干法和湿法腐蚀讲稿.ppt

干法腐蚀和湿法腐蚀 无锡华润晶芯半导体有限公司 目录 介绍术语湿法和干法腐蚀等离子体基础具体的腐蚀工艺介绍 腐蚀的定义 腐蚀工艺就是从表面除去材料化学 物理 结合三种作用选择性的或整体腐蚀选择性腐蚀将IC设计的图象通过光刻胶转移到硅片表面层上去 栅掩膜的对准 栅掩膜的曝光 显影 后烘 检查 腐蚀多晶 腐蚀多晶 续 去胶 工艺流程 腐蚀的术语 腐蚀速率 选择比 腐蚀均匀性 腐蚀剖面 湿法腐蚀 干法腐蚀 反应离子腐蚀 RIE 终点 腐蚀速率 腐蚀速率用这种材料从硅片表面被腐蚀有多快来衡量 腐蚀速率 腐蚀均匀性 腐蚀均匀性用片内和片间的工艺可重复性来衡量厚度测量测的是不同点的腐蚀之前和腐蚀之后越多的测量电 越高的准确性通常使用的是标准偏差定义不同的定义给出不同的结果 标准偏差的非均匀性 N个点的测量 最大 最小的均匀性 腐蚀的不均匀性可以通过下面的等式 叫做最大 最小均匀性 来计算 选择比 选择比是不同材料的腐蚀速率之比在图形腐蚀方面很重要选择比是对下层薄膜和对光刻胶 选择比 选择比 EtchProfiles EtchProfiles 负载效应 macroloading 硅片上较大的曝露区域和较小的曝露区域的腐蚀速率是不同的主要影响批腐蚀的工艺在单片工艺上有较小的影响 负载效应 microloading 较小的孔腐蚀速率相对于较大的孔的腐蚀速率来说比较低腐蚀物质比较难通过较小的孔腐蚀的副产物更难扩散出来较低的气体压力能使这个效应最小化越大的平均自由程 对腐蚀物质要到达薄膜表面以及腐蚀的副产物要出来就越容易 Microloading ProfileMicroLoading 过腐蚀 薄膜的厚度和腐蚀速率都是不同的过腐蚀 除去这些残留的薄膜要被腐蚀的薄膜和下层的选择比RIE 反应离子腐蚀 使用光学的终点来达到从主腐蚀到过腐蚀的转换 开始腐蚀工艺 主腐蚀的终点 过腐蚀之后 残留物 不希望的残留物原因 过腐蚀不够充分 腐蚀副产物不挥发 过腐蚀不充分 表面上不挥发的副产物 残留物 适当的过腐蚀不挥发的残留物的清除 足够的离子轰击来清除 适当的化学腐蚀来除去氧气等离子体去胶 有机残留物湿法化学清洗 无机残留物 湿法腐蚀 湿法腐蚀 化学的解决方法来溶解硅片表面上的物质副产物是气体 液体或可溶在腐蚀溶液中的物质三个基本步骤 腐蚀 漂洗 甩干 基本的湿法腐蚀步骤 腐蚀 甩干 湿法腐蚀 纯粹的化学过程 各向同性的剖面广泛使用在特征尺寸大于3um的IC产业中仍就使用在先进的IC厂里 硅片清洗 整个薄膜的剥离 湿法腐蚀的剖面 不能使用在特征尺寸小于3um的工艺上被等离子体腐蚀所代替 湿法腐蚀的应用 湿法腐蚀不能使用在CD 3um的腐蚀中高选择比湿法腐蚀广泛用在薄膜剥离工艺中 例如SiN的剥离和Ti的剥离等 也广泛使用在CVD薄膜质量控制中 BOE 测试硅片的剥离 清洗 重新使用 二氧化硅的湿法腐蚀 HF酸溶液通常在缓冲溶液中稀释或者用去离子水来减小腐蚀速率SiO2 6HF H2SiF6 2H2O广泛使用在CVD薄膜质量控制中BOE BufferedoxideetchWERR wetetchrateratio WideGlassContact 湿法腐蚀硅和多晶硅 硅腐蚀通常使用HNO3和HF的混合液HNO3氧化硅 同时HF剥离二氧化硅去离子水或者乙酸能用来稀释腐蚀溶液 以及减小腐蚀速率Si 2HNO3 6HF H2SiF6 2HNO2 2H2O 氮化硅的湿法腐蚀 热磷酸溶液 150to200 C 对二氧化硅有高选择比使用在LOCOS和STI的SiN剥离中Si3N4 4H3PO4 Si3 PO4 4 4NH3 铝的湿法腐蚀 加热溶液 42to45 例 80 磷酸 5 乙酸 5 硝酸 和10 水硝酸氧化铝 同时磷酸剥离铝的氧化物乙酸减缓硝酸的氧化 影响湿法腐蚀速率的因素 温度化学试剂的浓度要被腐蚀薄膜的成分 湿法的化学危害性 HF H3PO3 HNO4腐蚀性的氧化剂 湿法的化学危害性 HF当接触时不能去触摸剧烈疼痛在IC生产线上要像HF酸一样对待所有不明液体 湿法腐蚀的优点 高选择比相对来说不是很贵的设备批处理系统 高产能 湿法腐蚀的缺点 各向同性的剖面不能用在图形的特征尺寸小于3um中高化学性的使用化学危害性 对液体来说直接曝露 对气体 烟 直接和间接曝露 爆炸的潜在性 等离子体腐蚀 介绍 气体进 气体出等离子体产生自由基团和正离子轰击RIE 反应离子腐蚀 化学和物理结合的腐蚀大部分图形腐蚀是RIE腐蚀 湿法腐蚀和干法腐蚀的比较 等离子体基础 等离子体是带相等数量的正 负电荷的离子化气体三中重要的碰撞 离子化产生和维持等离子体 激发 减弱导致等离子体发光 分离创造了可反应的自由基团 等离子体的组成 等离子体由中性原子或分子 负电荷 电子 和正电荷 正离子 电离 电离率 电离率主要由等离子体中的电子能量决定在大部分等离子体工艺腔体中 电离率小于0 001 高密度等离子体 HDP 电离率很高 大约是1 在太阳核中电离率是 100 平均自由程 MFP 一个粒子在同其它粒子碰撞前能行进的距离n是粒子密度 是粒子的碰撞截面 平均自由程 MFP 气压的影响 气压越高 MFP越短气压越低 MFP越长 真空和等离子体 气体太高 MFP会太短电离通常需要至少15eV如果MFP太短 那么电子就不能得到足够的能量来电离需要真空和RF来开始和维持稳定的等离子体 离子轰击 等离子体附近的任何东西都会受到离子轰击对溅射 RIE和PECVD来说很重要由RF功率来主要决定的气压液影响离子轰击 离子轰击 电子移动比正离子快的多电子先到达电极和腔体电极被充成负电的 排斥电子和吸引正离子在表面的电荷差异形成鞘层电压鞘层电压加速正离子朝电极方向移动 导致正离子轰击 离子轰击 正离子能量正离子密度由RF功率共同控制 离子轰击的应用 帮助得到各向异性的腐蚀剖面 Damagingmechanism BlockingmechanismArgon溅射 对间隙填充的电介质腐蚀 金属淀积帮助在PECVD工艺中控制薄膜应力 轰击越重 薄膜应力越大 离子轰击控制 增加RF功率 DCbias也随之增加 正离子密度也增加 正离子密度和离子轰击能量两者都由RF功率控制 RF功率是控制离子轰击的最重要的关键 离子轰击控制 RF功率是控制腐蚀速率的主要因素 RF功率增加 腐蚀速率也增加 通常减小选择比RF功率也用来控制PECVD工艺中的薄膜应力 增加RF功率增加压缩力 自偏压 不同尺寸的电极在等离子体中没有净电荷产生在两个电极上的电荷流量是相同的较小的电极有较大的电荷密度在等离子体和较小的电极两者之间有较大的DCbias 腐蚀工艺 化学腐蚀 纯化学反应副产物是气体或可溶于腐蚀物质中的高选择比各向同性的腐蚀剖面例如 湿法腐蚀 干法去胶 物理腐蚀 用惰性正离子如Ar 来轰击物理性地从表面移除物质等离子体工艺各向异性的剖面低选择比例如 Argon溅射腐蚀 反应离子腐蚀 RIE 是化学和物理腐蚀的结合等离子体工艺 加上自由基团的离子轰击令人误解的名字 应该被叫做离子辅助腐蚀 IAE 高的 受控的腐蚀速率各向异性的 受控的腐蚀剖面好的 可控制的选择比在8 线上所有图形腐蚀都是RIE工艺 RIE实验 三种腐蚀工艺 腐蚀工艺次序 DamageMechanism 重离子轰击损伤化学键被曝露的表面原子和腐蚀的自由基团比较容易反应离子轰击主要用在垂直方向上在垂直方向上的腐蚀速率比在水平方向上的腐蚀速率高得多 各向异性腐蚀 DamageMechanism Blockingmechanism 化学物淀积在表面上受到溅射的光刻胶和 或腐蚀化学反应后的副产物离子轰击在垂直方向上是主要的它阻止在底部建立的沉积作用在侧墙上的淀积作用阻碍腐蚀过程腐蚀过程主要在垂直方向上 BlockingMechanism 腐蚀机理和它们的应用 对腐蚀工艺来说使用等离子体的好处 高腐蚀速率各向异性的腐蚀剖面光学的终点 硅片的冷却 离子轰击产生巨大的热高温能导致光刻胶起皱需要冷却硅片来控制温度一般使用氦背冷氦将热量从硅片到水冷却基座传输 终点 每个原子有自己的发射波长当腐蚀不同材料时 等离子体的颜色会变化光学传感器能用来检测这个变化 为等离子体腐蚀工艺显示终点 腐蚀终点波长 具体的腐蚀工艺介绍 等离子体腐蚀的优点 高的 可控制的腐蚀速率好的选择比各向异性的腐蚀剖面缺点 昂贵的 复杂的系统 Vacuum RF robot E chuckandetc 等离子体腐蚀 腐蚀电介质腐蚀单晶硅腐蚀多晶硅腐蚀金属摘要 电介质腐蚀 腐蚀二氧化硅 掺杂和未掺杂的硅酸盐玻璃 Contact PSGorBPSG Via USG FSGorlow kdielectric 腐蚀氮化硅 STI Bondingpad 电介质腐蚀 氟化学4F SiO2 SiF4 2OCF4作常作为氟源被使用NF3和SF6也被使用 接触孔腐蚀 是连接硅和金属条的孔掺杂的硅酸盐玻璃 PSGforBPSGCF4作为主要的腐蚀剂CHF3作为聚合物的主要来源来提高对硅和硅化物的选择比Ar用来提高damagingeffect一些人也使用O2orH2对硅或硅化物的高选择比是需要的 接触孔腐蚀 为了硅和金属的互连而开接触孔需要对硅和光刻胶的高选择比氟化学 接触孔腐蚀 F C比例F C 3 腐蚀占主导地位F C 2 聚合占主导地位当腐蚀二氧化硅 氧气的副产物能同C反应来释放更多的氟当腐蚀硅或硅化物时 没有氧气释放 氟被消耗 F C比降低到小于2 开始聚合物的淀积聚合物阻碍更进一步的腐蚀BPSG to TiSi2的高选择比 电介质腐蚀 F C比 DCBiasandPolymerization 通孔腐蚀 腐蚀USG为了金属和金属间的互连而开通孔需要对金属和光刻胶的高选择比氟化学 腐蚀通孔 氟作为主要腐蚀剂CF4 CHF3和Ar都在腐蚀中使用 O2或H2也能使用对金属的高选择比避免金属溅射 电介质腐蚀的概要 单晶硅腐蚀 光刻胶可以引起衬底污染氯 溴化学Cl2 HBr作为主腐蚀剂 单晶硅腐蚀化学 少量的O2来对侧壁钝化少的NF3来阻止blacksilicon定时腐蚀 金属腐蚀 腐蚀Al Cu金属叠层来形成金属互连通常使用Cl2 BCl3不管用物理的还是化学的方法 需要腐掉Cu在硅片曝露到大气中的湿气前需要去胶 腐蚀金属 为了金属互连Cl2作为主腐蚀剂BCl3 N2用来侧壁钝化O2用来调高对二氧化硅的选择比主要问题 腐蚀剖面和避免腐蚀残留金属晶粒尺寸能影响腐蚀工艺 金属腐蚀化学 干法去胶 Remoteplasmasource 没有离子轰击的自由基团高气压 微波等离子体防止金属侵蚀对金属腐蚀后残留在PR中的氯去除是很重要的提高产能和成品率 干法去胶 O2 H2Ochemistry 干法去胶工艺 总结 腐蚀就是将光刻胶的图形转移到硅片表面材料上的过程 腐蚀分为湿法腐蚀和干法腐蚀 干法腐蚀被广泛用自图形腐蚀工艺中 SIN腐蚀 腐蚀设备是LAM490 低压力 终点控制 腐蚀气体主要是SF6 SIN对OXIDE的选择比在3左右 SIN腐蚀需要特别注意是就是1 保证SIN腐蚀干净2 留有一定的SIO2 不能腐蚀到SI衬底上 3 由于SIN及PADOXIDE的厚度都较薄 所以对腐蚀均匀性的要求也很高 在线监测腐蚀后的残氧 孔腐蚀 STEP1 ISOETCH 各向同性腐蚀 STEP2 ANISOETCH 各向异性腐蚀 孔腐蚀 需要注意的是1 要保证有一定的过腐蚀量 即孔要腐蚀干净 否则孔的接触电阻会很大 其他一些参数会测不出来 2 过腐蚀量又不能太大 所以必需要有OXIDE对SI POLY SI的选择比很高 一般大于10 来做保证 平坦化工艺 当器件集成度提高 器件尺寸越来越小 需要用到双层 多层 布线的时候 平坦化的工艺也随之引入生产 随着器件的形成 在圆片上的膜层见多 FOX POLY1 POLY2 D1 M1等 圆片表面的平整度变差 这是对光刻机形成了挑战 平坦化的目的就是要减小减小台阶差异 给光刻提供有利条件 VIA腐蚀 VIA是使M1 M2连接起来的通道 同样要是M1 M2连接的好 需要有良好的VIA形貌来保证M2的台阶覆盖 VIA腐蚀要注意1 VIA要腐蚀干净2 最终的介质厚度要控制住 不能太薄 造成M1 M2间漏电 也不能太厚 M2台阶覆盖不良 VIA腐蚀 钝化腐蚀 钝化的目的是给器件以表面保护作用 一般钝化层采用PEOXIDE PESIN双层介质 POLYETCH 主要设备有LAM9406 LAM490 主要腐蚀气体为CL2 HBR HCL等 POLYETCHPROCESS STEP1 BREAKTHROUGHSTEP OPTIONAL STEP2 MAINETCHSTEP OPTICALEMISSIONENDPOINT STEP3 OVERETCHSTEP POLYETCH CF4主要用于STEP1 以去除POLY表面的一层自然氧化层 有时在POLY光刻之前如有一步HFDIP STEP1可以不做 CL2是主要腐蚀气体 HBr可以形成POLYMER保护侧壁 提高对PR的选择比 加入He O2可以提高对OXIDE的选择比 在线监测腐蚀后的残氧 但由于POLY腐蚀以后一般氧化层表面都有一些POLYMER附着 所以腐蚀后测的残氧值通常并不是真实的 经100 1HFDIP10SEC之后测量的值才是真实的残氧值 METALETCH 主要设备有AME8330 TCP9600主要腐蚀气体 CL2 BCL3 CF4 N21 AME8330 为多片式刻蚀系统 阳极为钟罩 阴极为六面体电极 共有18个硅片基座 LOADLOCK可储存硅片 自动装片系统 终点控制模式 刻蚀和去胶在同一腔体 可以有效的消除AL的后腐蚀 2 TCP9600 2001年新进扩产设备 同样为单片式刻蚀系统 与上述两台设备的区别之处在于Plasma的形成方式不同 并且该设备有一个自带的流水腔METAL腐蚀后一定要注意去胶及时 否则 如前所述 会有AL的后腐蚀发生 RESIDUECLEAN 主要用于去除在腐蚀时产生的付产品的清洗 如AL腐蚀后用ACT CMI EKC265等进行清洗 在钝化后进行清洗等 清洗前后的SEM图片对比如下 湿法腐蚀工艺 湿法腐蚀工艺由于其低成本 高产出 高可靠性以及其优良的选择比是其优点而仍被广泛接受和使用 基本上是各向同性 因此他们腐蚀后的尺寸要比定义的尺寸小 须在版上加一定量的BIAS 因此主要适用于大尺寸条宽的器件生产 同时现有的湿法腐蚀设备正朝着以下方向发展 1 自动化 2 在微处理器控制下提高在腐蚀状态下的重复性 以帮助工艺工程师提供更良好的控制 阻止人为因素的影响 3 点控制过滤控制 以减小腐蚀过程中缺陷的产生 4 自动喷淋设备的开发 湿法腐蚀 主要缺点有 A 腐蚀液及DIWATER的成本比干法腐蚀用气体成本高 B 在处理化学药液时给人带来安全问题 C 光刻胶的黏附性问题D 有气体产生以及不彻底的腐蚀及均匀性差等问题E 排风问题 湿法腐蚀机理 湿法腐蚀的产生一般可分为3步 1 反应物 指化学药剂 扩散到反应表面2 实际反应 化学反应 3 反应生成物通过扩散脱离反应表面 影响湿法腐蚀的因素 湿法腐蚀质量的好坏 取决于多种因素 主要的影响因素有 1 掩膜材料 主要指光刻胶 显影不清和曝光强度不够 会使显影时留有残胶 通常会使腐蚀不净 2 须腐蚀膜的类型 指如SIO2 POLY SILICON等 3 腐蚀速率 腐蚀速率的变化会使腐蚀效果发生改变 经常会导致腐蚀不净或严重过腐蚀 从而造成异常 影响腐蚀速率的因素可见下面的影响因素 4 浸润与否 由于在湿法腐蚀时由于腐蚀液与膜间存在表面张力 从而使腐蚀液难于到达或进入被腐蚀表面和孔 难于实现腐蚀的目的 大多数情况下 为减小表面张力的影响 会在腐蚀槽中加入一定量的浸润 影响E R的因素 1 腐蚀槽的温度2 膜的类型 如SIO2 POLY SILICON等 3 晶向4 膜的形成 是热生长形成或掺杂形成 5 膜的密度 THERMALORLTO 6 腐蚀时的作业方式 喷淋 浸没或是旋转 7 药液成分的变化8 腐蚀时有无搅动或对流等 所有上述因素均是查找异常原因的因素 同时膜的掺杂类型及含量也影响E R 因为外加的掺杂剂改变了膜的密度 例如掺P的氧化层比热氧化层E R快得多 而掺B的氧化层要慢得多 下图显示了掺P的CVDSIO2与热氧化OXIDE在BOE中的不同的腐蚀速率对比 SIO2腐蚀 湿法腐蚀SIO2在微电子技术应用中通常是用HF来实现 其反应方程式为 SIO2 6HF H2 SIF6 2H2O一般HF浓度为49 此反应对于控制来说太快 因此常采用缓冲HF来替代 BOE或BHF 加入NH4F 可以减少F 的分解 从而使反应更稳定 而且非缓冲HF对胶和接口产生不良影响 有资料表明 BHF中NH4F的浓度过大而会严重影响其E R的均匀性及E R线性 同时研究表明 在低温下生成固态的NH4HF2 这些固态物质能产生颗粒并导致药液组分的变化 当NH4F含量 重量比 为15 时 能有效的解决此问题 在腐蚀SIO2时 为了适应不同的工艺要求 如去除SIO2的膜厚 为更好的控制E R 可以选择不同的HF浓度配比及工艺条件进行腐蚀 SI腐蚀 不管单晶硅和多晶硅 都能被HNO3和HF的混和液腐蚀掉 反应最初是由HNO3在表面形成一层SIO2 然后被HF溶解掉 其反应方程式为 SI HNO3 6HF H2SIO6 HNO2 H2 H2O常把CH3COOH作为缓冲溶剂 因可以减少HNO3的分解以提高HNO3的浓度 SIN腐蚀 SIN可被沸腾 160C左右 的85 的H3PO4溶液所腐蚀 然而胶常被去掉 因此有时采用SIO2作为掩蔽层来对SIN进行腐蚀 SIO2图形有光刻胶形成 然后去胶 接下来进行H3PO4对SIN腐蚀 我们一般是在场氧化后进行SIN的全剥 由于是在高温下进行了氧化 因此在SIN表面有一层SINO层 此层不溶于H3PO4而溶于HF 因此在进H3PO4槽时必须先进HF槽以去除SINO膜 然后进行SIN的全剥 AL腐蚀 湿法AL及AL合金腐蚀常在加热的H3PO4 HNO3 CH3COOH及水的混合液中进行 温度大约是35C 45C 典型的组分为 80 H3PO4 5 HNO3 5 CH3COOH 10 H2O 其E R常受到诸多因素的影响 如温度 药液组分 AL膜的纯度以及合金组分等 反应式如下 HNO3 AL H3PO4 AL2O3 H2O H2在反应时会产生H2 当H2附在AL表面时会阻碍反应 因此在腐蚀时加入鼓泡以减小此问题 由于H2及其它问题 如溅射时的沾污及自然氧化层的影响 一般在腐蚀时假如10 50 的过腐蚀量以确保能完全腐蚀干净 湿法AL腐蚀也常单用80 的H3PO4进行腐蚀 湿法腐蚀注意事项 由于湿法腐蚀的特性 在对不同的材料进行腐蚀时必须选择相应的腐蚀药液和工艺条件 在开发湿法腐蚀和清洗菜单时必须注意此药液对硅片上其它膜层和材料的影响 同时必须考虑湿法腐蚀特性所带来的一些其它问题 1 AL及AL以后的片子的去胶不能进SH槽 2 湿法氧化物腐蚀前必须进行充分的浸润 3 须做先行的片子根据先行结果适当调整腐蚀时间 4 对湿法氧化物腐蚀检查 原则上检查膜厚最厚且小图形处和大块被腐蚀区域应保证干净 5 对湿法AL腐蚀检查 主要检查小图形及横跨台阶的AL条是否有残AL及AL条缺口严重和断AL现象 6 所有腐蚀时间加参考的均仅供参考 E R及膜厚正常的情况下 可按参考时间作业 在E R和膜厚变化较大时 可适当调整腐蚀时间 湿法去胶 1 有机去胶有机去胶是通过拆散胶层结构而达到去胶的目的 但其限制性较大 象常用的药液有DMF ACT EKC等 2 非有机去胶目前常用的是H2SO4与H2O2加热到120 140C左右 其强氧化性使胶中的C氧化成CO2 并生产H2O 值得一提的是 此类去胶常用在无金属层上 也就是说在AL及AL以后层次的去胶不能用此类去胶 此类去胶也常用在干法去胶后加一步湿法去胶 主要