干法腐蚀工艺

1、By:王永刚王永刚 2002-7-20 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常用材料的等离子体腐蚀原理与工 艺艺 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在线腐蚀工艺中常见异常及处理方 法法 前言前言 在集成电路制造工艺中，刻蚀技术与光刻技术统称为精细加工技术，所不同的是光刻工艺仅 仅是一种表面加工技

2、术而刻蚀工艺则是光刻工艺的延伸和发展，晶片经过曝光、显影后，在光刻 胶上显示出集成电路的图形，刻蚀即利用显影后的光刻胶图形作掩蔽，在 SIO2、SI3N4、金属膜、 多晶硅等不同类型的薄膜上刻蚀出与光刻胶图形相同的集成电路图形来，实现图形的转移。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，之二便是刻蚀技术。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

3、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。 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湿法刻蚀技术采用化学试剂进行刻蚀工艺。 优点：设备简单，刻蚀损伤小。 VSiO2 V U X 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，而且还向侧向刻蚀。湿 法刻蚀线宽一般在 3um 以上。 2干法刻蚀技术 干法刻蚀主要指采用纯化学作用的等离子腐蚀及纯物理作用的离子腐蚀或具有物理、化学作用的 腐蚀方法，是利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

4、，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。 随着大规模集成电路的发展，早先所依靠的湿法腐蚀工艺的局限性愈加突出，湿法工艺不仅 加工精度低，限制了器件尺寸向微细化发展，同时引起了化学试剂对器件的沾污、环境污染及废 液处理等一系列问题，而干法技术因其刻蚀精度高已受到人们的日益重视和推广应用，从 60 年代 后期干法技术最初应用于半导体工艺至今，干法技术在 LSI、VLSI 中得到的应用越来越广泛，对 于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

5、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=V/X（如图 1.1 所示） 图 1.1 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 412

6、 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。 第一章第一章 基本概念基本概念 1、Etch-腐蚀腐蚀 腐蚀就是通过一定的方法（化学药液，特气等）把光刻曝光显影后形 成的图形转移到硅片上，从而形成管芯的各种结构和图形。2、腐蚀的对、腐蚀的对 象象 1) Dielectric (oxide,nitride,etc.) 2) Silicide (polysilicon and silicide) 3) Silicon(single cry

7、stal silicon) 4) Metal(AL.Cu.Si) resist Si 3、E/R（Etch Rate）-腐蚀速率腐蚀速率 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-腐蚀速率均匀性腐蚀速率均匀性 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 RATEMIN ETCH RATE） /2/（AVERAGE ETC

8、H RATE）*100% 5、SELECTIVITY-选择比选择比 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-各向同性各向同性 腐蚀速率在纵向和横向上相同。 7、ANISOTROPY-各向异性各向异性 腐蚀速率在纵向和横向上不一样。 8、CD-（CRITICAL DIMENSIONS）关键尺寸 CD LOSS-条宽损失 9、LOADING-负载效应负载效应 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

9、异。 10、PROFILE -剖面形貌剖面形貌 11、STEPCOVERAGE-台阶覆盖率台阶覆盖率 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 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、一、 等离子体腐蚀等离子体腐蚀 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

10、 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。 二、二、 反应离子腐蚀反应离子腐蚀-RIE 反应离子腐蚀可以看作是一种反应压力更低、各向异性作用更强、 腐蚀速率更高的等离子腐蚀，

11、因其既有化学作用，又有物理作用，所 以能获得良好的腐蚀效果。 常见的反应离子腐蚀结构有两种：其一为一般的阴极耦合方式， 样品置于加有高频的阴极上；其二为阳极耦合方式，样品置于接地的 阴极上，阳极接高频电源，可以认为是等离子腐蚀的变异。 阴极耦合方式 阳极耦合方式 三、三、 平板反应离子腐蚀与平板等离子腐蚀的区别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。 抽气进气 阳极 阴极 抽气进气 阳极 阴极 2反应离子腐蚀装置中两个极板的面积不等；

12、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 13133Pa；反应离子腐蚀的压力为 0.1313Pa，因此，到达阴极的正离子 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。 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

13、料的等离子体腐蚀原理与工艺 1POLY-SI，SI3N4，SIO2 (SOG) 的等离子腐蚀的等离子腐蚀 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（x3）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

14、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. Metal 的等离子腐蚀的等离子腐蚀 对于 Al 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 的能防止水气的侵入，因为腐蚀产物 ALCL3

15、 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。 而对于 W 腐蚀来讲，则是利用氟化物作为腐蚀剂（通常使用 SF6） ， 生成具有挥发性的 WFx，以达到 Etchback 的目的。

16、 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 WSF6，Ar 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： 1ETCH RATE 2ETCH UNIFORMITY 3SELECIVITY 4PROFILE 5CD LOSS 6OXIDE LOSS 7WIDOW/VI

17、A STEPCOVERAGE 一、一、SIN 腐蚀腐蚀 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。 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、二

18、、OXIDE 腐蚀腐蚀 主要有 LAM384T，ASIQ，P5K-OXIDE。 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 PRSINPAD OXIDESI SUB GASAD ETCH 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

19、 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。 1、孔腐蚀、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） PRBPTEOSSI/POLY/OXIDE ISO ETC

20、H ANISO 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、平坦化工艺与 VIA 腐蚀腐蚀 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

21、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 2001 年我们引入了 SOG 工艺，使平坦化技术迈上了一个新的台阶，其简 单工艺流程如下： M1 台阶片-2700A PETEOS-6200A SOG-退火-平坦化腐蚀 平坦化腐蚀的要求： 1. 开通孔的地方无 SOG 残留，如果有残留将导致介质太厚，AL 填充异常 2.在相同台阶之处，台阶要平整；不同台阶之处，特别是台阶过渡区域，台阶的高度 差要合理 VIA 腐蚀：VIA 是使 M1/M2 连接起来的通道。同样要是 M1/M2 连接

22、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 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 C

23、HF2+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 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：TEO

24、S 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）、钝化腐蚀（略） LPTEOSSPACER ETCH SPACER SIZE 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、三、POLY ETCH 主要设备有 P5K-POLY 主要腐蚀气体为 CL2，HBR，HCL 等。 POLY ETCH PROCESS： STEP1-BREAKTHROUGH STEP（OPTIONAL） STEP2-MAIN ETCH STEP （OPTICAL

25、 EMISSION ENDPOINT） STEP3-OVER ETCH STEP POLY 腐蚀工艺中需注意的是： 1POST-ETCH SIDEWALL 2STRINGERS 3MICROLOADING 4UNIFORMITY 5PROFILE/CD CONTROL 6SELECTIVITY TO OXIDE 7POLYSi：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

26、入 He-O2 可以提高对 OXIDE 的选择比。 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、四、METAL ETCH 主要设备有 P5K-METAL，AME8330，TCP9600 主要腐蚀气体：CL2/BCL3/CF4/N2 1AME8330：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

27、。 2P5000-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。 3TCP9600：2001 年新进扩产设备，同样为单片式刻蚀系统，与上述两 台设备的区别之处在于 Plasma 的形成方式不同，并且该设备有一个自带 的流水腔 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 蚀 PRPOLYGATE OXIDE SUB POLY ETCH 发生。 4Centura：随着公司工艺集成度的不断提升，孔的填充问题日益突出， 为解决这一问题，我们引入

28、Tungsten 工艺，配备了该设备，WEB 工艺类 似于平坦化工艺。 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 PRMETALOXIDE SUB METAL ETCH 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。

29、 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 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。 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