文档介绍：第三章微细加工中的刻蚀和清洗工艺
在微细加工中,刻蚀和清洗处理过程包括许多内容。对于适当取向的半导体薄片的锯痕首先要机械抛光,以除去全部的机械损伤,之后进行化学刻蚀和抛光,以获得无损伤的光学平面。这种工艺往往能去除以微米级计算的材料表层。对薄片进行化学清洗和洗涤,可以除去因操作和贮存而产生的污染,然后用热处理的方法生长Si02(对于硅基集成电路),或者沉积氮化硅(对于砷化镓电路),以形成初始保护层。刻蚀过程和图案的形成相配合。在保护膜层上刻出许多小窗,并通过该层保护膜进行注入或扩散,以便形成半导体区。重复这一过程,直到全部形成器件。
进一步的刻蚀和图案形成的工艺,还用于刻蚀单层或多层的金属布线。通常这种工艺是沉积PSG(磷硅玻璃)或氮化硅保护层。最后通过光刻的方法在键合区开孔,供引线的焊接及引出。
刻蚀也包括半导体的化学加工,它是半导体制造工艺的一部分。
刻蚀工艺方法
化学刻蚀 包括材料简单地溶解于溶剂中,也包括材料变成可溶的化合物。这个过程有时在高温中以气相的形式完成。
等离子体刻蚀低温气体刻蚀工艺在制造技术中起着重要的作用。这种技术就是等离子体刻蚀,它是在气体放电中,被刻蚀的材料与一种或多种物质起反应变成挥发态,从而达到刻蚀的目的。
离子铣在许多刻蚀过程中,材料的去除是通过迅速移动的惰性粒子(通常为氩)的动量传递来完成的。离子铣就是这种原理的刻蚀工艺,被称作“原子级的喷砂”。
溅射另一种常用的工艺是溅射,它的基本特征类似于离子铣。这两种技术需要形成气体放电,以产生高速的氩离子。但是,活化物质没有真正参与刻蚀过程,因此称为等离子体辅助加工。
反应离子刻蚀“反应离子刻蚀”是活化物质与离子轰击相结合的方法。系统离子轰击的主要作用是使表面损伤,受损伤的表面可以通过活化物质的化学作用而去除。活化物质与基片的反应因离子轰击而得到增强,因此刻蚀速率大于两个单独过程的总和。
第一节湿法化学刻蚀
材料的湿法化学刻蚀,包括刻蚀剂到达材料表面和反应产物离开表面的传输过程,也包括表面本身的反应。如果刻蚀剂的传输是限制加工的因素,则这种反应受扩散的限制。吸附和解吸也影响湿法刻蚀的速率,而且在整个加工过程中可能是一种限制因素。
半导体技术中的许多刻蚀工艺是在相当缓慢并受速率控制的情况下进行的,这是因为覆盖在表面上有一污染层。因此,刻蚀时受到反应剂扩散速率的限制。污染层厚度常有几微米,如果化学反应有气体逸出,则此层就可能破裂。
湿法刻蚀工艺常常有反应物产生,这种产物受溶液的溶解速率的限制。为了使刻蚀速率提高,常常使溶液搅动,因为搅动增强了外扩散效应。
多晶和非晶材料的刻蚀是各向异性的。然而,结晶材料的刻蚀可能是各向同性,也可能是各向异性的,它取决于反应动力学的性质。
晶体材料的各向同性刻蚀常被称作抛光刻蚀,因为它们产生平滑的表面。
各向异性刻蚀通常能显示晶面,或使晶体产生缺陷。因此,可用于化学加工,也可作为结晶刻蚀剂。
一、结晶材料的刻蚀
单晶硅和砷化镓可分为长程有序和短程有序两类,它们的刻蚀可能是各向同性的,也可能是各向异性的。
借助于直接化学溶解可以刻蚀结晶材料。对于气相的情况,提高温度是一种最普通的做法,如在外延生长之前,半导体表面的制备就是这种情况。典型的刻蚀剂是卤素及其化合物。对于硅的预先外延刻蚀,多使用HCl和SF6,而砷化镓则使用HCl。
半导体的低温刻蚀常用湿法化学刻蚀。首先使它们氧化,然后通过化学反应而使氧化物溶解。在同一种刻蚀溶液中,由于混有各种试剂,所以这两步是同时进行的。氧化的化学原理与阳极氧化是相同的。然而,刻蚀过程阳极和阴极不能由电池明确地确定,因为半导体表面上各点会无规则地表现出局部阳极化和阴极化。氧化作用来自这些局部电解电池的作用,并产生相当大的刻蚀电流,其电流强度可超过100A/cm2。
在一段时间内,局部面积(大于原子尺度)既起阳极作用又起阴极作用。如果两者作用的时间粗略相等,刻蚀就均匀;相反,就发生选择性刻蚀。半导体表面的缺陷特性、刻蚀液的温度、刻蚀液的杂质,以及半导体—刻蚀液表面的吸附过程等因素,对确定刻蚀液的选择性和刻蚀速率方面都起重要作用。
氧化物的形成使半导体表面上出现了阻挡层,阻止进一步的氧化。因此,需要加入另一种化学物质,使氧化物成为可溶于水的化合物或络合物。
可选用的化学物质相当多,和NH4基的盐外,酸和碱也可用。
氢氟酸对硅的刻蚀最常用。砷化镓系列则常使用硫酸、磷酸和柠檬酸或者氢氧化铵作刻蚀剂。
二、硅的湿法刻蚀
硅的刻蚀最普通使用的刻蚀剂是HNO3、HF和醋酸的混合物溶液。其阳极反应式为
Si十2h+——→Si2+
Si2+与(OH)—结合成
Si2+十2(0H)———→Si(OH)2
而氢氧化硅再分解生成氧化硅和氢气,即
Si(OH)2—→SiO2十H2
氢氟酸可溶