半导体工艺基础第五章刻蚀

1、西南科技大学理学院2013.03.15第五章 Etch 刻 蚀Etch 刻蚀内容n熟悉刻蚀术语n比较：干法刻蚀、湿法刻蚀nIC工艺中四种被刻蚀的材料和主要的刻蚀剂nIC工艺的刻蚀过程n注意刻蚀工艺中的危险Definition of EtchnProcess that removes material from surfacenChemical, physical or combination of the two nSelective or blanket etchnSelective etch transfers IC design image on the photoresist to t

2、he surface layer on wafernOther applications: Mask making, Printed electronic board, Artwork, etc.栅掩膜对准 Gate Mask Alignment栅掩膜曝光 Gate Mask ExposureDevelopment/Hard Bake/InspectionEtch Polysilicon刻蚀多晶硅Etch Polysilicon 继续Strip Photoresist 剥去光刻胶Ion ImplantationRapid Thermal Annealing刻蚀术语n刻蚀速率n选择比n刻蚀均匀性

3、n刻蚀剖面n湿法刻蚀n干法刻蚀nRIE：反应离子刻蚀刻蚀速率d = d0 - d1 () is thickness change and t is etch time (min)PE-TEOS PSG film, 1 minute in 6:1 BOE at 22 C,Before etch, t = 1.7 mm, After wet etch, t = 1.1 mm刻蚀均匀性n圆片上和圆片间的重复性nStandard Deviation Non-uniformity标准偏差不均匀性 N points measurementsnMax-Min Uniformity 最大最小均匀性刻蚀选择比n

4、Selectivity is the ratio of etch rates of different materials.nSelectivity to underneath layer and to photoresist举例nEtch rate for PE-TEOS PSG film is 6000 /min, etch rate for silicon is 30 /min, nPSG to silicon刻蚀剖面刻蚀剖面湿法刻蚀nWet Etchn湿法刻蚀Wet EtchnChemical solution to dissolve the materials on the wafe

5、r surfacen刻蚀的副产品是气体液体或者是一些溶解在刻蚀溶剂中的物质 The byproducts are gases, liquids or materials that are soluble in the etchant solution.nThree basic steps, etch, rinse and dryWet Etchn纯粹的化学过程，且各向同性 Pure chemical process, isotropic profilen广泛的应用IC工业生产中，当特征尺寸小于3微米 Was widely used in IC industry when feature siz

6、e was larger than 3 micronnStill used in advanced IC fabs 硅片的清洗Wafer clean 表面薄膜的清除 Blanket film strip 测试硅圆薄膜和清清洗Test wafer film strip and clean湿法刻蚀剖面 Wet Etch ProfilesCant be used for feature size is smaller than 3 mmReplaced by plasma etch for all patterned etch湿法刻蚀硅的氧化物 Silicon Dioxiden运用HF 溶液 Hyd

7、rofluoric Acid (HF) SolutionnHF 溶液中通常添入氟化铵，即为缓释溶液，或者掺入高纯水以减缓刻蚀速度 SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2OnWidely used for CVD film quality controlnBOE: Buffered oxide etch（氧化层缓释刻蚀）nWERR: wet etch rate ratio（湿法刻蚀速率）Wet Etching Silicon or PolynSilicon etch normally use mixture of nitric acid (HNO3) and hydrofluoric a

8、cid (HF)nHNO3 oxidizes the silicon and HF removes the oxide at the same time.nDI water or acetic acid can be used to dilute the etchant, and reduces the etch rate.Isolation FormationWet Etching Silicon NitridenHot (150 to 200 C) phosphoric acid H3PO4 Solutionn在180 C 对硅的氧化物具有高度的选择性High selectivity to

9、 silicon oxiden用于硅的局部氧化或氮化物的清除 Used for LOCOS and STI nitride stripWet Etching AluminumnHeated (42 to 45C) solutionnOne example: 80% phosphoric acid, 5% acetic acid, 5% nitric acid, and 10 % waternNitric acid oxidizes aluminum and phosphoric acid removes aluminum oxide at the same time.nAcetic acid

10、slows down the oxidation of the nitric acid 乙酸降低硝酸氧化的速度.Wet Etching TitaniumnH2O2 :H2SO4 =1:1 nH2O2 oxidizes titanium to form TiO2nH2SO4 reacts with TiO2 and removes it simultaneouslynH2O2 oxidizes silicon and silicide to form SiO2nH2SO4 doesnt react with SiO2影响湿法刻蚀的因素Factors that Affect Wet Etch Ra

11、ten温度 Temperaturen化学试剂的浓度 Chemical concentrationn被刻蚀的薄膜成份 Composition of film to be etched湿法刻蚀的危险nHFnH3PO3nHNO4nH2SO4n腐蚀剂Corrosiven氧化剂OxidizerAdvantages of Wet Etchn高选择性High selectivityn相对便宜的设备Relatively inexpensive equipmentn完整的设备，大批量生产Batch system, high throughputDisadvantages of Wet Etchn各向同性（横向）

12、刻蚀 Isotropic Profilen不能得到3mm以下的特征尺寸Cant pattern sub-3mm featuren过高的化学药品使用量High chemical usagen有危险的化学药品Chemical hazards 干法刻蚀nPlasma Etch 等离子体刻蚀n反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIE）n离子束腐蚀离子束腐蚀（一）、等离子体腐蚀原理（一）、等离子体腐蚀原理 低压（低压（131300Pa）环境中）环境中RF电场作用下，气体电场作用下，气体原子或分子产生电离，形成自由离子、电子及自由基原子或分子产生电离，形成自由离子、电子及自由基（中性原子和分子）构成的等离子体。

13、其中自由基占（中性原子和分子）构成的等离子体。其中自由基占90%以上。自由基是一种处于激发态的气体粒子，具以上。自由基是一种处于激发态的气体粒子，具有较强的化学活性，又称活性基，它与被刻蚀物质发有较强的化学活性，又称活性基，它与被刻蚀物质发生化学反应，产生挥发性物质，达到腐蚀的目的。因生化学反应，产生挥发性物质，达到腐蚀的目的。因等离子体中活性基自由程较小，可以认为到达被刻蚀等离子体中活性基自由程较小，可以认为到达被刻蚀材料上各处粒子的碰撞几率大致相同，因而等离子腐材料上各处粒子的碰撞几率大致相同，因而等离子腐蚀是各向同性的。蚀是各向同性的。 一、一、 等离子体刻蚀等离子体刻蚀432*2*3*

14、4*CFCFFCFFCFFCF如如Si、多晶硅的等离子腐蚀，采用、多晶硅的等离子腐蚀，采用CF4气体作气体作为腐蚀气体：为腐蚀气体： CF4气体电离后，形成自由基气体电离后，形成自由基 激发态氟基激发态氟基F* 和上述材料分别反应如和上述材料分别反应如下：下：反应后生成的反应后生成的SiF4有很高的挥发性，随即有很高的挥发性，随即被抽走。被抽走。44 *SiFSiF等离子腐蚀装置等离子腐蚀装置1、圆筒形反应器、圆筒形反应器（二）、等离子腐蚀装置（二）、等离子腐蚀装置 1、圆筒形反应器、圆筒形反应器n (1)可用于干法去胶，反应气体为氧等离子体。可用于干法去胶，反应气体为氧等离子体。n (2)带

15、孔的铝屏蔽罩把等离子体与反应室隔开，带孔的铝屏蔽罩把等离子体与反应室隔开，只有较长寿命的自由基达到硅片表面进行腐蚀，只有较长寿命的自由基达到硅片表面进行腐蚀，从而避免硅片直接受离子轰击的影响，显著提高从而避免硅片直接受离子轰击的影响，显著提高腐蚀的均匀性，增加光刻胶的寿命；腐蚀的均匀性，增加光刻胶的寿命；n (3)通过铝屏蔽罩的反应粒子以任意方向入射到通过铝屏蔽罩的反应粒子以任意方向入射到硅片表面上，因而圆筒形刻蚀为各向同性。硅片表面上，因而圆筒形刻蚀为各向同性。 2、平行平板型反应器、平行平板型反应器n该结构特点：该结构特点：（1）上下电极彼此平行，间距）上下电极彼此平行，间距25cm，电场

16、均匀地分布在平行极板之间，电场电场均匀地分布在平行极板之间，电场中的离子垂直硅片表面作定向运动，使中的离子垂直硅片表面作定向运动，使腐蚀具有一定的各向异性；腐蚀具有一定的各向异性；（2）腐蚀速率高，选择性好，设备简单，）腐蚀速率高，选择性好，设备简单，成本低。成本低。1、腐蚀速率、腐蚀速率 (1)射频功率越高，腐蚀速率越快。但较高的功率射频功率越高，腐蚀速率越快。但较高的功率会降低光刻胶的抗蚀性，导致腐蚀的可控性变差；会降低光刻胶的抗蚀性，导致腐蚀的可控性变差； (2)增加腐蚀气体流量，将增加活性离子浓度，腐增加腐蚀气体流量，将增加活性离子浓度，腐蚀速率相应增大。但流量过大会导致压力增高，使蚀

17、速率相应增大。但流量过大会导致压力增高，使电子的自由程缩短，气体的离化率变低，腐蚀速率电子的自由程缩短，气体的离化率变低，腐蚀速率会下降；会下降； (3)衬底温度升高，腐蚀速率增大。为确保腐蚀的衬底温度升高，腐蚀速率增大。为确保腐蚀的重复性，须精确控制反应室与衬底温度；重复性，须精确控制反应室与衬底温度； （三）、等离子腐蚀性能（三）、等离子腐蚀性能 (4)腐蚀气体种类和气体成份对腐蚀速率影响较大。腐蚀气体种类和气体成份对腐蚀速率影响较大。 各种含氟气体对各种含氟气体对Si（111）面的腐蚀速率的顺序如）面的腐蚀速率的顺序如下：下：CF4CCl3FCCl2F2CHCl2F CF4+（512%）

18、O2刻蚀气体刻蚀气体: Si/SiO2刻蚀速刻蚀速率比为率比为10：1 CF4+H2刻蚀气体：刻蚀气体：SiO2/Si刻蚀速率比刻蚀速率比 10 n2、腐蚀均匀性、腐蚀均匀性 采用平行平板反应器且反应室采用恒采用平行平板反应器且反应室采用恒温控制可提高片内、片间及批次间腐蚀温控制可提高片内、片间及批次间腐蚀均匀性。均匀性。n3、负载效应、负载效应 在给定气体流量、气压和输入功率条在给定气体流量、气压和输入功率条件下，待刻蚀样品数量增加，刻蚀速率件下，待刻蚀样品数量增加，刻蚀速率下降。下降。 （一（一)、反应离子刻蚀（、反应离子刻蚀（RIE） 1、原理、原理 在很低的气压下（在很低的气压下（1.

19、313Pa）通过反应气体放电产）通过反应气体放电产生各种活性等离子体，射频电场使活性离子作定向运动，生各种活性等离子体，射频电场使活性离子作定向运动，产生各向异性腐蚀；活性离子在电场作用下又加速化学产生各向异性腐蚀；活性离子在电场作用下又加速化学反应过程，加快了腐蚀的速度。反应过程，加快了腐蚀的速度。 不仅能刻蚀用等离子体刻蚀法难以刻蚀的不仅能刻蚀用等离子体刻蚀法难以刻蚀的Al-Si-Cu、SiO2等材料，其刻蚀的方向性也优于等离子体腐蚀法，等材料，其刻蚀的方向性也优于等离子体腐蚀法，因此是目前因此是目前VLSI广泛采用的干式腐蚀方法。广泛采用的干式腐蚀方法。 二、二、 反应离子刻蚀（反应离子

20、刻蚀（RIE） 2、RIE 刻蚀装置刻蚀装置 接地电（阳极）接地电（阳极）等离子体区（亮区）等离子体区（亮区）电位降区（暗区）电位降区（暗区）浮空电极（阴极）浮空电极（阴极）射频发生器射频发生器CbVaV工作原理（以射频型为例）：工作原理（以射频型为例）：aVbVittt直流偏压直流偏压 3、特点、特点 （1）化学反应与物理反应相结合，产生各向异性腐）化学反应与物理反应相结合，产生各向异性腐蚀，刻蚀效果好；分辨率能达到蚀，刻蚀效果好；分辨率能达到0.1-0.2m mm，对大多数，对大多数材料的选择比已超过材料的选择比已超过10：1。 （2）RIE的反应气压极低的反应气压极低反应气压低，气体的平

21、均自由程大，导致离子被电场反应气压低，气体的平均自由程大，导致离子被电场作用的距离、速度与动能增大，加速轰击样品表面，作用的距离、速度与动能增大，加速轰击样品表面，物理切削作用强。物理切削作用强。 4、刻蚀气体与被刻蚀材料、刻蚀气体与被刻蚀材料46CFSFSi、Poly-Si、Si3N4、Mo、W CHF3 SiO2 CCl3 Al, Ti O2 光刻胶光刻胶 1、原理、原理 射频等离子体中产生的惰性气体离子射频等离子体中产生的惰性气体离子Ar+在在低压（低压（0.1313Pa）环境中被加速轰击样品表面，）环境中被加速轰击样品表面，通过和样品材料原子间的动量交换达到腐蚀的目通过和样品材料原子间

22、的动量交换达到腐蚀的目的。的。 2、特点、特点（1）纯物理性腐蚀法，各向异性腐蚀，腐蚀速）纯物理性腐蚀法，各向异性腐蚀，腐蚀速率低；率低；三、离子束腐蚀（离子铣）三、离子束腐蚀（离子铣）（2）离子纯度高，定向性好，离子能量分布）离子纯度高，定向性好，离子能量分布 均匀，分辨率很高（均匀，分辨率很高（0.01m mm）；）；（3）可腐蚀任何材料，刻蚀重复性、均匀性优）可腐蚀任何材料，刻蚀重复性、均匀性优良；良；（4）缺点是腐蚀速率慢，刻蚀选择性较差，刻）缺点是腐蚀速率慢，刻蚀选择性较差，刻蚀时会产生再淀积现象。蚀时会产生再淀积现象。3、被刻蚀材料：、被刻蚀材料： Si 、SiO2、GaAs、Ag

23、、Au、光刻胶等。、光刻胶等。 几个概念：平均自由程 Mean Free Path (MFP)nThe average distance a particle can travel before colliding with another particle.nN 是粒子浓度 n is the density of the particlen是粒子碰撞的横截面积 is the collision cross-section of the particlenEffect of pressure: 1/PnPressure too high, MFP will be too shortn电离需要1

24、5 eV 的能量 Ionization usually require at least 15 eVnElectrons cant get enough energy to ionize if MFP is too shortn需要真空和RF 维持稳定的等离子体 Need vacuum and RF to start and maintain stabilize plasma离子轰击 Ion BombardmentnElectrons are moving much faster than ionsnElectrons reach electrodes and chamber wall fir

25、stnElectrodes are charged negatively, repel electrons and attract ionsnCharge difference near the surface forms sheath potentialnSheath potential accelerates ions towards the electrode and causes ion bombardment离子轰击的相关条件Ion BombardmentnIon energynIon densitynBoth controlled by RF power离子轰击控制 Ion Bom

26、bardment ControlRF功率 RF powernIncreasing RF power, DC bias increases, ion density also increases.n离子浓度与离子冲击能量都需要通过射频控制Both ion density and ion bombardment energy are controlled by RF power.nRF power 是控制刻蚀速率的主要手段RF power is the main knob to control etch rate Increasing RF power, increases etch rate u

27、sually reduces selectivity自偏压 Self-BiasnDifferent size electrodesnNo net charge build up in plasmanCharge fluxes on both electrodes are the samenSmaller electrode has higher charge densitynLarger DC bias between plasma and smaller electrode干法刻蚀和湿法刻蚀的比较化学刻蚀 Chemical Etchn纯粹的化学反应 Purely chemical react

28、ionn产生的副产品是气体或者可以直接溶在刻蚀剂中Byproducts are gases or soluble in etchantsnHigh selectivityn各向同性 Isotropic etch profilenExamples: Wet etch Dry strip物理刻蚀 Physical Etchn惰性离子的轰击 Bombardment with inert ions such as Ar+n通过物理手段除去表面的材料 Physically dislodging material from surfacen有等离子过程 Plasma processn各向异性 Anisot

29、ropic profilen低的选择率 Low selectivitynExample: 氩的溅射刻蚀 Argon sputtering etch反应离子刻蚀 Reactive Ion Etch (RIE)n化学刻蚀和物理刻蚀的结合n离子轰击活性离子反应n刻蚀速率高且可控n刻蚀剖面各向异性且可控n选择性好且可控n目前8英寸制造中所有图形都是由RIE刻蚀的RIE试验Etch Process SequencePLASMA ETCHnEtch dielectricnEtch single crystal siliconnEtch polysiliconnEtch metalDielectric EtchnEtch oxide Doped and undoped silicate glass Contact (PSG or BPSG) Via (USG, FSG or low-k dielectric)nEtch nitride STI（浅层隔离） Bonding pad（钝化层）Dielectric EtchnFluorine chemistryn4F + SiO2 SiF4 +2OnCF4 is commonly used as fluor