第7章IC工艺图形刻蚀技术

第7章：图形刻蚀技术(Chapter11)ImplantDiffusionTest/SortEtchPolishPhotoCompletedwaferUnpatternedwaferWaferstartThinFilmsWaferfabrication(front-end)•问题：–常见的刻蚀对象：SiO2、Si3N4、Poly-Si、磷硅玻璃、铝或铝合金、衬底材料等–即：金属刻蚀、介质刻蚀、硅（半导体）刻蚀PhotoresistmaskFilmtobeetched(a)Photoresist-patternedsubstrate(b)SubstrateafteretchPhotoresistmaskProtectedfilmTypeofEtchSidewallProfileDiagramWetEtchIsotropicIsotropic(dependingonequipment¶meters)Anisotropic(dependingonequipment¶meters)Anisotropic–TaperDryEtchSiliconTrenchEtchBias、Undercut、SlopeandOveretch(a)BiasResistFilmSubstrateWbWaUndercutSubstrateResistFilmOveretchS=EfErEfNitrideOxideEr选择比：SEf=被刻蚀材料的刻蚀速率Er=掩蔽层材料的刻蚀速率•对刻蚀的基本要求：–图形的高保真：横向腐蚀和各向异性腐蚀–刻蚀剖面：–选择比：光刻胶和不同材料的腐蚀速度–关键尺寸（CD）控制–均匀性：小线条和大硅片–清洁：残渣沾污–损伤：•7.1.湿法腐蚀：即，化学腐蚀(S11.1)–8.1.1腐蚀液：–SiO2：HF:NH4F:H2O=3毫升：6克：10毫升（36°C）–Al：H2PO4、70~80°C、乙醇稀释–Si3N4：H2PO4、H2PO4：HNO3=3：1（SiO2膜）HF（Cr膜）–其它定向腐蚀(P265~263)–7.1.2刻蚀中的质量问题：–图形畸变：曝光时间、显影时间、刻蚀速度–浮胶：粘附、前烘时间、曝光时间、显影时间、刻蚀速度、腐蚀液–毛刺和钻蚀：清洁、显影时间、腐蚀液–针孔：膜厚不足、曝光不足、清洁、掩膜版–小岛：曝光、清洁、湿法显影、掩膜版–湿法腐蚀工艺的特点：速度快，成本底，精度不高。•7.2.干法腐蚀：即，等离子刻蚀•Section11.3（重点阅读）–7.2.1.原理和特点：–是一种物理-化学刻蚀；–是一种选择性很强的刻蚀–在低压中进行，污染小–与去胶工艺同时进行–表面损伤置入等离子场中的分子因等离子能量的激励生成了性的游离基分子、原子，以这些活性游离基分子、原子引起的化学反应，形成挥发性产物，而使被蚀物剥离去掉。活性游离基分子、原子不受电场影响，因而各向同性。RF装置：RootspumpProcessgasesExhaustGas-flowcontrollerPressurecontrollerGaspanelRFgeneratorMatchingnetworkMicrocontrollerOperatorInterfaceGasdispersionscreenElectrodesEndpointsignalPressuresignalRoughingpumpWafer–F基刻蚀原理：（SiO2为例）•CF42F+CF2（游离基）•SiO2+4FSiF4+2O•SiO2+2CF2SiF4+2COCl基…等离子激发8)By-productremoval1)EtchantgasesenterchamberSubstrateEtchprocesschamber2)Dissociationofreactantsbyelectricfields5)Adsorptionofreactiveionsonsurface4)Reactive+ionsbombardsurface6)SurfacereactionsofradicalsandsurfacefilmExhaustGasdeliveryRFgeneratorBy-products3)Recombinationofelectronswithatomscreatesplasma7)Desorptionofby-productsCathodeAnodeElectricfieldllAnisotropicetchIsotropicetch–氧的作用：加快–氢的作用：减慢–高分子生成：刻蚀速度、选择性–反应气体：CF4、CHF3、CF6SeeTable11.3InGaAs刻蚀仿真刻蚀前结构PIN结构。10um厚的本征InP衬底，在衬底上生长3um厚的掺杂Si浓度为2×1018的InP层（N＋），然后再淀积3um厚的Si掺杂4×1016的n－,InGaAs，InGaAs中In的组分为0.53。上层淀积1um厚的InP，掺杂为2×1018（P＋）。刻蚀阻挡层采用Si3N4，厚度1um。Rate.EtchMachine=PEMach\Plasma\Pressure=3.75Tgas=300.0Tion=3000.0Vpdc=32.5Vpac=32.5\Lshdc=0.005Lshac=0.0\Freq=13.56Nparticles=4000\Mgas=40.0Mion=40.0\Constant\Energy.Div=50\Qio=1.7e-19Qcht=2.1e-19#DefinetheplasmaetchparametersforInGaAsRate.EtchMachine=PEMach\Plasma\Material=InGaAs\k.i=1.1k.f=k.d=等离子体刻蚀中可以改变的参数及默认值等离子体腔及刻蚀气体的物理特性刻蚀气体的化学特性[PRESSURE=n]＃定义等离子体刻蚀机反应腔的压强[TGAS=n]＃定义等离子体刻蚀机反应腔中气体的温度[TION=n]＃定义等离子体刻蚀机反应腔中离子的温度[VPDC=n]＃等离子体外壳的DC偏压[VPAC=n]＃等离子外壳和电珠之间的AC电压[LSHDC=n]＃外壳的平均厚度[LSHAC=n]＃外壳厚度的AC组成[FREQ=n]＃AC电流的频率[NPARTICLES=n]＃用蒙托卡诺计算来自等离子体的离子流的颗粒数[MGAS=n]＃气体原子的原子质量[MION=n]＃等离子体离子的原子量[(CHILD.LANGM|COLLISION|LINEAR|CONSTANT)]＃计算等离子体外壳的电压降的模型，默认为CONSTANT[MAX.IONFLUX=n][IONFLUX.THR=n][K.I=n]＃定义等离子体刻蚀速率的线性系数[K.F]#定义化学流相关的等离子刻蚀速率[K.D]#定义淀积流量相关的等离子体刻蚀速率各参数的意义：改变刻蚀腔压强刻蚀腔压强越大，刻蚀速率变小、刻蚀效果也变差。这从离子的能量－角度分布中也可以得出结论改变气体温度刻蚀腔中气体的温度高时刻蚀剖面要好，但影响较小改变离子温度离子温度低时刻蚀效果要好，但刻蚀速率几乎不变改变ac偏压AC偏压变化时，刻蚀体现不出差别改变dc偏压DC偏压大时刻蚀效果要好，刻蚀速率几乎不变改变等离子体刻蚀速率的线性部分等离子体刻蚀速率的线性系数与刻蚀速率成线性改变刻蚀腔压强时的刻蚀剖面改变刻蚀腔压强对离子的能量－角度分布的影响压强较小时，离子的方向性要好各向异性刻蚀Section11.3（重点阅读）–反应离子刻蚀（RIE）ReactiveIonEtch与前面的等离子刻蚀相比，等离子体的激励增大，反应气体发生了电子从原子脱离出去的正离子化，成为离子和游离基分子、原子混在一起的状态。先是游离基分子、原子被吸附在待蚀物上产生反应产物，离子在电场中加速并向基片垂直轰击，加快反应产物的脱离，且在待蚀物上形成损伤—吸附活性点，加快底部刻蚀速率，实现各向异性刻蚀。Reactive+ionsbombardsurfaceSurfacereactionsofradicals+surfacefilmDesorptionofby-productsAnisotropicetchIsotropicetchSputteredsurfacematerialChemicalEtchingPhysicalEtchingChemicalVersusPhysicalDryPlasmaEtchingEtchParameterPhysicalEtch(RFfieldperpendiculartowafersurface)PhysicalEtch(RFfieldparalleltowafersurface)ChemicalEtchCombinedPhysicalandChemicalEtchMechanismPhysicalionsputteringRadicalsinplasmareactingwithwafersurface*RadicalsinliquidreactingwithwafersurfaceIndryetch,etchingincludesionsputteringandradicalsreactingwithwafersurfaceSidewallProfileAnisotropicIsotropicIsotropicIsotropictoAnisotropicSelectivityPoor/difficulttoincrease(1:1)Fair/good(5:1to100:1)Good/excellent(upto500:1)Fair/good(5:1to100:1)EtchRateHighModerateLowModerateCDControlFair/goodPoorPoortonon-existentGood/excellent*Usedprimarilyforstrippingandetchbackoperations.–工艺控制•RF功率测量与控制•真空测量与控制•等离子场测量与控制•温度测量与控制工艺条件对结果的影响侧壁钝化提高各向异性PlasmaionsResistOxidePolymerformationSilicon–刻蚀终点—诊断和控制技术（简述）•终点监视仪—等离子体发射光谱（0ES）扫描单色光谱仪•残余气体分析（RGA）/质谱分析•射频和偏置电压也可以终点检测信号检测Measureetchrateat5to9locationsoneachwafer,thencalculateetchuniformityforeachwaferandcomparewafer-to-wafer.Randomlyselect3to5wafersinalot损伤（11.7阅读）习题：列出5点以上干法刻蚀的优点和3点以上的工艺注意事项。剥离技术：（11.9)牺牲层缕空刻蚀热隔离是阵列设计的关键2阵列版图的设计1热隔离结构的设计与分析硅衬底结构层多晶硅导线4m10m160m120mPTG,,TotallegradairconaircondGGGGGTotallegradGGG=1.73×10-6（W/K）c引线制作流程e镂空结构的实现光刻引线图形打底胶蒸发剥离清洗光刻梁图形刻蚀梁图形清洗509胶正面保护KOH腐蚀硅衬底HF酸腐蚀氧化硅丙酮去509胶清洗d悬臂梁图形的制作（SEM照片）