刻蚀培训教材课件.ppt

CompanyConfidential 1 DoNotCopy 刻蚀工艺培训教材 CompanyConfidential 2 DoNotCopy 摘要 集成电路制造介绍刻蚀工艺基本概念 CompanyConfidential 3 DoNotCopy 集成电路制造介绍 电路 芯片 管芯集成电路制作过程局部管芯剖面 BiCMOS工艺 CompanyConfidential 4 DoNotCopy 芯片 管芯 集成电路 CompanyConfidential 5 DoNotCopy 集成电路制作过程 CompanyConfidential 6 DoNotCopy BiCMOS剖面 双层金属连线 CompanyConfidential 7 DoNotCopy 刻蚀工艺基本概念 一 刻蚀的目的及作用二 刻蚀基本原理原理与过程三 刻蚀工艺的发展及我公司刻蚀当前状况四 刻蚀工艺评价项目 方法及标准五 刻蚀工艺控制方法六 刻蚀工艺选择需考虑的因素七 刻蚀工艺常见问题 CompanyConfidential 8 DoNotCopy 一 刻蚀的目的及作用 刻蚀是用物理或化学的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程 一般分为两种 湿法刻蚀 干法刻蚀 刻蚀的基本作用是准确地复制掩膜图形 以保证生产线中各种工艺正常进行 CompanyConfidential 9 DoNotCopy 二 刻蚀过程与原理 CompanyConfidential 10 DoNotCopy 湿法腐蚀 WETETCHING 湿法腐蚀原理常见设备工作图主要试剂及用途优点及缺点生产线应用工艺主要控制参数 CompanyConfidential 11 DoNotCopy 湿法刻蚀原理 通过合适的化学溶液与所欲蚀刻的材质进行化学反应 然后转成可溶于此溶液的化合物 而达到去除的目的 湿法蚀刻的进行主要是凭借溶液与欲刻蚀材质之间的化学反应 因此 我们可以籍由化学溶液的选取与调配 得到适当的蚀刻速率 以及欲蚀刻材质对下层材质的良好蚀刻选择比 各向同性刻蚀 CompanyConfidential 12 DoNotCopy 湿法腐蚀 WETETCHING 二氧化硅腐蚀 SiliconOxideEtchSiO2 6HF H2SiF6 2H2OHF 刻蚀剂 NH4F 缓冲剂多晶硅腐蚀 Poly SiEtchSi HNO3 6HF H2SiF6 HNO2 H2 H2OHNO3 氧化剂 HF 刻蚀剂金属铝腐蚀 AlEtchHNO3 氧化剂 H3PO4 刻蚀剂 CH3COOH 缓冲剂氮化硅腐蚀 SiliconNitirideEtchHot 150 H3PO4 刻蚀剂3 去胶 SC 3 120 H2SO4 H2O2 H2SO5 H2OH2SO5 PR H2SO4 CO2 H2O CompanyConfidential 13 DoNotCopy 湿法腐蚀槽示意图 CompanyConfidential 14 DoNotCopy 主要的化学试剂 BOE BHF HF H2O 氟化氨腐蚀液 NH4F HF H2O 混酸4F HNO3 NH4F HF H2O 铝腐蚀液 HNO3 H3PO4 CH3COOH 热磷酸 H3PO4 KOH CompanyConfidential 15 DoNotCopy 湿法刻蚀的优点及缺点 优势Advantage 设备简单 可靠性 低成本 大通量 高选择比缺点Disadvantage 各向同性刻蚀 CD难控制 刻蚀度 过刻 不易控制 不能应用于小尺寸 操作困难及危险 环境污染 CompanyConfidential 16 DoNotCopy 生产线上的主要用途 大尺寸图形腐蚀 例埋层 BL 氧化层漂净 例外延前氧化层漂净SiN剥离引线孔 通孔斜面腐蚀压点腐蚀 CompanyConfidential 17 DoNotCopy 主要控制参数 主要控制参数腐蚀速率溶液温度 热交换器 循环装置 溶液浓度 添加试剂 加工片量 放置时间 腐蚀时间人工计算终点控制 CompanyConfidential 18 DoNotCopy 刻蚀的方向性 各向同性 ISOTROPIC 各向异性 ANISOTROPIC CompanyConfidential 19 DoNotCopy 干法刻蚀 干法刻蚀原理什么是等离子体常见刻蚀设备干法刻蚀基本方法侧壁保护刻蚀终点控制 EndPointDetection 优点及缺点生产线应用 CompanyConfidential 20 DoNotCopy 干法刻蚀 DRYETCHING 等离子干法刻蚀的原理可以概括为以下几个步骤 在低压下 反应气体在射频功率的激发下 产生电离并形成等离子体 等离子体是由带电的电子和离子组成 反应腔体中的气体在电子的撞击下 除了转变成离子外 还能吸收能量并形成大量的活性基团 Radicals 活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物反应生成物脱离被刻蚀物质表面 并被真空系统抽出腔体 各向异性刻蚀 CompanyConfidential 21 DoNotCopy 什么是等离子体 等离子体是低压气体 一般 1torr 在外界电场 DC AC RF wave 作用下 局部气体发生电离而产生的 它由正离子 电子 中性原子 中性分子组成 CompanyConfidential 22 DoNotCopy 电离Ionization分裂Dissociation激发Excitation CompanyConfidential 23 DoNotCopy 桶式等离子刻蚀机 CompanyConfidential 24 DoNotCopy 平板式等离子刻蚀机 CompanyConfidential 25 DoNotCopy Highdensityplasma HDP system ECRvsICPECRwasintroducedatOPTin1985 ICPwasintroducedmuchlater 1991 1995 forplasmaprocessing mostimportantwithboth independentcontrolofionenergyandioncurrentdensitylower substrate electrodegrounded RFdrivingopt ElectronCyclotronResonance ECR Inductivelycoupledplasma ICP CompanyConfidential 26 DoNotCopy 等离子刻蚀的基本方法 1 化学刻蚀ChemicalEtching2 物理刻蚀SputteringEtching3 离子增强刻蚀IonEnhancedEtchingRIE反应离子刻蚀MERIE磁场增强反应离子刻蚀ECR电子回旋共振刻蚀ICP感应耦合等离子体刻蚀 CompanyConfidential 27 DoNotCopy 1 化学刻蚀Chemical 气体被离子化 形成等离子体 等离子体中的活性基团与基板物质反应 生成挥发性物质被抽走 各向同性纯化学反应选择比高反应压力高通量大低电子损伤例 等离子去胶 CompanyConfidential 28 DoNotCopy 2 物理刻蚀Sputtering 离子在电场作用下通过离子轰击 撞出衬底原子 纯物理反应各向异性选择比差反应压力低单片工艺刻蚀速率低例 反溅射 CompanyConfidential 29 DoNotCopy 3 离子增强刻蚀IonEnhancedEtching 离子轰击增加活性基团与基板材料的反应损伤增加生成物的挥发化学溅射以化学方式增加物理溅射离子反应 CompanyConfidential 30 DoNotCopy 等离子刻蚀的的速率比较 CompanyConfidential 31 DoNotCopy 等离子刻蚀各种效果图 CompanyConfidential 32 DoNotCopy 各种等离子刻蚀比较 CompanyConfidential 33 DoNotCopy 干法刻蚀材料 气体及产物 CompanyConfidential 34 DoNotCopy 侧壁保护的等离子刻蚀ProtectiveIonEnhanced 一层保护膜在硅片上淀积 阻止反应剂到达被刻材料表面 使反应停止表面离子轰击破坏保护膜 使反应继续 侧壁由于离子轰击能量小 无法破坏 因此反应停止不挥发的高分子膜 N2 HBr BCl3 CH3F CompanyConfidential 35 DoNotCopy 侧壁保护刻蚀过程 CompanyConfidential 36 DoNotCopy 侧壁保护效果图 HCl O2 BCl3ChemistrySF6 CFCl3Chemistry CompanyConfidential 37 DoNotCopy 终点侦测 EndPointDetection 干法刻蚀不像湿法刻蚀 有很高的选择比 过度的刻蚀会损伤下一层材料 因此 蚀刻时间就必须正确无误的掌握 另外 机台状态的些微变化 如气体流量 温度 或晶片上材料一批与一批间的差异 都会影响刻蚀时间的控制 因此 必须时常检测刻蚀速率的变化 使用终点侦测器的方法 可以计算出刻蚀结束的正确时间 进而准确地控制过度刻蚀的时间 以确保多次刻蚀的再现性 常见的终点侦测有三种方法 1 光学放射频谱分析 OpticalEmissionCO 483 5nmAL 396nm 2 雷射干涉量度分析 Laser 3 质谱分析 MassDetection Laser利用雷射光垂直射入透明的簿膜 在透明簿膜前被反射的光线与穿透簿膜后被下层材料反射的光线相干涉时 来侦测终点 CompanyConfidential 38 DoNotCopy SF6刻蚀放射光谱图 CompanyConfidential 39 DoNotCopy 典型终点检测曲线图 CompanyConfidential 40 DoNotCopy 等离子刻蚀负载效应 宏观效应单位面积反应浓度微观效应溅射材质聚合物生成物扩散 CompanyConfidential 41 DoNotCopy 干法刻蚀的优点及缺点 优点Advantages 没有光刻胶支持问题各向同性刻蚀化学物品消耗少反应生成物处理成本低自动化程度高 缺点Disadvantages 设备复杂 RF 气体系统 真空系统 选择比低残渣 聚合物 重金属产生颗粒使用氟系 氯系气体 CompanyConfidential 42 DoNotCopy 干法刻蚀在生产线上主要应用 光刻胶剥离 干法去胶 Organicstripping硅刻蚀Siliconetching介质层刻蚀Dielectricetching SiO2 Si3N4 etc 金属刻蚀Metaletching CompanyConfidential 43 DoNotCopy 干法刻蚀应用 硅刻蚀 单晶硅 多晶硅 工艺 ISO WL BL Capacitor SN CP PolyE B etc 使用气体 Cl2 HBr NF3 CF4 SF6 等金属刻蚀 Al W Ti TiN Pt 工艺 WL BL Cap MLM Al W Pt Ru Ta etc 使用气体 Cl2 BCl3 CCl4 etc介质刻蚀 SiO2 Si3N4 PSG BPSG SiON 工艺 ISO Contact PolyC T MetalC T Via Spacer PlanarEtchBack Pad Repair 使用气体 fluoro compounds CF4 CHF4 C4F8 etc CompanyConfidential 44 DoNotCopy 三 刻蚀工艺的发展及我公司当前刻蚀状况 CompanyConfidential 45 DoNotCopy 我公司当前用到的刻蚀方法主要是湿法腐蚀与等离子刻蚀 适用于线宽1 5um以上产品 其中湿法腐蚀应用工序有 1 氧化层腐蚀 如BL ET DI ET EI ET CW ET CO ET等 所用机台 湿法腐蚀台 7 1BOE 2 氮化硅去除 FN WO所用机台 磷酸槽 160 3 湿法铝腐蚀 LA ET所用机台 铝腐蚀台4 后处理 后处理1 硝酸 后处理2 混酸4F 后处理3 显影液 所用机台 酸槽 CompanyConfidential 46 DoNotCopy 等离子刻蚀应用工序主要有 1 氧化层刻蚀 DI ET CO ET VA ET PA ET等 所用机台 AME 8110 LAM 590 TEGAL 9032 氮化硅刻蚀 AA ET CA ET等 所用机台 LAM 490 TEGAL 9013 铝刻蚀 LA ET LB ET 所用机台 AME 83304 干法去胶 所用机台 TEGAL 415 TEGAL 915 CompanyConfidential 47 DoNotCopy 四 刻蚀工艺评价项目 方法与标准 刻蚀速率ETCHRATE 单位时间内刻蚀掉的厚度均匀性UNIFORMITY 硅片内或硅片间速率偏差程度CD损失CDLOSS 刻蚀前后线条的变化量选择比SELECTIVITY 不同材质之间的刻蚀速率比过刻蚀OVERETCH 刻蚀干净后额外的刻蚀量剖面PROFILE 刻蚀后台阶的形貌颗粒PARTICLE损伤PLASMADAMAGE 干法刻蚀 聚合物POLYMER 干法刻蚀 残留物RESIDUE 干法刻蚀 CompanyConfidential 48 DoNotCopy 刻蚀速率 1 稳定性 反映工艺的可重复能力 要求波动范围在 10 以内 可以通过计算CPK大小来进行评价 2 大小 大小直接决定机台通量 因此在稳定性及机台与产品承受能力满足要求的情况下 应尽量提高刻蚀速率 CompanyConfidential 49 DoNotCopy 均匀性 umiformity max min 2 average 100 1 片内均匀性 一个硅片内不同点间速率偏差大小 越小越好 一般要求在5 以下 2 片间均匀性 不同硅片间速率偏差大小 越小越好 一般要求在5 以下 CompanyConfidential 50 DoNotCopy CD损失 不同道次对CDLOSS要求不一 多数道次要求越小越好 但某些道次 如引线孔等 则有特殊要求 CompanyConfidential 51 DoNotCopy 选择比 不同材质之间的刻蚀速率比 一般来说 所刻蚀材料对其他材料的选择比越大越好 一般要求大于3 1 但也有例外 如我们当前所用的通孔刻蚀工艺 就要求SiO2 PR的选择比在一定范围内 以保证能够刻出斜孔来 CompanyConfidential 52 DoNotCopy 过刻蚀 因为要刻蚀材料的厚度以及刻蚀速率都会有一定的波动 为了保证刻蚀干净 一定量的过刻蚀是必须的 过刻蚀量越多 越能保证刻蚀干净 但过刻蚀会造成CDLOSS 还会对其它材质造成损伤 因此过刻蚀量的确定要根据材质与刻蚀速率均匀性 CDLOSS 刻蚀选择比等来综合确定 一般过刻蚀量在20 40 之间为宜 CompanyConfidential 53 DoNotCopy 剖面 台阶形貌 台阶形貌对台阶的覆盖能力有很大影响 评价台阶形貌的主要有 1 台阶角度 profile 对某些道次来说 要求台阶要陡 如多晶刻蚀 对某些道次来说 则要求台阶要较缓 如引线孔刻蚀 通孔刻蚀等 台阶越陡 覆盖能力越差 越缓 覆盖能力越好 2 纵横比 Aspectratio AR heightoffeature widthoffeature h w纵横比越大 台阶越不易覆盖 CompanyConfidential 54 DoNotCopy 颗粒 刻蚀过程中所产生的尘埃 越少越好 现在要求干法机台小于50颗 湿法小于30颗 CompanyConfidential 55 DoNotCopy 等离子损伤 由于干法刻蚀刻蚀选择性差 特别是物理刻蚀 损伤程度与刻蚀的等离子强度 选择比 刻蚀时间等因素都有关 可接受水平 不同产品 不同的道次要求不一样 比如当前我们有一个产品就不能采用干法刻蚀 因为下面有个光敏管 干法刻蚀的损伤会影响到其性能 CompanyConfidential 56 DoNotCopy 聚合物 聚合物能够进行侧壁保护 从而刻蚀出比较陡直的台阶形貌和降低CDLOSS 但太多的聚合物会使刻蚀速率降低 并在腔体及产品表面沉积 导致机台PM的频度提高 另外产品表面的聚合物如果未能有效去除干净 会对产品性能和外观产生不良影响 甚至失效 对聚合物的去除一般会采用专门的材料 CompanyConfidential 57 DoNotCopy 残留物 残留物指刻蚀后残留在产品表面的反应副产物等 其去除不干净同样会影响到产品性能与外观 干法刻蚀时 要求反应生成物应比较容易挥发 大家都知道 铜是一种非常好的金属连线材料 但一直未在集成电路中广泛应用 其中很重要的一点就是其刻蚀后的反应生成物难以去除 CompanyConfidential 58 DoNotCopy 五 刻蚀工艺常见控制方法 1 点检 是最基本 也是比较简单与粗略的控制方法 通过对机台一些可能影响到工艺的内容进行检查 从而确认设备与工艺是否正常的方法 常用于对机台及工艺进行初步与直观的判定 比如设备的日常点检 CompanyConfidential 59 DoNotCopy 2 SPEC 对某些相对要求较高 影响因素较多的关键工艺参数 日常点检正常并不能保证工艺正常 则除了要进行日常点检外 还要进行SPEC控制 如刻蚀速率等 CompanyConfidential 60 DoNotCopy 3 SPC 采用SPEC控制方法 最大的缺点是仍比较粗略 对某些关键参数 如果等到超出SPEC后再采取行动的话 往往有很多异常品已经产生 SPC的最大优点就是在异常发生之前 通过一些预警判断 及时采取正确的行动 防止异常品产生 CompanyConfidential 61 DoNotCopy 六 工艺选择的考虑因素 1 精度要求 根据不同的尺寸要求不同的刻蚀方法 刻蚀机台与刻蚀工艺 刻蚀工艺的确定要综合考虑各个项目 如刻蚀速率 选择比 刻蚀均匀性 CDLOSS PROFILE等 2 成本与