扩散，最直接的影响是使导线变细，极端情况下，导线甚至会完全断开。不过，通过淀积含铜0.5%～4%的铝铜合金【5】或含钛0.1%～0.5%的铝钛合金就可以防止或减轻电迁移现象。在实际的应用中，人们经常使用既含有铜又含有硅的铝合金以防止合金化问题和电迁移问题。

在我所使用的腐蚀设备AME-8330腐蚀过程中铜的化合物不易挥发而最终残留到硅片的表面，所以在干法腐蚀硅铝铜合金后，往往需要采用泡铝后处理液的方法将这些残余物质去掉。针对残留的物资含铜等聚合物，采用硝酸，冰乙酸，磷酸的配比来去除这些物质。对比的效果如图二和图三：

图二 有残余物的硅片

图三 经过泡铝后处理液的硅片

3结论

文章对集成电路制造过程中的腐蚀工艺及部分材料的腐蚀进行了简要的说明，并且可能出现的一些问题进行了分析和解决，使得腐蚀工序的技术人员能够借鉴已有的一些实验结论，减少在以后的实际工作中出现同样问题的几率，并在出现这样的问题的时候缩短相应的实验时间。

参考文献：

[1]韩郑生等译 半导体制造技术 北京：电子工业出版社，2015.6；P.404

[2]韩郑生 赵树斌译 芯片制造-半导体工艺制程使用教程 北京：电子工业出版社，2010.8；P.159

[3]S.Wolf and Tauber,Silion Prossing for the VLSI Eva，Lattice Press ，Newport Beach，CA,1986，P.532 [4]Ibid

[5]P.Rilely，S.Peng，and L.Fang，“Plasma Etching of Aluminum for ULSI Circuits，”Solid State Technology，PennWell Publishing，February 1993，P.47

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jxbp.html