集成电路制造中的腐蚀工艺

.集成电路制造中的腐蚀工艺摘要：光刻工艺在集成电路制造过程中需要将光刻的图形复制到硅片上，腐蚀工艺通过光刻胶进行保护，最后完成图形复制操作。腐蚀结果的好坏最终直接影响电路制作完成后影响电路的硅片的外观。在不同材料的腐蚀过程中，根据腐蚀结果，选择不同的腐蚀液体或腐蚀气体，并通过很多实验获得最佳腐蚀结果。本文通过对现有集成电路制造过程中多种材料腐蚀过程的简要说明分析，解决了容易出现的问题。关键词：湿腐蚀；干腐蚀；等离子腐蚀；铝腐蚀Etching for Integrated Circuit马宏-江the 47 th research institute of China electronics technology group，Shenyang，110032，Chinaabstract : we need put the pattern on the wafer through photolithography，But finally pattern will be keep down through etch in IC manufacturatureresult of etching will affect the pattern on the wafer，Finally all those factor will affect the circuit function after IC is finished。we need do enough experiement to decide the best way to etch different m At erial by using different et chant or gas for etching。this article analyses the result of different material in etching process in normal IC manufacture tu Re，and it afford many method to solve so managementKeywords : Wet Etch；Dry etchPlasma Etch；aletch引言在集成电路的制造过程中，腐蚀工艺占有非常重要的地位。制造过程的光刻工艺是将必要的图形复制到硅表面，但这些图形只是光刻胶的图形，光刻胶不能通过后续腐蚀过程在硅片上留下最终图形。腐蚀使用适当的腐蚀液体或腐蚀气体腐蚀未被光刻胶薄膜复盖的基板材料，保留有光刻胶盖的区域。因此，使用的腐蚀液或腐蚀气体可以腐蚀暴露的基板表面材料，使光刻胶的腐蚀程度保持得很小，这样才能准确地蚀刻必要的图形，将图形永久传输到硅片上。蚀刻工艺的正确进展很重要。否则芯片将无法工作。更重要的是，一旦材料蚀刻，就很难纠正蚀刻项目中所犯的错误。错误蚀刻的硅片只能报废，对硅制造商造成损害。1腐蚀过程主要分为湿腐蚀和干腐蚀两类。湿腐蚀是以液体蚀刻剂为主要介质的蚀刻技术，晶片需要液体化学物质或清洗。干腐蚀是以气体为主要介质的蚀刻技术，晶片不需要液体化学物质或清洗。腐蚀过程的主要参数是不完全刻蚀、过刻蚀、钻孔、选择比和各向异性/各向同性刻蚀。2以下是湿干工艺和腐蚀不同材料的说明，说明了集成电路制造的腐蚀过程。1湿腐蚀湿腐蚀采用早期晶片腐蚀技术。该过程通过将硅浸入有蚀刻剂的槽中，通过腐蚀液和腐蚀材料的化学反应去除基板材料，实现了将图形留在硅片上的工作。湿腐蚀是各向同性腐蚀方法。目前，在集成电路制造过程中，湿腐蚀通常仅用于大尺寸(大于3um)。另外，湿法腐蚀仍用于腐蚀硅片的特定层，或在干蚀刻后去除残留。目前，在集成电路制造过程中，湿法腐蚀主要用于硅湿腐蚀、硅湿腐蚀、铝膜湿腐蚀、氮化硅湿腐蚀。1.1硅湿法腐蚀典型的硅腐蚀是含氮物质和氢氟酸的混合水溶液。这个比率规则成为腐蚀控制中的重要因素。在我的过程中硅的腐蚀，背面腐蚀的目的是消除硅在薄后产生的应力和硅渣。腐蚀温度对腐蚀效果影响很大，配置腐蚀溶液后，可能需要时间还原到室温。有些设备必须腐蚀晶片上的凹槽或沟渠。腐蚀公式必须调整，以便腐蚀速度取决于硅片的方向。111方向的硅片是45角100方向的硅片，腐蚀到“平坦”地面。31.2二氧化硅湿法腐蚀二氧化硅腐蚀是最常见的腐蚀层。基本的环氧树脂是一种氢氟酸(HF)，具有在不损害硅的情况下腐蚀二氧化硅的优点。但是在室温下饱和的氢氟酸的腐蚀速度约为300/s。4此速度对于需要控制的进程来说太快了。实际上，氢氟酸(49%)把氢氧化物氟化铵和水混合在一起。用氟化铵缓冲会加快腐蚀速度氢离子的生成。这种腐蚀溶液称为缓冲氧化物腐蚀或BOE(buffered oxide etch)。BOE腐蚀速度和温度响应关系如下图1:图1 BOE腐蚀速度与温度对应关系二氧化硅在热氧化和沉积时腐蚀速度有很大的变化，在实际应用中要注意。1.3铝膜湿腐蚀铝和铝合金层的选择性腐蚀溶液以磷酸为基础。但是铝和磷酸反应的副产品是小型氢泡沫。这种泡沫附着在硅片表面，妨碍腐蚀反应。特殊配方铝腐蚀液可以缓解这个问题。典型比例为：磷酸：硝酸：冰醋酸：水=163336901336013602。此外，在铝腐蚀过程中，通过搅动或上下移动，可以去除气泡，通过超声波或兆频率超声波去除气泡。腐蚀包含SI和Cu的合金铝后，表面经常残留颗粒物质，可以使用脱脂棉轻轻擦拭，也可以使用特定腐蚀液去除。1.4氮化硅湿法腐蚀氮化硅的湿腐蚀液体使用热磷酸(180)，但光致抗蚀层不能承受蚀刻剂的温度和高腐蚀速度，湿腐蚀氮化硅目前在选择性氧化(LOCOS)过程中消除了氮化硅的使用，而源区氮化硅的腐蚀则使用干腐蚀。2干腐蚀干腐蚀由于与湿腐蚀相比具有腐蚀截面的各向异性、良好的CD控制、最低的光刻胶跌落或粘合问题、良好的薄膜内和板材间和布局之间的腐蚀均匀性、低化学产品使用和处理成本，成为现代集成电路制造过程的主要腐蚀方法。当然，干腐蚀也有一些缺点，包括下层材料的恶劣腐蚀选择费、等离子对装置的损坏、昂贵的设备。干式腐蚀装置主要由硅传输系统、热交换系统、真空系统、射频生成系统等组成。等离子体是干腐蚀中最重要的腐蚀因素。在干腐蚀系统中，腐蚀作用是通过化学或物理作用或化学和物理的相互作用实现的。在纯化学机制中，等离子体产生的反应元素与晶片表面的物质反应。为了获得高选择费，进入鱼子酱的煤气都经过了慎重的选择。等离子化学刻蚀是等方的，因此存在线宽调节差异。纯物理机制比腐蚀选择差。会导致粒子和化学污染。现代干腐蚀大部分是离子轰击改善化学腐蚀的物理和化学混合作用机制。腐蚀剖面可以通过调整等离子条件和气体元件，从等方改为等方。这种物理和化学混合机制腐蚀具有较好的线宽控制和较好的选择比例。2.1二氧化硅干腐蚀二氧化硅是一种绝缘材料，在集成电路制造中主要用作掺杂壁垒、表面绝缘层和介质层隔离，干腐蚀主要使用含氟气体。目前我使用的工程气体是三氟甲烷和氧气的混合气体。三氟甲烷是因为对硅的选择比很好。测定二氧化硅干腐蚀质量的参数主要是选择比、腐蚀速度等。这些参数的最终实现是在干腐蚀项目中由工艺菜单中的RF功率、工艺气体、反应室压力、电极温度调整完成的。在实际工艺调整中，这四个工艺参数会影响最终腐蚀质量，工艺调整的目的是很好地融合这些参数，找出最佳工艺方案。在实际工作中，对腐蚀速度影响最大的是RF功率和气体流量。湿腐蚀率对热氧化硅和沉积二氧化硅干腐蚀速度没有太大差异。2.2氮化硅干腐蚀氮化硅通常用于选择性氧化(LOCOS)的源区罩和最后一个钝化保护层，在这两个阶段都不能完成湿腐蚀，因此用作干蚀刻。氮化硅的干腐蚀使用含氟气体。我现在使用的工艺气体是三氟甲烷和氧气的混合气体。测量干腐蚀质量的参数主要是选择比、腐蚀速度等。这些参数的最终实现是在干腐蚀项目中由工艺菜单中的RF功率、工艺气体、反应室压力、电极温度调整完成的。在实际工艺调整中，这四个工艺参数会影响最终腐蚀质量，工艺调整的目的是很好地融合这些参数，找出最佳工艺方案。在没有端部检测的情况下，根据氮化硅厚度显示的颜色差异很大，因此，有时可以通过在设备窗口中观察一种颜色来确定腐蚀终点。3.3多晶硅干腐蚀多晶硅的腐蚀在MOS电路中占有非常重要的地位，掺杂的多晶硅是用作栅极的导电材料。腐蚀后掺杂多晶硅的线宽决定了活动设备的栅极长度，电网长度决定了通道长度，定义了源泄漏极的边界。图2中显示，腐蚀后多晶线厚度直接影响晶体管通道长度，影响性能。图2腐蚀后掺杂的多晶图多晶硅的腐蚀要求对下栅氧化层的选择比高，均匀性和重复性好，并且要求高各向异性。因为多晶硅栅在源/泄漏注入过程中起到了屏障的作用，倾斜侧壁可以掺杂多晶硅栅结构的底部。因此，多晶硅腐蚀后的线宽非常重要。多晶硅腐蚀后线宽均匀性与腐蚀速度非常相关，腐蚀速度太快会减慢侧壁聚合物的生成速度，侧壁聚合物还没有产生反应气体的时间，因此会与光刻胶下的多晶硅发生反应，产生侧腐蚀。要提高侧壁聚合物的生成速度，必须降低多晶硅腐蚀速度。降低多晶硅的腐蚀速度，同时必须在一定时间内蚀刻硅，腐蚀速度太慢会腐蚀光刻胶，影响最终腐蚀后的线宽。多晶硅蚀刻一般用作干蚀刻。多晶硅采用含氯气体的干腐蚀。目前使用的工程气体是氯和氦混合的气体。因为如果选择氯，对下面硅胶的选择率就会很高。3.4铝干腐蚀金属铝主要用于集成电路制造过程的互连，在开发VLSI集成电路之前主要用于金属化工艺材料纯铝。但是硅片表面的浅连接是使用纯铝导线产生的最大问题，铝和硅在合金温度下可以相互扩散，电路的故障和可靠性较差。而纯铝的另一个问题是电迁移。也就是说，铝在一定电流下可以扩散，最直接的影响是使导线变细，在极端的情况下，导线可能完全分离。但是，通过积累包含铝铜合金5或铝钛合金0.1% 0.5%的0.5% 4%铜，可以防止或减少电气移动。在实际应用中，经常使用同时含有铜和硅的铝合金，防止合金问题和电迁移问题。我使用的腐蚀装置在AME-8330腐蚀过程中，铜化合物不挥发，最终留在硅的表面，因此，在用烘干腐蚀硅铝铜合金后，经常需要用铝柱方式去除这些残余物质。对于残留物质铜等聚合物，以硝酸、冰乙酸、磷酸的比例去除这种物质。图2和图3的比较效果：图2含残留的硅片图3通过泡沫铝后处理液的硅片3结论本文对集成电路制造过程的腐蚀过程和部分材料的腐蚀进行了简要说明，分析和解决了一些可能出现的问题，得出了腐蚀过程技术人员已经有的一些实验结论，减少了今后实际工作中出现同样问题的可能性，如果出现这样的问题，可以缩短相应的实验时间。参考文献：【1】有限公司等翻译半导体制造技术北京：电子产业出版社，2015.6；P.40