半导体工艺基础---第五章-刻蚀

西南科技大学理学院2013.03.15第五章Etch刻蚀Etch刻蚀内容熟悉刻蚀术语比较：干法刻蚀、湿法刻蚀IC工艺中四种被刻蚀的材料和主要的刻蚀剂IC工艺的刻蚀过程注意刻蚀工艺中的危险DefinitionofEtchProcessthatremovesmaterialfromsurfaceChemical,physicalorcombinationofthetwoSelectiveorblanketetchSelectiveetchtransfersICdesignimageonthephotoresisttothesurfacelayeronwaferOtherapplications:Maskmaking,Printedelectronicboard,Artwork,etc.栅掩膜对准GateMaskAlignment栅掩膜曝光GateMaskExposureDevelopment/HardBake/InspectionEtchPolysilicon刻蚀多晶硅EtchPolysilicon继续StripPhotoresist剥去光刻胶IonImplantationRapidThermalAnnealing刻蚀术语刻蚀速率选择比刻蚀均匀性刻蚀剖面湿法刻蚀干法刻蚀RIE：反应离子刻蚀刻蚀速率Δd=d0-d1(Å)isthicknesschangeandtisetchtime(min)PE-TEOSPSGfilm,1minutein6:1BOEat22°C,Beforeetch,t=1.7mm,Afterwetetch,t=1.1mm刻蚀均匀性圆片上和圆片间的重复性StandardDeviationNon-uniformity标准偏差不均匀性NpointsmeasurementsMax-MinUniformity最大最小均匀性刻蚀选择比Selectivityistheratioofetchratesofdifferentmaterials.Selectivitytounderneathlayerandtophotoresist举例EtchrateforPE-TEOSPSGfilmis6000Å/min,etchrateforsiliconis30Å/min,PSGtosilicon刻蚀剖面刻蚀剖面湿法刻蚀WetEtch湿法刻蚀WetEtchChemicalsolutiontodissolvethematerialsonthewafersurface刻蚀的副产品是气体液体或者是一些溶解在刻蚀溶剂中的物质Thebyproductsaregases,liquidsormaterialsthataresolubleintheetchantsolution.Threebasicsteps,etch,rinseanddryWetEtch纯粹的化学过程，且各向同性Purechemicalprocess,isotropicprofile广泛的应用IC工业生产中，当特征尺寸小于3微米WaswidelyusedinICindustrywhenfeaturesizewaslargerthan3micronStillusedinadvancedICfabs–硅片的清洗Waferclean–表面薄膜的清除Blanketfilmstrip–测试硅圆薄膜和清清洗Testwaferfilmstripandclean湿法刻蚀剖面WetEtchProfilesCan’tbeusedforfeaturesizeissmallerthan3mmReplacedbyplasmaetchforallpatternedetch湿法刻蚀硅的氧化物SiliconDioxide运用HF溶液HydrofluoricAcid(HF)SolutionHF溶液中通常添入氟化铵，即为缓释溶液，或者掺入高纯水以减缓刻蚀速度SiO2+6HFH2SiF6+2H2OWidelyusedforCVDfilmqualitycontrolBOE:Bufferedoxideetch（氧化层缓释刻蚀）WERR:wetetchrateratio（湿法刻蚀速率）WetEtchingSiliconorPolySiliconetchnormallyusemixtureofnitricacid(HNO3)andhydrofluoricacid(HF)HNO3oxidizesthesiliconandHFremovestheoxideatthesametime.DIwateroraceticacidcanbeusedtodilutetheetchant,andreducestheetchrate.IsolationFormationWetEtchingSiliconNitrideHot(150to200°C)phosphoricacidH3PO4Solution在180°C对硅的氧化物具有高度的选择性Highselectivitytosiliconoxide用于硅的局部氧化或氮化物的清除UsedforLOCOSandSTInitridestripWetEtchingAluminumHeated(42to45°C)solutionOneexample:80%phosphoricacid,5%aceticacid,5%nitricacid,and10%waterNitricacidoxidizesaluminumandphosphoricacidremovesaluminumoxideatthesametime.Aceticacidslowsdowntheoxidationofthenitricacid乙酸降低硝酸氧化的速度.WetEtchingTitaniumH2O2:H2SO4=1:1H2O2oxidizestitaniumtoformTiO2H2SO4reactswithTiO2andremovesitsimultaneouslyH2O2oxidizessiliconandsilicidetoformSiO2H2SO4doesn’treactwithSiO2影响湿法刻蚀的因素FactorsthatAffectWetEtchRate温度Temperature化学试剂的浓度Chemicalconcentration被刻蚀的薄膜成份Compositionoffilmtobeetched湿法刻蚀的危险HFH3PO3HNO4H2SO4腐蚀剂Corrosive氧化剂OxidizerAdvantagesofWetEtch高选择性Highselectivity相对便宜的设备Relativelyinexpensiveequipment完整的设备，大批量生产Batchsystem,highthroughputDisadvantagesofWetEtch各向同性（横向）刻蚀IsotropicProfile不能得到3mm以下的特征尺寸Can’tpatternsub-3mmfeature过高的化学药品使用量Highchemicalusage有危险的化学药品Chemicalhazards干法刻蚀PlasmaEtch等离子体刻蚀反应离子刻蚀（RIE）离子束腐蚀（一）、等离子体腐蚀原理低压（13~1300Pa）环境中RF电场作用下，气体原子或分子产生电离，形成自由离子、电子及自由基（中性原子和分子）构成的等离子体。其中自由基占90%以上。自由基是一种处于激发态的气体粒子，具有较强的化学活性，又称活性基，它与被刻蚀物质发生化学反应，产生挥发性物质，达到腐蚀的目的。因等离子体中活性基自由程较小，可以认为到达被刻蚀材料上各处粒子的碰撞几率大致相同，因而等离子腐蚀是各向同性的。一、等离子体刻蚀432***2**3**4*CFCFFCFFCFFCF如Si、多晶硅的等离子腐蚀，采用CF4气体作为腐蚀气体：CF4气体电离后，形成自由基激发态氟基F*和上述材料分别反应如下：反应后生成的SiF4有很高的挥发性，随即被抽走。44*SiFSiF等离子腐蚀装置1、圆筒形反应器（二）、等离子腐蚀装置1、圆筒形反应器(1)可用于干法去胶，反应气体为氧等离子体。(2)带孔的铝屏蔽罩把等离子体与反应室隔开，只有较长寿命的自由基达到硅片表面进行腐蚀，从而避免硅片直接受离子轰击的影响，显著提高腐蚀的均匀性，增加光刻胶的寿命；(3)通过铝屏蔽罩的反应粒子以任意方向入射到硅片表面上，因而圆筒形刻蚀为各向同性。2、平行平板型反应器该结构特点：（1）上下电极彼此平行，间距2~5cm，电场均匀地分布在平行极板之间，电场中的离子垂直硅片表面作定向运动，使腐蚀具有一定的各向异性；（2）腐蚀速率高，选择性好，设备简单，成本低。1、腐蚀速率(1)射频功率越高，腐蚀速率越快。但较高的功率会降低光刻胶的抗蚀性，导致腐蚀的可控性变差；(2)增加腐蚀气体流量，将增加活性离子浓度，腐蚀速率相应增大。但流量过大会导致压力增高，使电子的自由程缩短，气体的离化率变低，腐蚀速率会下降；(3)衬底温度升高，腐蚀速率增大。为确保腐蚀的重复性，须精确控制反应室与衬底温度；（三）、等离子腐蚀性能(4)腐蚀气体种类和气体成份对腐蚀速率影响较大。各种含氟气体对Si（111）面的腐蚀速率的顺序如下：CF4CCl3FCCl2F2CHCl2FCF4+（5~12%）O2刻蚀气体:Si/SiO2刻蚀速率比为10：1CF4+H2刻蚀气体：SiO2/Si刻蚀速率比102、腐蚀均匀性采用平行平板反应器且反应室采用恒温控制可提高片内、片间及批次间腐蚀均匀性。3、负载效应在给定气体流量、气压和输入功率条件下，待刻蚀样品数量增加，刻蚀速率下降。（一)、反应离子刻蚀（RIE）1、原理在很低的气压下（1.3~13Pa）通过反应气体放电产生各种活性等离子体，射频电场使活性离子作定向运动，产生各向异性腐蚀；活性离子在电场作用下又加速化学反应过程，加快了腐蚀的速度。不仅能刻蚀用等离子体刻蚀法难以刻蚀的Al-Si-Cu、SiO2等材料，其刻蚀的方向性也优于等离子体腐蚀法，因此是目前VLSI广泛采用的干式腐蚀方法。二、反应离子刻蚀（RIE）2、RIE刻蚀装置接地电（阳极）等离子体区（亮区）电位降区（暗区）浮空电极（阴极）射频发生器CbVaV工作原理（以射频型为例）：aVbVittt直流偏压3、特点（1）化学反应与物理反应相结合，产生各向异性腐蚀，刻蚀效果好；分辨率能达到0.1-0.2mm，对大多数材料的选择比已超过10：1。（2）RIE的反应气压极低反应气压低，气体的平均自由程大，导致离子被电场作用的距离、速度与动能增大，加速轰击样品表面，物理切削作用强。4、刻蚀气体与被刻蚀材料46CFSFSi、Poly-Si、Si3N4、Mo、WCHF3SiO2CCl3Al,TiO2光刻胶1、原理射频等离子体中产生的惰性气体离子Ar+在低压（0.13~13Pa）环境中被加速轰击样品表面，通过和样品材料原子间的动量交换达到腐蚀的目的。2、特点（1）纯物理性腐蚀法，各向异性腐蚀，腐蚀速率低；三、离子束腐蚀（离子铣）（2）离子纯度高，定向性好，离子能量分布均匀，分辨率很高（0.01mm）；（3）可腐蚀任何材料，刻蚀重复性、均匀性优良；（4）缺点是腐蚀速率慢，刻蚀选择性较差，刻蚀时会产生再淀积现象。3、被刻蚀材料：Si、SiO2、GaAs、Ag、Au、光刻胶等。几个概念：平均自由程MeanFreePath(MFP)Theaveragedistanceaparticlecantravelbeforecollidingwithanotherparticle.N是粒子浓度nisthedensityoftheparticleσ是粒子碰撞的横截面积σisthecollisioncross-sectionoftheparticleEffectofpressure:λ∝1/P