半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ) 第五章 刻蝕

西南科技大學(xué)理學(xué)院2013.03.15第五章Etch刻蝕Etch刻蝕內(nèi)容熟悉刻蝕術(shù)語(yǔ)比較：干法刻蝕、濕法刻蝕IC工藝中四種被刻蝕的材料和主要的刻蝕劑IC工藝的刻蝕過(guò)程注意刻蝕工藝中的危險(xiǎn)DefinitionofEtchProcessthatremovesmaterialfromsurfaceChemical,physicalorcombinationofthetwoSelectiveorblanketetchSelectiveetchtransfersICdesignimageonthephotoresisttothesurfacelayeronwaferOtherapplications:Maskmaking,Printedelectronicboard,Artwork,etc.柵掩膜對(duì)準(zhǔn)GateMaskAlignment柵掩膜曝光GateMaskExposureDevelopment/HardBake/InspectionEtchPolysilicon刻蝕多晶硅EtchPolysilicon繼續(xù)StripPhotoresist剝?nèi)ス饪棠zIonImplantationRapidThermalAnnealing刻蝕術(shù)語(yǔ)刻蝕速率選擇比刻蝕均勻性刻蝕剖面濕法刻蝕干法刻蝕RIE：反應(yīng)離子刻蝕刻蝕速率Δd=d0-d1

(?)isthicknesschangeandtisetchtime(min)PE-TEOSPSGfilm,1minutein6:1BOEat22°C,Beforeetch,t=1.7mm,Afterwetetch,t=1.1mm刻蝕均勻性圓片上和圓片間的重復(fù)性StandardDeviationNon-uniformity標(biāo)準(zhǔn)偏差不均勻性NpointsmeasurementsMax-MinUniformity最大最小均勻性刻蝕選擇比Selectivityistheratioofetchratesofdifferentmaterials.Selectivitytounderneathlayerandtophotoresist舉例EtchrateforPE-TEOSPSGfilmis6000?/min,etchrateforsiliconis30?/min,PSGtosilicon刻蝕剖面刻蝕剖面濕法刻蝕WetEtch濕法刻蝕WetEtchChemicalsolutiontodissolvethematerialsonthewafersurface刻蝕的副產(chǎn)品是氣體液體或者是一些溶解在刻蝕溶劑中的物質(zhì)Thebyproductsaregases,liquidsormaterialsthataresolubleintheetchantsolution.Threebasicsteps,etch,rinseanddryWetEtch純粹的化學(xué)過(guò)程，且各向同性Purechemicalprocess,isotropicprofile廣泛的應(yīng)用IC工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)特征尺寸小于3微米WaswidelyusedinICindustrywhenfeaturesizewaslargerthan3micronStillusedinadvancedICfabs–硅片的清洗Waferclean–表面薄膜的清除Blanketfilmstrip–測(cè)試硅圓薄膜和清清洗Testwaferfilmstripandclean濕法刻蝕剖面WetEtchProfilesCan’tbeusedforfeaturesizeissmallerthan3mmReplacedbyplasmaetchforallpatternedetch濕法刻蝕硅的氧化物

SiliconDioxide運(yùn)用HF溶液HydrofluoricAcid(HF)SolutionHF溶液中通常添入氟化銨，即為緩釋溶液，或者摻入高純水以減緩刻蝕速度SiO2+6HF?H2SiF6+2H2OWidelyusedforCVDfilmqualitycontrolBOE:Bufferedoxideetch（氧化層緩釋刻蝕）WERR:wetetchrateratio（濕法刻蝕速率）WetEtchingSiliconorPolySiliconetchnormallyusemixtureofnitricacid(HNO3)andhydrofluoricacid(HF)HNO3oxidizesthesiliconandHFremovestheoxideatthesametime.DIwateroraceticacidcanbeusedtodilutetheetchant,andreducestheetchrate.IsolationFormationWetEtchingSiliconNitrideHot(150to200°C)phosphoricacidH3PO4Solution在180°C對(duì)硅的氧化物具有高度的選擇性Highselectivitytosiliconoxide用于硅的局部氧化或氮化物的清除UsedforLOCOSandSTInitridestripWetEtchingAluminumHeated(42to45°C)solutionOneexample:80%phosphoricacid,5%aceticacid,5%nitricacid,and10%waterNitricacidoxidizesaluminumandphosphoricacidremovesaluminumoxideatthesametime.Aceticacidslowsdowntheoxidationofthenitricacid乙酸降低硝酸氧化的速度.WetEtchingTitaniumH2O2:H2SO4=1:1H2O2oxidizestitaniumtoformTiO2H2SO4reactswithTiO2andremovesitsimultaneouslyH2O2oxidizessiliconandsilicidetoformSiO2H2SO4doesn’treactwithSiO2影響濕法刻蝕的因素

FactorsthatAffectWetEtchRate溫度Temperature化學(xué)試劑的濃度Chemicalconcentration被刻蝕的薄膜成份Compositionoffilmtobeetched濕法刻蝕的危險(xiǎn)HFH3PO3HNO4H2SO4腐蝕劑Corrosive氧化劑OxidizerAdvantagesofWetEtch高選擇性Highselectivity相對(duì)便宜的設(shè)備Relativelyinexpensiveequipment完整的設(shè)備，大批量生產(chǎn)Batchsystem,highthroughputDisadvantagesofWetEtch各向同性（橫向）刻蝕IsotropicProfile不能得到3mm以下的特征尺寸Can’tpatternsub-3mmfeature過(guò)高的化學(xué)藥品使用量Highchemicalusage有危險(xiǎn)的化學(xué)藥品Chemicalhazards

干法刻蝕PlasmaEtch等離子體刻蝕反應(yīng)離子刻蝕（RIE）離子束腐蝕（一）、等離子體腐蝕原理低壓（13~1300Pa）環(huán)境中RF電場(chǎng)作用下，氣體原子或分子產(chǎn)生電離，形成自由離子、電子及自由基（中性原子和分子）構(gòu)成的等離子體。其中自由基占90%以上。自由基是一種處于激發(fā)態(tài)的氣體粒子，具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，又稱活性基，它與被刻蝕物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，達(dá)到腐蝕的目的。因等離子體中活性基自由程較小，可以認(rèn)為到達(dá)被刻蝕材料上各處粒子的碰撞幾率大致相同，因而等離子腐蝕是各向同性的。一、等離子體刻蝕如Si、多晶硅的等離子腐蝕，采用CF4氣體作為腐蝕氣體：CF4氣體電離后，形成自由基激發(fā)態(tài)氟基F*和上述材料分別反應(yīng)如下：反應(yīng)后生成的SiF4有很高的揮發(fā)性，隨即被抽走。等離子腐蝕裝置1、圓筒形反應(yīng)器（二）、等離子腐蝕裝置1、圓筒形反應(yīng)器(1)可用于干法去膠，反應(yīng)氣體為氧等離子體。(2)帶孔的鋁屏蔽罩把等離子體與反應(yīng)室隔開，只有較長(zhǎng)壽命的自由基達(dá)到硅片表面進(jìn)行腐蝕，從而避免硅片直接受離子轟擊的影響，顯著提高腐蝕的均勻性，增加光刻膠的壽命；(3)通過(guò)鋁屏蔽罩的反應(yīng)粒子以任意方向入射到硅片表面上，因而圓筒形刻蝕為各向同性。2、平行平板型反應(yīng)器該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）上下電極彼此平行，間距2~5cm，電場(chǎng)均勻地分布在平行極板之間，電場(chǎng)中的離子垂直硅片表面作定向運(yùn)動(dòng)，使腐蝕具有一定的各向異性；（2）腐蝕速率高，選擇性好，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。1、腐蝕速率(1)射頻功率越高，腐蝕速率越快。但較高的功率會(huì)降低光刻膠的抗蝕性，導(dǎo)致腐蝕的可控性變差；(2)增加腐蝕氣體流量，將增加活性離子濃度，腐蝕速率相應(yīng)增大。但流量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致壓力增高，使電子的自由程縮短，氣體的離化率變低，腐蝕速率會(huì)下降；(3)襯底溫度升高，腐蝕速率增大。為確保腐蝕的重復(fù)性，須精確控制反應(yīng)室與襯底溫度；（三）、等離子腐蝕性能

(4)腐蝕氣體種類和氣體成份對(duì)腐蝕速率影響較大。各種含氟氣體對(duì)Si（111）面的腐蝕速率的順序如下：CF4>CCl3F>CCl2F2>CHCl2FCF4+（5~12%）O2刻蝕氣體:Si/SiO2刻蝕速率比為10：1CF4+H2刻蝕氣體：SiO2/Si刻蝕速率比102、腐蝕均勻性采用平行平板反應(yīng)器且反應(yīng)室采用恒溫控制可提高片內(nèi)、片間及批次間腐蝕均勻性。3、負(fù)載效應(yīng)在給定氣體流量、氣壓和輸入功率條件下，待刻蝕樣品數(shù)量增加，刻蝕速率下降。（一)、反應(yīng)離子刻蝕（RIE）1、原理在很低的氣壓下（1.3~13Pa）通過(guò)反應(yīng)氣體放電產(chǎn)生各種活性等離子體，射頻電場(chǎng)使活性離子作定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生各向異性腐蝕；活性離子在電場(chǎng)作用下又加速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，加快了腐蝕的速度。不僅能刻蝕用等離子體刻蝕法難以刻蝕的Al-Si-Cu、SiO2等材料，其刻蝕的方向性也優(yōu)于等離子體腐蝕法，因此是目前VLSI廣泛采用的干式腐蝕方法。二、反應(yīng)離子刻蝕（RIE）2、RIE刻蝕裝置接地電（陽(yáng)極）等離子體區(qū)（亮區(qū)）電位降區(qū)（暗區(qū)）浮空電極（陰極）射頻發(fā)生器工作原理（以射頻型為例）：直流偏壓3、特點(diǎn)（1）化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)相結(jié)合，產(chǎn)生各向異性腐蝕，刻蝕效果好；分辨率能達(dá)到0.1-0.2m，對(duì)大多數(shù)材料的選擇比已超過(guò)10：1。（2）RIE的反應(yīng)氣壓極低反應(yīng)氣壓低，氣體的平均自由程大，導(dǎo)致離子被電場(chǎng)作用的距離、速度與動(dòng)能增大，加速轟擊樣品表面，物理切削作用強(qiáng)。4、刻蝕氣體與被刻蝕材料Si、Poly-Si、Si3N4、Mo、WCHF3SiO2

CCl3Al,TiO2光刻膠1、原理射頻等離子體中產(chǎn)生的惰性氣體離子Ar+在低壓（0.13~13Pa）環(huán)境中被加速轟擊樣品表面，通過(guò)和樣品材料原子間的動(dòng)量交換達(dá)到腐蝕的目的。2、特點(diǎn)（1）純物理性腐蝕法，各向異性腐蝕，腐蝕速率低；三、離子束腐蝕（離子銑）（2）離子純度高，定向性好，離子能量分布均勻，分辨率很高（0.01m）；（3）可腐蝕任何材料，刻蝕重復(fù)性、均勻性優(yōu)良；（4）缺點(diǎn)是腐蝕速率慢，刻蝕選擇性較差，刻蝕時(shí)會(huì)產(chǎn)生再淀積現(xiàn)象。3、被刻蝕材料：Si、SiO2、GaAs、Ag、Au、光刻膠等。幾個(gè)概念：

平均自由程MeanFreePath(MFP)Theaveragedistanceaparticlecantravelbeforecollidingwithanotherparticle.N是粒子濃度nisthedensityoftheparticleσ是粒子碰撞的橫截面積σisthecollisioncross-sectionoftheparticleEffectofpressure:λ∝1/PPressuretoohigh,MFPwillbetooshort電離需要15eV的能量Ionizationusuallyrequireatleast15eVElectronscan’tgetenoughenergytoionizeifMFPistooshort需要真空和RF維持穩(wěn)定的等離子體NeedvacuumandRFtostartandmaintainstabilizeplasma離子轟擊IonBombardmentElectronsaremovingmuchfasterthanionsElectronsreachelectrodesandchamberwallfirstElectrodesarechargednegatively,repelelectronsandattractionsChargedifferencenearthesurfaceformssheathpotentialSheathpotentialacceleratesionstowardstheelectrodeandcausesionbombardment離子轟擊的相關(guān)條件

IonBombardmentIonenergyIondensityBothcontrolledbyRFpower離子轟擊控制IonBombardmentControl

－RF功率RFpowerIncreasingRFpower,DCbiasincreases,iondensityalsoincreases.離子濃度與離子沖擊能量都需要通過(guò)射頻控制BothiondensityandionbombardmentenergyarecontrolledbyRFpower.RFpower是控制刻蝕速率的主要手段RFpoweristhemainknobtocontroletchrate–IncreasingRFpower,increasesetchrate–usuallyreducesselectivity自偏壓Self-BiasDifferentsizeelectrodesNonetchargebuildupinplasmaChargefluxesonbothelectrodesarethesameSmallerelectrodehashigherchargedensityLargerDCbiasbetweenplasmaandsmallerelectrode干法刻蝕和濕法刻蝕的比較化學(xué)刻蝕ChemicalEtch純粹的化學(xué)反應(yīng)Purelychemicalreaction產(chǎn)生的副產(chǎn)品是氣體或者可以直接溶在刻蝕劑中ByproductsaregasesorsolubleinetchantsHighselectivity各向同性IsotropicetchprofileExamples:–Wetetch–Drystrip物理刻蝕PhysicalEtch惰性離子的轟擊BombardmentwithinertionssuchasAr+通過(guò)物理手段除去表面的材料Physicallydislodgingmaterialfromsurface有等離子過(guò)程Plasmaprocess各向異性Anisotropicprofile低的選擇率LowselectivityExample:–氬的濺射刻蝕Argonsputteringetch反應(yīng)離子刻蝕ReactiveIonEtch(RIE)化學(xué)刻蝕和物理刻蝕的結(jié)合離子轟擊＋活性離子反應(yīng)刻蝕速率高且可控刻蝕剖面各向異性且可控選擇性好且可控目前8英寸制造中所有圖形都是由RIE刻蝕的RIE試驗(yàn)EtchProcessSequencePLASMAETCHEtchdielectricEtchsinglecrystalsiliconEtchpolysiliconEtchmetalDielectricEtchEtchoxide–Dopedandundopedsilicateglass–Contact(PSGorBPSG)–Via(USG,FSGorlow-kdielectric)Etchnitride–STI（淺層隔離）–Bondingpad（鈍化層）DielectricEtchFluorinechemistry4F+SiO2?SiF4+2OCF4iscommonlyusedasfluorinesourceNF3andSF6havealsobeenusedSingleCrystalSiliconEtchSmallamountO2forsidewallpassivatio