干法腐蚀工艺.doc

1 干法腐蚀工艺培训讲义干法腐蚀工艺培训讲义 目目 录录 第零章第零章 前言前言 第一章第一章基本概念基本概念 第二章第二章干法腐蚀基本原理干法腐蚀基本原理 第三章第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺 第四章第四章在线干法腐蚀设备结构在线干法腐蚀设备结构 原理简介原理简介 第五章第五章干法腐蚀工艺中的终点检测干法腐蚀工艺中的终点检测 第六章第六章干法去胶干法去胶 第七章第七章在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法在线腐蚀工艺中常见异常及处理方法 第零章第零章 前言前言 2 V X 如图 1 1 所示 VSiO2 X 在集成电路制造工艺中 晶片经过曝光 显影后 在光刻胶上显示 出集成电路图形 而刻蚀即利用显影后的光刻胶图形作掩蔽 在 SIO2 SI3N4 金属膜 多晶硅等上刻蚀出与光刻胶图形相同的集成电路 图形来 随着集成电路的集成度不断提高 加工线宽越来越小 人们在追 求 微细化 的过程中 进行了大量的研究工作 其中之一是曝光技术 其中之二是刻蚀技术 光刻胶上的图形能作多精细 是由曝光技术所决定 的 而光刻胶下的图形能作多精细 则是由刻蚀技术所决定的 如果没有 超精细曝光技术 当然谈不上刻出精细图形 同样 有了超精细的曝光技 术 如果没有超精细的刻蚀技术与之匹配 精细加工同样不能实现 因此 说 刻蚀技术也是微细加工技术最核心的工艺之一 1 随着大规模集成电路的发展 对刻蚀精度要求越来越高 对与刻蚀 精度可用保真度 选择比 均匀性来衡量 1 1 保真度 就是要求把光刻胶的图形准确地转移到其下的薄膜上 而没有失真 也就是 希望只有纵向刻蚀而没有横向刻蚀 但实际上总 有横向刻蚀 横向刻蚀量的大小 可用刻蚀因子来描述 刻蚀因子定义 为 刻蚀深度 V 与横向刻蚀量 X 之比 即刻蚀因子 F resist Si 3 V U 图 1 1 刻蚀因子 刻蚀因子 F 越大 保真度越好 1 2 选择比 就是要求刻蚀剂只刻蚀所要刻蚀的膜 而对其下的衬底 及其上的抗蚀剂无刻蚀 实际上 在刻蚀薄膜的同时 对衬底和抗蚀剂 也会有刻蚀的 只是刻蚀速率不同 选择比就是用来描写刻蚀速率之比 设对所要刻蚀的薄膜刻蚀速率为 V 对衬底刻蚀速率为 U 则选择比 S S 越大 说明选择比越好 1 3 刻蚀均匀性 现在超大规模集成电路采用的大圆片一般在 4 8 英寸 如果在硅大圆片上生长的薄膜厚度不均匀和各个部分刻蚀速率不均匀 都会导致刻蚀图形转移不均匀 造成有的地方刻蚀未净 另一些地方却 刻蚀过度 因此 要获得高质量的刻蚀 控制刻蚀的均匀性 也是十分 重要的 刻蚀方法从宏观上可分为 湿法刻蚀和干法刻蚀两大类 各有其优缺点 1 湿法刻蚀技术 略 采用化学试剂进行刻蚀工艺 优点 设备简单 刻蚀损伤小 缺点 刻蚀精度差 是各向同性刻蚀 在刻蚀过程中 不但向纵向刻蚀 4 而且还向侧向刻蚀 刻蚀因子一般在 0 5 2 0 之间 湿法刻蚀线宽一般 在 3um 以上 在超大规模集成电路制造工艺中 已难以适应 代之出 现的是干法刻蚀技术 2 干法刻蚀技术 干法刻蚀是指不采用化学溶剂腐蚀 而是采用气相刻蚀剂与被刻蚀 的样品表面接触 而实现的刻蚀技术 优点 刻蚀精度高 是各向异性刻蚀 可以同时刻蚀多层膜 可以 实现自动化操作 自动终点控制腐蚀精确 避免使用化学试剂等 缺点 选择比差 设备昂贵 对光刻胶的要求较高 第一章第一章 基本概念基本概念 1 WHAT IS ETCHED A process for removing material in a specified area through chemical reaction and or physical bombardment 5 2 WHAT WE ETCHED 1 Dielectric oxide nitride etc 2 Silicide polysilicon and silicide 3 Silicon single crystal silicon 4 Metal AL Cu Si 3 WHAT IS ETCH RATE 腐蚀速率是指所定义的膜被去除的速率 单位通常用 UM MIN A MIN 来表示 4 E R UNIFORMITY 表示一个圆片中不同点腐蚀速率的差别 WITHIN A WAFER 或两个 以上圆片片与片之间的腐蚀速率差异 WAFER TO WAFER 如 假定一个圆片片内测试了 5 个点 那就有 5 个速率值 UNIFORMITY MAX ETCH RATE MIN ETCH RATE 2 AVERAGE ETCH RATE 100 5 SELECTIVITY 是指两种不同膜的腐蚀速率比 选择比反应腐蚀过程中主要被腐蚀膜对 另一种膜的影响 光刻胶 衬底等 6 ISOTROPY 各向同性 腐蚀速率在纵向和横向上相同 7 ANISOTROPY 各向异性 腐蚀速率在纵向和横向上不一样 6 8 CD CRITICAL DIMENSIONS 关键尺寸 CD LOSS 条宽损失 9 LOADING 负载效应 MICROLOADING 微负载效应 不同的孔尺寸或纵深比例对腐蚀速 率和选择比的影响 MACROLOADING 宏负载效应 不同的暴露面积影响腐蚀速率差异 10 PROFILE 剖面形貌 11 STEPCOVERAGE 台阶覆盖率 WINDOW VIA 内最薄处的 AL 厚与正常 AL 厚的比例 第二章第二章干法腐蚀基本原理干法腐蚀基本原理 7 干法腐蚀又称等离子腐蚀 根据设备腔体结构的不同 可分为 圆 筒型等离子腐蚀 平行板等离子腐蚀 平行板反应离子腐蚀 反应离子束 腐蚀 离子束铣腐蚀等 本文主要介绍等离子腐蚀和反应离子腐蚀的基本 原理 一 等离子体腐蚀 等离子腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学活性游离基与被腐蚀 材料发生化学反应的一种选择性腐蚀方法 气体中总存在微量的自由电子 在外电场的作用下 电子加速运 动 当电子获得足够的能量后与气体分子发生碰撞 使气体分子电离发出 二次电子 二次电子进一步与气体分子发生碰撞电离 产生更多的电子和 离子 当电离与复合过程达到平衡时 出现稳定的辉光放电现象 形成稳 定的等离子体 PLASMA 等离子体中包括有电子 离子 还有处于激 发态的分子 原子及各种原子团 统称游离基 游离基具有高度的化学 活性 正是游离基与被腐蚀材料的表面发生化学反应 形成挥发性的产物 使材料不断被腐蚀 等离子腐蚀设备可以分为筒式和平板式两种 8 二 反应离子腐蚀 三 平板反应离子腐蚀与平板等离子腐蚀的区别 1 平板等离子腐蚀设备上下极板基本对称 面积相近 等 离子边界与接地下平板间的电压降通常较小 近百伏 腐蚀主要是化学 反应过程 腐蚀选择性好 RF 加在上极板 2 反应离子腐蚀装置中两个极板的面积不等 硅片放在 射频电源电极阴极上 反应压力更低 平行平板等离子腐蚀装置的压力为 13 133Pa 反应离子腐蚀的压力为 0 13 13Pa 因此 到达阴极的正离子 9 具有更大的能量与更强的指向阴极的方向性 因而能获得各向异性腐蚀 干法腐蚀工艺过程中包含 6STEPS STEP1 气体进入腔体 在高频电场的作用下 电子 分子碰撞产生反应基 团 STEP2 反应基扩散到被腐蚀膜的表面 STEP3 反应基被吸附在表面 STEP4 发生化学反应 STEP5 反应生成物解吸附发生 STEP6 反应生成物扩散到反应残余气体中一起被 PUMP 抽走 10 第三章第三章常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺常用材料的等离子体腐蚀原理与工艺 1 POLY SI SI3N4 SIO2 的等离子腐蚀 通常使用含 F 的腐蚀性气体 如 CF4 CF4 CF3 F CF3 CF2 F CF2 CF F Si 4F SiF4 SiO2 4F SiF4 O2 Si3N4 12F 3SiF4 2N2 CFx x 3 与 SiO2 SiN4 的反应速率比与 Si 的反应速率快 在 CF4 中加入少量 H2 可以使 CFx F 的浓度比增加 从而使 SiO2 Si 及 Si3N4 Si 的腐蚀速率比增大 在 CF4 中加入少量 O2 可增加 Si SiO2 Si3N4 的腐蚀速率 原因是氧可以抑制 F 游离基在反应腔壁的 损失 还有 CF4 O2 F O COF COF2 CO 上式中的 COF 寿 命较长 当它运动到样品表面时发生下述反应 COF F CO 4F Si SiF4 2 AL 的等离子腐蚀 因为 ALF3 是一种低挥发性物质 因而不能采用 CF4 作为腐蚀剂 通常 用氯化物 SiCL4 BCL3 通常 AL 表面总有一层约 3NM 的自然氧化 层 AL2O3 它阻碍了铝的腐蚀 使铝的腐蚀过程变的复杂 在腐蚀铝之 前 必须首先去除自然氧化层 AL 腐蚀反应腔必须设计的能防止水气的 11 侵入 因为腐蚀产物 ALCL3 具有准挥发性和吸水性 挥发不良的 ALCL3 可沉积在反应腔壁上 当腔壁暴露在大气中时 ALCL3 就吸收大量的水 分 再次进行腐蚀时 吸收的水分就挥发并影响腐蚀过程 在腐蚀 AL 的工艺中最常遇到的就是 AL 的后腐蚀问题 其原因是在 光刻胶中残留有含 CL 的反应产物 如与空气中的湿气就形成 HCL 使 AL 继续被腐蚀 所以一般在腐蚀后立即通入含碳氟化物 以置换 CL 离 子 对于 AL 腐蚀以后的去胶工艺时间间隔要求也很严 一般要求不超过 2 小时 表一 常用材料的腐蚀剂 待蚀材料腐蚀剂 Si 单晶 CF4 CF4 O2 多晶硅CF4 CL2 HBR SF6 BCL3 CL2 AL AL Si AL Si CuCL2 BCL3 SiCL4 BCL3 CL2 CHF3 SiO2 BPSG CF4 C2F6 CHF3 Si3N4SF6 CF4 12 第四章第四章在线干法腐蚀设备结构在线干法腐蚀设备结构 工艺原理简介工艺原理简介 在腐蚀工艺过程中需要特别考虑的常见工艺参数有 1 ETCH RATE 2 ETCH UNIFORMITY 3 SELECIVITY 4 PROFILE 5 CD LOSS 6 OXIDE LOSS 7 WIDOW VIA STEPCOVERAGE 一 SIN 腐蚀 SIN 腐蚀的目是为的了形成有源区 即器件形成区域 但是在这一步被腐 蚀的 SIN 区域是后面长的是场氧 形成场区 SIN 留下的区域才是有源 区 6 GASAD 腐蚀设备是 P5K SIN 低压力 终点控制 腐蚀气体主要是 SF6 腐蚀速率在 2200A MIN SIN 对 OXIDE 的选择比在 3 左右 SIN 腐蚀需要特别注意 PRSINPAD OXIDESI SUB GASAD ETCH 13 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 PAD OXIDE 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 二 OXIDE 腐蚀 6 主要有 LAM384T ASIQ P5K OXIDE 5 主要有 AME8111 主要腐蚀工艺有 孔腐蚀 通孔腐蚀 SPACER 腐蚀 平坦化腐蚀 钝化腐蚀等 腐蚀气体主要为 CHF3 CF4 Ar O2 其中 CHF3 是产生 POLYMER 的主要气体 可以提高 SIO2 对 Si POLY Si PR 的选择比 调整 CHF3 CF4 的比例 可以控制 POLYMER 的产生 Ar 为惰性气体 可以运载离子 增强离子轰击 帮助控制 POLYMER 调整 PROFILE He 为背面冷却气体 孔和通孔都要求有良好的 AL 台阶覆盖 OXIDE 腐蚀设备特点 384T 为三电极式结构 见下图示 ASIQ 为 4 个腔体的384T P5K OXIDE 为应用材料的 MXP 采用静电吸附硅 片 可以提高腐蚀速率的均匀性 14 15 16 1 孔腐蚀 WINDOW1 的介质结构一般为 BP7500A 经回流漂洗后厚度约为 5500A 为保证一定的台阶覆盖 WINDOW 腐蚀一般采用两步腐蚀法 STEP1 ISO ETCH 各向同性腐蚀 AE2001 1 STEP2 ANISO ETCH 各向异性腐蚀 ASIQ P5K OXIDE RIE ETCH 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 在线一般用腐蚀以后的场氧厚度来监控孔腐蚀是否干净 2 平坦化工艺与 VIA 腐蚀 PRBPTEOSSI POLY OXIDE ISO ETCH ANISO ETCH 17 平坦化腐蚀 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 M1 台阶片 5500A PETEOS AR FILLET 18K PETEOS PLAN 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 我们的 VIA 工 艺实际上同时也是又一次平坦化腐蚀 PRPETEOSMETAL1 STEP1 STEP2STEP3 18 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 腐蚀一般分三步主要工艺 STEP1 OXIDE PR 6 1 STEP2 OXIDE PR 1 2 为保证 AL2 的台阶覆盖 STEP3 OXIDE PR 2 1 1 1 OVER ETCH 反应机理 CHF3 CF3 H CF3 CF2 F CHF3 CHF2 F CHF2 CHF F 影响选择比的几个主要因素 1 CHF3 CF4 RATIO 2 PRESS 3 Ar FLOW 4 RF 5 He COOLING 6 电极温度 7 total concentration of fluorinated species 19 3 Spacer etch 一般当器件特征尺寸做至 1 2UM 以下时 在 POLY 腐蚀以后会有一步 SPACER 工艺 其作用是保护 POLY 侧壁 实现源 漏注入自对准 减 小因源漏注入造成的横向扩散 spacer 作用 1 实现注入自对准 2 保护 POLY 侧壁 spacer 腐蚀 STEP1 TEOS 终点控制 STEP2 LPSIN 终点控制 时间 STEP3 OVER ETCH 在线监控 FOX 损失量 SEM 检查 SPACER 宽度 4 钝化腐蚀 略 LPTEOSSPACER ETCH SPACER SIZE 20 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 三 POLY ETCH 主要设备有 P5K POLY T1611 主要腐蚀气体为 CL2 HBR HCL 等 POLY ETCH PROCESS STEP1 BREAKTHROUGH STEP OPTIONAL STEP2 MAIN ETCH STEP OPTICAL EMISSION ENDPOINT STEP3 OVER ETCH STEP POLY 腐蚀工艺中需注意的是 1 POST ETCH SIDEWALL 2 STRINGERS 3 MICROLOADING 4 UNIFORMITY 5 PROFILE CD CONTROL 6 SELECTIVITY TO OXIDE 7 POLYSi PR SELECTIVITY 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 HF DIP 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 21 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 1HF DIP 10SEC 之后测量的值才是真实的残氧值 四 METAL ETCH 主要设备有 H 200 T1612 P5K METAL AME8330 主要腐蚀气体 CL2 BCL3 CF4 N2 1 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 P5000 METAL 为单片式刻蚀系统 有一个 28 位的硅片储存室 可 以一次将所有圆片传入室内 等待刻蚀 两个 PROCESS CHAMBER 一 个 STRIP CHAMBER 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 PRPOLYGATE OXIDE SUB POLY ETCH PRMETALOXIDE SUB METAL ETCH 22 蚀发生 第五章第五章干法腐蚀工艺中的终点检测干法腐蚀工艺中的终点检测 早期的监控方法是计时法 假定被腐蚀材料的膜厚已知 先通过实验 确定腐蚀速率 然后在工艺过程中 由计时确定终点 单由于影响腐蚀速 率的因素很多 如压力 温度 流量 气体比例等 腐蚀速率难于重复 用定时的方法不能满足工艺要求 用观察腐蚀过程中腐蚀层干涉颜色的变化来确定终点 其方法虽然简 单 但它要求操作者能够识别不同复合层的图形颜色 而且需要有充分的 暴露面积以供腐蚀过程中用肉眼观察 因而不适应大生产 采用终点控制可以较精确的控制腐蚀时间 屏蔽因为腐蚀速率的差异 造成的时间误差 充分实现腐蚀设备的自动化 目前主要有发射光谱法 光学反射法 质谱法 探针法 阻抗监视法等 总之 凡是在腐蚀终点能 够发生明显变化的参量都可以作为终点检测的信号 形成相应的终点检测 方法 现在我们常用的是光谱法 其物理理论是每一种物质受到能量激发 都会发出其特定的波长 硅片在被腐蚀的时候 腔体内维持一个稳定的反 应气氛 所探测的物质波长发射密度基本不变 当硅片快要腐蚀结束时 即到达终点位置 密度会发生突变 这样经过光电信号转换 即可探 23 测到终点位置 使用这种方法需要注意的是 1 所用于探测波长的物质必 须要有足够的密度 2 必须要能够发生突变 24 第六章第六章干法去胶干法去胶 当 SiO2 或 Al 等待刻蚀材料腐蚀完毕后 起刻蚀掩蔽作用的光刻胶必 须去除干净 以给下一步工序留下一个清洁的表面 去胶的基本原则是 1 去胶后硅片表面无残胶 残迹 2 去胶工艺可靠 不损伤下层的衬底表面 3 操作安全 简便 4 无公害及生产成本低 目前除了采用湿法去胶外 还有等离子去胶 干法去胶 我们所用的干 25 法去胶设备有 A1000 单片式 DES 筒式 A1000 去胶设备为一种等 离子体下游式