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Chapter6 EtchingProcess 一 刻蚀的目的和方法1 目的 将光刻得到的胶膜图形转移到硅片表面的薄膜上 即利用光刻胶膜的覆盖和保护作用 以化学反应或物理作用的方式去除没有胶保护的薄膜 完成图形转移的目的 2 方法 a 湿法腐蚀 用化学溶液腐蚀无胶保护的膜 生成溶于水的副产物 优点 简单 方便 成本低 各向同性腐蚀的多 选择性高 缺点 环境污染 横问腐蚀较大 小线条误差大 有底膜区难腐蚀 b 干法腐蚀 用等离子体等方法选择腐蚀 优点 各向异性腐蚀 横向腐蚀小 适合刻细线条 缺点 设备复杂 成本高 表面有一定的损伤 二 刻蚀质量参数 1 各向异性度AfB df dmB 0orB 0 各向同性腐蚀时B 2hf 各向异性刻蚀时B 0 3 刻蚀选择比Sfm 4 负载效应 不同的待刻负载下 刻蚀速率不同 2 刻蚀速率R nm min 三 湿法腐蚀 特点 湿法腐蚀工艺基本上是各向同性 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 同时他主要适用于大尺寸条宽的器件生产 优缺点 1 优点 低成本 高产出 高可靠性以及其优良的选择比 2 缺点 A 腐蚀液及DIWATER的成本比干法腐蚀用气体成本高 湿法腐蚀的特点及其优缺点 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 7 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反应时可能存在多种反应机理 许多反应是一种或多种反应共同作用的结果 2020 3 24 8 影响湿法腐蚀的因素 1 掩膜材料 主要指光刻胶 2 须腐蚀膜的类型 如SIO2 POLY SILICON等 3 腐蚀速率4 浸润与否 2020 3 24 9 影响腐蚀速率的因素 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6 腐蚀时的作业方式 喷淋 浸没或是旋转 2020 3 24 10 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R快得多 而掺B的氧化层比热氧化层R要慢得多 1 SiO2腐蚀 反应剂输送到表面 腐蚀剂在表面选择 控制反应而腐蚀 反应副产物离开表面 为了使腐蚀液中HF有恒定的浓度 加氟化氨作缓冲剂 同时控制腐蚀液的PH制 减少对光刻胶的损伤 2 氮化硅腐蚀 Si3N4的湿法腐蚀 腐蚀速率R 10nm min Si3N4 SiO2典型选择比10 1 对Si3N4 Si 腐蚀选择比为30 13 多晶硅腐蚀液为缺点 由于SiO2和多晶硅的厚度都是随颜色周期变化 所以终点不易控制 4 铝膜腐蚀 180 C的热磷酸中进行 HF HNO3 35 1 70 热磷酸 注意加振动及时排出副产物H2 或磷酸 硝酸 乙酸 77 3 20 5 硅的腐蚀a 各向同性腐蚀 HF HNO3 HC2H3O2 乙酸 任何比例均可 只是R不同 b 各向异性腐蚀 KOH系列和EPW系列 KOH 异丙醇 水 23 4 13 5 63 晶向的腐蚀速率比晶向快100倍 腐蚀液中无HF 可用SiO2作掩膜 晶向腐蚀速率较慢 Exampleapplication FieldEmissionTips b 轻掺杂自停止腐蚀液 HF HNO3 CH3COOH 1 3 8 P型硅变黑 对任何重掺杂 1019 比轻掺杂快15倍 c SiO2自停止d 111 晶向自停止 c 各向异性腐蚀自停止技术 选择性腐蚀 a 浓硼自停止 掺杂选择性腐蚀 氢氧化钾 EPW腐蚀液 对浓硼腐蚀速率大大减小 小结 搞清化学反应原理 SiO2 HF NH4F H2O 3ml 6g 10mlSi3N4 H3PO4130 150 Al H3PO4 H2O HNO3 CH3COOH 16 2 1 1多晶硅 HNO3 H2O HF 50 20 1单晶硅 HNO3 H2O HF 50 20 1KOH H2O IPA 23 4 63 13 5R 100 R 111 100 1 胶 H2SO4 H2O2 125 硅片表面没有金属有机溶剂剥离 硅片表面有金属 17 在线湿法腐蚀异常 四 干法刻蚀1 高压等离子刻蚀比较高的气压的等离子体 离子的能量低 主要靠等离子体的化学作用 主要源气为CF4 Examples Si SiO2 源气CF4 O2 氧气增加 碳含量减少 氟含量增加 增加硅的腐速 CF4 H2 使F离子减少 增加了对二氧化硅的腐速 HowtoControlSelectivity Example Reason Aluminum PhotoResist CF4 O2 SiO2上 CF4 H2 Si上 Si3N4 金属铝互连线刻蚀 1 铝和金属复合层 通常用氯基气体来刻铝 纯氯刻蚀铝是各向同性的 为了得到各向异刻蚀 刻蚀气体中加入聚合物对侧壁进行钝化 如加入CHF3or从光刻胶中获得的碳 加入BCl3用于物理刻蚀大分子量并能很好的控制侧壁剖面 为减少微负载效应 通常加入少量的N2 VLSI ULSI技术中 多层金属复合膜的复杂性给刻蚀带来了困难 采用多步刻蚀工艺技术刻蚀这种金属复合膜结构 去自然氧化层 去金属层 刻蚀铝 去残留物 刻蚀阻挡层 防止侵蚀残留物的选择去除 去光刻胶刻蚀后马上去除残留的侵蚀性生成物 对铝而言 侵蚀性生成物是AlCl3orAlBr3 它们与水反应生成强腐蚀性的HCl或HBr而腐蚀铝 硅片尽量少暴露在潮气中 Next CF4 O2 Polysilicon First CF4 H2 H2可以消除F 从而可以在侧壁形成不挥发的富C化合物 起到保护作用 2 离子铣 也称离子束刻蚀 IBE 它是一种强方向性的物理刻蚀 能对小尺寸图形产生各向异性刻蚀 优点 定向性好 实用性强 可以刻蚀化合物和合金 电流的最大值受高密度离子束产生的电场的限制 最大电流近似为 注意 刻蚀的不均匀性和残留 3 反应离子刻蚀 RIE 反应离子刻蚀是采用化学反应和物理离子轰击去除硅表面材料的技术 与高压等离子刻蚀不同的是硅片放在功率电极上 在阴极上产生一个直流自偏压 使硅片与等离子体产生一个的电压差 使刻蚀更具各向异性 源气可以是氯气和CF4 常用的是氯气 掺杂的硅或多晶硅在氯气中的腐蚀与掺杂浓度有很大的关系 重掺杂的腐速大于轻掺杂的 氯气以化学方法吸附在硅表面 阻碍Cl原子的进一步吸收 受离子轰击使表面加快刻蚀 用氯刻蚀铝时注意刻蚀后及时处理以去除表面的Cl离子 注意 反应离子刻蚀中在衬底上留下残余损伤和化学污染是严重的问题 还有物理损伤和杂质推进 4 高密度等离子 HDP 刻蚀在先进的制造技术中刻蚀关键层的主要方法是单片处理的HDP 它能刻蚀小尺寸高深宽比的图形 有大的选择比和很小的残留损伤 这对刻很薄的膜和极浅的孔非常有用 常用的结构有 a 电子回旋加速振荡 ECR b 电感耦合等离子体 ICP c 双等离子体源 DPS 5 如何提高选择比a 侧壁沉积聚合物b 添加气体 提高选择比 不同的气体比例 选择性不同 c 温度对选择性的影响 d 反应生成保护膜 也能提高腐蚀的选择性 Itisathree stepsequence 1 RemovenativeoxidewithBCl32 EtchAlwithCl basedplasma3 ProtectfreshAlsurfacewiththinoxidation 干法刻蚀小结 1 干法刻蚀剂SiCF4 O2SiO2CF4 H2Si3N4CF4 O2orH2有机物O2AlCl2硅化物CF4 O2难容金属CF4 O2AuCl2 2 干法刻蚀方法 1 高压等离子刻蚀 用Si 卤键代替Si Si键CvF SivSi Si F 17kca mol等离子体中离子浓度为1010 cm3 产生CF3 CF2 C和F的原子团具有强的反应性 它们不断轰击表面 从而达到刻蚀的目的 2 离子铣 等离子体中的惰性气体 刻蚀是完全类似喷沙的机械过程 各向异性刻蚀 可刻蚀化合物 但生产能力小 3 反应离子刻蚀 RIE 在离子铣的基础上加反应气体 使用RF 硅片放在功率电极上 基于Cl2的等离子体用于刻蚀硅合率的各项异性刻蚀 但对衬底有损伤 4 高密度等离子体 HDP 高离子流 刻蚀速率快 对浮空结构充电 有刻蚀损伤 1 电子回旋加速器ECR 2 高密度等离子