干法腐蝕工藝培訓(xùn)

1、 1干法腐蝕工藝培訓(xùn)講義干法腐蝕工藝培訓(xùn)講義目目 錄錄第一章第一章基本概念基本概念第二章第二章干法腐蝕基本原理干法腐蝕基本原理第三章第三章常用材料的等離子體腐蝕原理與工藝常用材料的等離子體腐蝕原理與工藝第四章第四章在線干法腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)在線干法腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)/原理簡介原理簡介第五章第五章干法腐蝕工藝中的終點檢測干法腐蝕工藝中的終點檢測第六章第六章干法去膠干法去膠第七章第七章在線腐蝕工藝中常見異常及處理方法在線腐蝕工藝中常見異常及處理方法第一章第一章 基本概念基本概念1WHAT IS ETCHED？ 2A process for removing material in a specified ar

2、ea through chemical reaction and/or physical bombardment.2. WHAT WE ETCHED?1) Dielectric (oxide,nitride,etc.)2) Silicide (polysilicon and silicide)3) Silicon(single crystal silicon)4) Metal(AL.Cu.Si)3. WHAT IS ETCH RATE? 腐蝕速率是指所定義的膜被去除的速率，單位通常用UM/MIN，A/MIN 來表示。4.E/R UNIFORMITY表示一個圓片中不同點腐蝕速率的差別（WITHI

3、N A WAFER）或兩個以上圓片片與片之間的腐蝕速率差異（WAFER TO WAFER。 ） 如：假定一個圓片片內(nèi)測試了 5 個點，那就有 5 個速率值UNIFORMITY=（MAX ETCH RATEMIN ETCH RATE）/2/（AVERAGE ETCH RATE）*100%5. SELECTIVITY 是指兩種不同膜的腐蝕速率比。選擇比反應(yīng)腐蝕過程中主要被腐蝕膜對另一種膜的影響（光刻膠，襯底等） 36. ISOTROPY-各向同性 腐蝕速率在縱向和橫向上相同。7ANISOTROPY-各向異性 腐蝕速率在縱向和橫向上不一樣。8CD-（CRITICAL DIMENSIONS）關(guān)鍵尺寸

4、CD LOSS-條寬損失9LOADING-負(fù)載效應(yīng) MICROLOADING（微負(fù)載效應(yīng)）-不同的孔尺寸或縱深比例對腐蝕速率和選擇比的影響。MACROLOADING（宏負(fù)載效應(yīng)）-不同的暴露面積影響腐蝕速率差異。10PROFILE -剖面形貌第二章第二章干法腐蝕基本原理干法腐蝕基本原理 4干法腐蝕又稱等離子腐蝕。根據(jù)設(shè)備腔體結(jié)構(gòu)的不同，可分為：圓筒型等離子腐蝕平行板等離子腐蝕平行板反應(yīng)離子腐蝕反應(yīng)離子束腐蝕離子束銑腐蝕等。本文主要介紹等離子腐蝕和反應(yīng)離子腐蝕的基本原理。一、 等離子體腐蝕等離子腐蝕是依靠高頻輝光放電形成的化學(xué)活性游離基與被腐蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種選擇性腐蝕方法。氣體中總存在微

5、量的自由電子，在外電場的作用下，電子加速運動。當(dāng)電子獲得足夠的能量后與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子電離發(fā)出二次電子，二次電子進(jìn)一步與氣體分子發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生更多的電子和離子。當(dāng)電離與復(fù)合過程達(dá)到平衡時，出現(xiàn)穩(wěn)定的輝光放電現(xiàn)象，形成穩(wěn)定的等離子體（PLASMA） 。等離子體中包括有電子、離子、還有處于激發(fā)態(tài)的分子，原子及各種原子團(tuán)（統(tǒng)稱游離基） 。游離基具有高度的化學(xué)活性，正是游離基與被腐蝕材料的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的產(chǎn)物，使材料不斷被腐蝕。等離子腐蝕設(shè)備可以分為筒式和平板式兩種。 5二、 反應(yīng)離子腐蝕三、 平板反應(yīng)離子腐蝕與平板等離子腐蝕的區(qū)別 61平板等離子腐蝕設(shè)備上下極板基本對稱

6、、面積相近，等離子邊界與接地下平板間的電壓降通常較?。ń俜?，腐蝕主要是化學(xué)反應(yīng)過程，腐蝕選擇性好。RF 加在上極板。RIE(2)2反應(yīng)離子腐蝕裝置中兩個極板的面積不等；硅片放在射頻電源電極陰極上；反應(yīng)壓力更低。平行平板等離子腐蝕裝置的壓力為13133Pa；反應(yīng)離子腐蝕的壓力為 0.1313Pa，因此，到達(dá)陰極的正離子具有更大的能量與更強的指向陰極的方向性，因而能獲得各向異性腐蝕。干法腐蝕工藝過程中包含 6STEPS ：STEP1：氣體進(jìn)入腔體，在高頻電場的作用下，電子/分子碰撞產(chǎn)生反應(yīng)基 7團(tuán)。STEP2：反應(yīng)基擴(kuò)散到被腐蝕膜的表面。STEP3：反應(yīng)基被吸附在表面。STEP4：發(fā)生化學(xué)反

7、應(yīng)。STEP5：反應(yīng)生成物解吸附發(fā)生。STEP6：反應(yīng)生成物擴(kuò)散到反應(yīng)殘余氣體中一起被 PUMP 抽走。第三章第三章常用材料的等離子體腐蝕原理與工藝常用材料的等離子體腐蝕原理與工藝1POLY-SI，SI3N4，SIO2 的等離子腐蝕 通常使用含 F 的腐蝕性氣體，如 CF4 CF4 CF3+F* CF3 CF2+F* CF2 CF+F* Si+4F* SiF4 SiO2+4F* SiF4 +O2 Si3N4+12F* 3SiF4 +2N2 CFx（x3）與 SiO2，SiN4 的反應(yīng)速率比與 Si 的反應(yīng)速率快。在 CF4中加入少量 H2 可以使 CFx：F*的濃度比增加，從而使 SiO2：S

8、i 及Si3N4：Si 的腐蝕速率比增大。在 CF4 中加入少量 O2 可增加Si，SiO2，Si3N4 的腐蝕速率，原因是氧可以抑制 F 游離基在反應(yīng)腔壁的損失，還有 CF4+O2 F*+O*+COF*+COF2+CO+，上式中的 COF*壽命較長，當(dāng)它運動到樣品表面時發(fā)生下述反應(yīng)：COF* F*+CO 84F*+Si SiF4 2. AL 的等離子腐蝕 因為 ALF3 是一種低揮發(fā)性物質(zhì)，因而不能采用 CF4 作為腐蝕劑，通常用氯化物（SiCL4，BCL3） 。通常 AL 表面總有一層約 3NM 的自然氧化層 AL2O3，它阻礙了鋁的腐蝕，使鋁的腐蝕過程變的復(fù)雜。在腐蝕鋁之前，必須首先去除

9、自然氧化層。AL 腐蝕反應(yīng)腔必須設(shè)計的能防止水氣的侵入，因為腐蝕產(chǎn)物 ALCL3 具有準(zhǔn)揮發(fā)性和吸水性，揮發(fā)不良的 ALCL3 可沉積在反應(yīng)腔壁上，當(dāng)腔壁暴露在大氣中時，ALCL3 就吸收大量的水分，再次進(jìn)行腐蝕時，吸收的水分就揮發(fā)并影響腐蝕過程。 在腐蝕 AL 的工藝中最長遇到的就是 AL 的后腐蝕問題。其原因是在光刻膠中殘留有含 CL 的反應(yīng)產(chǎn)物，如與空氣中的濕氣就形成 HCL，使AL 繼續(xù)被腐蝕。所以一般在腐蝕后立即通入含碳氟化物，以置換 CL 離子。對于 AL 腐蝕以后的去膠工藝時間間隔要求也很嚴(yán)，一般要求不超過2 小時。 表一：常用材料的腐蝕劑待蝕材料腐蝕劑Si（單晶）CF4，CF4

10、+O2多晶硅CF4，CL2/HBR，SF6，BCL3/CL2AL，AL-Si，AL-Si-CuCL2，BCL3，SiCL4，BCL3/CL2/CHF3SiO2（BPSG）CF4，C2F6，CHF3Si3N4SF6，CF4 第四章第四章在線干法腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)在線干法腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)/原理簡介原理簡介 在腐蝕工藝過程中需要特別考慮的常見事項有： 91PROFILE2CD LOSS3OXIDE LOSS4ETCH RATE5ETCH UNIFORMITY6SELECIVITY一OXIDE 腐蝕 6” 主要有 LAM384T，ASIQ，P5K-OXIDE；5” 主要有 AME8111。 主要腐蝕工藝有：孔腐

11、蝕，通孔腐蝕，SPACER 腐蝕，鈍化腐蝕等；腐蝕氣體主要為 CHF3，CF4，Ar，O2。其中 CHF3 是產(chǎn)生 POLYMER 的主要氣體，可以提高對 Si/POLY-Si，PR 的選擇比； 調(diào)整 CHF3/CF4 的比例，可以控制 POLYMER 的產(chǎn)生；Ar 為惰性氣體，可以運載離子，增強離子轟擊，幫助控制 POLYMER，調(diào)整 PROFILE；He 為背面冷卻氣體?？缀屯锥家笥辛己玫?AL 臺階覆蓋。 384T 為三電極式結(jié)構(gòu)（見下圖示） ，ASIQ 為 4 個腔體的384T，P5K-OXIDE 為應(yīng)用材料的 MXP+，采用靜電吸附硅片，可以提高腐蝕速率的均勻性。 1VIA 腐蝕

12、一般分三步主要工藝 STEP1：OXIDE/PR=6：1STEP2：OXIDE/PR=1：2 STEP3：OXIDE/PR=2：1（1：1）-OVER ETCH STEP4：腔體清洗 10反應(yīng)機理：CHF3 CF3+H CF3 CF2+F CHF3 CHF2+F CHF2 CHF+F影響選擇比的幾個主要因素：1) CHF3/CF4 RATIO2) PRESS3) Ar FLOW4) RF5) He COOLING6) 電極溫度7) total concentration offluorinatedspecies2.spacer etch spacer 作用：1）實現(xiàn)注入自對準(zhǔn)2）保護(hù) POLY

13、 側(cè)壁 spacer 腐蝕 STEP1：TEOS 終點控制 STEP2：LPSIN 終點控制/時間 STEP3：OVER ETCH STEP4：CLEANING 監(jiān)控 FOX 損失量/SPACER 寬度2孔腐蝕STEP1：ISO ETCH （AE2001-1#）STEP2：ANISO ETCH （ASIQ/P5K-OXIDE RIE ETCH） 11 1230.9 Ar FILLET 二、METAL ETCH 13主要設(shè)備有 H-200，T1612，P5K-METAL，AME8330主要腐蝕氣體：CL2/BCL3/CF4/N21AME8330 為多片式刻蝕系統(tǒng)，陽極為鐘罩，陰極為六面體電極，共

14、有18 個硅片基座，LOADLOCK 可儲存硅片，自動裝片系統(tǒng)。終點控制模式?？涛g和去膠在同一腔體，可以有效的消除 AL 的后腐蝕。2P5000-METAL 為單片式刻蝕系統(tǒng)，有一個 28 位的硅片儲存室，可以一次將所有圓片傳入室內(nèi)，等待刻蝕。兩個 PROCESS CHAMBER，一個 STRIP CHAMBER。三、POLY ETCH主要設(shè)備有 P5K-POLY，T1611主要腐蝕氣體為 CL2，HBR，HCL 等。POLY ETCH PROCESS：STEP1-BREAKTHROUGH STEP（OPTIONAL） STEP2-MAIN ETCH STEP （OPTICAL EMISSIO

15、N ENDPOINT） STEP3-OVER ETCH STEP POLY 腐蝕工藝中需注意的是：1POST-ETCH SIDEWALL2STRINGERS3MICROLOADING4UNIFORMITY 145PROFILE/CD CONTROL6SELECTIVITY TO OXIDE7POLYSi：PR SELECTIVITY CF4 主要用于 STEP1 ，以去除 POLY 表面的一層自然氧化層，有時在POLY 光刻之前如有一步 HF DIP，STEP1 可以不做。 CL2 是主要腐蝕氣體；HBr 可以形成 POLYMER 保護(hù)側(cè)壁，提高對 PR 的選擇比；加入 He-O2 可以提高對

16、 OXIDE 的選擇比。 15 16第五章第五章干法腐蝕工藝中的終點檢測干法腐蝕工藝中的終點檢測 早期的監(jiān)控方法是計時法：假定被腐蝕材料的膜厚已知，先通過實驗確定腐蝕速率，然后在工藝過程中，由計時確定終點，單由于影響腐蝕速率的因素很多（如壓力，溫度，流量，氣體比例等） ，腐蝕速率難于重復(fù)，用定時的方法不能滿足工藝要求。用觀察腐蝕過程中腐蝕層干涉顏色的變化來確定終點，其方法雖然簡單，但它要求操作者能夠識別不同復(fù)合層的圖形顏色，而且需要有充分的暴露面積以供腐蝕過程中用肉眼觀察，因而不適應(yīng)大生產(chǎn)。采用終點控制可以較精確的控制腐蝕時間，屏蔽因為腐蝕速率的差異造成的時間誤差，充分實現(xiàn)腐蝕設(shè)備的自動化。目

17、前主要有發(fā)射光譜法、光學(xué)反射法、質(zhì)譜法、探針法、阻抗監(jiān)視法等?？傊?，凡是在腐蝕終點能夠發(fā)生明顯變化的參量都可以作為終點檢測的信號，形成相應(yīng)的終點檢測方法?，F(xiàn)在我們常用的是光譜法。其物理理論是每一種物質(zhì)受到能量激發(fā)，都會發(fā)出其特定的波長。硅片在被腐蝕的時候，腔體內(nèi)維持一個穩(wěn)定的反應(yīng)氣氛，所探測的物質(zhì)波長發(fā)射密度基本不變，當(dāng)硅片快要腐蝕結(jié)束時（即到達(dá)終點位置） ，密度會發(fā)生突變，這樣經(jīng)過光電信號轉(zhuǎn)換，即可探測到終點位置。使用這種方法需要注意的是：1.所用于探測波長的物質(zhì)必須要有足夠的密度；2.必須要能夠發(fā)生突變。 17 18第六章干法去膠當(dāng) SiO2 或 Al 等待刻蝕材料腐蝕完畢后，起刻蝕掩蔽作

18、用的光刻膠必須去除干凈，以給下一步工序留下一個清潔的表面。去膠的基本原則是（1）去膠后硅片表面無殘膠、殘跡；（2）去膠工藝可靠，不損傷下層的襯底表面（3）操作安全，簡便（4）無公害及生產(chǎn)成本低。目前除了采用濕法去膠外，還有等離子去膠（干法去膠） 。我們所用的干 19法去膠設(shè)備有 A1000（單片式） ，DES（筒式） 。A1000 去膠設(shè)備為一種等離子體下游式去膠，其去膠方式可以更小的減少對硅片的等離子損傷。去膠使用氣體主要為 O2，與光刻膠中的 C 反應(yīng)生成 CO，去膠溫度一般在150 度左右。 20氮氣會阻止氧自由基的碰撞，起到阻礙（buffer）的作用 21第七章第七章在線腐蝕工藝中常見異常及處理方法在線腐蝕工藝中常見異常及處理方法1.腐蝕不凈例：GASAD 有 SIN 殘余原因分析：384 設(shè)備腐蝕能力不足，片內(nèi)均勻性差，不能滿足 1um 以下的產(chǎn)品工藝。處理方法：改用 P5K-SIN 腐蝕 1.0UM 以下產(chǎn)品的 GASAD。2AL 的后腐蝕原因分析：AL 腐蝕后去膠時間間隔太長，造成