半導體工藝基礎 第五章 刻蝕

西南科技大學理學院2013.03.15第五章Etch刻蝕Etch刻蝕內容熟悉刻蝕術語比較：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工藝的刻蝕過程注意刻蝕工藝中的危險DefinitionofEtchProcessthatremovesmaterialfromsurfaceChemical,physicalorcombinationofthetwoSelectiveorblanketetchSelectiveetchtransfersICdesignimageonthephotoresisttothesurfacelayeronwaferOtherapplications:Maskmaking,Printedelectronicboard,Artwork,etc.柵掩膜對準GateMaskAlignment柵掩膜曝光GateMaskExposureDevelopment/HardBake/InspectionEtchPolysilicon刻蝕多晶硅EtchPolysilicon繼續(xù)StripPhotoresist剝去光刻膠IonImplantationRapidThermalAnnealing刻蝕術語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性StandardDeviationNon-uniformity標準偏差不均勻性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刻蝕的副產品是氣體液體或者是一些溶解在刻蝕溶劑中的物質Thebyproductsaregases,liquidsormaterialsthataresolubleintheetchantsolution.Threebasicsteps,etch,rinseanddryWetEtch純粹的化學過程，且各向同性Purechemicalprocess,isotropicprofile廣泛的應用IC工業(yè)生產中，當特征尺寸小于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化學試劑的濃度Chemicalconcentration被刻蝕的薄膜成份Compositionoffilmtobeetched濕法刻蝕的危險HFH3PO3HNO4H2SO4腐蝕劑Corrosive氧化劑OxidizerAdvantagesofWetEtch高選擇性Highselectivity相對便宜的設備Relativelyinexpensiveequipment完整的設備，大批量生產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過高的化學藥品使用量Highchemicalusage有危險的化學藥品Chemicalhazards

干法刻蝕PlasmaEtch等離子體刻蝕反應離子刻蝕（RIE）離子束腐蝕（一）、等離子體腐蝕原理低壓（13~1300Pa）環(huán)境中RF電場作用下，氣體原子或分子產生電離，形成自由離子、電子及自由基（中性原子和分子）構成的等離子體。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，具有較強的化學活性，又稱活性基，它與被刻蝕物質發(fā)生化學反應，產生揮發(fā)性物質，達到腐蝕的目的。因等離子體中活性基自由程較小，可以認為到達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如下：反應后生成的SiF4有很高的揮發(fā)性，隨即被抽走。等離子腐蝕裝置1、圓筒形反應器（二）、等離子腐蝕裝置1、圓筒形反應器(1)可用于干法去膠，反應氣體為氧等離子體。(2)帶孔的鋁屏蔽罩把等離子體與反應室隔開，只有較長壽命的自由基達到硅片表面進行腐蝕，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)通過鋁屏蔽罩的反應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、平行平板型反應器該結構特點：（1）上下電極彼此平行，間距2~5cm，電場均勻地分布在平行極板之間，電場中的離子垂直硅片表面作定向運動，使腐蝕具有一定的各向異性；（2）腐蝕速率高，選擇性好，設備簡單，成本低。1、腐蝕速率(1)射頻功率越高，腐蝕速率越快。但較高的功率會降低光刻膠的抗蝕性，導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，腐蝕速率相應增大。但流量過大會導致壓力增高，使電子的自由程縮短，氣體的離化率變低，腐蝕速率會下降；(3)襯底溫度升高，腐蝕速率增大。為確保腐蝕的重復性，須精確控制反應室與襯底溫度；（三）、等離子腐蝕性能

(4)腐蝕氣體種類和氣體成份對腐蝕速率影響較大。各種含氟氣體對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器且反應室采用恒溫控制可提高片內、片間及批次間腐蝕均勻性。3、負載效應在給定氣體流量、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)、反應離子刻蝕（RIE）1、原理在很低的氣壓下（1.3~13Pa）通過反應氣體放電產生各種活性等離子體，射頻電場使活性離子作定向運動，產生各向異性腐蝕；活性離子在電場作用下又加速化學反應過程，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、反應離子刻蝕（RIE）2、RIE刻蝕裝置接地電（陽極）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（1）化學反應與物理反應相結合，產生各向異性腐蝕，刻蝕效果好；分辨率能達到0.1-0.2m，對大多數(shù)材料的選擇比已超過10：1。（2）RIE的反應氣壓極低反應氣壓低，氣體的平均自由程大，導致離子被電場作用的距離、速度與動能增大，加速轟擊樣品表面，物理切削作用強。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，通過和樣品材料原子間的動量交換達到腐蝕的目的。2、特點（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，刻蝕重復性、均勻性優(yōu)良；（4）缺點是腐蝕速率慢，刻蝕選擇性較差，刻蝕時會產生再淀積現(xiàn)象。3、被刻蝕材料：Si、SiO2、GaAs、Ag、Au、光刻膠等。幾個概念：

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刻蝕ChemicalEtch純粹的化學反應Purelychemicalreaction產生的副產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+通過物理手段除去表面的材料Physicallydislodgingmaterialfromsurface有等離子過程Plasmaprocess各向異性Anisotropicprofile低的選擇率LowselectivityExample:–氬的濺射刻蝕Argonsputteringetch反應離子刻蝕ReactiveIonEtch(RIE)化學刻蝕和物理刻蝕的結合離子轟擊＋活性離子反應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EtchProcessSequencePLASMAETCHEtchdielectricEtchsinglecrystalsiliconEtchpolysiliconEtchmetalDielectricEtchEtchoxide–Dopedandundopedsilicateglass–Contact(PSGorBPSG)–Via(USG,FSGorlow-kdielectric)Etchnitride–STI（淺層隔離）–Bondingpad（鈍化層）DielectricEtchFluorinechemistry4F+SiO2?SiF4+2OCF4iscommonlyusedasfluorinesourceNF3andSF6havealsobeenusedSingleCrystalSiliconEtchSmallamountO2forsidewallpassivatio